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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzanordnung für ein Hochspannungsnetz in einem Kraftfahrzeug, wobei an das Hochspannungsnetz eine dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dienende elektrische Maschine über einen Umrichter angeschlossen ist und die Überspannungsschutzanordnung aufweist:
- - einen Komparator zum Vergleich einer aktuellen Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes mit einem Referenzwert, und
- - ein bei Überschreiten des Referenzwerts durch die Betriebsspannung wenigstens eine Überspannungsschutzmaßnahme durchführende Maßnahmensteuereinheit.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb einer Überspannungsschutzanordnung.
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Elektrifizierte Kraftfahrzeuge (Battery Electric Vehicles - BEV), beispielsweise Elektrokraftfahrzeuge und Plug-in-Hybriden, weisen üblicherweise ein Hochspannungsnetz auf, an das die elektrische, dem Antrieb dienende Maschine angeschlossen ist. Das Hochspannungsnetz weist dabei eine höhere Spannung als ein Niedrigspannungsnetz des Kraftfahrzeugs, insbesondere ein übliches Bordnetz, auf. Beispielsweise kann die Nenn-Betriebsspannung des Bordnetzes im Bereich von 200 Volt bis 1000 Volt liegen. An das Hochspannungsnetz ist dabei üblicherweise auch eine das Hochspannungsnetz speisende elektrische Energiequelle (beispielsweise eine Hochspannungsbatterie) angeschlossen. Die elektrische Maschine, üblicherweise eine dreiphasige Maschine, wird über einen Umrichter (Traktionswechselrichter) an das Hochspannungsnetz angeschlossen. Alternativ denkbare elektrische Energiequellen für das Hochspannungsnetz umfassen beispielsweise Brennstoffzellen.
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Um die elektrische Energiequelle in kritischen Fehlerfällen, beispielsweise Überhitzung und/oder Kollision des Kraftfahrzeugs, zu schützen und/oder die Sicherheit zu erhöhen, ist üblicherweise ein Trennelement, beispielsweise Batterieschütze, vorgesehen, das im Fehlerfall die elektrische Energiequelle von dem Hochspannungsnetz trennt.
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Die Trennung der elektrischen Energiequelle von dem Hochspannungsnetz wird als Lastabwurf (Englisch: „load dump“) bezeichnet. Andererseits existieren für die elektrische Maschine Betriebszustände, in denen eine Rückspeisung elektrischer Energie in das Hochspannungsnetz erfolgt, beispielsweise über die Statorwicklungen und den Umrichter oder, bei fremderregten Synchronmaschinen, über die Rotorwicklungen und eine entsprechende Erregerschaltung. Insbesondere in Fällen, in denen der Lastabwurf nicht vorangekündigt wird, was bei Fehlern vorkommen kann, wird durch die elektrische Maschine und die ihr zugeordnete Leistungselektronik im generatorischen Betriebszustand weiterhin elektrische Energie in das Hochspannungsnetz eingespeichert, die nicht von der elektrischen Energiequelle, beispielsweise der Batterie, aufgenommen werden kann. Dann droht ein äußerst schneller Spannungsanstieg, beispielsweise in der Größenordnung von 1 V/µs, der zu einer Beschädigung oder sogar Zerstörung von Hochspannungskomponenten führen kann, beispielsweise der der elektrischen Maschine zugeordneten Leistungselektronik selbst oder aber einem mit dem Niedrigspannungsnetz verbindenden Gleichspannungswandler, einer Ladeeinrichtung (On-Board-Charger) und dergleichen.
