DE102022129517A1 - Electrical circuit arrangement for a high-voltage component for a vehicle and method for operating such an electrical circuit arrangement - Google Patents
Electrical circuit arrangement for a high-voltage component for a vehicle and method for operating such an electrical circuit arrangement Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung für eine Hochvoltkomponente (1) für ein Fahrzeug, mit einem elektrischen Gleichspannungszwischenkreis (2) mit einem Zwischenkreiskondensator (3) als Hochvoltenergiespeicher zur elektrischen Energiezwischenspeicherung im Gleichspannungszwischenkreis (2), dadurch gekennzeichnet, dass im Gleichspannungszwischenkreis (2) zur Umwandlung und Speicherung von im Zwischenkreiskondensator (3) gespeicherter Hochvoltenergie in Niedervoltenergie während eines Entladevorgangs eine kombinierte Wandler- und Speichereinheit (9) parallel zum Zwischenkreiskondensator (3) geschaltet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Hochvoltkomponente (1) mit einer solchen elektrischen Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen elektrischen Schaltungsanordnung.The invention relates to an electrical circuit arrangement for a high-voltage component (1) for a vehicle, with an electrical DC intermediate circuit (2) with an intermediate circuit capacitor (3) as a high-voltage energy storage device for intermediate storage of electrical energy in the DC intermediate circuit (2), characterized in that a combined converter and storage unit (9) is connected in parallel to the intermediate circuit capacitor (3) in the DC intermediate circuit (2) for converting and storing high-voltage energy stored in the intermediate circuit capacitor (3) into low-voltage energy during a discharge process. The invention further relates to a high-voltage component (1) with such an electrical circuit arrangement and a method for operating such an electrical circuit arrangement.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung für eine Hochvoltkomponente für ein Fahrzeug. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Hochvoltkomponente mit einer solchen elektrischen Schaltungsanordnung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen elektrischen Schaltungsanordnung.The invention relates to an electrical circuit arrangement for a high-voltage component for a vehicle. The invention also relates to a high-voltage component with such an electrical circuit arrangement. The invention also relates to a method for operating such an electrical circuit arrangement.
Aus
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltungsanordnung, eine Hochvoltkomponente und ein Verfahren der vorgenannten Art vorzuschlagen, welche auf konstruktiv einfache und kostengünstige Weise eine sichere Entladung einer Hochvoltkomponente ermöglichen.The invention is therefore based on the object of proposing an electrical circuit arrangement, a high-voltage component and a method of the aforementioned type, which enable a safe discharge of a high-voltage component in a structurally simple and cost-effective manner.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und alternativ durch die Merkmale des Anspruchs 8 bzw. 9 gelöst. Weitere vorteilhafte und beanspruchte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.The object is achieved by the features of claim 1 and alternatively by the features of
Somit wird eine elektrische Schaltungsanordnung für eine Hochvoltkomponente für ein Fahrzeug vorgeschlagen, wobei die Schaltungsanordnung einen elektrischen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator als Hochvoltenergiespeicher zur elektrischen Energiezwischenspeicherung im Gleichspannungszwischenkreis umfasst. Um auf einfache und kostengünstige Weise eine sichere Entladung des Zwischenkreiskondensator zu realisieren, ist im Gleichspannungszwischenkreis eine kombinierte Wandler- und Speichereinheit parallel zum Zwischenkreiskondensator geschaltet, die während eines Entladevorgangs die Umwandlung und Speicherung von im Zwischenkreiskondensator gespeicherter Hochvoltenergie in Niedervoltenergie im Gleichspannungszwischenkreis ermöglicht. An electrical circuit arrangement for a high-voltage component for a vehicle is thus proposed, wherein the circuit arrangement comprises an electrical DC intermediate circuit with an intermediate circuit capacitor as a high-voltage energy storage device for intermediate storage of electrical energy in the DC intermediate circuit. In order to achieve a safe discharge of the intermediate circuit capacitor in a simple and cost-effective manner, a combined converter and storage unit is connected in parallel to the intermediate circuit capacitor in the DC intermediate circuit, which enables the conversion and storage of high-voltage energy stored in the intermediate circuit capacitor into low-voltage energy in the DC intermediate circuit during a discharge process.
