EP4655876A1 - Steuervorrichtung zum aktivieren und deaktivieren eines y-kondensators, stromrichter und elektrisches antriebssystem - Google Patents

Steuervorrichtung zum aktivieren und deaktivieren eines y-kondensators, stromrichter und elektrisches antriebssystem

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EP4655876A1
EP4655876A1 EP23790654.0A EP23790654A EP4655876A1 EP 4655876 A1 EP4655876 A1 EP 4655876A1 EP 23790654 A EP23790654 A EP 23790654A EP 4655876 A1 EP4655876 A1 EP 4655876A1
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EP
European Patent Office
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semiconductor switching
switching element
control device
capacitor
transformer
Prior art date
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Pending
Application number
EP23790654.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Edwin Eberlein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H03K17/18—Modifications for indicating state of switch
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0069—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to the isolation, e.g. ground fault or leak current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
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    • H02J1/122—Provisions for temporary connection of DC sources of essentially the same voltage, e.g. jumpstart cables
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
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    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from DC input or output

Definitions

  • Control device for activating and deactivating a Y capacitor, power converter and electric drive system
  • the present invention relates to a control device for activating and deactivating a Y capacitor, as well as a power converter and an electric drive system with such a control device.
  • the present invention is described below in connection with an electric drive system for an electric vehicle, the invention is not limited to this. Rather, the present invention can in principle also be applied to any other systems in which Y capacitors are to be specifically activated or deactivated.
  • Electrical drive systems usually include a power converter that converts an electrical voltage provided on the input side into another voltage that is suitable for controlling an electrical machine.
  • So-called Y capacitors can be provided at the input terminals of such a power converter, with a Y capacitor being arranged between an input terminal and a reference potential.
  • the publication DE 10 2020 121 248 A1 describes a circuit arrangement for charging an electric vehicle with switchable Y capacitors between phase connections and a neutral conductor, wherein the Y capacitors can be deactivated in a rest state of the circuit arrangement.
  • Disclosure of the invention discloses a control device for activating and deactivating a Y capacitor, as well as a power converter and an electric drive system with the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims.
  • a control device for activating and deactivating a Y capacitor wherein the Y capacitor is arranged between a voltage supply line and a node and a semiconductor switching element for activating and deactivating the Y capacitor is arranged between the node and a reference potential.
  • the control device comprises a transformer, a first control device, a second control device and a diode.
  • the transformer comprises a primary side and a secondary side.
  • the first control device is designed to provide predetermined control pulses on the primary side of the transformer.
  • the control pulses are adapted to signal a desired switching state of the semiconductor switching element.
  • the second control device is electrically coupled to the secondary side of the transformer.
  • the second control device is designed to control the semiconductor switching element using the voltage signals present at the secondary connection of the transformer.
  • the diode is arranged between a first connection of the secondary side of the transformer and the node.
  • the second connection of the secondary side of the transformer can be connected to a reference potential.
  • Electrical power converter with an input terminal and a power converter circuit.
  • the input terminal is designed to be connected to a first connection point and a second connection point with an electrical direct voltage source.
  • the power converter circuit is designed to convert an electrical direct voltage provided at the input terminal into an alternating voltage and to AC voltage to be provided at an output terminal.
  • a series circuit comprising a Y capacitor and a semiconductor switching element is arranged between a reference potential and the first connection point and between the reference potential and the second connection point.
  • a control device according to the invention is provided for each Y capacitor.
  • An electric drive system in particular an electric drive system for an electric vehicle with an electric machine and an electric power converter according to the invention.
  • the present invention creates a control device for activating or deactivating Y capacitors, which can easily verify the respective state of the Y capacitors.
  • this makes it possible to make the capacitances of the Y capacitors available when required, for example to minimize high-frequency interference.
  • the capacitances of the Y capacitors can be deactivated or switched off when they are not needed. This means that no electrical energy is stored in the deactivated Y capacitors, which could potentially pose a danger to people.
  • the possibility of verifying the current state, ie activating or deactivating the Y capacitors also ensures that the desired configuration is present.
  • the Y capacitors can also provide the necessary filtering of high-frequency interference when required, and on the other hand, it can be ensured that the Y capacitors are also reliably decoupled when they are not needed.
  • the diode between a connection on the secondary side of the transformer and the node at which the Y capacitor is connected to the semiconductor switching element for activating/deactivating the Y capacitor can thus achieve current feedback on the primary side of the transformer, which makes it possible to draw conclusions about the switching state of the semiconductor switching element on the primary side of the transformer.
  • the first control device is designed to detect an electric current on the primary side of the transformer and to determine a switching state of the semiconductor switching element using the detected electric current.
  • the control device can evaluate the electric current while the primary side of the transformer is being subjected to the control pulses.
  • the diode according to the invention between the secondary side of the transformer and the node at which the Y capacitor and semiconductor switching element are connected to one another can achieve a current feedback on the primary side of the transformer, which allows conclusions to be drawn about the switching state of the semiconductor switching element.
