DE102022207196A1

DE102022207196A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung der Entladung eines Zwischenkreiskondensators

Info

Publication number: DE102022207196A1
Application number: DE102022207196.4A
Authority: DE
Inventors: Ekard Grossmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2024-01-25
Also published as: WO2024012744A1

Abstract

Die Erfindung betrifft das Aktivieren einer aktiven Entladung eines Zwischenkreiskondensators. Hierzu ist eine Entladevorrichtung vorgesehen, welche unabhängig von weiteren Systemkomponenten eine Bedingung zum Aktivieren der Entladung eines Zwischenkreiskondensators detektieren kann und daraufhin eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators einleiten kann. Hierzu wird die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator ausgewertet und die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators freigegeben, falls ein Gradient der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Entladung eines Zwischenkreiskondensators, eine Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators, einen elektrischen Stromrichter sowie ein elektrisches Antriebssystem.
Stand der Technik
Elektrische Stromrichter zur Umformung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung werden in zahlreichen Anwendungsgebieten eingesetzt. Beispielsweise finden solche Stromrichter in elektrischen Antriebssystemen Einsatz, wie sie unter anderem auch in Elektrofahrzeugen zu finden sind. Hierbei wird eine Eingangsgleichspannung von meist mehreren Hundert Volt durch den Stromrichter in eine Ausgangsspannung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine konvertiert. Zur Stabilisierung der Eingangsgleichspannung ist dabei ein sogenannter Zwischenkreiskondensator vorgesehen.
Um mögliche Gefahren zu vermeiden, die von einem aufgeladenen Zwischenkreiskondensator bei einem Unfall oder bei Reparaturarbeiten ausgehen können, wird dieser Zwischenkreiskondensator bewusst entladen, wenn das elektrische Antriebssystem abgeschaltet bzw. deaktiviert wird.
Die Druckschrift DE 10 2013 224 884 A1 beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entladen eines solchen Zwischenkreiskondensators. Hierbei ist ein Entladeregler vorgesehen, der den Zwischenkreiskondensator über eine elektrische Last mit einem vorbestimmten Entladestrom entlädt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Entladung eines Zwischenkreiskondensators, eine Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators, einen elektrischen Stromrichter sowie ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Vorrichtung zur Steuerung der Entladung eines Zwischenkreiskondensators mit einer Überwachungseinrichtung und einer Steuereinrichtung. Die Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator zu ermitteln. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, einen zeitlichen Gradienten der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator zu bestimmen. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators freizugeben, falls der Gradient der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet.
Weiterhin ist vorgesehen:
Eine Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators mit einem passiven Entladungspfad, einem aktiven Entladungspfad und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung der Entladung des Zwischenkreiskondensators. Der passive Entladungspfad umfasst zwischen einem ersten Anschluss des Zwischenkreiskondensators und einem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensators einen elektrischen Widerstand und/oder einen elektrischen Verbraucher. Der aktive Entladungspfad umfasst zwischen dem ersten Anschluss des Zwischenkreiskondensators und dem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensators ein Schaltelement. Insbesondere kann der aktive Entladungspfad eine Serienschaltung aus dem Schaltelement und einem weiteren elektrischen Widerstand und/oder einen weiteren elektrischen Verbraucher umfassen. Die Vorrichtung zur Steuerung der Entladung des Zwischenkreiskondensators ist hierbei dazu ausgelegt, das Schaltelement in dem aktiven Entladungspfad zu schließen, falls die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators freigegeben ist.
Ferner ist vorgesehen:
Ein elektrischer Stromrichter mit einem Eingangsanschluss, einem Zwischenkreiskondensator, einem Ausgangsanschluss und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators. Der Eingangsanschluss ist dazu ausgelegt, mit einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Der Zwischenkreiskondensator ist zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses angeordnet. Der Stromrichter ist insbesondere dazu ausgelegt, eine an dem Eingangsanschluss bereitgestellte Gleichspannung in eine vorbestimme Ausgangsspannung zu konvertieren und diese Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss bereitzustellen.