Dadurch ist eine sogenannte aktive Entladung (Active Discharge) eines in einem sogenannten DC-Link geschalteten Zwischenkreiskondensators weitgehend verlustfrei über die kombinierte Wandler- und Speichereinheit erreichbar. Die im Zwischenkreiskondensator zwischengespeicherte Energie kann so nach der Entladung im Gleichspannungszwischenkreis erhalten werden. Dabei ist auch bei getrennter Verbindung zum Bordnetz des Fahrzeugs eine sichere Entladung des Zwischenkreiskondensators möglich.This means that a so-called active discharge of an intermediate circuit capacitor connected in a so-called DC link can be achieved with almost no loss via the combined converter and storage unit. The energy temporarily stored in the intermediate circuit capacitor can thus be retained in the DC voltage intermediate circuit after discharge. The intermediate circuit capacitor can also be safely discharged when the connection to the vehicle's on-board power supply is disconnected.
Zudem können zusätzliche Komponenten zur Entladung, wie beispielsweise ein Leistungswiderstand sowie eine Kühlung desselben zur Abfuhr der erzeugten Wärme bei der Entladung, vermieden werden.In addition, additional components for discharging, such as a power resistor and a cooling system for the same to dissipate the heat generated during discharge, can be avoided.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die kombinierte Wandler- und Speichereinheit einen im Gleichspannungszwischenkreis parallel zum Zwischenkreiskondensator geschalteten Gleichspannungswandler und einen mit letzterem elektrisch gekoppelten Niedervoltkondensator als Niedervoltenergiespeicher.In a preferred embodiment of the invention, the combined converter and storage unit comprises a DC-DC converter connected in parallel to the intermediate circuit capacitor in the DC-DC link and a low-voltage capacitor electrically coupled to the latter as a low-voltage energy storage device.
In einer weiteren besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung ist der Gleichspannungswandler einerseits mit einem ersten elektrischen Gleichspannungsanschluss und andererseits mit einem zweiten elektrischen Gleichspannungsanschluss elektrisch verbunden. Vorzugsweise ist dabei der Niedervoltkondensator einerseits mit dem Gleichspannungswandler und andererseits mit dem zweiten elektrischen Gleichspannungsanschluss elektrisch verbunden.In a further particularly simple embodiment of the invention, the DC-DC converter is electrically connected on the one hand to a first electrical DC voltage connection and on the other hand to a second electrical DC voltage connection. Preferably, the low-voltage capacitor is electrically connected on the one hand to the DC-DC converter and on the other hand to the second electrical DC voltage connection.
Im Rahmen einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Niedervoltkondensator als elektrischer Superkondensator ausgeführt ist. Der Superkondensator weist eine sehr große Leistungsdichte auf und kann sehr schnell geladen und Entladen werden kann. Zudem ist er für eine große Schaltbeanspruchung mit sehr vielen Schaltzyklen geeignet.As part of a particularly advantageous development of the invention, it is provided that the low-voltage capacitor is designed as an electrical supercapacitor. The supercapacitor has a very high power density and can be charged and discharged very quickly. In addition, it is suitable for high switching loads with a very large number of switching cycles.