  • the first control device is designed to detect a malfunction of the semiconductor switching element if the determined switching state of the semiconductor switching element differs from the one determined by means of the control pulses signaled switching state. In other words, if there is a discrepancy between the integrated result of the switching state of the semiconductor switching element and the requested switching state, this indicates a malfunction. This can be indicated by an appropriate signal, for example an analog or digital output signal. If necessary, further measures can then be initiated, such as switching off the system, continuing operation with reduced power or in an emergency operating mode, or similar. Furthermore, such an error can also be stored in an error memory and read out at a later time, for example in a workshop.
  • the control pulses each comprise a first time period and a second time period.
  • the control pulses each have a predetermined first voltage level.
  • the control pulses also have a voltage curve that signals the desired switching state of the semiconductor switching element.
  • the maximum voltage level can be lower than the voltage level during the first time period.
  • a longer pulse with a predetermined voltage level can signal a state in which the semiconductor switching element should be closed in order to activate the Y capacitor.
  • a shorter pulse within the second time period can request a switching state in which the semiconductor switching element should be opened in order to deactivate the Y capacitor.
  • the control device is designed to close the semiconductor switching element of the series circuit comprising the Y capacitor and the semiconductor switching element in a first operating mode. Accordingly, the semiconductor switching element of the series circuit comprising the Y capacitor and the semiconductor switching element can be opened in a second operating mode.
  • the first operating mode can be set with the activated Y capacitor if another component connected to the Y capacitor, such as an electrical power converter, is active. If, however, this connected component is not active, the Y capacitor can also be deactivated.
  • the first operating mode can be set with the activated Y capacitor if the vehicle is in a driving mode in which the vehicle's electric drive system is active. If the vehicle is parked or is being charged, for example, the Y capacitors at the input of an electric power converter of the drive system can be deactivated.
  • Fig. 1 a schematic diagram of an electric drive system with a control device according to an embodiment
  • Fig. 2 a schematic diagram of a control device according to an embodiment
  • Fig. 3 a voltage-time diagram to illustrate control pulses as they can be provided in a control device according to an embodiment
  • Fig. 4 a voltage-time diagram to illustrate further control pulses as they can be provided in a control device according to an embodiment. Description of embodiments
  • FIG. 1 shows a basic circuit diagram of an electric drive system according to an embodiment.
  • the electric drive system comprises, for example, a power converter 2 and an electric machine 3.
  • the electric power converter 2 can be fed with a direct voltage on the input side at a direct voltage connection from a direct voltage source 1, for example a traction battery of an electric vehicle.
  • the power converter 2 can convert this direct voltage into a single-phase or multi-phase alternating voltage, for example according to setpoint specifications, and provide this alternating voltage to the electric machine 3.
  • the power converter 2 can also convert the electrical alternating voltage provided by the electric machine 3 in generator mode into a direct voltage in a recuperation mode, which is suitable for charging the battery connected to the direct voltage connection.
  • a charging circuit 4 can be provided if necessary.
  • the direct voltage source 1, in particular the traction battery can be charged from an external energy source.
  • the switching elements that may be provided for this purpose for separating the connections between the charging circuit 4, the direct voltage source 1 and the power converter 2 are not shown in Figure 1 for the sake of clarity.
  • So-called Y capacitors Cy can be provided on the DC voltage connection of the power converter 2.
  • one such Y capacitor Cy can be provided between each of the two DC voltage lines on the DC voltage connection of the power converter 2 and a reference potential.
  • a switching element in particular a semiconductor switching element M, can be provided between each Y capacitor Cy and the reference potential. By closing this semiconductor switching element M, the respective Y capacitor Cy can thus be activated. Accordingly, by opening the semiconductor switching element M, the respective Y capacitor Cy can be deactivated.
  • the Y capacitors Cy can be activated by closing the semiconductor switching elements M when the power converter 2 is active, particularly when the electric drive system is in an active state. If the electric drive system is, for example, the drive system of an electric vehicle, the Y capacitors Cy can be activated by closing the semiconductor switching elements M when the vehicle is in a driving mode. If, on the other hand, the vehicle is parked and, for example, charged, the Y capacitors Cy can be deactivated by opening the semiconductor switching elements M.
  • a large total capacitance can be achieved, whereas when the Y capacitor is deactivated, only the small capacitance of the further capacitor remains effective.
  • the semiconductor switching elements M can be controlled to open or close, for example, by means of the control device 100 explained in more detail below.
  • FIG. 2 shows a basic circuit diagram of a control device 100 for activating and deactivating Y capacitors Cy according to an embodiment.
  • the control device 100 comprises a first control device 10, a second control device 20, a transformer T and a diode D.
  • the first control device 10 comprises a control element 11, which generates control pulses explained in more detail below and provides them on the primary side of the transformer T.
  • the secondary side of the transformer T is connected to the second control device 20.
  • the second control device 20 can comprise a voltage supply component 21 and a control component 22.
