DE102021208763A1

DE102021208763A1 - Vorrichtung zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers einer elektrischen Einrichtung

Info

Publication number: DE102021208763A1
Application number: DE102021208763.9A
Authority: DE
Inventors: Juergen Gerhart; Michael Rummel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2021-08-11
Publication date: 2023-02-16
Also published as: WO2023016836A1; CN117678139A

Abstract

Vorrichtung (100) zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers (10) einer elektrischen Einrichtung:- wobei die Vorrichtung (100) ausgebildet ist, einen Entladungsfall, bei dem der elektrischen Energiespeicher (10) in einer definierten Zeit entladen werden muss, zu erkennen;- wobei die Vorrichtung (100) ferner ausgebildet ist, das Entladen des elektrischen Energiespeichers (10) mittels eines Entladeelements (11) zu aktivieren;- wobei im Entladungsfall das Entladeelement (11) parallel zum elektrischen Energiespeicher (10) schaltbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers einer elektrischen Einrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers einer elektrischen Einrichtung.
Stand der Technik
Bei elektronischen Steuergeräten von Fahrzeugen, die im elektrischen Hochvolt (HV) Netz betrieben werden, muss in der Regel eine sogenannte „Entladungs-Funktion“ implementiert sein. Diese dient dazu, bei einem Spannungsausfall eines elektrischen Bordnetzes, einem Abkoppeln des HV-Steckers, im Falle eines Unfalls, usw. alle elektrischen Spannungen im Steuergerät auf unter 60V Berührspannung zu entladen.
Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten, die genannte Entladungsfunktion bereitzustellen:

a) Mittels einer passiven Entlade-Einheit (z.B. Entlade-Widerstand oder Entlade-Stromsenke), die permanent an die HV Spannungsversorgung angeschlossen ist. Wenn die elektrische Spannung des Steuergeräts wegfällt, z. B. durch Abkoppeln des HV-Steckers, wird die Elektronik automatisch durch die passive Entlade-Einheit entladen. Diese Variante hat allerdings den Nachteil, dass bei Vorhandensein der HV-Spannung eine ständige Verlustleistung (z. B. 5 Watt) durch die passive Entladeeinheit erzeugt wird, was zur teilweisen Entladung der HV-Batterie führt und unnötig Verlustwärme erzeugt.
b) Mittels einer aktiv geschalteten Entlade-Einheit: in diesem Fall wird die Entladung aktiv an die HV-Versorgung in der ECU geschaltet und erzeugt das Entladen nur dann, wenn die Entlade-Einheit eingeschaltet ist. Diese Variante hat den Nachteil, dass man die Entladung nicht in allen Situationen sicherstellen kann, da man eine aktive Entscheidung für die Entladung treffen muss. Dies ist z.B. durch die Ansteuerung eines Mikrocontrollers möglich. Falls allerdings die Spannungsversorgung des Mikrocontrollers ausfällt oder der Mikrocontroller selbst einen Defekt hat, ist eine Aktivierung der Entladung nicht mehr möglich.

Herkömmliche Entladeschaltungen basieren auf der aktiven oder passiven Entladung der Hochvoltspannung durch einen festen Ohm'schen Widerstand, der permanent (passiv) oder geschaltet (aktiv) die elektrische Hochvoltspannung über den Pufferkondensator des Inverters entlädt. Dies ist z.B. aus US 2017/0355267A1 bekannt.
Dabei wird die elektrische Versorgungsspannung in einem exponentiellen Verlauf in einer definierten Zeitspanne auf ein unteres Spannungspotential entladen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers einer elektrischen Einrichtung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Vorrichtung zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers einer elektrischen Einrichtung:

- wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, einen Entladungsfall, bei dem der elektrischen Energiespeicher in einer definierten Zeit entladen werden muss, zu erkennen;
- wobei die Vorrichtung ferner ausgebildet ist, das Entladen des elektrischen Energiespeichers mittels eines Entladeelements zu aktivieren;
- wobei im Entladungsfall das Entladeelement parallel zum elektrischen Energiespeicher schaltbar ist.