Darüber hinaus ist vorgesehen:
Ein elektrisches Antriebssystem mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Stromrichter und einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ist dabei elektrisch mit dem Ausgangsanschluss des Stromrichters verbunden.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Steuerung der Entladung eines Zwischenkreiskondensators mit einem Schritt zum Ermitteln einer elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator, einem Schritt zum Bestimmen eines zeitlichen Gradienten der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator sowie einem Schritt zum Freigeben einer aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators, falls der zeitliche Gradient der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet.
Vorteile der Erfindung
Zwischenkreiskondensatoren, wie sie beispielsweise in elektrischen Stromrichtern vorzufinden sind, können auch nach dem Abschalten des aktiven Betriebs des Stromrichters weiterhin elektrische Energie speichern, sodass über dem Zwischenkreiskondensator gegebenenfalls über einen längeren Zeitraum eine relativ hohe elektrische Spannung anliegen kann. Um mögliche Gefahren zu vermeiden, die von einer solch hohen elektrischen Spannung ausgehen können, ist es wünschenswert, den Zwischenkreiskondensator möglichst rasch zu entladen, sobald der elektrische Stromrichter deaktiviert wird.
Zwar kann eine solche aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators grundsätzlich von einer Steuerung des Stromrichters initiiert werden, doch ist es beispielsweise aus Sicherheitsgründen darüber hinaus erforderlich oder zumindest wünschenswert, eine von dieser Steuerung unabhängige Entladung des Zwischenkreiskondensators vorzusehen. Somit kann auch bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion der Steuerung für den Stromrichter durch eine zusätzliche, von der eigentlichen Steuerung unabhängige Vorrichtung eine schnelle und zuverlässige Entladung des Zwischenkreiskondensators gewährleistet werden.
Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass ein solches von der eigentlichen Steuerung unabhängiges System auch möglichst rasch und zuverlässig einen Betriebszustand erkennt, in welchem der Zwischenkreiskondensator entladen werden kann.
Die vorliegende Erfindung macht es sich hierbei zunutze, dass bei einem Abschalten des Stromrichters und der damit verbundenen Trennung des Stromrichters von einer Eingangsspannungsquelle die elektrische Spannung über den Zwischenkreiskondensator über die Zeit kontinuierlich abnimmt. Dies wird in der Regel durch einen parallel zu dem Zwischenkreiskondensator vorgesehenen elektrischen Widerstand in einem passiven Entladungszweig unterstützt. Diese kontinuierliche absinkende elektrische Spannung entspricht mathematisch einem negativen Gradienten der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator. Mit anderen Worten, wenn der Gradient der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator einen negativen Wert aufweist, dessen Betrag einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, so kann dies als ein Indiz darauf gedeutet werden, dass der elektrische Stromrichter deaktiviert ist. In einem solchen Fall kann daher eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators eingeleitet werden.
Durch die Überwachung der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator steht somit eine einfache und gleichzeitig sehr zuverlässige Möglichkeit zur Verfügung, um eine Entscheidung treffen zu können, ob eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators eingeleitet werden soll. Insbesondere kann auf diese Weise eine Entscheidung zum aktiven Entladen des Zwischenkreiskondensators getroffen werden, die vollkommen unabhängig von der Steuerung des Stromrichters selbst ist. Somit kann auch bei einer Fehlfunktion dieser Steuerung des Stromrichters durch eine unabhängige Instanz ein aktives Entladen des Zwischenkreiskondensators eingeleitet werden. Hierdurch kann die Sicherheit des gesamten Systems gesteigert werden.
Zur Erfassung der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator ist dabei ein einfacher Spannungssensor ausreichend. Beispielsweise kann hierzu auch ein elektrischer Spannungsteiler in Form einer Serienschaltung von mehreren elektrischen Widerständen eingesetzt werden. Gegebenenfalls kann ein solcher Widerstandsteiler zur Erfassung der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator auch mit den elektrischen Widerständen im passiven Entladungszweig kombiniert werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Möglichkeiten zur Erfassung der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator möglich.