  • the voltage supply component 21 can generate a generate electrical voltage that is suitable for supplying the control component 22 with electrical energy.
  • the electrical voltage provided on the secondary side of the transformer T can be rectified in the voltage supply component 21 and stored in a capacitor.
  • the control component 22 evaluates the voltage signal provided on the secondary side of the transformer T.
  • the control component 22 can open or close the semiconductor switching element M depending on the signal curve of the voltage signal on the secondary side of the transformer T.
  • a corresponding control signal can be provided by the control component 22 at the control terminal of the semiconductor switching element.
  • a diode D is provided between the node K, at which the Y capacitor Cy is connected to the semiconductor switching element M, and a first connection point of the secondary side of the transformer T.
  • an electrical resistor R can also be provided in series with this diode D.
  • This electrical resistor R can be used, for example, to limit or adjust the electrical current in this current path.
  • the second connection point on the secondary side of the transformer can, for example, be connected to a reference potential.
  • a current sensor 12 is provided, which can detect the electrical current on the secondary side of the transformer T.
  • the current sensor 12 can provide its sensor signal to the control element 11.
  • the control element 11 can evaluate these sensor values of the current sensor 12 and determine the switching state of the semiconductor switching element M.
  • the control element 11 can of the semiconductor switching element M with the requested switching state. If there is a discrepancy between the determined switching state and the requested switching state, a malfunction can be detected. A corresponding error message can then be signaled. For example, in such a case the functionality of the system with the Y capacitors Cy can be restricted or completely deactivated.
  • Figures 3 and 4 each show voltage-time diagrams of the control pulses as they can be provided by the first control device 10, for example on the primary side of the transformer T.
  • Figure 3 illustrates an exemplary course of the voltage pulses for closing the semiconductor switching element M
  • Figure 4 illustrates an exemplary course of the voltage pulses for opening the semiconductor switching element M.
  • the control pulses can be divided into two time periods t1 and t2.
  • the control pulse can assume a predetermined first voltage value. This can ensure, for example, that by means of the control pulses a sufficient amount of electrical energy is transferred from the primary side to the secondary side of the transformer T in order to supply the second control device 20 with electrical energy.
  • a signal can then be given about the desired switching state of the semiconductor switching element.
  • a voltage pulse with a second voltage value can be output over the entire length of the second time period t2. This second voltage value can be lower than the first voltage during the first time period t1.
  • FIG. 4 illustrates a possible voltage curve for opening the semiconductor switching element M.
  • the first time period t1 with the voltage pulse of the first voltage value is identical to the voltage pulse described above for closing the semiconductor switching element M.
  • the subsequent second time period t2 only a short time period ta with the second voltage value takes place to signal the opening of the semiconductor switching element M, which is followed by a further time period tb with a voltage of approximately 0 volts.
  • the described voltage curve can be output alternately with positive and negative voltages.
  • the present invention relates to a circuit arrangement which makes it possible to activate or deactivate a Y capacitor galvanically separately and at the same time to check a switching state of the switching element for activating or deactivating the Y capacitor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, welche es ermöglicht, eine Y-Kondensator galvanische getrennt zu aktivieren oder zu deaktivieren und dabei gleichzeitig eine Schaltzustand des Schaltelements zum Aktivieren bzw.Deaktivieren des Y-Kondensator zu überprüfen.

Description

Beschreibung
Titel
Steuervorrichtung zum Aktivieren und Deaktivieren eines Y- Kondensators, Stromrichter und elektrisches Antriebssystem
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Aktivieren und Deaktivieren eines Y Kondensators, sowie einen Stromrichter und ein elektrisches Antriebssystem mit einer solchen Steuervorrichtung.
Stand der Technik
Obwohl die vorliegende Erfindung nachfolgend in Zusammenhang mit einem elektrischen Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug beschrieben wird, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung grundsätzlich auch auf beliebige andere Systeme angewendet werden, bei welchen Y- Kondensatoren gezielt aktiviert bzw. deaktiviert werden sollen.
Elektrische Antriebssysteme umfassen in der Regel einen Stromrichter, der eine eingangsseitig bereitgestellte elektrische Spannung in eine weitere Spannung konvertiert, die dazu geeignet ist, eine elektrische Maschine anzusteuern. Hierbei können an den Eingangsanschlüssen eines solchen Stromrichters sogenannte Y- Kondensatoren vorgesehen sein, wobei jeweils ein Y- Kondensator zwischen einem Eingangsanschluss und einem Bezugspotenzial angeordnet ist.
