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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung, umfassend wenigstens eine Halbbrücke, die zwei Leistungsschaltelementen umfasst, und zwei Treiberschaltungen, wobei die Halbbrücke parallel zu wenigstens einem Energiespeicher schaltbar oder geschaltet ist und die Leistungsschaltelemente jeweils einen schaltbaren Abschnitt aufweisen, dessen elektrischer Widerstand über eine an einem Steuereingang des Leistungsschaltelements anliegende Steuerspannung des Leistungsschaltelements einstellbar ist, wobei in einem Normalbetrieb der Leistungsschaltelemente die Steuerspannung jeweils über eine Treiberschaltung des Leistungsschaltelements erzeugbar ist. Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebseinrichtung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltungsanordnung.
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Im Bereich der Elektrifizierung von Fahrzeugen, insbesondere der Elektromobilität, werden als Antriebseinrichtungen für Fahrzeuge, beispielsweise Kraftfahrzeuge wie Elektrokraftfahrzeuge oder Hybridkraftfahrzeuge, elektrische Maschinen eingesetzt, üblicherweise elektrische Drehfeldmaschinen. Beispielsweise können permanenterregte Synchronmaschinen, fremderregte Synchronmaschinen und/oder Asynchronmaschinen eingesetzt werden. In der entsprechenden Antriebseinrichtung wird als elektrische Schaltungsanordnung üblicherweise ein insbesondere mehrphasiger Inverter verwendet, der die elektrische Maschine ansteuern kann. Der Inverter kann als Bindeglied zwischen der Gleichspannungsseite, insbesondere repräsentiert durch eine Hochspannungsbatterie, und der Wechselstromseite, insbesondere repräsentiert durch die elektrische Maschine, verstanden werden.
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Ein Bestandteil derartiger Inverter ist üblicherweise auch ein Energiespeicher, der die Gleichspannung am Inverter stützen kann und beispielsweise als ein Zwischenkreiskondensator ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der Zwischenkreiskondensator auch die weitere Aufgabe erfüllen, Signale auf der Hochvolt-Gleichstromseite des Inverters zu filtern. Aus Sicherheitsgründen muss die Spannung des Zwischenkreiskondensators bzw. allgemein Energiespeichers beim Beenden einer Betriebsphase, beispielsweise beim Abstellen des Kraftfahrzeugs, und/oder in kritischen Situationen entladen werden (aktives Entladen). Infolge der großen Kapazität solcher Energiespeicher und der hohen Spannung können hohe elektrische Energien vorliegen, so dass dedizierte Entladeschaltungen bzw. deren Entladeelemente, insbesondere Entladewiderstände, groß und teuer sein können. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, den Energiespeicher über einen Entladewiderstand und einen Halbleiterschalter aktiv zu entladen. Hierbei entstehen sowohl hohe Kosten als auch ein signifikanter Bauraumverbrauch. Darüber hinaus werden der Entladewiderstand selbst sowie gegebenenfalls umliegende Bauelemente stark erhitzt.
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Elektrische Schaltungsanordnungen wie der genannte Inverter umfassen ferner zur Wechselstromseite hin üblicherweise auch wenigstens eine Halbbrücke, insbesondere eine der Zahl der Phasen entsprechende Anzahl von Halbbrücken. Halbbrücken weisen üblicherweise Leistungsschaltelemente, beispielsweise IGBTs und/oder MOSFETs, auf, die mittels einer jeweils zugeordneten Treiberschaltung zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand umgeschaltet werden können, indem eine entsprechende Steuerspannung an einem Steuereingang (Gate-Eingang) angelegt wird. Die, wie erwähnt, üblicherweise als Halbleiterschalter ausgelegten Leistungsschaltelemente sind darüber hinaus jedoch grundsätzlich auch in einem sogenannten Linearbereich betreibbar, in dem ein durch die Steuerspannung am Steuereingang einstellbarer Widerstand eingestellt werden kann. Dabei wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, diesen Linearbereich für gewollte Entladevorgänge während des Normalbetriebs zu nutzen.
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In diesem Zusammenhang offenbart
DE 10 2014 202 717 B3 ein System mit einer Steuerregelung, einem Wechselrichter, einem Zwischenkreiskondensator, welcher mit Eingangsanschlüssen des Wechselrichters gekoppelt ist, mindestens einem Temperatursensor, welcher dazu ausgelegt ist, eine Temperaturänderung der Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters zu ermitteln, und einem Spannungssensor, welcher dazu ausgelegt ist, die Spannung an dem Zwischenkreiskondensator zu ermitteln. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgelegt, basierend auf einem Steuersignal der Steuerregelung den Halbleiterschalter anzusteuern. Das Steuersignal wird als eine Folge von Steuersignalpulsen mit einer einstellbaren Pulslänge erzeugt, so dass die Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters bei einem Ansteuern gemäß dem Steuersignal während der Pulslänge nicht vollständig leitfähig sind, so dass basierend auf einer ermittelten Temperaturänderung des Temperatursensors und einer ermittelten Spannungsänderung des Spannungssensors während des Ansteuerns der Halbleiterschalter eine aktuelle Kapazität des Zwischenkreiskondensators berechnet werden kann.