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Um dieses zu verhindern, wurde vorgeschlagen, insbesondere in einer den Umrichter für die elektrische Maschine umfassenden Leistungselektronikanordnung, eine Überspannungsschutzanordnung vorzusehen, die eine schnelle Überspannungserkennung und ein schnelles Einleiten von Überspannungsschutzmaßnahmen ermöglicht. Aufgrund des schnellen Zeitanstiegs der Betriebsspannung im Hochspannungsnetz, insbesondere im Fall eines Lastabwurfs, umfassen derartige Überspannungsschutzanordnungen üblicherweise einen Komparator, der zu einen als diskreter Hardware-Komparator umgesetzt werden kann, zum anderen aber auch über eine schnelle Implementierung durch einen Mikrocontroller, einen FPGA, einen CPLD und dergleichen. Eine Umsetzung in Software ist aufgrund der langsamen Rechenraster, beispielsweise mit einer Frequenz von 10 kHz, zu langsam. Ziel der Überspannungsschutzmaßnahmen ist es dabei, einen Anstieg der Betriebsspannung über einen vorgegebenen Spannungswert, nämlich eine maximal zulässige Lastabwurfspannung, zu verhindern.
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Als Überspannungsschutzmaßnahme ist es dabei insbesondere bekannt, die elektrische Maschine in einen anderen Betriebszustand zu bringen, mithin durch eine entsprechende Maßnahmensteuereinheit entsprechend anzusteuern. Bei permanenterregten Synchronmaschinen wird hierbei üblicherweise ein aktiver Kurzschlusszustand (AKS-Zustand) hergestellt, während bei Asynchronmaschinen typischerweise ein Freilaufzustand geschaltet wird, da die dynamischen AKS-Ströme zu einer thermischen Zerstörung der Leistungselektronik führen könnten. Bei fremderregten Synchronmaschinen sind sowohl der Freilauf als auch der aktive Kurzschlusszustand sichere Betriebszustände. Im Freilauf verursacht die Asynchronmaschine aufgrund der Restenergie in der elektrischen Maschine ebenfalls einen Anstieg der Betriebsspannung im Hochspannungsnetz.
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Eine Überspannung wird durch Vergleich des aktuellen Spannungswerts der Betriebsspannung mit einem Referenzwert erreicht, bei einem Hardware-Komparator mithin durch direkten Vergleich der aktuellen Betriebsspannung mit einer dem Referenzwert entsprechenden Referenzspannung. Der Referenzwert wird dabei üblicherweise so gewählt, dass zu der maximal im Normalbetrieb auftretenden Betriebsspannung (Nenn-Betriebsspannung) ein Sicherheitswert als Spannungsreserve addiert wird, um die Robustheit gegenüber Fehlauslösungen zu erhöhen. Dies führt dazu, dass die Komponenten des Hochspannungsnetzes für entsprechend hohe Spannungswerte, also auch gewisse Überspannungen, auszulegen sind, was die Komplexität erhöht und Kostenaufwand mit sich bringt.
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EP 3 772 657 A1 betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Abschätzung des „state of health“ eines wiederaufladbaren Batterieenergiespeichersystems. Hierbei wird ein Modell verwendet, in dem auch die Spannung der einzelnen Zellen in Abhängigkeit von deren Ladungszustand abgebildet wird.
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EP 3 913 726 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Detektion des Ladezustands und des Gesundheitszustands eines Leistungsspeicherelements, wobei auch eine Überspannung des Leistungsspeicherelements während des Betriebs festgestellt werden kann.
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US 2021/0237614 A1 betrifft ein Verfahren zur Abschätzung des Ladezustands einer Batterie für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug, wobei zur Abschätzung des Ladezustands der Batterie ein Coulomb-Zählalgorithmus und zwei Feedbacksteuerungen mit jeweiligen Batteriemodellen verwendet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Überspannungsschutz für Komponenten eines Hochspannungsnetzes in einem Kraftfahrzeug, insbesondere bei Lastabwurf, anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Überspannungsschutzanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Überspannungsschutzanordnung ferner eine Anpassungseinrichtung zur Veränderung des Referenzwerts in Abhängigkeit wenigstens einer den Betriebspunkt des Hochspannungsnetzes beschreibenden Betriebsgröße aufweist.