Die Druckschrift DE 10 2020 121 248 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs mit schaltbaren Y-Kondensatoren zwischen Phasenanschlüssen und einem Nullleiter, wobei die Y-Kondensatoren in einem Ruhezustand der Schaltungsanordnung deaktiviert werden können.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung offenbart eine Steuervorrichtung zum Aktivieren und Deaktivieren eines Y- Kondensators, sowie einen Stromrichter und ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Steuervorrichtung zum Aktivieren und Deaktivieren eines Y-Kondensators, wobei der Y-Kondensator zwischen einer Spannungsversorgungsleitung und einem Knotenpunkt angeordnet ist und ein Halbleiterschaltelement zum Aktivieren und Deaktivieren des Y-Kondensators zwischen dem Knotenpunkt und einem Bezugspotential angeordnet ist. Die Steuervorrichtung umfasst einen Transformator, eine erste Steuereinrichtung, eine zweite Steuereinrichtung sowie eine Diode. Der Transformator umfasst eine Primärseite und eine Sekundärseite. Die erste Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, vorbestimmte Steuerpulse an der Primärseite des Transformators bereitzustellen. Hierbei sind die Steuerpulse dazu angepasst, einen gewünschten Schaltzustand des Halbleiterschaltelements zu signalisieren. Die zweite Steuereinrichtung ist mit der Sekundärseite des Transformators elektrisch gekoppelt. Ferner ist sie zweite Steuereinrichtung dazu ausgelegt, das Halbleiterschaltelement unter Verwendung der am Sekundäranschluss des Transformators anliegenden Spanungssignale anzusteuern. Die Diode ist zwischen einem ersten Anschluss der Sekundärseite des Transformators und dem Knotenpunkt angeordnet. Der zweite Anschluss der Sekundärseite des Transformators kann mit einem Bezugspotenzial verbunden sein.
Weiterhin ist vorgesehen:
Elektrischer Stromrichter mit einem Eingangsanschluss und einer Stromrichterschaltung. Der Eingangsanschluss ist dazu ausgelegt, an einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Die Stromrichterschaltung ist dazu ausgelegt, eine am Eingangsanschluss bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine Wechselspannung zu konvertieren und diese Wechselspannung an einem Ausgangsanschluss bereitzustellen. Ferner ist zwischen einem Bezugspotential und dem ersten Anschlusspunkt sowie zwischen dem Bezugspotential und dem zweiten Anschlusspunkt jeweils eine Serienschaltung aus einem Y-Kondensator und einem Halbleiterschaltelement angeordnet. Darüber hinaus ist für jeden Y-Kondensator jeweils eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung vorgesehen.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere elektrisches Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einem erfindungsgemäßen elektrischen Stromrichter.
Vorteile der Erfindung
Mit zunehmender Kapazität von Y- Kondensatoren steigt auch die in diesen Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie. Insbesondere für elektrische Antriebssysteme, die von einer Hochvolt-Gleichspannungsquelle gespeist werden, ist es dabei erforderlich, diese Kondensatoren bei einem ausgeschalteten Antriebssystem möglichst rasch entladen zu können.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, Y- Kondensatoren nur dann zu aktivieren, wenn sie auch tatsächlich benötigt werden. Hierbei ist es wünschenswert, den jeweiligen Schaltzustand, d. h. das Aktivieren bzw. Deaktivieren der Y- Kondensatoren zuverlässig verifizieren zu können.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine Steuervorrichtung zum Aktivieren bzw. Deaktivieren von Y- Kondensatoren, welches auf einfache Weise den jeweiligen Zustand der Y- Kondensatoren verifizieren kann. Somit ist es einerseits möglich, die Kapazitäten der Y-Kondensatoren bei Bedarf zur Verfügung zu stellen, um beispielsweise hochfrequente Störeinflüsse zu minimieren. Andererseits können die Kapazitäten der Y-Kondensatoren deaktiviert bzw. abgeschaltet werden, wenn diese nicht benötigt werden. Somit wird in den deaktivierten Y-Kondensatoren auch keine elektrische Energie gespeichert, die gegebenenfalls eine Gefahr für Personen darstellen kann. Darüber hinaus kann durch die Möglichkeit der Verifikation des aktuellen Zustandes, d. h. dem Aktivieren bzw. Deaktivieren der Y- Kondensatoren auch sichergestellt werden, dass jeweils die gewünschte Konfiguration vorliegt Folglich kann einerseits sichergestellt werden, dass die Y- Kondensatoren bei Bedarf auch die erforderliche Filterung von hochfrequenten Störeinflüssen gewährleisten können, und andererseits kann sichergestellt werden, dass die Y- Kondensatoren auch zuverlässig entkoppelt sind, wenn diese nicht benötigt werden.