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DE 10 2017 121 579 A1 betrifft eine aktive Entladeschaltung für einen Zwischenkreiskondensator unter Verwendung von Phasenzweigschaltern, wobei unter Verwendung von lediglich lokalen Maßnahmen innerhalb eines Wechselrichtermoduls und ohne jegliche zusätzlichen Komponenten eine Entladung in einem Antriebssystem für ein Elektrokraftfahrzeug erfolgen kann. Dabei wird vorgeschlagen, Gate-Treiber, die an Phasenzweige gekoppelt sind, zu nutzen, um obere und untere Schaltvorrichtungen einer Halbbrücke gleichzeitig in Übergangszuständen anzuschalten, was sicherstellt, dass die Schaltvorrichtungen eine Impedanz bereitstellen, die die Kondensatorleitung ableitet, während die Vorrichtungen vor übermäßigen Temperaturen geschützt werden. IGBTs können gemäß einem Algorithmus pulsweitenmoduliert werden, der einen flussschwächenden Strom treibt, der zu keinem vorhandenen Drehmoment führt, während die Ladung auf dem Kondensator abgeleitet wird.
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CN 107196546 A offenbart ein aktives Entladungssystem eines Motorcontrollers, wobei bei aktivem Entladen die Treibermodule eines oberen Brückenarms angesteuert werden, Halbleiterschalter in einen geschlossenen Zustand zu schalten, während Halbleiterschalter eines unteren Brückenarms durch niedrigere Treiberspannungen der Treibermodule in einen Linearbereich geschaltet werden, um einen gewissen Widerstand bereitzustellen. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter der unteren Brückenarme über die Treibermodule erfolgt ebenso über Pulsweitenmodulation.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber kostengünstigere, robustere und einfach umsetzbare Möglichkeit zum aktiven Entladen eines Energiespeichers, insbesondere eines Zwischenkreiskondensators, anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung ferner eine Entladesteuerschaltung aufweist, wobei in wenigstens einem Entladebetrieb zum Entladen des Energiespeichers durch die Entladesteuerschaltung für wenigstens eines der Leistungsschaltelemente eine das Leistungsschaltelement in einen Linearbetrieb versetzende Entladespannung als Steuerspannung erzeugbar ist.
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Soll also der Energiespeicher, beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator, entladen werden, wird wie grundsätzlich bekannt in einen Entladebetrieb geschaltet, für den gemäß der vorliegenden Erfindung eine zu den Treiberschaltungen separate Entladesteuerschaltung eingesetzt wird. Im Entladebetrieb liefern nicht die Treiberschaltungen eine Steuerspannung an den Steuereingängen wenigstens eines der Leistungsschaltelemente der bzw. jeder Halbbrücke, sondern als Steuerspannung wird durch die Entladesteuerschaltung für das wenigstens eine der Leistungsschaltelemente eine Entladespannung derart bereitgestellt, dass das Leistungsschaltelemente in einen Linearbetrieb versetzt wird, mithin einen durch die Entladespannung bestimmten Widerstand bereitstellt. Dabei kann die Entladesteuerschaltung grundsätzlich in einer ersten Ausgestaltung nur für eines der Leistungsschaltelemente der Halbbrücke die Entladespannung als Steuerspannung für den Linearbetrieb bereitstellen, wobei das andere Leistungsschaltelement in den geschlossenen, also vollständig durchlässigen, Zustand geschaltet werden kann, was auch mittels der dortigen Treiberschaltung möglich ist. In einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform kann die Entladesteuerschaltung für beide Leistungsschaltelemente als Steuerspannung Entladespannungen für den Linearbetrieb bereitstellen, wobei dann keine der Treiberschaltungen Steuerspannungen liefert. Der Entladebetrieb kann dabei insbesondere, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, allgemein über eine Entladesteuereinrichtung gesteuert werden, welche auch die Treiberschaltungen (Gate-Treiber) für den Entladebetrieb insoweit deaktivieren kann, dass diese keine Steuerspannungen mehr bereitstellen, sondern als Steuerspannungen Entladespannungen über die Entladesteuerschaltung geliefert werden.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik wird mithin vorgeschlagen, eine separate Entladesteuerschaltung zu verwenden, so dass Entwicklungsaufwand und Kostenaufwand für eine Modifikation der Treiberschaltungen entfallen kann. Dies ist beispielsweise dahingehend relevant, dass die Entladesteuerschaltung robust und kostengünstig realisiert werden kann, was insbesondere auch Prüfungsaufwand für die sicherheitsrelevante Funktion des aktiven Entladens reduziert. Die Funktion des Entladebetriebs ist ferner nicht von der Funktion der Treiberschaltungen abhängig, so dass insbesondere auch ohne Pulsweitenmodulation gearbeitet werden kann.