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Die Anpassungseinrichtung weist hierbei insbesondere eine Anpassungseinheit zur Ermittlung und Bereitstellung des aktuell zu verwendenden Rechenwerts auf. Die Anpassungseinheit kann eine Schnittstelle zum Empfang der Betriebsgröße und/oder der Betriebsgröße zugrunde liegender Größen umfassen.
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Es wird mithin vorgeschlagen, den letztlich als Grenzwert dienenden Referenzwert für die Auslösung der Überspannungsschutzmaßnahmen dynamisch, mithin sozusagen online, vorzugeben und an den aktuellen Betriebspunkt des Hochspannungsnetzes, insbesondere den Ladezustand einer das Hochspannungsnetz speisenden elektrischen Energiequelle, anzupassen. Bei der elektrischen Energiequelle kann es sich insbesondere um eine Batterie oder eine Brennstoffzelle handeln. Auf diese Weise wird es insbesondere ermöglicht, dann, wenn auch die aktuelle Betriebsspannung niedriger als eine maximal auftretende Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes ist, einen niedrigeren Referenzwert anzusetzen, so dass die Überspannungsschutzmaßnahmen früher umgesetzt werden können und ein verbesserter Schutz der Komponenten des Hochspannungsnetzes, insbesondere von Leistungselektronikkomponenten, bereitgestellt wird. Denn es hat sich gezeigt, dass für einen Großteil der Betriebspunkte des Hochspannungsnetzes der Abstand zwischen dem Referenzwert und der maximal zulässigen Lastabwurfspannung erhöht werden kann, so dass die tatsächlichen Spannungswerte an den Leistungselektronikkomponenten in dem Großteil der Betriebspunkte niedriger bleiben. Hiermit sinkt auch die thermische Belastung, beispielsweise der Leistungshalbleiter. Handelt es sich bei der elektrischen Maschine um eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM), kann in diesen Fällen auch die Magnetschutzzeit vergrößert und damit die Entmagnetisierung der Magnete im Fehlerfall reduziert werden.
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Je nach tatsächlichem, abschätzbarem Betriebsverhalten kann die Auslegung von Komponenten des Hochspannungsnetzes dann weniger aufwändig und/oder komplex erfolgen, da diese insgesamt seltener äußerst hohen Betriebsspannungen ausgesetzt werden. Anders ausgedrückt wird durch das erfindungsgemäße Vorgehen die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass im Fall eines Lastabwurfs der elektrischen Energiequelle aufgrund der in das Hochspannungsnetz eingetragenen Energie der elektrischen Maschine die maximal zulässige Lastabwurfspannung überschritten wird. Auch anderweitig werden Überspannungen reduziert, da auch hohe Spannungen unterhalb der maximal zulässigen Lastabwurfspannung eine Belastung für die Komponenten des Hochspannungsnetzes, insbesondere die Leistungselektronikkomponenten, darstellen.
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Dabei kann es sich, um besonders schnelle Reaktionszeiten auf Überspannungen zu ermöglichen, bei dem Komparator bevorzugt um einen Hardware-Komparator handeln, der die Betriebsspannung mit einer dem Referenzwert entsprechenden Referenzspannung vergleicht. Hierbei ist auch eine Skalierung der Betriebsspannung und der Referenzspannung denkbar, beispielsweise mittels eines Spannungsteilers, um für niedrigere Spannungen ausgelegte Hardware-Komparatoren verwenden zu können. Bei einem Hardware-Komparator ist es besonders zweckmäßig, wenn die Anpassungseinrichtung einen Digital-Analog-Wandler (DAC) zur Erzeugung einer dem Referenzwert entsprechenden Referenzspannung aufweist, falls der Referenzwert zunächst digital ermittelt wird. Dies begründet sich darin, dass die Nachführung des Referenzwerts auf langsameren Zeitskalen erfolgen kann und daher auch digital in der Anpassungseinheit, welche beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder ein FPGA umfassen kann, digital möglich ist. Durch die Umsetzung auf die analoge Ebene am Hardware-Komparator ist dennoch dort, wo es erforderlich ist, eine äußerst schnelle Reaktion und ein äußerst schnelles Auslösen der Überspannungsschutzmaßnahmen durch die Maßnahmensteuereinheit möglich.