So kann durch die Diode zwischen einem Anschluss auf der Sekundärseite des Transformators und dem Knotenpunkt, an welchem der Y- Kondensator mit dem Halbleiterschaltelement zum Aktivieren/Deaktivieren des Y-Kondensator verbunden ist, eine Strom-Rückkopplung auf die Primärseite des Transformators erreicht werden, welche es ermöglicht, auf der Primärseite des Transformators Rückschlüsse über den Schaltzustand des Halbleiterschaltelements zu ziehen. Somit kann auf der Primärseite des Transformators eine galvanische getrennte Überprüfung des Schaltzustandes des Halbleiterschaltelements realisiert werden und hierdurch die Funktion des Y-Kondensators analysiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Steuereinrichtung dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom auf der Primärseite des Transformators zu erfassen und einen Schaltzustand des Halbleiterschaltelements unter Verwendung des erfassten elektrischen Stroms zu ermitteln. Insbesondere kann die Steuereinrichtung den elektrischen Strom während des Beaufschlagens der Primärseite des Transformators mit den Steuerimpulsen auswerten. Wie zuvor bereits ausgeführt, kann durch die erfindungsgemäße Diode zwischen der Sekundärseite des Transformators und dem Knotenpunkt, an welchem Y- Kondensator und Halbleiterschaltelement miteinander verbunden sind, eine Strom-Rückwirkung auf die Primärseite des Transformators erzielt werden, welche Rückschlüsse auf den Schaltzustand des Halbleiterschaltelement erlaubt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Steuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Fehlfunktion des Halbleiterschaltelements zu detektieren, falls der ermittelte Schaltzustand des Halbleiterschaltelements von dem mittels der Steuerpulse signalisierten Schaltzustand abweicht. Mit anderen Worten, liegt zwischen dem integrierten Resultat des Schaltzustandes des Halbleiterschaltelement und dem angeforderten Schaltzustand eine Diskrepanz vor, so deutet dies auf eine Fehlfunktion hin. Dies kann durch eine entsprechende Signalisierung, beispielsweise ein analoges oder digitales Ausgabesignale angezeigt werden. Gegebenenfalls können daraufhin weitere Maßnahmen, wie beispielsweise ein Abschalten des Systems, ein Weiterbetrieb mit reduzierter Leistung oder in einem Not-Betriebsmodus, o. ä. eingeleitet werden. Ferner kann ein solcher Fehler gegebenenfalls auch einem Fehlerspeicher abgelegt und zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise in einer Werkstatt, ausgelesen werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Steuerpulse jeweils einen ersten Zeitabschnitt und einen zweiten Zeitabschnitt. Hierbei weisen die Steuerpulse in dem ersten Zeitabschnitt jeweils ein vorbestimmtes erstes Spannungsniveau auf. Ferner weisen die Steuerpulse in dem zweiten Zeitabschnitt einen Spannungsverlauf auf, der jeweils den gewünschten Schaltzustand des Halbleiterschaltelements signalisiert. Hierbei kann das maximale Spannungsniveau während des zweiten Zeitabschnitt geringer sein, als das Spannungsniveau während des ersten Zeitabschnitt. Zum Beispiel kann während des zweiten Zeitabschnitt durch einen längeren Puls mit einem vorgegebenen Spannungsniveau ein Zustand signalisiert werden, bei welchen das Halbleiterschaltelement geschlossen werden soll, um den Y-Kondensator zu aktivieren. Ferner kann durch eine kürzeren Puls innerhalb des zweiten Zeitabschnitt ein Schaltzustand angefordert werden, bei welchem das Halbleiterschaltelement geöffnet werden soll, um den Y-Kondensator zu deaktivieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, in einem ersten Betriebsmodus das Halbleiterschaltelement der Serienschaltung aus Y-Kondensator und Halbleiterschaltelement zu schließen. Entsprechend kann in einem zweiten Betriebsmodus das Halbleiterschaltelement der Serienschaltung aus Y-Kondensator und Halbleiterschaltelement geöffnet werden. Beispielsweise kann der erste Betriebsmodus mit dem aktivierten Y- Kondensator eingestellt werden, wenn eine an den Y-Kondensator angeschlossene weitere Komponente, wie zum Beispiel ein elektrischer Stromrichter, aktiv ist. Ist diese angeschlossene Komponente dagegen nicht aktiv, so kann auch der Y-Kondensator deaktiviert werden. Insbesondere kann zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug der erste Betriebsmodus mit dem aktivierten Y-Kondensator eingestellt werden, wenn sich das Fahrzeug in einem Fahrmodus befindet, in welchem das elektrische Antriebssystem des Fahrzeugs aktiv ist. Ist das Fahrzeug abgestellt oder wird beispielsweise gerade aufgeladen, so können in diesem Fall die Y- Kondensatoren am Eingang eines elektrischen Stromrichters des Antriebssystems deaktiviert werden.
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:
Fig. 1 : ein Prinzipschaltbild eines elektrischen Antriebssystems mit einer Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2: ein Prinzipschaltbild einer Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 3: ein Spannungs-Zeitdiagramm zur Veranschaulichung von Steuerimpulsen, wie sie in einer Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein können; und
Fig. 4: ein Spannungs-Zeitdiagramm zur Veranschaulichung weiterer Steuerimpulse, wie sie in einer Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein können. Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem umfasst beispielsweise einen Stromrichter 2 sowie eine elektrische Maschine 3. Der elektrische Stromrichter 2 kann eingangsseitig an einem Gleichspannungsanschluss von einer Gleichspannungsquelle 1 , beispielsweise einer Traktionsbatterie eine Elektrofahrzeugs mit einer Gleichspannung gespeist werden. Der Stromrichter 2 kann diese Gleichspannung beispielsweise gemäß Sollwertvorgaben in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung konvertieren und diese Wechselspannung an der elektrischen Maschine 3 bereitstellen. Gegebenenfalls kann der Stromrichter 2 auch in einem Rekuperationsbetrieb die von der elektrischen Maschine 3 in einem Generatorbetrieb bereitgestellte elektrische Wechselspannung in eine Gleichspannung konvertieren, die dazu geeignet ist, die am Gleichspannungsanschluss angeschlossene Batterie aufzuladen.
Ferner kann gegebenenfalls eine Ladeschaltung 4 vorgesehen sein. Mittels dieser Ladeschaltung 4 kann die Gleichspannungsquelle 1 , insbesondere die Traktionsbatterie von einer externen Energiequelle aufgeladen werden. Die hierzu gegebenenfalls vorgesehene Schaltelemente zum Trennen der Verbindungen zwischen Ladeschaltung 4, Gleichspannungsquelle 1 und Stromrichter 2 sind zur besseren Übersicht in Figur 1 nicht dargestellt
Am Gleichspannungsanschluss des Stromrichters 2 können sogenannte Y- Kondensatoren Cy vorgesehen sein. Hierbei kann jeweils zwischen den beiden Gleichspannungsleitungen am Gleichspannungsanschluss des Stromrichters 2 und einem Bezugspotenzial jeweils ein solcher Y-Kondensator Cy vorgesehen sein. Ferner kann zwischen jedem Y-Kondensator Cy und dem Bezugspotenzial ein Schaltelement, insbesondere ein Halbleiterschaltelement M vorgesehen sein. Durch das Schließen dieses Halbleiterschaltelements M kann somit der jeweilige Y-Kondensator Cy aktiviert werden. Entsprechend kann durch das Öffnen des Halbleiterschaltelements M der jeweilige Y-Kondensator Cy deaktiviert werden.
Zum Beispiel können die Y- Kondensatoren Cy durch das Schließen der Halbleiterschaltelemente M aktiviert werden, wenn der Stromrichter 2 aktiv ist, insbesondere wenn sich das elektrische Antriebssystem in einem aktiven Zustand befindet. Handelt es sich bei dem elektrischen Antriebssystem beispielweise um das Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs, so können die Y- Kondensatoren Cy durch das Schließen der Halbleiterschaltelemente M aktiviert werden, wenn sich das Fahrzeug in einem Fahrmodus befindet Wird das Fahrzeug dagegen abgestellt und beispielsweise aufgeladen, so können die Y- Kondensatoren Cy durch das Öffnen der Halbleiterschaltelemente M deaktiviert werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, neben den aktivierbaren/deaktivierbaren Y- Kondensatoren Cy gegebenenfalls auch jeweils eine weitere, vorzugsweise kleinere Kapazität parallel zu den Serienschaltungen aus einem Y-Kondensator Cy und dem korrespondierenden Schaltelement M vorzusehen. Somit kann durch das Aktivieren der Y- Kondensatoren und die daraus resultierende Parallelschaltung mit dem weiteren Kondensator eine große Gesamtkapazität erreicht werden, währen bei dem Deaktivieren des Y- Kondensators lediglich die kleines Kapazität des weiteren Kondensators wirksam bleibt.
Das Ansteuern der Halbleiterschaltelemente M zum Öffnen bzw. Schließen kann beispielsweise mittels der nachfolgend noch näher erläuterten Steuereinrichtung 100 erfolgen.
Figur 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Steuervorrichtung 100 zum Aktivieren und Deaktivieren von Y-Kondensatoren Cy gemäß einer Ausführungsform. Die Steuervorrichtung 100 umfasst eine erste Steuereinrichtung 10, eine zweite Steuereinrichtung 20, einen Transformator T sowie eine Diode D.
Die erste Steuereinrichtung 10 umfasst ein Steuerelement 11 , welches nachfolgend noch näher erläuterte Steuerimpulse generiert und an der Primärseite des Transformators T bereitstellt.
Die Sekundärseite des Transformators T ist mit der zweiten Steuereinrichtung 20 verbunden. Insbesondere kann die zweite Steuereinrichtung 20 eine Spannungsversorgungskomponente 21 und eine Ansteuerkomponente 22 umfassen. Die Spannungsversorgungskomponente 21 kann aus der an der Sekundärseite des Transformators T bereitgestellten elektrischen Spannung eine elektrische Spannung generieren, die dazu geeignet ist, die Ansteuerkomponente 22 mit elektrischer Energie zu versorgen. Beispielsweise kann hierzu in der Spannungsversorgungskomponente 21 die auf der Sekundärseite des Transformators T bereitgestellte elektrische Spannung gleichgerichtet und in einem Kondensator gespeichert werden.
Die Ansteuerkomponente 22 wertet die auf der Sekundärseite des Transformators T bereitgestellten Spannungssignal aus. Insbesondere kann die Ansteuerkomponente 22 in Abhängigkeit des Signalverlaufs des Spannungssignals der Sekundärseite des Transformators T das Halbleiterschaltelement M öffnen oder schließen. Hierzu kann an dem Steueranschluss des Halbleiterschaltelements ein entsprechendes Ansteuersignal von der Ansteuerkomponente 22 bereitgestellt werden.
Ferner ist zwischen dem Knotenpunkt K, an welchem der Y-Kondensator Cy mit dem Halbleiterschaltelement M verbunden ist und einem ersten Anschlusspunkt der Sekundärseite des Transformators T eine Diode D vorgesehen.
Insbesondere kann in Serie zu dieser Diode D auch ein elektrischer Widerstand R vorgesehen sein. Durch diesen elektrischen Widerstand R kann beispielsweise der elektrische Strom in diesem Strompfad begrenzt bzw. eingestellt werden. Der zweite Anschlusspunkt auf der Sekundärseite des Transformators kann beispielsweise mit einem Bezugspotenzial verbunden sein.
Durch den Strompfad mit der Diode D zwischen dem ersten Anschlusspunkt auf der Sekundärseite des Transformators T und dem Knotenpunkt K kann bei geschlossenem Halbleiterschaltelement M somit ein elektrischer Strom fließen. Dieser elektrische Strom verursacht eine Rückwirkung auf die Primärseite des Transformators T.
In der ersten Steuereinrichtung 10 ist ein Stromsensors 12 vorgesehen, welcher den elektrischen Strom auf der Sekundärseite des Transformators T erfassen kann. Der Stromsensor 12 kann sein Sensorsignal an dem Steuerelement 11 bereitstellen. Somit kann das Steuerelement 11 diesen Sensorwerte Stromsensors 12 auswerten und den Schaltzustand des Halbleiterschaltelement M ermitteln. Ferner kann das Steuerelement 11 den ermittelten Schaltzustand des Halbleiterschaltelement M mit dem angeforderten Schaltzustand vergleichen. Liegt hierbei eine Diskrepanz zwischen ermitteltem Schaltzustand und angefordertem Schaltzustand vor, so kann eine Fehlfunktion detektiert werden. Daraufhin kann eine entsprechende Fehlermeldung signalisiert werden. Beispielsweise kann in einem solchen Fall die Funktionsfähigkeit des Systems mit den Y-Kondensatoren Cy eingeschränkt oder vollständig deaktiviert werden.
Figuren 3 und 4 zeigen jeweils Spannung-Zeitdiagramme der Steuerpulse wie sie von der ersten Steuereinrichtung 10 beispielsweise an der Primärseite des Transformators T bereitgestellt werden können. Figur 3 veranschaulicht hierbei einen exemplarischen Verlauf der Spannungspulse zum Schließen des Halbleiterschaltelement M, und Figur 4 veranschaulicht eine exemplarischem Verlauf der Spannungspulse zum Öffnen des Halbleiterschaltelement M.
Wie in Figur 3 zu erkennen ist, können die Steuerpulse in zwei Zeitabschnitte t1 und t2 eingeteilt werden. In dem ersten Zeitabschnitt t1 kann der Steuerpuls einen vorgegebenen ersten Spannungswert annehmen. Hierdurch kann beispielsweise gewährleistet werden, dass mittels der Steuerpulse eine ausreichende Menge an elektrische Energie von der Primärseite zu der Sekundärseite des Transformators T übertragen wird, um die zweite Steuereinrichtung 20 mit elektrischer Energie zu versorgen. In dem sich anschließenden zweiten Zeitabschnitt t2 kann daraufhin eine Signalisierung über den gewünschten Schaltzustand des Halbleiterschaltelements erfolgen. Hierzu kann beispielsweise zum Schließen des Halbleiterschaltelement M ein Spannungspuls über die gesamte Länge des zweiten Zeitabschnitts t2 mit einem zweiten Spannungswert ausgegeben werden. Dieser zweite Spannungswerte kann hierbei geringer sein, als der erste Spannung wird während des ersten Zeitabschnitts t1.
Nachdem Ausgeben des oben beschriebenen Spannungsverlaufs mit positiven Spannungen kann daraufhin ein betragsmäßig gleicher Spannungsverlauf mit negativen Spannungen ausgegeben werden. Dies kann es sich periodisch so lange wiederholen, wie der gewünschte Schaltzustand für das Halbleiterschaltelemente M aufrechterhalten werden soll. Figur 4 veranschaulicht einen möglichen Spannungsverlauf zum Öffnen des Halbleiterschaltelement M. Der erste Zeitabschnitt t1 mit dem Spannungspuls des ersten Spannungswerts ist hierbei identisch zu dem oben beschriebenen Spannungspuls zum Schließen des Halbleiterschaltelemente M. In dem sich daraufhin anschließenden zweiten Zeitabschnitt t2 erfolgt zum Signalisieren des Öffnens des Halbleiterschaltelement M jedoch nur ein kurzer Zeitabschnitt ta mit dem zweiten Spannungswert, dem sich ein weiterer Zeitabschnitt tb mit einer Spannung von annähernd 0 Volt anschließt Auch hierbei kann der beschriebene Spannungsverlauf abwechselnd mit positiven und negativen Spannungen ausgegeben werden.
Auf diese Weise ist es einerseits möglich, mittels der ausgegebenen Spannungspulse einerseits die zweite Steuereinrichtung 20 auf der Sekundärseite des Transformators T mit elektrischer Energie zu versorgen und dabei zusätzlich den gewünschten Schaltzustand für das Halbleiterschaltelement M zu signalisieren.
Aufgrund der Rückkopplung des elektrischen Stroms durch den Strompfad mit der Diode D kann dabei durch eine Strommessung auf der Primärseite des Transformators T einen Rückschluss über den Schaltzustand des Halbleiterschaltelemente M getroffen werden.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsanordnung, welche es ermöglicht, eine Y- Kondensator galvanische getrennt zu aktivieren oder zu deaktivieren und dabei gleichzeitig eine Schaltzustand des Schaltelements zum Aktivieren bzw. Deaktivieren des Y-Kondensator zu überprüfen.

Claims

Ansprüche
1. Steuervorrichtung (100) zum Aktivieren und Deaktivieren eines Y- Kondensators (Cy), wobei der Y-Kondensator (Cy) zwischen einer Spannungsversorgungsleitung und einem Knotenpunkt (K) angeordnet ist und ein Halbleiterschaltelement (M) zum Aktivieren und Deaktivieren des Y- Kondensators (Cy) zwischen dem Knotenpunkt (K) und einem Bezugspotential angeordnet ist, mit: einem Transformator (T) mit einer Primärseite und einer Sekundärseite; einer ersten Steuereinrichtung (10), die dazu ausgelegt ist, vorbestimmte Steuerpulse an der Primärseite des Transformators (T) bereitzustellen, wobei die Steuerpulse dazu angepasst sind, einen gewünschten Schaltzustand des Halbleiterschaltelements (M) zu signalisieren; einer zweiten Steuereinrichtung (20), die mit der Sekundärseite des Transformators (T) elektrisch gekoppelt ist, und die dazu ausgelegt ist, das Halbleiterschaltelements (M) unter Verwendung von am Sekundäranschluss des Transformators (T) anliegenden Spannungssignale anzusteuern; und einer Diode (D), die zwischen einem Anschluss der Sekundärseite des Transformators (T) und den Knotenpunkt (K) angeordnet ist.
2. Steuervorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei die erste Steuereinrichtung (10) ferner dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Strom auf der Primärseite des Transformators (T) zu erfassen und einen Schaltzustand des Halbleiterschaltelements (M) unter Verwendung des erfassten elektrischen Stroms zu ermitteln.
3. Steuervorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei die erste Steuereinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, eine Fehlfunktion des Halbleiterschaltelements (M) zu detektieren, falls der ermittelte Schaltzustand des Halbleiterschaltelements (M) von dem mittels der Steuerpulse signalisierten gewünschten Schaltzustand abweicht
4. Steuervorrichtung [100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerpulse jeweils einen ersten Zeitabschnitt (t1) und einen zweiten Zeitabschnitt (t2) umfassen, wobei die Steuerpulse in dem ersten Zeitabschnitt (t1) jeweils ein vorbestimmtes erstes Spannungsniveau aufweisen und die Steuerpulse in dem zweiten Zeitabschnitt (t2) einen Spannungsverlauf aufweisen, der jeweils den gewünschten Schaltzustand des Halbleiterschaltelements (M) signalisiert.
5. Elektrischer Stromrichter, mit einem Eingangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, an einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle (1) verbunden zu werden; und einer Stromrichterschaltung (2), die dazu ausgelegt ist, eine am Eingangsanschluss bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine Wechselspannung zu konvertieren und an einem Ausgangsanschluss bereitzustellen; wobei zwischen einem Bezugspotential und dem ersten Anschlusspunkt sowie zwischen dem Bezugspotential und dem zweiten Anschlusspunkt jeweils eine Serienschaltung aus einem Y-Kondensator (Cy) und einem Halbleiterschaltelement (M) angeordnet ist, und wobei für jeden Y-Kondensator (Cy) jeweils eine Steuervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.
6. Elektrischer Stromrichter nach Anspruch 5, wobei die Steuervorrichtungen (100) dazu ausgelegt sind in einem ersten Betriebsmodus die Halbleiterschaltelemente (M) der Serienschaltung aus Y-Kondensator (Cy) und Halbleiterschaltelement (M) zu schließen, und in einem zweiten Betriebsmodus die Halbleiterschaltelemente (M) der Serienschaltung aus Y-Kondensator (Cy) und Halbleiterschaltelement (M) zu öffnen.
7. Elektrisches Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug, mit: einer elektrischen Maschine (3); und einem elektrischen Stromrichter nach Anspruch 5 oder 6, der dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine (3) anzusteuern.
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