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Auch bei der vorliegenden Erfindung treten die Vorteile ein, dass die Entladung des Energiespeichers nicht über einen aufwändigen, teuren Entladewiderstand erfolgen muss, sondern über die wenigstens eine Halbbrücke der elektrischen Schaltungsanordnung stattfinden kann. Auch ein zusätzlicher Leistungshalbleiter für eine dedizierte Entladeschaltung ist mehr notwendig, so dass geringere Kosten, geringerer Bauraum und geringeres Gewicht erreicht werden und keine Erhitzung umliegender Schaltungsteile durch das aktive Entladen zu befürchten ist. In einer besonders vorteilhaften, konkreten Ausgestaltung der Entladesteuerschaltung kann vorgesehen sein, dass die Entladesteuerschaltung wenigstens eine parallel zu dem Steuereingang wenigstens eines der Leistungsschaltelemente geschaltete Widerstandsanordnung umfasst, wobei die Widerstandsanordnung zwischen mehreren Zuständen schaltbar ist und abhängig von dem Zustand der Widerstandsanordnung unterschiedliche Entladespannungen für das Leistungsschaltelement erzeugbar sind. Widerstände sind kostengünstig realisierbare und robuste Teile, deren Einsatz besonders vorteilhaft ist und einer einfachen Ausgestaltung der Entladesteuerschaltung zuträglich ist. Hierbei ist es zwar grundsätzlich denkbar, als Widerstandsanordnung wenigstens einen einstellbaren Widerstand vorzusehen, bevorzugt ist es im Rahmen der Erfindung jedoch, wenn die Widerstandsanordnung mehrere über jeweils ein Widerstandsschaltelement parallel zu dem Steuereingang des Leistungsschaltelements schaltbare Widerstände umfasst. Auf diese Weise ist es möglich, durch die Widerstandsanordnung einen einstellbaren Widerstandswert bereitzustellen, in dem mittels der Widerstandsschaltelemente, welche als einfache Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren, ausgebildet sein können, unterschiedliche Kombinationen der mehreren Widerstände zugeschaltet werden. Eine Steuerlogik zur Ansteuerung solcher Widerstandsschaltelemente ist ebenso einfach zu realisieren. Sowohl Widerstandsschaltelemente als auch Widerstände sind äußerst robust und kostengünstig erhältlich.
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Zweckmäßigerweise kann die Widerstandsanordnung mit wenigstens einem weiteren Widerstand einen Spannungsteiler bilden, wobei über dem Spannungsteiler eine von einer Spannungsquelle erzeugte Versorgungsspannung abfällt. Ein Spannungsteiler mit der Widerstandsanordnung und dem weiteren Widerstand, der insbesondere einen konstanten Widerstandswert aufweist, stellt einen einfachen, robusten, kostengünstig realisierbaren und wohlbekannten Weg dar, eine einstellbare Steuerspannung als Entladespannung bereitzustellen, die über der Widerstandsanordnung abfällt. In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass die Versorgungsspannung der Spannungsquelle auch eine Versorgungsspannung der Treiberschaltung ist. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Kosten für die Darstellung der Versorgung anfallen. Möglich ist es alternativ selbstverständlich auch, dass die Spannungsquelle separat von einer Spannungsquelle der Treiberschaltung ist, wodurch eine höhere Funktionssicherheit bzw. Ausfallsicherheit gewährleistet werden kann. Auch ist in einer Ausführungsform die redundante Nutzbarkeit der Spannungsquelle der Treiberschaltung und einer zusätzlichen Spannungsquelle für die Entladesteuerschaltung grundsätzlich denkbar.
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Allgemein ist noch anzumerken, dass als Leistungsschaltelemente mit besonderem Vorteil Halbleiterschalter herangezogen werden können, insbesondere IGBTs und/oder FETs, insbesondere MOSFETs. Dabei entspricht der Steuereingang solcher Halbleiterschalter üblicherweise dem Gate-Eingang, wobei zudem, wie grundsätzlich bekannt, ein Source-Eingang und ein Drain-Eingang vorgesehen sind. Im Linearbetrieb kann gesagt werden, dass, je höher die Entladespannung über der Gate-Source-Strecke ist, desto mehr die Halbleiterschalter durchsteuern und desto niederohmiger sie sind. Im Ausführungsbeispiel der mehreren Widerstände mit jeweiligen Widerstandsschaltelementen kann gesagt werden, dass, je mehr der Widerstandsschaltelemente geschlossen sind, desto niederohmiger die Strecke von Gate zu Source der Halbleiterschalter ist und desto weniger Entladespannung darüber abfällt, da bei dem Spannungsteiler mehr Spannung, bezogen auf die Versorgungsspannung, über dem weiteren Widerstand abfällt.
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Wie bereits erwähnt, kann die Entladesteuerschaltung wenigstens eine Entladesteuereinrichtung, insbesondere wenigstens ein Steuergerät, beispielsweise einen Mikrocontroller, und/oder eine mehrere Logikelemente umfassende Steuerschaltung, umfassen. Die Entladesteuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Höhe der Entladespannung des wenigstens einen Leistungsschaltelements in Abhängigkeit einer Entladeinformation einzustellen. Beispielsweise kann die Entladesteuereinrichtung im oben genannten Beispiel der Widerstandsanordnung mit mehreren Widerständen und zugeordneten Widerstandsschaltelementen ausgebildet sein, die Entladespannung durch Schalten der Widerstände der Widerstandsanordnung, also das Ansteuern der Widerstandsschaltelemente, einzustellen. Dabei kann die Entladesteuereinrichtung beispielsweise durch einen Mikrocontroller bereitgestellt werden, bevorzugt ist es jedoch, eine robuste und kostengünstige Umsetzung der Entladesteuereinrichtung über eine mehrere Logikelemente umfassende Steuerschaltung zu realisieren, mithin diskrete, robuste, kostengünstig verfügbare und einfach prüfbare, diskrete Bauelemente als Logikelemente.