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Mit besonderem Vorteil kann wenigstens eine der wenigstens einen Betriebsgröße ein Ladezustand einer das Hochspannungsnetz speisenden elektrischen Energiequelle sein oder diesen beschreiben. Insbesondere kann es sich bei der elektrischen Energiequelle, wie bereits erwähnt, um eine Hochspannungsbatterie handeln; auch der Einsatz einer Brennstoffzelle ist grundsätzlich möglich. Es hat sich gezeigt, dass abhängig vom Ladezustand der elektrischen Energiequelle, die ja einen elektrischer Energiespeicher ist, unterschiedliche Betriebsspannungen in dem Hochspannungsnetz vorliegen, insbesondere im Vergleich zu der bei maximalem Ladezustand vorliegenden Nenn-Betriebsspannung niedrigere Betriebsspannungen. Hierzu kommt die Überlegung, dass der maximal mögliche Ladezustand in elektrifizierten Kraftfahrzeugen bei deren Betrieb seltener vorliegt, mithin bei einer großen Zahl von Betriebspunkten ein niedrigerer Ladezustand und somit auch eine niedrigere Betriebsspannung im Hochspannungsnetz vorliegt, so dass der Referenzwert abgesenkt werden kann.
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Wird der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers unmittelbar als Betriebsgröße verwendet, kann dieser beispielsweise von einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs, insbesondere einem Batteriesteuergerät, empfangen werden, beispielsweise über die bereits erwähnte Schnittstelle der Anpassungseinheit. Denkbar ist es selbstverständlich auch, den Ladezustand aus der Betriebsgröße zugrunde liegenden Größen, die bereitgestellt werden, in der Anpassungseinheit zu ermitteln.
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Dabei sei an dieser Stelle noch allgemein angemerkt, dass der elektrischen Energiequelle zum Lastabwurf in dem Kraftfahrzeug ein Trennelement, beispielsweise Schütze, zugeordnet sein kann. Ein über das Trennelement auftretender Lastabwurf während der Rückspeisung elektrischer Energie von der elektrischen Maschine stellt den hauptsächlichen Überspannungs-Problemfall dar, der durch die vorliegende Offenbarung adressiert wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann es auch zweckmäßig sein, die aktuelle Betriebsspannung unmittelbar als Maß für den Betriebspunkt heranzuziehen. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn wenigstens eine der wenigstens einen Betriebsgröße ein Mittelwert der gemessenen Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes über einen Mittlungszeitraum ist. Die Messung kann dabei bevorzugt intern in wenigstens einer Komponente des Hochspannungsnetzes, insbesondere einer Leistungselektronikkomponente, erfolgen, wobei auch Messergebnisse mehrerer Messstellen, insbesondere mehrerer Leistungselektronikkomponenten, zusammengeführt werden können. Auf diese Weise werden die Zustände in den hauptsächlich von Überspannungen bedrohten Leistungselektronikkomponenten direkt gemessen. Mit anderen Worten wird wenigstens ein im Hinblick auf die Eigensicherheit der Leistungselektronik zweckmäßiger Messort gewählt.
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Um kurzzeitige Schwankungen nicht in die Nachführung des Referenzwerts einfließen zu lassen und somit insbesondere eine zu häufige Änderung zu vermeiden, wird die Betriebsspannung über einen Mittlungszeitraum gemittelt, um als Betriebsgröße einen Mittelwert zu bestimmen. Dabei kann der Mittlungszeitraum eine Länge von 5 bis 100 Sekunden aufweisen, wobei sich 10 Sekunden oder 1 Minute als vorteilhafte Werte erwiesen haben.
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In einer konkreten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Anpassungseinrichtung zur Ermittlung des Referenzwerts durch Addition eines, insbesondere statisch vorgegebenen, Sicherheitswerts, insbesondere 40 bis 60 Volt, auf den Mittelwert ausgebildet ist. Auf diese Weise ist eine besonders einfach umsetzbare, dennoch jedoch zweckmäßige Ermittlung des Referenzwerts möglich, wobei der Sicherheitswert letztlich eine Spannungsreserve beschreibt, mithin eine zugelassene Überschreitung. Während es grundsätzlich denkbar ist, den Sicherheitswert in Abhängigkeit wenigstens einer der wenigstens einen Betriebsgröße, beispielsweise prozentual bezüglich des Mittelwerts, zu ermitteln, hat es sich gezeigt, dass ein statischer Sicherheitswert, der mithin fest vorgegeben ist, üblicherweise ausreichend ist, um das Spektrum von Betriebspunkten sinnvoll abzudecken. Der Sicherheitswert kann beispielsweise im Bereich von 40 bis 60 Volt, bevorzugt als 50 Volt, gewählt werden. Beträgt beispielsweise die Betriebsspannung bei maximalem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 500 Volt (Nenn-Betriebsspannung), wäre in einem Beispiel dort ein Referenzwert von 550 Volt gegeben, der so gewählt ist, dass möglichst sichergestellt ist, dass mit Auslösen der wenigstens einen Überspannungsschutzmaßnahme die maximal zulässige Lastabwurfspannung nicht überschritten wird. Sinkt bei niedrigeren Ladezuständen des elektrischen Energiespeichers der Mittelwert als Betriebsgröße auf 400 Volt, würde sich dann entsprechend ein deutlich niedrigerer Referenzwert von 450 Volt ergeben, so dass aufgrund der früheren Auslösung der wenigstens einen Überspannungsschutzmaßnahme die Leistungselektronikkomponenten geringeren Belastungen ausgesetzt werden können.
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Allgemeiner formuliert kann, wie bereits angedeutet wurde, erfindungsgemäß mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass die Anpassungseinrichtung zur Reduzierung des Referenzwerts mit sinkendem Ladezustand und/oder sinkendem Mittelwert ausgebildet ist.
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Die wenigstens eine Überspannungsschutzmaßnahme kann, wie grundsätzlich bekannt, die Ansteuerung der elektrischen Maschine betreffen. So kann auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Maßnahmensteuereinheit als Überspannungsschutzmaßnahme zur Ansteuerung der elektrischen Maschine zur Herstellung eines vordefinierten Betriebszustands der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Insbesondere wird ein vordefinierter Betriebszustand gewählt, in dem die Menge der in das Hochspannungsnetz rückgespeisten elektrischen Energie zumindest deutlich reduziert, insbesondere gänzlich auf Null reduziert, ist. Konkret kann vorgesehen sein, dass der vordefinierte Betriebszustand bei einer permanenterregten Synchronmaschine ein aktiver Kurzschlusszustand, bei einer fremderregten Synchronmaschine ein aktiver Kurzschlusszustand oder ein Freilaufzustand und bei einer Asynchronmaschine ein Freilaufzustand ist.
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Neben der Überspannungsschutzanordnung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung, das Hochspannungsnetz, den Umrichter und die elektrische Maschine. Ferner kann das Kraftfahrzeug auch die das Hochspannungsnetz speisende elektrische Energiequelle, insbesondere die Hochspannungsbatterie, umfassen, wobei die Energiequelle insbesondere über ein Trennelement, beispielsweise Schütze, an das Hochspannungsnetz angekoppelt ist. An das Hochspannungsnetz können auch weitere Komponenten, insbesondere weitere Leistungselektronikkomponenten, angeschlossen sein. Die weiteren Leistungselektronikkomponenten können beispielsweise einen Gleichspannungswandler zur Verbindung mit einem Niedrigspannungsnetz des Kraftfahrzeugs, dessen Betriebsspannung niedriger als die Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes ist, und/oder eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen On-Board-Charger, umfassen. Die Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes kann beispielsweise im Bereich von 200 bis 1000 Volt liegen.