Für die Ermittlung des Gradienten der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator kann beispielsweise der Spannungsverlauf innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls analysiert werden. Beispielsweise kann eine aktuelle elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator mit der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator vor einer vorgegebenen Zeitspanne, beispielsweise einer Sekunde, verglichen werden und hieraus ein Spannungsgradient berechnet werden. Grundsätzlich sind jedoch auch beliebige andere geeignete Zeitintervalle möglich. Auch ist es beispielsweise möglich, eine zeitliche Filterung des Spannungsverlaufs durchzuführen, um gegebenenfalls kurzfristige Spannungspeaks zu eliminieren.
Die Auswertung des Spannungsverlaufs über dem Zwischenkreiskondensator kann dabei auf beliebige geeignete Weise erfolgen. Beispielsweise kann dies mittels eines Mikrocontrollers, eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises oder auf beliebige andere Weise erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators nur dann freizugeben, falls seit einer vorherigen aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators mindesten eine vorbestimmte Zeitspanne vergangen ist. Auf diese Weise kann zwischen zwei aufeinanderfolgenden aktiven Entladungen eine minimale Pausenzeit vorgesehen werden. Hierdurch kann beispielsweise verhindert werden, dass es bei einem sehr dynamischen Verlauf der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator in schneller Abfolge zu unerwünschten Aktivierungen der Entladung des Zwischenkreiskondensators kommt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators auch freizugeben, falls die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator eine vorgegebene Mindestspannung unterschreitet. Zum Beispiel kann als Schwellwert für diese Mindestspannung eine minimale elektrische Eingangsspannung spezifiziert werden. Diese minimale elektrische Eingangsspannung kann beispielsweise einer elektrischen Spannung entsprechen, die mindestens am Eingang erwartet wird. Beispielsweise kann dies bei einem batteriegespeisten Spannungswandler einer minimalen Batteriespannung entsprechen, zum Beispiel der elektrischen Spannung einer entladenen Batterie oder einer entladenen Batterie bei Belastung. Unterschreitet die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator eine solche Mindestspannung, so kann davon ausgegangen werden, dass der Zwischenkreiskondensator von der Spannungsquelle getrennt ist und somit die Voraussetzungen für eine Entladung des Zwischenkreiskondensators vorliegen können.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Drehzahl einer elektrischen Maschine in einem elektrischen Antriebssystem mit dem Zwischenkreiskondensator zu ermitteln. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators freizugeben, falls die ermittelte Drehzahl eine vorbestimmte Drehzahl unterschreitet. Wird als vorbestimmte Mindestdrehzahl beispielsweise ein Wert von Null verwendet, so entspricht dies einem Stillstand der elektrischen Maschine. Alternativ zu einer Drehzahl von Null kann auch eine Drehzahl gewählt werden, bei der eine von der elektrischen Maschine erzeugte induzierte elektrische Spannung in der Amplitude einen vorbestimmten Maximalwert unterschreitet. Beispielsweise kann dieser vorbestimmte Maximalwert einem Wert entsprechen, der kleiner oder gleich einer maximal zulässigen elektrischen Spannung des entladenen Zwischenkreiskondensators ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators zu stoppen, falls der zeitliche Gradient der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet. Der vorbestimmte zweite Schwellwert kann dabei beispielsweise dem ersten vorbestimmten Schwellwert für das Freigeben der aktiven Entladung entsprechen. Alternativ können sich die beiden Schwellwerte unterscheiden, sodass beispielsweise eine Hysterese zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert vorgesehen ist. Überschreitet der zeitliche Gradient der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator diesen zweiten Schwellwert, so kann dies beispielsweise ein Indiz darauf sein, dass in dem System mit dem Zwischenkreiskondensator aktuell die Bedingungen für eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators nicht erfüllt sind. Beispielsweise kann eine vorherige Unterschreitung des Gradienten der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator durch eine relativ starke Belastung hervorgerufen sein. In solchen Fällen kann ein Spannungseinbruch über dem Zwischenkreiskondensator