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Die Entladeinformation kann wenigstens einen einen Entladestrom eines zu entladenden Energiespeichers beschreibenden Entladestrommesswert und/oder wenigstens einen eine Spannung des zu entladenden Energiespeichers beschreibenden Spannungsmesswert umfassen. Dabei werden mit besonderem Vorteil ohnehin als Teil der elektrischen Schaltungsanordnung vorgesehene Messeinrichtungen genutzt. Mit anderen Worten kann sich an vorhandener Sensorik bedient werden. Handelt es sich bei der elektrischen Schaltungsanordnung beispielsweise um einen Inverter, insbesondere für eine elektrische Antriebseinrichtung, ist eine Messung der über dem Energiespeicher, beispielsweise einem Zwischenkreiskondensator, abfallenden Spannung ohnehin auszuführen. Dabei muss die Ermittlung nicht zwangsläufig über eine dedizierte, am Energiespeicher vorgesehene Messeinrichtung erfolgen, sondern es können auch zwei jeweils den Spannungsabfall über den Leistungsschaltelementen der Halbbrücken beschreibende Spannungsmesswerte, beispielsweise über entsprechende Messeinrichtungen, ermittelt werden, aus denen, insbesondere durch Summenbildung, auch die Spannung des zu entladenden Energiespeichers, mithin der entsprechende Spannungsmesswert, ermittelt werden kann. Hierbei können die Messketten bzw. Messeinrichtungen für die Messungen der Spannungsmesswerte der passiven Entladung zugeschrieben werden, welche aus Sicherheitsgründen in derartigen elektrischen Schaltungsanordnungen, beispielsweise Invertern, ohnehin zweckmäßig vorzusehen ist, so dass mithin auch derartige Messeinrichtungen nicht als zusätzliche Vorrichtungen bzw. zusätzlicher Aufwand zu verstehen sein können.
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Der die Spannung des zu entladenden Energiespeichers beschreibende Spannungsmesswert gibt hierbei im Wesentlichen an, ob und inwieweit ein Entladevorgang (noch) erfolgen muss. Der Entladestrom des zu entladenden Energiespeichers ist ein Maß dafür, ob die beiden Leistungsschaltelemente in Summe niederohmig genug für eine ausreichend schnelle aktive Entladung sind. Ist die Dynamik der aktiven Entladung zu gering, kann dies in der Entladesteuereinrichtung festgestellt werden und die Entladespannung kann erhöht werden, so dass der Spannungsabfall zunimmt und das Leistungsschaltelement stärker durchsteuert. Hierzu kann beispielsweise der Gesamtwiderstandswert der Widerstandsanordnung durch Ansteuerung der Widerstandsschaltelemente erhöht werden. Ist umgekehrt die Dynamik der Entladung zu hoch, kann der Gesamtwiderstandswert der Widerstandsanordnung reduziert werden, so dass der Widerstand im Linearbereich zunimmt. Beispielsweise kann bei einem aktiven Entladen vorgesehen sein, dass eine hinreichende Entladung des Energiespeichers, beispielsweise auf maximal 60 V, innerhalb von höchstens 5 Sekunden, insbesondere höchstens 3 Sekunden, erfolgen soll.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass der Entladestrom eines zu entladenden Energiespeichers, mithin der Entladestrommesswert, nicht über eine Strom-Messeinrichtung direkt gemessen werden muss, sondern es durchaus auch möglich ist, über die zeitliche Entwicklung der Spannung des zu entladenden Energiespeichers in der Entladesteuereinrichtung auf den Entladestrom zu schließen. Je niederohmiger die Leistungsschaltelemente sind, desto schneller baut sich die Spannung im Energiespeicher ab, was durch die Entladesteuereinrichtung erfasst und berücksichtigt werden kann.