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Sämtliche Ausführungen bezüglich der Überspannungsschutzanordnung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen und umgekehrt. Auch mit dem Kraftfahrzeug lassen sich mithin die bereits genannten Vorteile erreichen.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer Überspannungsschutzanordnung für ein Hochspannungsnetz in einem Kraftfahrzeug, wobei an das Hochspannungsnetz eine dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dienende elektrische Maschine über einen Umrichter angeschlossen ist und das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Vergleich einer aktuellen Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes mit einem Referenzwert mittels eines Komparators, und
- - bei Überschreiten des Referenzwerts durch die Betriebsspannung Durchführen wenigstens einer Überspannungsschutzmaßnahme.
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Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Referenzwert in Abhängigkeit wenigstens einer den Betriebspunkt des Hochspannungsnetzes beschreibenden Betriebsgröße angepasst wird.
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Auch für das Verfahren gelten sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung und zum erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug analog fort. Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung betrieben werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, und
- 2 eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1, vorliegend ein Elektrokraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug 1 weist entsprechend eine elektrische Maschine 2 auf, die vorliegend als dreiphasige Synchronmaschine oder Asynchronmaschine ausgebildet ist. Bei einer fremderregten Synchronmaschine, die auch möglich ist, wird zu den drei Leitungen für die Phasen noch eine dritte Leitung für die Erregung benötigt. Die elektrische Maschine 2 dient zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 und kann in verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden, insbesondere auch zur Rekuperation, also im generatorischen Betrieb zur Rückspeisung von Energie in ein Hochspannungsnetz 3 des Kraftfahrzeugs 1, an das sie mittels eines Umrichters 4 als Leistungselektronikkomponente angeschlossen ist. Das Hochspannungsnetz 3 wird aus einer elektrischen Energiequelle 5, hier einer Hochspannungsbatterie 6, gespeist, die an das Hochspannungsnetz 3 über ein Trennelement 7, hier Schütze 8, angeschlossen ist. Die Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes 3 kann beispielsweise im Bereich von 200 bis 1000 Volt liegen.
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Als weitere Leistungselektronikkomponenten sind an das Hochspannungsnetz 3 vorliegend eine Ladeeinrichtung 9 (On-Board-Charger) und ein Gleichspannungswandler 10 zu einem hier nur angedeuteten Niedrigspannungsnetz 11 angeschlossen. Die Betriebsspannung des Niedrigspannungsnetzes 11 ist niedriger als die Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes 3. Beispielsweise kann das Niedrigspannungsnetz 11 ein übliches 12 Volt-Bordnetz sein.
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Kommt es nun während einer Rückspeisung von Energie aus der elektrischen Maschine 2 zu einem Lastabwurf der elektrischen Energiequelle 5, insbesondere durch Öffnen der Schütze 8, würde dennoch weiter elektrische Energie in das Hochspannungsnetz 3 eingespeist werden, ohne dass diese von der Hochspannungsbatterie 6 aufgenommen werden kann. Mithin weist das Kraftfahrzeug 1, vorliegend beispielhaft als Teil des Umrichters 4, eine Überspannungsschutzanordnung 12 auf, die im Hinblick auf 2 näher erläutert wird.
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Die Überspannungsschutzanordnung 12 weist einen Komparator 13, hier einen Hardware-Komparator, auf, der die aktuelle Betriebsspannung an einem Eingang 14 mit einer Referenzspannung an einem Eingang 15 vergleicht, die entsprechend eines als Grenzwert zu verstehenden Referenzwerts gewählt ist. Dabei müssen nicht unmittelbar die aktuelle Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes 3 und die Referenzspannung an den Eingängen 14, 15 anliegen, sondern diese können auch beispielsweise gleichartig herunterskaliert sein, beispielsweise mittels eines Spannungsteilers und/oder bei der Referenzspannung unmittelbar durch entsprechende Erzeugung.
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Übersteigt die aktuelle Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes 3 die dem Referenzwert entsprechende Referenzspannung, wird am Ausgang 16 des Komparators 13 ein Schaltsignal an eine Maßnahmensteuereinheit 17 gegeben, die über eine entsprechende Steuerschnittstelle 18 den Umrichter 4, konkret dessen Brückenschalter, so ansteuert, dass sich der Betriebszustand der elektrischen Maschine 2 derart ändert, dass keine oder zumindest deutlich reduzierte elektrische Energie in das Hochspannungsnetz 3 eingespeist wird. Bei einer permanenterregten Synchronmaschine wird dabei ein aktiver Kurzschlusszustand (AKS-Zustand) geschaltet, bei einer Asynchronmaschine ein Freilaufzustand. Bei einer fremderregten Synchronmaschine sind sowohl Freilaufzustand als auch aktiver Kurzschlusszustand als sicherer, vordefinierter Betriebszustand möglich. Neben dieser Überspannungsschutzmaßnahme sind gegebenenfalls auch weitere Überspannungsschutzmaßnahmen denkbar.
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Der Referenzwert und somit die Referenzspannung sind nun jedoch nicht fest vorgegeben, sondern der Referenzwert wird durch eine Anpassungseinrichtung 19 dynamisch in Abhängigkeit des aktuellen Betriebspunkts des Hochspannungsnetzes 3 gewählt. Hierzu weist die Anpassungseinrichtung 19 eine Anpassungseinheit 20 auf, die einen aktuell zu verwendenden Referenzwert anhand wenigstens einer Betriebsgröße wählt. Die Betriebsgröße bzw. dieser zugrunde liegende Größen werden über eine entsprechende Schnittstelle 21 erhalten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Betriebsgröße ein Mittelwert der Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes 3 über einen aktuellen Mittlungszeitraum, der beispielsweise 10 Sekunden oder 60 Sekunden lang sein kann, ermittelt. Dabei wird die aktuelle Betriebsspannung mittels eines Spannungssensors 22 (vgl. 1), der intern im Umrichter 4 verbaut ist, gemessen und über die Schnittstelle 21 bereitgestellt, wobei die Mittelung in der Anpassungseinheit 20 vorgenommen wird. Konkret kann vorgesehen sein, dass in einem Speichermittel der Anpassungseinheit 20 ein statisch vorgegebener Sicherheitswert, beispielsweise 50 Volt, abgelegt ist, der eine Spannungsreserve beschreibt und zur Ermittlung des Referenzwerts auf den Mittelwert als Betriebsgröße addiert wird. Mittels eines Digital-Analog-Wandlers 23 wird aufgrund des Referenzwerts die Referenzspannung für den Eingang 15 erzeugt.
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Alternativ oder zusätzlich zu dem Mittelwert als Betriebsgröße kann auch direkt der Ladezustand der Hochspannungsbatterie 6, beispielsweise bereitgestellt von einem Batteriesteuergerät, herangezogen werden oder aber eine sonstige, den Ladezustand der Hochspannungsbatterie 6 und somit den Betriebspunkt des Hochspannungsnetzes 3 beschreibende Größe. Was den Mittelwert als Betriebsgröße angeht, ist es auch denkbar, einen anderweitig verorteten Spannungssensor 22 zu verwenden oder die Ergebnisse mehrerer Spannungssensoren, insbesondere jeweils in Leistungskomponenten angeordnet, zusammenzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3772657 A1 [0009]
- EP 3913726 A1 [0010]
- US 20210237614 A1 [0011]