anschließend durch eine angeschlossene Spannungsquelle ausgeglichen werden. Hierdurch erhöht sich der Gradient der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator. In einem solchen Fall kann festgestellt werden, dass eine möglicherweise eingeleitete Entladung des Zwischenkreiskondensators nicht angebracht ist, und daraufhin kann die Entladung des Zwischenkreiskondensators wieder gestoppt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems ist die Vorrichtung zur Steuerung der Entladung des Zwischenkreiskondensators dazu ausgelegt, die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators nur dann freizugeben, falls durch den Stromrichter ein vorbestimmter Betriebszustand eingestellt ist. Bei den Betriebszuständen, in welchen eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators freigegeben werden kann, kann es sich beispielsweise um sogenannte sichere Betriebszustände wie einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf handeln. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass keine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators erfolgt, solange sich das Antriebssystem in einem Betriebsmodus zur Ansteuerung der elektrischen Maschine befindet, bei welchem die elektrische Maschine aktiv als Motor oder Generator betrieben wird.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebssystems mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Entladung eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer Ausführungsform;
2: ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung der Steuerung der Entladung eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer Ausführungsform;
3: ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung der Steuerung der Entladung eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
4: ein Ablaufdiagramm wie es einem Verfahren zur Steuerung der Entladung eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Schaltbilds eines elektrischen Antriebssystems mit einer Vorrichtung 1 zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem umfasst einen Stromrichter 2 sowie eine an den elektrischen Stromrichter 2 angeschlossene elektrische Maschine 3. Der elektrische Stromrichter 2 kann an einem Eingangsanschluss von einer Spannungsquelle 4 mit elektrischer Energie versorgt werden. Beispielsweise kann es sich bei der Spannungsquelle 4 um eine Gleichspannungsquelle, insbesondere eine Batterie wie zum Beispiel die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs handeln. Die Spannungsquelle 4 kann mittels der Schaltelemente 41, 42 von dem Eingangsanschluss des Stromrichters 2 getrennt werden. Zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems sind die beiden Schalter 41, 42 geschlossen.
Der elektrische Stromrichter 2 kann somit unter Verwendung der von der Spannungsquelle 4 bereitgestellten elektrischen Energie eine elektrische Spannung erzeugen, die zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 geeignet ist. In einem weiteren Betriebsmodus kann der Stromrichter 2 eine elektrische Spannung, die von der elektrischen Maschine 3 in einem Generatorbetrieb erzeugt wird, in eine elektrische Spannung konvertieren, die zum Aufladen einer am Eingangsanschluss des Stromrichters 2 angeschlossenen Batterie 4 geeignet ist.
Zur Stabilisierung der Eingangsspannung ist zwischen den beiden Anschlusspunkten des Eingangsanschlusses in dem Stromrichter 2 ein Zwischenkreiskondensator 20 vorgesehen. Wird der Stromrichter 2 deaktiviert, so kann über einem aufgeladenen Zwischenkreiskondensator 20 auch dann eine elektrische Spannung bestehen bleiben, selbst wenn die beiden Schaltelemente 41, 42 geöffnet sind. In einem solchen Fall kann der Zwischenkreiskondensator 20 mittels der Vorrichtung 1 zum Entladen des Zwischenkreiskondensators 20 entladen werden.
Die Vorrichtung 1 zum Entladen des Zwischenkreiskondensators 20 umfasst einen aktiven Entladepfad und einen passiven Entladepfad. In dem passiven Entladepfad ist zwischen den beiden Anschlusspunkten des Eingangsanschlusses des Stromrichters 2 ein elektrischer Widerstand 12 vorgesehen. Es versteht sich, dass anstelle eines einzelnen elektrischen Widerstandes 12 auch eine Serienschaltung und/oder Parallelschaltung mehrerer elektrischer Widerstände vorgesehen sein kann. Über diesen elektrischen Widerstand 12 in dem passiven Entladepfad fließt somit stets ein elektrischer Strom, solange über dem Zwischenkreiskondensator 20 eine elektrische Spannung anliegt. Hierdurch wird der Zwischenkreiskondensator 20 kontinuierlich mit einem relativ geringen Entladestrom entladen.