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In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass über die Entladesteuerschaltung die Entladespannungen beider Leistungsschaltelemente erzeugbar sind, wobei die Entladesteuereinrichtung dazu eingerichtet ist, in einem Freilauf-Entladebetrieb die Entladespannungen in Abhängigkeit von einer Entladeinformation, welche zwei jeweils den Spannungsabfall über den Leistungsschaltelementen beschreibende Spannungsmesswerte umfasst, einzustellen, insbesondere derart, dass die Spannungsabfälle jeweils gleich groß sind. Spannungsmesswerte der Spannungen über die beiden Leistungsschaltelemente im Kontext der Spannung des zu entladenden Energiespeichers sind ein Maß dafür, ob die Spannungsabfälle über die beiden Leistungsschaltelemente symmetrisch sind. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn über die elektrische Schaltungsanordnung, die insbesondere als Inverter ausgebildet sein kann, eine elektrische Maschine angeschlossen ist, die aus Sicherheitsgründen in einen Freilauf geschaltet werden muss. Wird eine symmetrische Aufteilung der Spannungsabfälle realisiert, kann der Freilauf als sicherer Zustand erreicht werden. Dies kann durch entsprechende Ansteuerung mittels der Entladesteuereinrichtung erreicht werden. Ist der Spannungsmesswert auf einer Seite der Halbbrücke, beispielsweise der unteren Seite, höher als auf der anderen Seite, beispielsweise der oberen Seite, kann beispielsweise der Gesamtwiderstandswert der Widerstandsanordnung der einen Seite, insbesondere der unteren Seite, erhöht werden und/oder der Gesamtwiderstandswert der Widerstandsanordnung der anderen Seite der Halbbrücke, beispielsweise der oberen Seite, verringert werden. Dabei kann eine Auswahl zwischen den zuletzt genannten Möglichkeiten beispielsweise abhängig vom vorherrschenden Entladestrom durch den zu entladenden Energiespeicher getroffen werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Entladesteuereinrichtung ferner dazu eingerichtet sein, in einem Kurzschluss-Entladebetrieb über die Entladeschaltung die Entladespannung eines der Leistungsschaltelemente zu erzeugen und das andere Leistungsschaltelement in einen vollständig geschlossenen Zustand zu schalten. Ist an die elektrische Schaltungsanordnung eine elektrische Maschine angeschlossen, ist es mithin nicht nur möglich, einen Freilauf zu stellen, sondern es kann auch ein aktiver Kurzschluss an der elektrischen Maschine angelegt werden. In diesem Fall wird eines der beiden Leistungsschaltelemente, sei es über die entsprechende Treiberschaltung oder über die Entladesteuerschaltung, vollständig geschlossen, also mit minimalem Widerstand, während das andere Leistungsschaltelement zur Bereitstellung eines bestimmten Widerstandswertes im Linearbetrieb betrieben wird, indem eine entsprechende Entladespannung an den Steuereingang bereitgestellt wird. Dabei sei in diesem Kontext nochmals angemerkt, dass die Umsetzung der Entladesteuerschaltung, wie eingangs bereits erläutert, für wenigstens eines der beiden Leistungsschaltelemente der Halbbrücke umzusetzen ist, wobei dann, dass nur ein Leistungsschaltelement im Linearbereich betrieben wird, das andere Leistungsschaltelement voll durchzusteuern ist, mithin zu schließen ist. Zwar mag die Umsetzung mit nur einem einzigen im Linearbereich zu betreibenden Leistungsschaltelement günstiger sein, allerdings bietet sich die Möglichkeit eines Freilaufs für eine angeschlossene elektrische Maschine nur bei der Möglichkeit zur Bereitstellung einer Entladespannung zum Betrieb im Linearbereich für beide Leistungsschaltelemente.
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In diesem Zusammenhang sieht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vor, dass die Entladesteuereinrichtung dazu eingerichtet ist, zu Beginn des Entladebetriebs in Abhängigkeit einer, insbesondere in der Entladesteuereinrichtung hinterlegten, Maschinentypinformation, welche einen Maschinentyp einer mit der elektrischen Schaltungsanordnung verbundenen oder verbindbaren elektrischen Maschine beschreibt, den Kurzschluss-Entladebetrieb oder den Freilauf-Entladebetrieb auszuwählen und durchzuführen. Liegt, anders gesprochen, ein Signal vor, dass vom Normalbetrieb (oder keinem Betrieb/einem sonstigen Betriebsmodus) in den Entladebetrieb gewechselt werden soll, wird zunächst die in der Entladesteuereinrichtung hinterlegte bzw. dieser bereitgestellte Maschinentypinformation ausgewertet, die einen Maschinentyp einer mit der elektrischen Schaltungsanordnung verbundenen oder verbindbaren elektrischen Maschine beschreibt, um festzustellen, ob während des Entladevorgangs diese elektrische Maschine, beispielsweise aus Sicherheitsgründen, im Freilauf zu betreiben ist oder ob ein aktiver Kurzschluss herbeizuführen ist. Je nachdem wird dann als Entladebetrieb der Kurzschluss-Entladebetrieb oder der Freilauf-Entladebetrieb durchgeführt. Auf diese Weise kann die elektrische Schaltungsanordnung für unterschiedliche Maschinentypen von elektrischen Maschinen in gleicher Weise hergestellt und verwendet werden, das bedeutet, die elektrische Schaltungsanordnung kann sowohl Freilauf als auch aktiven Kurzschluss (AKS) an der elektrischen Maschine stellen. Die beschriebene Entladungsstrategie ist dadurch im Übrigen auch unabhängig vom Typ der elektrischen Maschine, die angeschlossen wird, beispielsweise Synchronmaschine, Asynchronmaschine, fremderregte Synchronmaschine und dergleichen.
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Zweckmäßigerweise kann, wie bereits dargelegt wurde, der Energiespeicher ein Kondensator, insbesondere ein Zwischenkreiskondensator, sein. Dies ist besonders zweckmäßig, wenn die elektrische Schaltungsanordnung als ein mehrphasiger, insbesondere dreiphasiger, Inverter ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang und auch allgemein ist es im Übrigen von besonderem Vorteil, wenn bei Halbbrücken für mehrere Phasen Entladesteuerschaltungen für jede der Halbbrücken (und somit jede der Phasen) bereitgestellt und im Entladebetrieb genutzt werden, da sich dann der Entladevorgang auf die verschiedenen Halbbrücken verteilt. Die Entladesteuerschaltungen können eine gemeinsame Entladesteuereinrichtung aufweisen. Eine Ausgestaltung als ein Inverter mit einem Zwischenkreiskondensator als Energiespeicher ist besonders zweckmäßig in einer elektrischen Antriebseinrichtung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
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Mithin betrifft die vorliegende Erfindung auch eine elektrische Antriebseinrichtung, umfassend eine elektrische Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Art sowie eine mit der elektrischen Schaltungsanordnung verbundene elektrische Maschine. Dabei handelt es sich bei der elektrischen Schaltungsanordnung insbesondere um einen dreiphasigen Inverter. Bei der elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM), eine fremderregte Synchronmaschine (FESM) oder eine Asynchronmaschine (ASM) handeln.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung und/oder eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung. Gerade in Kraftfahrzeugen existieren häufig Vorgaben, dass beispielsweise innerhalb eines bestimmten Zeitraums aus Sicherheitsgründen eine Entladung von Energiespeichern, insbesondere Zwischenkreiskondensatoren, erfolgen muss, beispielsweise wenn das Kraftfahrzeug bzw. der Antrieb abgestellt wird und/oder ein Fehlerfall eintritt. Dann eignet sich die erfindungsgemäße Realisierung des Entladebetriebs über die Entladesteuerschaltung besonders, um diese Funktionalität robust, kostengünstig und aufwandsarm bereitzustellen.