Dadurch wird die Einhaltung einer Norm möglich, die z.B. vorsieht, dass innerhalb von 5s ein elektrischen Energiespeicher eines Steuergeräts auf Berührspannung, insbesondere unter 60V entladen sein muss.
Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers einer elektrischen Einrichtung, aufweisend die Schritte:

- Erkennen eines Entladungsfalls, in der der elektrischen Energiespeicher entladen werden muss; und
- Entladen des elektrischen Energiespeichers mittels wenigstens eines Entladeelements, wobei das Entladeelement parallel zum elektrischen Energiespeicher geschaltet wird und ausgebildet ist, den elektrischen Energiespeicher in einer definierten Zeit zu entladen.

Dadurch wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem ein elektrischen Energiespeicher innerhalb eines definierten Zeitraums auf eine definierte elektrische Spannung entladen wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist, dass der elektrische Energiespeicher als ein oder mehrere Pufferkondensatoren ausgebildet ist. Vorzugsweise sind mehr als ein elektrischer Energiespeicher ausgebildet.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Vergleichs der gemessenen Spannung mit einer Referenzspannung eine Entscheidung getroffen wird, ob ein Entladefall vorliegt, wobei ein Entladezustand vorliegt, wenn eine gemessene Spannung kleiner als eine Referenzspannung ist. Auf diese Weise wird eine Erkennungseinrichtung in Form einer Sample-and-Hold-Schaltung bereitgestellt.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter, insbesondere zyklisch, vorzugsweise für einen ersten Zeitraum, geschalten wird. Vorteilhaft ist, dass eine Spannung erfasst wird, während der Schalter geschalten ist. Weiterhin ist vorteilhaft, dass mittels eines Vergleichs der gemessenen Spannung mit einer Referenzspannung eine Entscheidung getroffen wird, ob ein Entladefall vorliegt, wobei ein Entladezustand vorliegt, wenn die gemessene Spannung kleiner als die Referenzspannung ist.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass bei Erkennen des Entladungsfalls ein Schalter zum Initiieren eines schnellen Entladens des elektrischen Energiespeichers geschaltet wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Versorgungsspannung innerhalb von 10s, insbesondere 6s, vorzugsweise ca. 5s auf ca. 60 V, insbesondere weniger als 60V entladen ist. Dies lässt sich auf einfache Weise z.B. mittels eines entsprechend dimensionierten Widerstands erreichen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Spannung an einer Referenzkapazität durch einen von einem Timer angesteuerten Schalter eingestellt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Timer als ein bistabiles Flip Flop oder als ein programmierbarer Timerbaustein ausgebildet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ferner ein Unterdrückungselement aufweist, das ausgebildet ist, eine Einschaltunterdrückung des Schalters zu realisieren. Vorteilhaft sind auf diese Weise mittels eines Mikrocontrollers, der das Unterdrückungselement ansteuert, Diagnosezwecke für die Vorrichtung realisierbar.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ferner ein passives Entladungselement in elektrisch leitender Verbindung mit der Referenzkapazität aufweist. Auf diese Weise ist ein definierter Vergleich zwischen der Messspannung und der Referenzspannung ermöglicht, wobei z.B. eine zu überwachende Entladekennlinie des Referenzkondensators sehr definiert ausgebildet werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass für ein Bereitstellen einer elektrischen Spannung für den Komparator ein zweistufiger Spannungsteiler vorgesehen ist. Auf diese Weise kann eine Zeitkonstante für den Referenzkondensator optimiert eingestellt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung vorgesehen ist, den elektrischen Energiespeicher eines Steuergeräts definiert zu entladen.
Eine Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der wenigstens eine elektrische Energiespeicher Teil der elektrischen Einrichtung ist. Wobei die elektrische Einrichtung insbesondere ein Steuergerät darstellt oder mit einem solchen verbunden ist, insbesondere zusammenwirkt oder das Steuergerät Teil der elektrischen Einrichtung ist. Wobei die elektrische Einrichtung und/oder das Steuergerät insbesondere in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Wobei die elektrische Einrichtung und/oder das Steuergerät vorzugsweise zur Ansteuerung eines elektrischen Hochvolt Verbrauchers dient, insbesondere eines Antriebsmotors des Fahrzeugs, eines elektrischen Kompressors, eines Lüfters, einer Pumpe oder einer weiteren Versorgungsvorrichtung des Fahrzeugs.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass mittels eines Vergleichs einer gemessenen Spannung mit einer Referenzspannung eine Entscheidung getroffen wird, ob ein Entladefall vorliegt. Weiterhin ist vorteilhaft, dass ein Entladezustand vorliegt, wenn die gemessene Spannung kleiner als die Referenzspannung ist.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Schalter, insbesondere zyklisch, vorzugsweise für einen ersten Zeitraum geschalten wird. Vorteilhaft ist, dass eine Spannung erfasst wird während der Schalter, insbesondere für einen definierten Zeitraum geschalten ist, und dass mittels eines Vergleichs der gemessenen Spannung mit einer Referenzspannung eine Entscheidung getroffen wird, ob ein Entladefall vorliegt, wobei ein Entladezustand vorliegt, wenn die gemessene Spannung kleiner als die Referenzspannung ist.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass bei Erkennen des Entladungsfalls ein Schalter zum Initiieren eines schnellen Entladens des elektrischen Energiespeichers geschaltet wird. Das schnellere Entladen erfolgt über das Entladungselement.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben darin gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.
Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die Vorrichtung zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen betreffend das Verfahren zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers einer elektrischen Einrichtung ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:

1 eine Entladekurve, die mit der Vorrichtung beim Entladen des elektrischen Energiespeichers überwacht wird;
2 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers;
3 einen zeitlichen Verlauf eines Steuersignals für das Bereitstellen einer elektrischen Referenzspannung; und
4 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers einer elektrischen Einrichtung;
5 eine weitere Ausführungsform des Entladeelements; und
6 eine weitere Ausführungsform des Entladeelements.

Beschreibung von Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung schlägt eine elektronische Schaltung vor, die ein Aktivieren einer Entladung eines elektrischen Energiespeichers ohne Einsatz eines Mikrocontrollers oder einer anderen Ansteuerung in einer definierten Situation ermöglicht. Dies wird erreicht, indem mittels einer Sample-Hold-Stufe mit nachgeschaltetem Komparator die HV-Eingangsspannung einer elektrischen Einrichtung überwacht wird. Bei einem definierten Absinken der HV-Eingangsspannung wird eine schnelle Entladeschaltung aktiviert und damit definiert ein schnelles Entladen sichergestellt, auch bei einem Ausfall der Ansteuerung über einen Mikrocontroller.
Die vorliegenden Randbedingungen lassen sich wie folgt skizzieren:

- Realisierung von „passive discharge“ (langsames Entladen). Dies muss so dimensioniert werden, dass die HV Spannung so schnell entladen wird, dass ein Spannungsabfall sicher erfasst werden kann.
- Wenn die HV-Spannung abgeschaltet wird, entlädt sich der oder die elektrischen Energiespeicher über ein passives Entladungselement 18 und die HV-Spannung sinkt definiert schnell um ein definiertes Spannungsniveau (z.B. 20V in 3,5 sec).