Es ist auch von Vorteil, wenn zumindest eine Elektronik-Komponente mit dem zweiten elektrischen Gleichspannungsanschluss elektrisch gekoppelt ist. Dadurch ist diese nach der Entladung des Zwischenkreiskondensator durch die im Niedervoltenergiespeicher gespeicherte Energie bis zur Entladung desselben weiterbetreibbar. Auf diese Weise können auch mehrere mit dem zweiten elektrischen Gleichspannungsanschluss elektrisch gekoppelte Elektronik-Komponenten auch nach dem Entladevorgang elektrisch versorgt werden.It is also advantageous if at least one electronic component is electrically coupled to the second electrical DC voltage connection. This means that after the intermediate circuit capacitor has been discharged, it can continue to operate using the energy stored in the low-voltage energy storage device until the latter is discharged. In this way, several electronic components electrically coupled to the second electrical DC voltage connection can also be supplied with electricity even after the discharge process.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Gleichspannungszwischenkreis einen ersten elektrischen Gleichspannungsanschluss mit einer elektrischen Pluspolariät und einen zweiten elektrischen Gleichspannungsanschluss mit einer elektrischen Minuspolarität auf.In a further preferred embodiment of the invention, the DC voltage intermediate circuit has a first electrical DC voltage connection with an electrical positive polarity and a second electrical DC voltage connection with an electrical negative polarity.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der Gleichspannungswandler und der Niedervoltkondensator eine Baueinheit bilden, die im Gleichspannungszwischenkreis sowohl eine aktive Endladung des Zwischenkreiskondensators ermöglicht als auch eine Energiequelle im Gleichspannungszwischenkreis nach der Entladung bildet. Zudem können der Gleichspannungswandler und der Niedervoltkondensator als eine Baueinheit bauraumsparend und kostengünstig verbaut werden.It is also advantageous if the DC-DC converter and the low-voltage capacitor form a structural unit that enables both an active discharge of the intermediate circuit capacitor in the DC-DC link and also forms an energy source in the DC-DC link after discharge. In addition, the DC-DC converter and the low-voltage capacitor can be installed as a structural unit in a space-saving and cost-effective manner.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine Hochvoltkomponente für ein Fahrzeug mit einer vorbeschriebenen elektrischen Schaltungsanordnung gelöst. Hierbei werden die bereits oben beschriebenen Vorteile erreicht.The object according to the invention is also achieved by a high-voltage component for a vehicle with an electrical circuit arrangement as described above. The advantages already described above are achieved here.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin auch durch ein Verfahren zum Betrieb einer vorbeschriebenen elektrischen Schaltungsanordnung gelöst. Es ist vorgesehen, dass zur Entladung eines Gleichspannungszwischenkreises in einer Hochvoltkomponente für ein Fahrzeug die im Gleichspannungszwischenkreis zwischengespeicherte Hochvoltenergie in Niedervoltenergie umgewandelt und im Gleichspannungszwischenkreis gespeichert wird. Dabei ergeben sich die bereits oben beschriebenen Vorteile.The object according to the invention is also achieved by a method for operating an electrical circuit arrangement described above. It is provided that, in order to discharge a direct current intermediate circuit in a high-voltage component for a vehicle, the high-voltage energy temporarily stored in the direct current intermediate circuit is converted into low-voltage energy and stored in the direct current intermediate circuit. This results in the advantages already described above.
Zudem kann durch das vorgenannte Verfahren die im Gleichspannungszwischenkreis gespeicherte Niederspannungsenergie in zumindest eine mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundene Elektronik-Komponente entladen werden. Dadurch ist es möglich, bis zur vollständigen Entladung des Gleichspannungszwischenkreises die elektrisch gekoppelte Elektronik-Komponente, beispielsweise eine elektronische Steuerungseinrichtung, kurzzeitig weiterzubetreiben, um insbesondere Daten zu speichern und zu sichern. Denkbar ist auch, mehrere mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundene Elektronik-Komponenten entsprechend weiter elektrisch zu versorgen.In addition, the aforementioned method can be used to discharge the low-voltage energy stored in the DC intermediate circuit into at least one electronic component connected to the DC intermediate circuit. This makes it possible to continue operating the electrically coupled electronic component, for example an electronic control device, for a short time until the DC intermediate circuit is completely discharged, in particular to store and secure data. It is also conceivable to continue to supply several electronic components connected to the DC intermediate circuit with electricity accordingly.