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Für die elektrische Antriebseinrichtung und das Kraftfahrzeug gelten selbstverständlich die Ausführungen für die elektrische Schaltungsanordnung entsprechend fort. Insbesondere kann dann, wenn an eine elektrische Maschine je nach Maschinentypinformation insbesondere ein aktiver Kurzschluss oder ein Freilauf gestellt werden kann, dieselbe elektrische Schaltungsanordnung, insbesondere derselbe Inverter, für Kraftfahrzeuge mit unterschiedlichen Typen von elektrischen Maschinen genutzt und bereitgestellt werden.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltungsanordnung umfassend wenigstens eine Halbbrücke aus zwei Leistungsschaltelementen, zwei Treiberschaltungen und eine Entladesteuerschaltung, wobei die Halbbrücke parallel zu wenigstens einem Energiespeicher geschaltet ist und die Leistungsschaltelemente jeweils einen schaltbaren Abschnitt aufweisen, dessen elektrischer Widerstand über eine an einem Steuereingang des Leistungsschaltelements anliegende Steuerspannung des Leistungsschaltelements einstellbar ist, wobei in einem Normalbetrieb der Leistungsschaltelemente die Steuerspannung jeweils über eine Treiberschaltung des Leistungsschaltelements erzeugt wird und wobei in wenigstens einem Entladebetrieb zum Entladen des Energiespeichers die Entladesteuerschaltung für wenigstens eines der Leistungsschaltelemente eine das Leistungsschaltelement in einen Linearbetrieb versetzende Entladespannung als Steuerspannung erzeugt. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, insbesondere der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung, lassen sich analog auch auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, so dass auch mit diesem die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Dies gilt insbesondere für die Nutzung von Entladeinformationen, die Bereitstellung von Freilauf und aktivem Kurzschluss an einer angeschlossenen elektrischen Maschine und die Auswertung der Maschinentypinformation.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
- 2 einen einer Phase zugeordneten Anteil einer als dreiphasiger Inverter ausgebildeten elektrischen Schaltungsanordnung des Kraftfahrzeugs,
- 3 ein Steuerprinzip gemäß der vorliegenden Erfindung, und
- 4 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1, hier eines Elektrokraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug 1 weist eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung 2 auf, die eine elektrische Maschine 3 umfasst, beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine, eine fremderregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine, die als Traktionsmotor für das Kraftfahrzeug 1 dient. Die elektrische Maschine 3 ist über eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung 4, die vorliegend als dreiphasiger Inverter 5 ausgebildet ist, mit einem Gleichstrom-Hochvoltnetz des Kraftfahrzeugs 1, insbesondere einer Hochvoltbatterie 6, verbunden.
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2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Inverters 5 für eine der Phasen genauer. Der Inverter 5 umfasst als Energiespeicher 7 einen Zwischenkreiskondensator 8, der an entsprechende Hochvoltpotentiale HV+, HV- des Gleichstrom-Hochvoltnetzes angebunden ist. Seitens der elektrischen Maschine 3, mithin zu einer Wechselstromseite hin, weist der Inverter 5 Halbbrücken 9 für jede der Phasen auf, wobei vorliegend, wie erwähnt, nur die Halbbrücke 9 für eine der Phasen, beispielsweise die U-Phase 10, dargestellt ist. Ein entsprechender Aufbau ist jedoch auch für die beiden anderen Halbbrücken gegeben.
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Jede Halbbrücke 9 umfasst zwei Leistungsschaltelemente 11, 12, die als Leistungshalbleiterschalter, insbesondere IGBTs oder FETs, ausgebildet sind. Die Leistungshalbleiterschalter 11, 12 weisen dabei jeweils einen Steuereingang 13 (Gate) auf. Hier ist, wie grundsätzlich bekannt, mittels einer Treiberschaltung 14 eine Steuerspannung anlegbar, um die Leistungsschaltelemente 11, 12 zu öffnen bzw. zu schließen.
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Separat zu den Treiberschaltungen 14 weist der Inverter 5 zudem eine Entladesteuerschaltung 15 zum Entladen des Energiespeichers 7 in einem Entladebetrieb auf. Während die Treiberschaltungen 14 in einem Normalbetrieb Steuerspannungen zum Öffnen bzw. Schließen der Leistungsschaltelemente 11, 12 an die jeweiligen Steuereingänge 13 anlegen, ist die Entladesteuerschaltung 15 im Entladebetrieb ausgebildet, vorliegend an beide Leistungsschaltelemente, konkret deren Steuereingänge 13, Entladespannungen anzulegen, um die Leistungsschaltelemente 11, 12 in einem Linearbereich zu betreiben, in dem die Höhe der Entladespannung (Source-Gate-Spannung) den Widerstandswert des jeweiligen Leistungsschaltelements 11, 12 bestimmt. Nachdem mittels der Entladesteuerschaltung 15, die ferner auch eine Entladesteuereinrichtung 16 umfasst, verschiedene Entladespannungen an den Steuereingängen 13 realisiert werden können, ist mithin der Widerstandswert der jeweiligen Leistungsschaltelemente 11, 12 wählbar.
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Die Entladesteuerschaltung 15 weist für den oberen und den unteren Teil der Halbbrücke 9, mithin für jedes Leistungsschaltelement 11, 12, eine Teilschaltung 17 auf, die eine Widerstandsanordnung 18 mit einer Mehrzahl von Widerständen R11, R12, ..., R1n und R21, R22, ..., R2n, respektive, umfasst, denen jeweils ein Widerstandsschaltelement S11, S12, ..., S1n, bzw. S21, S22, ..., S2n, zugeordnet ist. Durch Ansteuern der Widerstandsschaltelemente S1i bzw. S2i, i = 1 ... n, können also unterschiedliche Gesamtwiderstandswerte für die Widerstandsanordnungen 18 eingestellt werden.
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Nachdem die Widerstandsanordnungen 18 gemeinsam mit einem weiteren jeweiligen Widerstand R1, R2, einen Spannungsteiler bilden, entspricht diese Einstellung des Gesamtwiderstandswerts einer Einstellung der resultierenden Entladespannung am Steuereingang 13. Hierbei sind den Widerständen R1 und R2 auch jeweils weitere Schaltelemente S1, S2 zugeordnet.
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Der Spannungsteiler teilt dabei eine von einer Spannungsquelle 19 erzeugte Versorgungsspannung, welche vorliegend auch die Versorgungsspannung der Treiberschaltungen 14 ist.
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Soll der Energiespeicher 7 nun entladen werden, was über ein von extern bereitgestelltes Entladesignal angezeigt werden kann, werden die Schalter S1 und S2 geschlossen. Ferner wird, gesteuert durch die Entladesteuereinrichtung 16, wenigstens ein Teil der Widerstandsschaltelemente S1i bzw. S2i geschlossen. Nachdem die Widerstände R1 i bzw. R2i parallel geschaltet sind, wird, je mehr der Widerstandsschaltelemente S1i, S2i geschlossen sind, desto niederohmiger die Strecke von dem Steuereingang 13 zu dem Source-Eingang der Leistungsschaltelemente 11, 12, was in fallender Entladespannung resultiert. Je höher die Spannung über diesen Gate-Source-Strecken ist, je höher also die Entladespannung ist, desto mehr steuern die Leistungsschaltelemente 11, 12 durch. Das bedeutet, je höher die Entladespannung ist, desto niedriger ist ein Widerstandswert der Leistungsschaltelemente 11, 12.
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Welche bzw. wie viele der Widerstandsschaltelemente S1i und S2i geschlossen werden, steuert die Entladesteuereinrichtung 16 in Abhängigkeit von einer Entladeinformation, wie im Folgenden genauer erläutert werden wird.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist der Inverter 5 ohnehin, mithin zu anderen Zwecken, einige Messeinrichtungen auf, vorliegend eine Strom-Messeinrichtung 20 zum Messen des Entladestroms des Energiespeichers 7, eine Spannungs-Messeinrichtung 21 zum Messen eines die Spannung des Energiespeichers 7 beschreibenden Spannungsmesswerts 22 und Spannungs-Messeinrichtungen 23 zur Messung von den Spannungsabfall über den Leistungsschaltelementen 11, 12 beschreibenden Spannungsmesswerten 24, 25.
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Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Messung des Spannungsmesswerts 22 mittels der Spannungs-Messeinrichtung 21 auch entfallen kann, da sich der Spannungsmesswert 22 unmittelbar als Summe der Spannungswerte 24 und 25 ergibt. Auch die Aufnahme eines den Entladestrom beschreibenden Entladestrommesswerts 26 mittels der Strom-Messeinrichtung 20 ist nicht zwangsläufig notwendig, da aus der zeitlichen Entwicklung des Spannungsmesswerts 22 auch der Stromfluss gefolgert werden kann.
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Die Spannungs-Messeinrichtungen 23 bilden Teil einer auch unabhängig von der Entladesteuerschaltung 15 vorgesehenen passiven Entladeanordnung, die der Sicherheit im Inverter 5 dient.
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Die Entladesteuereinrichtung 16 kann im Übrigen als wenigstens ein Mikrocontroller oder sonstiges Steuergerät realisiert sein, bevorzugt ist es jedoch, die Entladesteuereinrichtung 15 als über diskrete Logikelemente umfassende Steuerschaltung zu realisieren.