1 zeigt eine prinzipielle Wirkungsweise des vorgeschlagenen Verfahrens. Man erkennt einen zeitlichen Verlauf einer elektrischen Versorgungsspannung U. Vorgesehen ist eine permanente Überwachung von ΔU/t1, wobei ein Vergleich mit einem Spannungs-Referenzwert ΔU_ref durchgeführt wird. Im Falle, dass ΔU > ΔU_ref ist, wird ein schneller Entladevorgang (fast discharge) des elektrischen Energiespeichers aktiviert.
Im Ergebnis ist dadurch ein schnelles Entladen des elektrischen Energiespeichers 10 unterstützt, z.B. innerhalb von 1 s. t1 kann z.B. mit 0,1 s dimensioniert sein (Faktor 10 kleiner als die schnelle Entladung). Damit ist eine schnelle Entladung schneller als 5s, vorzugsweise innerhalb von 4,6 - 4,7 s möglich.
2 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Erkennen eines Entladungsfalls eines elektrischen Energiespeichers 10. Der genannte elektrische Energiespeicher 10 (DC-Link-Kondensator, DCL-Kondensator) kann z.B. zur Pufferung von elektrischer Spannung in einem elektronischen Steuergerät eines E-Fahrzeugs angeordnet sein, wobei die elektrische Versorgungsspannung HV⁺ 60V oder mehr, insbesondere 200V, 400V, 800V oder 1000V, betragen kann. Denkbar ist ein einzelner oder mehrere elektrischen Energiespeicher 10.
In 2 ist der elektrische Energiespeicher 10 beispielhaft als Pufferkondensator ausgebildet. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung steht der elektrische Energiespeicher für Pufferspeicher oder Pufferelemente oder generell Bausteine der elektrischen Einrichtung, die dafür ausgebildet sind, elektrische Energie zu speichern. Insbesondere kann der elektrische Energiespeicher 10 auch als eine oder mehrere Batterien, vorzugsweise als Sekundärbatterie ausgebildet sein. Auch kann der elektrische Energiespeicher eine Kombination aus einem Kondensator und einer Batterie, insbesondere Sekundärbatterie darstellen.
Man erkennt am Eingang eines Komparators 15 einen zweistufigen Spannungsteiler mit einem ersten Spannungsteiler R1/R2 und einem zweiten Spannungsteiler R3/R4. Der zweite Spannungsteiler R3/R4 ist lediglich optional und dient dazu, die unter Umständen sehr hohe elektrische Versorgungsspannung HV⁺ auf ein für den Komparator 15 günstiges Niveau abzusenken. Denkbar wäre auch ein einstufiger Spannungsteiler mit den beiden Ohm'schen Widerständen R1, R2.
Man erkennt ein Entladeelement 11 in beispielhafter Form eines konstanten Ohm'schen Widerstands, das in Serie zu einem Schalterelement 12 geschaltet ist. Im Falle eines Erkennens eines unzulässigen Abfalls bzw. Unterbrechung der Versorgungsspannung HV⁺oder HV^-, zum Beispiel als Folge eines Unfalls, eines technischen Wartungsvorgangs, eines Kabelfehlers, usw. wird das Schalterelement 12 geschlossen und dadurch der elektrischen Energiespeicher 10 über das Entladeelement 11 in Form des Ohm'schen Widerstands „schnell“ entladen.
Eine dafür geeignete Erkennungs- bzw. Triggerschaltung der Vorrichtung 100 wird im Folgenden näher erläutert.
Mittels eines Timers 13, der einen Schalter 14 zyklisch ansteuert, wird ein alternierendes Laden eines Referenzkondensators Cref mit einer Sample-Hold-Stufe, der die elektrische Referenzspannung U_ref bereitstellt, durchgeführt. Erkennbar ist ein nachgeschalteter Komparator 15, der einen Vergleich der aktuellen Messspannung U_mess mit einer Referenzspannung U_ref durchführt, wobei die Messspannung ein Abbild der Versorgungsspannung HV⁺ ist und die Referenzspannung U_ref im Normalfall kleiner als die elektrische Messspannung U_mess sein muss. Unter einem „Normalfall“ wird in diesem Zusammenhang eine Nicht-Entladesituation des elektrischen Energiespeichers 10 verstanden.