In dem aktiven Entladepfad ist zwischen den beiden Anschlusspunkten des Gleichspannungsanschlusses des Stromrichters 2 ein Schaltelement 13 vorgesehen. Ferner kann in Serie zu diesem Schaltelement 13 mindestens ein elektrischer Widerstand 14 vorgesehen sein. Durch diesen elektrischen Widerstand 14 kann der Entladestrom bei einer aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 begrenzt werden. Zu dieser aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 wird das Schaltelement 13 geschlossen. Beispielsweise kann das Schaltelement 13 von einer Steuereinrichtung 11 angesteuert werden, um eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 einzuleiten. Die elektrischen Widerstände 12 und 14 im passiven und aktiven Entladungspfad können beispielsweise als ohmsche Widerstände ausgeführt sein. Zusätzlich oder alternativ ist es jedoch auch möglich, einen anderen geeigneten elektrischen Verbraucher vorzusehen. Insbesondere kann dabei als elektrischer Verbraucher auch ein kontrolliertes Entladen des Zwischenkreiskondensators 20 über den Stromrichter 2, insbesondere über sogenannte heiße Zweige des Stromrichters 2 mit umschlossen sein.
Die Steuereinrichtung 11 kann hierbei insbesondere unabhängig von weiteren Komponenten des elektrischen Antriebssystems, wie beispielsweise einer Steuerschaltung zur Ansteuerung des Stromrichters 2 operieren. Damit kann die Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 auch dann aktiviert werden, wenn in den weiteren Komponenten des Antriebssystems eine Fehlfunktion auftreten sollte.
Die Steuereinrichtung 11 der Vorrichtung 1 zum Entladen des Zwischenkreiskondensators 20 kann die elektrische Spannung über den Zwischenkreiskondensator 20 erfassen. Hierzu kann zum Beispiel ein Stromsensor zur Überwachung des elektrischen Stroms vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung 11 kann die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 dabei kontinuierlich überwachen. Beispielsweise ist es auch möglich, die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 periodisch mit vorbestimmten Zeitintervallen zu erfassen und wie nachfolgend erläutert auszuwerten.
Die Steuereinrichtung 11 wertet die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 aus und steuert unter Verwendung des Messwerts der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 das Schaltelement 13 in dem aktiven Entladungspfad der Vorrichtung 1 zum Entladen des Zwischenkreiskondensators 20 an, um eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Beispielsweise kann aus dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 ein Gradient dieses zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 bestimmt werden. Dieser Gradient entspricht der Änderung der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 über die Zeit. Ein negativer Gradient entspricht dabei einem Absinken der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20, während ein positiver Gradient einem Anstieg der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 entspricht.