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Als Entladeinformation dienen vorliegend die Spannungsmesswerte 22, 24 und 25 sowie der Entladestrommesswert 26. Dies ist auch durch 3 nochmals schematisch dargestellt, Messwerte 22, 24, 25, 26 als Entladeinformation 27 in die Entladesteuereinrichtung 16 eingehen, welche basierend auf der Entladeinformation 27 über Treiber 28 die Schalter S1 i bzw. S2i ansteuert.
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Dabei ist der Entladestrommesswert 26 ein Maß dafür, ob der durch die Leistungsschaltelemente 11, 12 in Summe gegebene Widerstandswert niedrig genug ist, dass die aktive Entladung des Energiespeichers 7 schnell genug erfolgt, beispielsweise auf höchstens 60 V in weniger als 5 Sekunden oder sogar weniger als 3 Sekunden oder weniger als 1 Sekunde. Die notwendige Entladung wird dabei durch den Spannungsmesswert 22 beschrieben. Ist die Dynamik der Entladung zu gering, wird die Entladespannung an wenigstens einem der Leistungsschaltelemente 11, 12 erhöht, hier konkret durch Erhöhung des Gesamtwiderstandswerts der jeweiligen Widerstandsanordnung 18, so dass der Widerstandswert des jeweiligen Leistungsschaltelements 11, 12 abnimmt. Ist die Dynamik zu hoch, beispielsweise einen Schwellwert überschreitend, der Überhitzungsgefahr anzeigt, kann die Entladespannung entsprechend erniedrigt werden.
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Dabei ist an dieser Stelle noch anzumerken, dass in der Entladesteuereinrichtung 16 auch eine Maschinentypinformation 29 eingespeichert wurde. Die Maschinentypinformation 29 beschreibt, ob für die elektrische Maschine 3 aus Sicherheitsgründen ein Freilauf oder ein aktiver Kurzschluss einzustellen ist. Die Entladesteuereinrichtung 16 ist grundsätzlich für beides ausgebildet. So kann sie in einem Freilauf-Entladebetrieb die Entladespannungen in Abhängigkeit der Entladeinformation 27, genauer der Spannungsmesswerte 24 und 25, so einstellen, dass die Spannungsabfälle über die Leistungsschaltelemente 11, 12 gleich groß sind. Dann resultiert nämlich ein Freilauf. Anders ausgedrückt ist bei einer symmetrischen Aufteilung der Spannungsabfälle der sichere Zustand „Freilauf“ (bei drei Phasen auch als Six-Switch-O-pen oder Freewheel bezeichnet) erreicht. Der Steuerbetrieb der Entladesteuereinrichtung 16 sieht dann, wenn der Spannungsmesswert 24, 25 einer Seite höher als der auf der anderen Seite ist, vor, in Abhängigkeit vom Entladestrommesswert 26 entweder die Entladespannung auf der einen Seite zu erhöhen oder die Entladespannung auf der anderen Seite zu erniedrigen.
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Es ist jedoch auch ein Kurzschluss-Entladebetrieb zum Bereitstellen eines aktiven Kurzschlusses möglich, indem eines der Leistungsschaltelemente 11, 12 in einen vollständig geschlossenen Zustand geschaltet wird und das andere Leistungsschaltelement 12, 11 auf einen bestimmten Widerstandswert mittels einer entsprechenden Entladespannung eingestellt wird.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass auch Ausgestaltungen denkbar sind, in denen eine Teilschaltung 17 nur für eines der Leistungsschaltelemente 11, 12 vorgesehen sein kann, insbesondere dann, wenn ohnehin nur ein Kurzschluss-Entladebetrieb benötigt wird. Dann kann die Entladesteuereinrichtung 16 auch ausgebildet sein, die Treiberschaltung 14 an dem anderen Leistungsschaltelement 12, 11 zum Schließen des entsprechenden Leistungsschaltelements 12, 11 anzusteuern.
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4 zeigt schließlich einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dort wird in einem Schritt 30 ein Entladesignal erhalten, das anzeigt, dass der Entladebetrieb zu aktivieren ist und der Energiespeicher 7 zu entladen ist. Die Entladesteuereinrichtung 16 wertet dann in einem Schritt 31 die Maschinentypinformation 29 aus, um zu entscheiden, ob ein Freilauf oder ein aktiver Kurzschluss gestellt werden soll. Abhängig davon wird entweder in einem Schritt 32 der Kurzschluss-Entladebetrieb oder in einem Schritt 33 der Freilauf-Entladebetrieb aufgenommen. Während im Freilauf-Entladebetrieb für beide Leistungsschaltelemente 11, 12 Entladespannungen an den Steuereingängen 13 bereitgestellt werden, um eine symmetrische Verteilung des Spannungsabfalls zu erzielen, wird im Kurzschluss-Entladebetrieb eines der Leistungsschaltelemente 11, 12 ständig geschlossen gehalten und nur an dem anderen eine geeignete Entladespannung zur Herstellung eines geeigneten Widerstandswerts im Linearbereich bereitgestellt. Die entsprechenden Entladespannungen werden dabei durch Ansteuerung der Widerstandsschaltelemente S1i, S2i eingestellt.
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Ist der Energiespeicher 7 vollständig bzw. hinreichend entladen, endet der hier beschriebene aktive Entladevorgang in einem Schritt 34.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014202717 B3 [0005]
- DE 102017121579 A1 [0006]
- CN 107196546 A [0007]