Bei einem Abfall der HV-Spannung HV⁺ sinkt die Messspannung U_mess unter die Referenzspannung U_ref, wodurch das schnelle Entladen des elektrischen Energiespeichers 10 aktiviert wird. In diesem Fall wird durch den Komparator 15 ein logisches elektrisches Signal ausgegeben, welches einem optionalen Unterdrückungselement 16 (z.B. ODER-Glied) zugeführt wird, welches zusätzlich von einem Mikrocontroller (nicht dargestellt) angesteuert wird und dazu dient, eine Einschaltunterdrückung, z.B. zu Diagnosezwecken der Vorrichtung 100 zu realisieren. Ein Ausgangssignal des Unterdrückungselements 16 wird einem Inverter 17 zugeführt, der die richtige Polarität für ein einen Schalter 12 ansteuerndes Steuersignal bereitstellt.
Man erkennt ferner, dass die Vorrichtung 100 ein optionales passives Entladungselement 18 aufweist. Das optionales passives Entladungselement 18 ist beispielhaft in Form eines Widerstands ausgebildet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann es auch als Strom-Senke ausgebildet sein. Damit ist ein definierter Vergleich zwischen der Messspannung U_mess und der Referenzspannung U_ref ermöglicht, wodurch z.B. eine gemäß 1 zu überwachende Entladekennlinie des Referenzkondensators C_ref sehr definiert ausgebildet werden kann.
Vorzugsweise ist das optionale passive Entladeelement 18 notwendig um im Entladefall einen Spannungsabfall zu erhalten. Wobei der Spannungsabfall eine Aktivierung des „schnellen Entladens“ über das Entladeelement 11 benötigt wird. Die genau Funktionsweise wird im Folgenden beschrieben.
Weiterhin dient das optionale passives Entladungselement 18 als sekundärer Entladungspfad, insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung ausfällt. Insbesondere erfolgt die Entladung über das optionales passives Entladungselement 18 deutlich langsamer, insbesondere in ca. 120 s oder weniger. Insbesondere ist das optionales passives Entladungselement 18 als Widerstand, vorzugsweise mit höheren Widerstandswert als das Entladungselement 11, ausgeführt. Der Widerstandswert ist erhöht um die Verlustleistung gering zu halten.
Ist kein optionales passives Entladeelement 18 ausgebildet, so aktiviert die Schaltung, insbesondere während dem ersten Zeitraum t1, den Schalter 12. Fällt die Spannung unter die Referenzspannung U_ref oder ist der Spannungsabfall selbst größer als ein definierter Wert, so bleibt der Schalter 12 geschlossen. Wird kein Spannungsabfall festgestellt, so wird der Schalter 12 wieder geöffnet. Das Schließen zur Erfassung eines Spannungsabfalls des Schalters 12 wird zyklisch wiederholt. Liegt ein Spannungsabfall vor, dieser ist jedoch nach der Zeit t1 geringer als Referenzspannung U_ref so wird der Schalter 12 wieder geöffnet. Ein solcher kleiner Spannungsabfall kann insbesondere durch Fehlauslösung, insbesondere aufgrund von Spannungseinbrüche am Bordnetz erfolgen.
3 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines elektrischen Steuersignals S für den Schalter 14. Man erkennt darin eine Periode t1 mit einer Einschaltzeit t_ein, in welcher der Schalter 14 geschlossen ist und mit einer Ausschaltzeit t_aus, in welcher der Schalter 14 geöffnet ist. Auf diese Weise wird der Referenzkondensator C_ref mit Hilfe des Timers 13 zyklisch auf die elektrische Referenzspannung U_ref geladen.
Im Ergebnis wird auf diese Weise ein alternierendes Laden des Referenzkondensators C_ref mit einer Sample-Hold-Stufe durchgeführt.
Mit dem ersten Spannungsteiler R1, R2 wird die elektrische Referenzspannung U_ref bereitgestellt, wobei eine Dimensionierung des ersten Spannungsteilers derart ist, dass damit z.B. 90% der Messspannung U_mess bereitgestellt werden. Damit ist sichergestellt, dass im Normalfall die Referenzspannung U_ref immer kleiner ist als die Messspannung U_mess. Mit dem vom Timer 13 zyklisch angesteuerten Schalter 14 wird der Referenzkondensator C_ref stets auf der aktuellen Messspannung U_mess gehalten. Dies geschieht alternierend mit einer vorgegebenen Zeit t1, wobei der elektronische Schalter 14 den Lade-/Entladestrom im Referenzkondensator C_ref bidirektional führt.
Der zweite Spannungsteiler R3, R4 kann eingesetzt werden, um einen Komparator 15 für kleinere elektrische Spannungen einzusetzen (z.B. max. 25V, wobei in einer günstigen Auslegung die Spannung an R3 ca. 5% von HV+ beträgt).
Im Entladungsfall sinkt die Messspannung U_mess wegen einer Entladung über „passive discharge“ ab, so wird die Spannung U_ref der Messspannung U_mess für die Einschaltzeit t_ein nachgeführt. (z. B. mit 0,2 x t1, also 20 ms). Der „passive discharge“ erfolgt insbesondere über das Entladungselement 18. In der Ausschaltzeit t_aus sinkt die Messspannung U_mess unter die Referenzspannung U_ref und der Komparator 15 schaltet. Dies führt zur Aktivierung des schnellen Entladens, wodurch der elektrischen Energiespeicher 10 sehr schnell (z.B. in ca. 1 sec) auf einen definierten Spannungswert, z.B. auf < 60V entladen werden kann. Innerhalb des zweiten Zeitraums t2 erfolgt dann die schnelle Entladung über das Entladeelement 11. Der Verlauf ist hierbei abhängig von dem Entladeelement 11. Insbesondere ist der Verlauf exponentiell, wenn das Entladeelement einen Widerstand umfasst oder als solcher ausgebildet ist. Ist das Entladeelement 11 dagegen als Strom-Senke ausgebildet, so ergibt sich ein linearer Verlauf, mit vorzugsweise konstantem Entlade-Strom.
Bei einem Verhältnis von Widerstandswerten des Spannungsteilers R3, R4 von 1:20 (z.B. 20 kOhm : 400 kOhm) kann bei einem elektrischen Spannungsabfall von 20V ein Unterschied von U_mess zu U_ref von < 1 V erkannt werden (o.k.-Fall).
Bei einem Verhältnis von Widerstandswerten des Spannungsteilers R1, R2 mit 90 kOhm : 10 kOhm (90%) und einer Referenzkapazität C_ref bei 5*tau in 20 msec ergibt sich ein Kapazitätswert des Referenzkondensators Cref folgendermaßen: $C_{ref} = Tau/R = 1 / 5 \times 0.02 s / 10 kOhm = 400 nf$
Tau ... Zeitkonstante des Referenzkondensators C_ref
Falls die Referenzspannung U_ref größer ist als eine Spannung am Widerstand R3 des zweiten Spannungsteilers, erfolgt eine Entladung des Referenzkondensators C_ref über R2 + R3 || R1 (ca. 27 kOhm). Dabei ergibt sich: $5 \times Tau = C_{ref} \times R = 400 nF \times 27 kOhm = 54 ms (o .k . - Fall)$
Der Timer 13 kann durch verschiedene Standardschaltungen realisiert werden, z.B. als bistabiles Flipflop, programmierbarer Timerbaustein, usw.
Bei Spannungseinbrüchen auf der HV-Leitung darf das schnelle Entladen nicht für mehrere Timer-Zyklen (z. B. max. 5 x t1) fälschlich aktiviert werden, weil dann der Entladewiderstand 11 aufgrund des schnellen Entladens thermisch überlastet werden kann. Der Entladewiderstand 11 wird daher so ausgelegt, dass er den elektrischen Energiespeicher 10 innerhalb von z.B. 1s entladen kann.
Beim Einschalten eines elektronischen Geräts mit der Vorrichtung 100 könnte es dazu führen, dass aufgrund undefinierter Spannungspegel im elektronischen Gerät HV Kreis das „fast discharge“ fälschlicherweise aktiviert wird. Hierzu könnte das fast discharge-Signal durch den Mikrocontroller unterdrückt werden. In der Regel ist dies aber zulässig, da ein „fast discharge“ beim Einschalten des elektrischen Geräts für kurze Zeit in der Regel akzeptiert werden kann.
Diagnosemöglichkeiten ergeben sich durch eine Rückmessung und einen Vergleich von U_ref und U_mess, sowie eine Überwachung der Ein-/Ausschaltzeit des Timers 13. Zusätzlich kann eine zyklische Überwachung des schnellen Entladens durch eine Aktivierung über den Mikrocontroller durchgeführt werden. Ein Test des Komparators 15 und der Aktivierung von „fast discharge“ kann durch ein testweises Einspeisen einer Testspannung für die Referenzspannung, die größer als die Messspannung U_mess ist, durchgeführt werden.
Es versteht sich von selbst, dass alle vorgenannten Zahlenwerte und Dimensionierungsangaben lediglich beispielhaft sind. Der elektrischen Energiespeicher 10 kann z.B. zur Pufferung einer elektrischen Betriebsspannung in einem elektronischen Steuergerät eines elektrischen Fahrzeugs vorgesehen sein. Denkbar sind aber auch andere Anwendungsfälle, in denen eine elektrische Spannung eines elektrischen Energiespeichers 10 definiert entladen werden soll. Ein Kapazitätswert des elektrischen Energiespeichers 10 kann z.B. durch EMV-Vorgaben oder sonstige einschlägige Normen vorgegeben sein.
Die vorgeschlagene Vorrichtung 100 kann bei allen HV-Geräten, die eine Entladung der Elektronik benötigen, eingesetzt werden, z.B. bei einem e-Kompressor, der einen elektrisch gesteuerten Kompressor zum Zwecke einer Innenraum-Klimatisierung eines Fahrzeugs realisiert.
4 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens.
In einem Schritt 200 wird ein Erkennen eines Entladungsfalls, in der der elektrischen Energiespeicher 10 entladen werden muss, durchgeführt.
Das Erkennen erfolgt wie zuvor beschrieben mittels dem optionalen passiven Entladeelement 18 oder durch, insbesondere zyklisches, Schalten des Schalters 12.
In einem Schritt 210 wird ein Entladen des elektrischen Energiespeichers 10 mittels wenigstens eines Entladeelements 11 durchgeführt, wobei das Entladeelement 11 parallel zum elektrischen Energiespeicher 10 geschaltet wird und ausgebildet ist, den elektrischen Energiespeicher 10 in einer definierten Zeit auf einen definierten Spannungswert zu entladen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Entladeelement 11 als Strom-Senke ausgebildet. In 5 und 6 sind entsprechende Entladeelement dargestellt.
Das Entladeelement 11 gemäß 5 weist einen Depletion-MOS-FETs auf. Zusätzlich kann das Entladeelement 11 einen Widerstand R5 umfassen. Der Widerstand ist zwischen der Source S und dem Gate G des Depletion-MOS-FETs angeordnet. Durch ein Verbinden des Gates G und Source S durch den Widerstand R5 wird eine negative Gate-Source-Spannung U_GS erzeugt, sodass der Depletion-MOS FET als Konstant-Stromsenke mit einem definierten Strom entsprechend seiner Kennlinie eingesetzt werden kann. Insbesondere bei großen Ströme, vorzugsweise größer 100mA könnte der Wiederstand R5 auch entfallen. Entsprechend würde dann das Gate G und die Source S des Depletion-MOS-FETs direkt miteinander verbunden werden. Eine Höhe des elektrischen Stroms ergibt sich dabei aus einer Division der Threshold-Spannung des Depletion-MOS FET durch einen Widerstandswert des Widerstands R5. Die in 5 beispielhaftgezeigte Diode stellt ein parasitäres Element des Depletion-MOS-FET dar.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Entladeelements 11 mit Bipolar-Transistoren T1, T2, die innerhalb einer an sich bekannten Strombegrenzungsschaltung verschaltet sind. Dabei wird mittels des Widerstandes R5 ein elektrischer Strom ermittelt, wobei ein Stromfluss durch den Transistor T1 überwacht wird. Ein elektrischer Spannungsabfall über R5 steigt im Falle eines steigenden elektrischen Stroms durch den Transistor T1. Sobald die Spannung am Widerstand R5 einen definierten Spannungsgrenzwert, insbesondere 0.65V, erreicht, beginnt der Transistor T2 zu leiten, wobei der Transistor T2 elektrischen Strom von der Basis von T1 ableitet und auf Masse leitet. Dies reduziert den Kollektorstrom des Transistors T1 und hält die elektrische Spannung am Widerstand R1 konstant bei einem definierten Wert, insbesondere bei ca. 0.7 V.
Vorteilhaft ist, dass die Entladung mit einem Entladungselement, welches als Strom-Senke ausgebildet, insbesondere gemäß einem der beiden vorhergehenden Ausführungen, mit einem konstanten Strom erfolgt. Insbesondere ergibt sich entsprechend in 2 im Zeitraum t2 ein im Wesentlich linearerer Verlauf der Spannung.
Gemäß einer Weiterbildung ist das passive Entladeelement ebenfalls als Strom-Senke gemäß einem der Ausführungsformen zuvor ausgeführt.