Ist der Zwischenkreiskondensator 20 des Stromrichters 2 von der Spannungsquelle 4 getrennt, beispielsweise durch das Öffnen der Schaltelemente 41, 42, so wird die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 über die Zeit sinken, da der Zwischenkreiskondensator 20 über den passiven Entladepfad mit dem elektrischen Widerstand 12 entladen wird. Somit kann die Steuereinrichtung 11 der Vorrichtung 1 zum Entladen des Zwischenkreiskondensators 20 dieses Absinken der elektrischen Spannung detektieren und daraufhin ein aktives Entladen des Zwischenkreiskondensators 20 über den aktiven Entladepfad freigeben. Hierzu kann die Steuereinrichtung 11 beispielsweise erkennen, dass der Gradient des Verlaufs der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 einen negativen Wert aufweist, der unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. Mit anderen Worten, der Betrag eines negativen Gradienten überschreitet einen Schwellwert. Der Schwellwert, unterhalb den der negative Gradient des Spannungsverlaufs der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 fallen sollte, bevor eine aktive Entladung ausgelöst wird, sollte dabei beispielsweise in Abhängigkeit des Entladestroms durch den passiven Entladepfad mit dem elektrischen Widerstand 12 gewählt werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Spannungs-Zeit-Diagramms zur Veranschaulichung des zuvor beschriebenen Prinzips zur Freigabe einer aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 20. In einem ersten Abschnitt I befindet sich das elektrische Antriebssystem beispielsweise in einem normalen Betriebszustand. Während dieses normalen Betriebszustands wird das elektrische Antriebssystem beispielsweise von einer Spannungsquelle 4 mit elektrischer Energie versorgt, sodass die Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 zumindest annähernd konstant auf einem Wert von ca. U_1 liegt. Wird die Verbindung zwischen der Spannungsquelle 4 und dem Eingangsanschluss des Stromrichters 2 geöffnet, beispielsweise durch Öffnen der Schaltelemente 41, 42, so fällt die elektrische Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 ab, da der Zwischenkreiskondensator 20 über den passiven Entladepfad mit dem elektrischen Widerstand 12 entladen wird. Dieses Absinken der elektrischen Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 in der zweiten Phase II und der damit verbundene negative Gradient kann beispielsweise durch die Steuereinrichtung 11 erkannt werden. Unterschreitet der Gradient der elektrischen Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 einen vorgegebenen Schwellwert, so gibt die Steuereinrichtung 11 daraufhin die aktive Entladung frei und schließt das Schaltelement 13 in dem aktiven Entladepfad. Daraufhin wird in der dritten Phase III der Zwischenkreiskondensator 20 über den aktiven Entladepfad mit dem Schaltelement 13 und dem elektrischen Widerstand 14 entladen. Dieser Entladevorgang wird insbesondere solange aufrechterhalten, bis die elektrische Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 einen vorgegebenen Maximalwert U_2 von beispielsweise 60 Volt unterschreitet. Daraufhin kann die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 beendet werden und das Schaltelement 13 in dem aktiven Entladepfad wieder geöffnet werden, so dass in Abschnitt IV die elektrische Spannung den maximal zulässigen Wert U2 dauerhaft unterschreitet.
Neben der Auswertung des Gradienten im Spannungsverlauf der elektrischen Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 ist es auch möglich, zusätzlich den absoluten Wert der elektrischen Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 für das Aktivieren einer aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 zu berücksichtigen. Unterschreitet die elektrische Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 beispielsweise eine zuvor spezifizierte Mindestspannung, so kann dies auch als ein Hinweis darauf gedeutet werden, dass der Eingang des Stromrichters 2 und somit der Zwischenkreiskondensator 20 nicht mit einer Spannungsquelle 4 elektrisch verbunden ist. Beispielsweise kann diese Mindestspannung einer minimalen Batteriespannung, insbesondere einer minimalen Batteriespannung unter Last entsprechen, falls der elektrische Stromrichter 2 von einer Spannungsquelle 4 mit einer Batterie gespeist wird. Diese minimale Batteriespannung kann beispielsweise der minimalen Batteriespannung einer entladenen Batterie entsprechen. Unterschreitet die elektrische Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 diese zuvor spezifizierte Minimalspannung, so kann dies ebenfalls als Hinweis darauf gedeutet werden, dass der Eingang des Spannungswandlers 2 nicht weiter mit der Gleichspannungsquelle 4 verbunden ist. Somit kann auch in diesem Fall eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 über den aktiven Entladepfad mit dem Schaltelement 13 freigegeben werden.