Weitere beanspruchte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus einer Zeichnung, anhand der die vorliegende Erfindung weiter erläutert wird.Further claimed features of the invention emerge from the following description and from a drawing, with the aid of which the present invention is further explained.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung für eine Hochvoltkomponente 1 für ein Fahrzeug. Anhand dieser Darstellung wird auch die erfindungsgemäße Hochvoltkomponente 1 und das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht.The figure shows an electrical circuit arrangement according to the invention for a high-voltage component 1 for a vehicle. This illustration also clarifies the high-voltage component 1 according to the invention and the method according to the invention.
Die elektrische Schaltungsanordnung ist wie dargestellt in die Hochvoltkomponente 1 zwischen zwei gegenüberliegenden anschlussseitgen Abschnitten derselben integriert und weist einen elektrischen Gleichspannungszwischenkreis 2 als einen sogenannten DC-Link-Zwischenkreis auf. Die Hochvoltkomponente 1 ist nach außen an ein nicht dargestelltes Hochspannungsbordnetz des Fahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie als Energiequelle elektrisch angeschlossen. Die Hochvoltkomponente 1 kann beispielsweise als Wechselrichter oder sogenannter Inverter, als sogenannter On-Board-Charger zur Regelung der Ladespannung während der Ladung oder als Hochvolt- Gleichspannungswandler als sogenannter DC/DC-Wandler im Hochspannungsbordnetz des Fahrzeugs angeordnet sein. Als Hochvoltkomponente 1 kommt aber auch jede andere im Hochspannungsbordnetz des Fahrzeugs geschaltete Hochspannung aufweisende Komponente in Betracht.As shown, the electrical circuit arrangement is integrated into the high-voltage component 1 between two opposite connection-side sections thereof and has an electrical direct voltage
Der Gleichspannungszwischenkreis 2 weist in der Hochvoltkomponente 1 an einem ersten elektrischen Gleichspannungsanschluss 4 eine elektrische Pluspolariät und an einem zweiten elektrischen Gleichspannungsanschluss 5 eine elektrische Minuspolarität auf. Im Gleichspannungszwischenkreis 2 ist ein Zwischenkreiskondensator 3 geschaltet, der als sogenannter DC-Link-Kondensator als Hochvoltenergiespeicher zur elektrischen Energiezwischenspeicherung dient. Der Zwischenkreiskondensator 3 ist einerseits mit einem ersten und andererseits mit einem zweiten elektrischen Gleichspannungsanschluss 4, 5 des Gleichspannungszwischenkreises 2 elektrisch gekoppelt.The DC
Bei einem abrupten Abschalten der Energiequelle des Hochspannungsbordnetzes des Fahrzeugs oder einer abrupten Trennung der Hochvoltkomponente 1 vom Hochspannungsbordnetz, insbesondere durch Zerstörung bei einem Unfall, verbleibt eine Restspannung auf dem Zwischenkreiskondensator beziehungsweise dem DC-Link- Kondensator 3. Diese Restspannung muss im Gleichspannungszwischenkreis 2 in weniger als fünf Sekunden auf eine für Menschen ungefährliche Niederspannung kleiner als 60 Volt Gleichspannung durch aktive Entladung (Active Discharge) umgewandelt werden.If the energy source of the vehicle's high-voltage electrical system is abruptly switched off or the high-voltage component 1 is abruptly separated from the high-voltage electrical system, in particular due to destruction in an accident, a residual voltage remains on the intermediate circuit capacitor or the
Hierzu ist im Gleichspannungszwischenkreis 2 ein kombinierte Wandler- und Speichereinheit 9 parallel zum Zwischenkreiskondensator 3 geschaltet. Durch die kombinierte Wandler- und Speichereinheit 9 kann die im Zwischenkreiskondensator 3 gespeicherten Hochvoltenergie in Niedervoltenergie umgewandelt und in einem Niedervoltspeicher im Gleichspannungszwischenkreis 2 gespeichert werden.For this purpose, a combined converter and
Die kombinierte Gleichspannungswandler- und Niedervoltspeichereinheit 9 umfasst einen im Gleichspannungszwischenkreis 2 parallel zum Zwischenkreiskondensator 3 geschalteten Gleichspannungswandler 6 und einen mit letzterem elektrisch gekoppelten Niedervoltkondensator 7 als Niedervoltenergiespeicher.The combined DC-DC converter and low-
Der Gleichspannungswandler 6 ist einerseits mit dem ersten und andererseits mit dem zweiten elektrischen Gleichspannungsanschluss 4, 5 des Gleichspannungszwischenkreises 2 elektrisch gekoppelt.The
Dabei ist der Niedervoltkondensator 7 eingangsseitig mit dem Gleichspannungswandler 6 und ausgangsseitig mit dem zweiten elektrischen Gleichspannungsanschluss 5 des Gleichspannungszwischenkreises 2 elektrisch verbunden.The low-
Zur Entladung wird in dem zum Zwischenkreiskondensators 3 parallel geschalteten Gleichspannungswandler 6 in weniger als fünf Sekunden die im Zwischenkreiskondensators 3 vorhandene Restspannung auf eine für Menschen ungefährliche Niederspannung kleiner als 60 Volt Gleichspannung umgewandelt und in den Niedervoltkondensator 7 umgeladen und gespeichert. Dadurch ist es möglich, eine sogenannte aktive Entladung (Active Discharge) weitgehend verlustfrei über den Gleichspannungswandler 6 durchzuführen. Dabei kann die im Zwischenkreiskondensator 3 zwischengespeicherte Energie nach der Entladung im Niedervoltkondensator 7 gespeichert und im Gleichspannungszwischenkreis 2 erhalten werden.For discharging, the residual voltage in the
Auf diese Weise können Verluste bei der Entladung durch Umwandlung der im Zwischenkreiskondensators 3 zwischengespeicherten Energie in Wärme und zusätzliche Komponenten zur Entladung wie beispielsweise ein Leistungswiderstand sowie eine Kühlung desselben zur Abfuhr der erzeugten Wärme vermieden werden.In this way, losses during discharge can be avoided by converting the energy temporarily stored in the
Der Gleichspannungswandler 6 und der Niedervoltkondensator 7 sind vorzugsweise als eine Baueinheit ausgeführt, die im Gleichspannungszwischenkreis 2 sowohl eine interne aktive Endladung des Zwischenkreiskondensators 3 ermöglicht als auch eine interne Energiequelle nach der Entladung bildet.The DC-
Der Zwischenkreiskondensators 3 ist vorzugsweise als Superkondensator ausgeführt, der eine sehr große Leistungsdichte aufweist und sehr schnell geladen und Entladen werden kann. Zudem ist er für eine große Schaltbeanspruchung mit sehr vielen Schaltzyklen geeignet.The
In einer durch gestrichelte Linien angedeuteten Variante der Erfindung kann am zweiten elektrischen Gleichspannungsanschluss 5 zumindest eine Elektronik-Komponente 8 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 2 elektrisch gekoppelt sein. Dadurch ist es möglich, nach der Entladung des Zwischenkreiskondensators 3 durch die im Niedervoltkondensator 7 gespeicherte Energie bis zur vollständigen Endladung desselben, zumindest eine Elektronik-Komponente 8, beispielsweise eine elektronische Steuerungseinrichtung kurzzeitig weiterzubetreiben, um insbesondere Daten zu speichern und zu sichern.In a variant of the invention indicated by dashed lines, at least one
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- HochvoltkomponenteHigh-voltage component
- 22
- Gleichspannungszwischenkreis, DC-LinkDC link
- 33
- Zwischenkreiskondensator, DC-Link- KondensatorDC link capacitor, DC link capacitor
- 44
- GleichspannungsanschlussDC voltage connection
- 55
- GleichspannungsanschlussDC voltage connection
- 66
- Gleichspannungswandler, DC/DC-WandlerDC-DC converter, DC/DC converter
- 77
- Niedervoltkondensator, NiedervoltenergiespeicherLow-voltage capacitor, low-voltage energy storage
- 88th
- Elektronik-KomponenteElectronic component
- 99
- Wandler- und SpeichereinheitConverter and storage unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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| R012 | Request for examination validly filed |