Der Fachmann kann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20170355267 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (100) zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers (10) einer elektrischen Einrichtung: - wobei die Vorrichtung (100) ausgebildet ist, einen Entladungsfall, bei dem der elektrischen Energiespeicher (10) in einer definierten Zeit entladen werden muss, zu erkennen; - wobei die Vorrichtung (100) ferner ausgebildet ist, das Entladen des elektrischen Energiespeichers (10) mittels eines Entladeelements (11) zu aktivieren; - wobei im Entladungsfall das Entladeelement (11) parallel zum elektrischen Energiespeicher (10) schaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher als Pufferkondensator ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Vergleichs einer gemessenen Spannung (U_mess) mit einer Referenzspannung (U_ref) eine Entscheidung getroffen wird, ob ein Entladefall vorliegt, wobei ein Entladezustand vorliegt, wenn die gemessene Spannung (U_mess) kleiner als die Referenzspannung (U_ref) ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter (12), insbesondere zyklisch, vorzugsweise für einen ersten Zeitraum (t1) geschalten wird, und dass eine Spannung (U_mess) erfasst wird, während der Schalter (12) geschalten ist, und dass mittels eines Vergleichs der gemessenen Spannung (U_mess) mit einer Referenzspannung (U_ref) eine Entscheidung getroffen wird, ob ein Entladefall vorliegt, wobei ein Entladezustand vorliegt, wenn die gemessene Spannung (U_mess) kleiner als die Referenzspannung (U_ref) ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen des Entladungsfalls ein Schalter (12) zum Initiieren eines schnellen Entladens des elektrischen Energiespeichers (10) über das Entladungselement (11) geschaltet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Versorgungsspannung innerhalb von 10s, insbesondere 6s, vorzugsweise ca. 5s auf ca. 60 V oder weniger entladen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung an einer Referenzkapazität (Cref) durch einen von einem Timer (13) angesteuerten Schalter (14) eingestellt wird.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Timer (14) als ein bistabiles Flip Flop oder als ein programmierbarer Timerbaustein ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Unterdrückungselement (16) das ausgebildet ist, eine Einschaltunterdrückung des Schalters (12) zu realisieren.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein passives Entladungselement (18) in elektrisch leitender Verbindung mit der Referenzkapazität.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Bereitstellen einer elektrischen Spannung für den Komparator (15) ein zweistufiger Spannungsteiler (R1, R2, R3, R4) vorgesehen ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) vorgesehen ist, die elektrischen Energiespeicher (10) eines Steuergeräts definiert zu entladen.
Verfahren zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers (10) einer elektrischen Einrichtung (200), aufweisend die Schritte: - Erkennen eines Entladungsfalls, in der der elektrischen Energiespeicher (10) entladen werden muss; und - Entladen des elektrischen Energiespeichers (10) mittels wenigstens eines Entladeelements (11), wobei das Entladeelement (11) parallel zum elektrischen Energiespeicher (10) geschaltet wird und ausgebildet ist, den elektrischen Energiespeicher (10) in einer definierten Zeit auf einen definierten Spannungswert zu entladen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Vergleichs der gemessenen Spannung (U_mess) mit einer Referenzspannung (U_ref) eine Entscheidung getroffen wird, ob ein Entladefall vorliegt, wobei ein Entladezustand vorliegt, wenn die gemessene Spannung (U_mess) kleiner als die Referenzspannung (U_ref) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter (12), insbesondere zyklisch, vorzugsweise für einen ersten Zeitraum (t1) geschalten wird, und dass eine Spannung (U_mess) erfasst wird während der Schalter (12) geschalten ist, und dass mittels eines Vergleichs der gemessenen Spannung (U_mess) mit einer Referenzspannung (U_ref) eine Entscheidung getroffen wird, ob ein Entladefall vorliegt, wobei ein Entladezustand vorliegt, wenn die gemessene Spannung (U_mess) kleiner als die Referenzspannung (U_ref) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen des Entladungsfalls ein Schalter (12) zum Initiieren eines schnellen Entladens des elektrischen Energiespeichers (10) über das Entladungselement (11) geschaltet wird.