Ferner kann die Freigabe der aktiven Entladung auch an beliebige weitere Bedingungen geknüpft werden. Beispielsweise kann ein aktives Entladen des Zwischenkreiskondensators 20 nur dann freigegeben werden, falls die elektrische Maschine 3 des Antriebssystems stillsteht, oder die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Beispielsweise kann als maximale Drehzahl der elektrischen Maschine 3 eine Drehzahl gewählt werden, bei welcher die elektrische Maschine in einem generatorischen Betriebsmodus eine elektrische Spannung induziert, deren Spitzenwert einen vorgegebenen maximalen Spannungswert unterschreitet.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Spannungs-Zeit-Diagramms des Spannungsverlaufs der elektrischen Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Analog zu 2 befindet sich während eines normalen Betriebs des elektrischen Antriebssystems in der Phase I die elektrische Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 zumindest annähernd auf einem konstanten Wert U_1. Wird die Spannungsquelle 4, welche den Eingang des Spannungswandlers 2 speist, sehr stark belastet, beispielsweise durch das Aktivieren einer großen Last, so kann dies ebenfalls dazu führen, dass die elektrische Spannung U_Z am Eingang des Gleichspannungswandlers 2 und somit über dem Zwischenkreiskondensator 20 kurzzeitig absinkt und einen entsprechend negativen Gradienten verursacht. Dies kann unter Umständen zu einer unerwünschten Aktivierung der aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 in der Phase II führen. Da die Gleichspannungsquelle 4 jedoch kontinuierlich weiter elektrische Energie bereitstellt, wird sich dieser kurzzeitige Spannungseinbruch sehr rasch ausgleichen und die elektrische Spannung U_Z am Eingang des Spannungswandlers und somit über dem Zwischenkreiskondensator 20 wieder zumindest annähernd auf den ursprünglichen Wert U_1 ansteigen. Die Steuervorrichtung 11 kann in diesem Fall einen entsprechend hohen positiven Gradienten der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 20 detektieren. In einem solchen Fall kann die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 gestoppt werden, indem das Schaltelement 13 wieder geöffnet wird. Somit wird es bei einem solchen Spannungseinbruch aufgrund des Aktivierens einer großen Last lediglich zu einer kurzzeitigen Aktivierung der aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 kommen. Um in besonders dynamischen Systemen ein zu häufiges unerwünschtes Aktivieren der Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 zu verhindern, kann beispielsweise eine weitere Aktivierung der aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 nur dann freigegeben werden, wenn seit einer vorherigen Aktivierung der aktiven Entladung eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Steuerung der Entladung eines Zwischenkreiskondensators 20 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren kann grundsätzlich beliebige Verfahrensschritte umfassen, wie sie zuvor bereits in Zusammenhang mit der Vorrichtung 1 zum Entladen des Zwischenkreiskondensators 20 beschrieben worden sind. Analog kann auch die zuvor beschriebene Vorrichtung 1 zum Entladen des Zwischenkreiskondensators 20 beliebige Komponenten aufweisen, wie sie zur Implementierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sind.
In einem Schritt S1 wird zunächst die elektrische Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 erfasst. Daraufhin kann in Schritt S2 ein Gradient des zeitlichen Verlaufs der erfassten Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 ermittelt werden. Unterschreitet der Gradient des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 einen vorgegebenen Schwellwert, das heißt ist der Betrag eines negativen Gradienten größer als ein entsprechender positiver Schwellwert, so wird eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 freigegeben. Für eine solche aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators 20 kann beispielsweise ein Schaltelement 13 in einem aktiven Entladepfad parallel zu den Anschlüssen des Zwischenkreiskondensators 20 geschlossen werden.
Zur Bewertung des Gradienten des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 ist gegebenenfalls auch eine zeitliche Filterung der Messwerte für die elektrische Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 möglich. Zum Beispiel kann für die Bestimmung des Gradienten der elektrischen Spannung U_Z über dem Zwischenkreiskondensator 20 die Variation der elektrischen Spannung U_Z über ein Zeitintervall von einer Sekunde betrachtet werden. Grundsätzlich sind jedoch auch beliebige andere geeignete Zeitintervalle möglich.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung das Aktivieren einer aktiven Entladung eines Zwischenkreiskondensators. Hierzu ist eine Entladevorrichtung vorgesehen, welche unabhängig von weiteren Systemkomponenten eine Bedingung zum Aktivieren der Entladung eines Zwischenkreiskondensators detektieren kann und daraufhin eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators einleiten kann. Hierzu wird die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator ausgewertet und die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators freigegeben, falls ein Gradient der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013224884 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Steuerung einer Entladung eines Zwischenkreiskondensators (20), mit: einer Überwachungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung (U_Z) über dem Zwischenkreiskondensator (20) zu ermitteln; eine Steuereinrichtung (11), die dazu ausgelegt ist, einen zeitlichen Gradienten der elektrischen Spannung (U_Z) über dem Zwischenkreiskondensator (20) zu bestimmen und eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators (20) freizugeben, falls der zeitliche Gradient der elektrischen Spannung (U_Z) über dem Zwischenkreiskondensator (20) einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (11) dazu ausgelegt ist, die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators (20) nur dann freizugeben, falls seit einer vorherigen aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators (20) mindesten eine vorbestimmte Zeitspanne vergangen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (11) dazu ausgelegt ist, die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators (20) freizugeben, falls die elektrische Spannung (U_Z) über dem Zwischenkreiskondensator (20) eine vorbestimmte Mindestspannung unterschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (11) dazu ausgelegt ist, eine Drehzahl einer elektrischen Maschine (3) in einem elektrischen Antriebssystem mit dem Zwischenkreiskondensator (20) zu ermitteln, und die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators (20) freizugeben, falls die ermittelte Drehzahl einen vorbestimmten Drehzahlwert unterschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators zu stoppen, falls der zeitliche Gradient der elektrischen Spannung (U_Z) über dem Zwischenkreiskondensator (20) einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet.
Vorrichtung (1) zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators (20), mit: einem passiven Entladungspfad, der zwischen einem ersten Anschluss des Zwischenkreiskondensators (20) und einem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensators (20) angeordnet ist und der einen elektrischen Widerstand (12) und/oder einen elektrischen Verbraucher umfasst; einem aktiven Entladungspfad, der zwischen einem ersten Anschluss des Zwischenkreiskondensators (20) und einem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensators (20) angeordnet ist und der ein Schaltelement (13) umfasst; und einer Vorrichtung zur Steuerung der Entladung des Zwischenkreiskondensators (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorrichtung zur Steuerung der Entladung dazu ausgelegt ist, das Schaltelement (13) in dem aktiven Entladungspfad zu schließen, falls die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators (20) freigegeben ist.
Elektrischer Stromrichter (2), mit: einem Eingangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, mit einer Gleichspannungsquelle (4) verbunden zu werden; einem Zwischenkreiskondensator (20), der zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses angeordnet ist; einem Ausgangsanschluss; einer Vorrichtung (1) zum Entladen des Zwischenkreiskondensators (20) nach Anspruch 6, wobei der Stromrichter (2) dazu ausgelegt ist, eine an dem Eingangsanschluss bereitgestellte Gleichspannung in eine vorbestimme Ausgangsspannung zu konvertieren und an dem Ausgangsanschluss bereitzustellen.
Elektrisches Antriebssystem, mit: einem elektrischen Stromrichter (2) nach Anspruch 7; und einer elektrischen Maschine (3), die elektrisch mit dem Ausgangsanschluss des Stromrichters (2) verbunden ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung zur Steuerung der Entladung der Zwischenkreiskondensators (2) dazu ausgelegt ist, die aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators (20) nur dann freizugeben, falls durch den Stromrichter (2) ein vorbestimmter Betriebszustand eingestellt ist.
Verfahren zur Steuerung einer Entladung eines Zwischenkreiskondensators (2), mit den Schritten: Ermitteln (S1) einer elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator (2); Bestimmen (S2) eines zeitlichen Gradienten der elektrischen Spannung (U_Z) über dem Zwischenkreiskondensator (2); Freigeben (S3) einer aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators (20), falls der zeitliche Gradient der elektrischen Spannung über dem Zwischenkreiskondensator (20) einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet.