DE102006062101B4 - Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators der Leistungselektronik eines Hybridantriebssystems - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators (CZK) der Leistungselektronik eines Hybridantriebssystems, mit den folgenden Merkmalen: – der Zwischenkreiskondensator (CZK) weist einen ersten Elektrodenanschluss (22) und einen zweiten Elektrodenanschluss (24) auf; – eine Spannungsteilerschaltung (12) mit einer Widerstandsserienschaltung (26) ist vorgesehen, die einen ersten Spannungsteileranschluss (20), einen zweiten Spannungsteileranschluss (16) und einen Spannungsteilerabgriffspunkt (28), über welchen zwischen zwei Widerständen der Widerstandsserienschaltung (26) eine Messspannung abgegriffen wird, aufweist; – der erste Spannungsteileranschluss (20) ist mit dem ersten Elektrodenanschluss (22) elektrisch leitfähig verbunden und der zweite Spannungsteileranschluss ist mit dem zweiten Elektrodenanschluss (24) elektrisch leitfähig verbunden; – am Spannungsteilerabgriffspunkt (28) liegt eine aus der Spannung (UZK) am Zwischenkreiskondensator (CZK) erzeugte Messspannung an; und – die Spannungsteilerschaltung (12) ist derart ausgebildet, dass der Zwischenkreiskondensator (CZK) mittels der Spannungsteilerschaltung (12) entladen werden kann.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators der Leistungselektronik eines Hybridantriebssystems gemäß Anspruch 1.
- In einem Hybridantriebssystem arbeiten verschiedene Komponenten zusammen, die über Hochvoltleitungen miteinander verbunden sind. Eine dieser Komponenten ist die Leistungselektronik des Antriebssystems. Diese benötigt für den Betrieb einen Zwischenkreiskondensator als Energiepuffer. In der Leistungselektronik wird die Zwischenkreisspannung, d. h. die am Zwischenkreiskondensator anliegende Spannung gemessen, beispielsweise um die korrekte Funktion der Leistungselektronik überprüfen zu können. Weiterhin ist es aus Sicherheitsgründen wichtig, dass der Zwischenkreiskondensator beim Abschalten des Antriebssystems durch eine Entladevorrichtung entladen wird. Bisher werden sowohl zum Messen der Zwischenkreisspannung als auch zum Entladen des Zwischenkreiskondensators gesonderte Vorrichtungen, insbesondere Bauteile verwendet. Dadurch werden die Platinen für die Elektronik des Antriebssystems aufgrund der verschiedenen erforderlichen Bauteile relativ groß, was zu einem großen erforderlichen Bauraum führt, der evtl. für eine andere Fahrzeugkomponente nicht mehr zur Verfügung steht.
- Die Druckschrift
US 2005/0 264 256 A1 - Aus der Druckschrift
EP 1 557 923 A1 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einem Spannungsteiler für einen Hochspannungszwischenkreis bekannt. Der Spannungsteiler dient der statischen Spannungsaufteilung zwischen einem ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter und einem temperaturabhängigen Leistungswiderstand, damit der Leistungshalbleiterschalter nicht die gesamte maximale Betriebsspannung des Gleichspannungskreises sperren muss. Damit trägt die Spannungsteilerschaltung nicht zur Entladung des Zwischenkreiskondensators bei. - Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators der Leistungselektronik eines Hybridantriebssystems vorzuschlagen.
- Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators der Leistungselektronik eines Hybridantriebssystems mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
- Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Spannungsteilerschaltung am Zwischenkreiskondensator vorzusehen, die einerseits eine Messung der Zwischenkreisspannung ermöglicht und andererseits insbesondere durch entsprechende Dimensionierung derart ausgebildet ist, dass sie zum Entladen des Zwischenkreiskondensators geeignet ist. Dadurch kann der Aufwand zur Implementierung einer Entladevorrichtung für den Zwischenkreiskondensator und Messvorrichtung für eine aus der Zwischenkreisspannung abgeleitete Messspannung verringert werden, da weniger Bauteile benötigt werden, wodurch der zur Implementierung erforderliche Platinenplatz und die Kosten reduziert werden können. Die Spannungsteilerschaltung erfüllt nach der Erfindung eine Doppelfunktion, nämlich die Erzeugung einer auswertbaren Messspannung aus der Zwischenkreisspannung und die Entladung des Zwischenkreiskondensators.
- Die vorliegende Erfindung betrifft nun gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators der Leistungselektronik eines Hybridantriebssystems, mit den folgenden Merkmalen:
der Zwischenkreiskondensator weist einen ersten Elektrodenanschluss und einen zweiten Elektrodenanschluss auf;
eine Spannungsteilerschaltung ist vorgesehen, die einen ersten Spannungsteileranschluss, einen zweiten Spannungsteileranschluss und einen Spannungsteilerabgriffspunkt aufweist;
der erste Spannungsteileranschluss ist mit dem ersten Elektrodenanschluss elektrisch leitfähig verbunden und der zweite Spannungsteileranschluss ist mit dem zweiten Elektrodenanschluss elektrisch leitfähig verbunden;
am Spannungsteilerabgriffspunkt liegt eine aus der Spannung am Zwischenkreiskondensator erzeugte Messspannung an; und
die Spannungsteilerschaltung ist derart ausgebildet, dass der Zwischenkreiskondensator mittels der Spannungsteilerschaltung entladen werden kann. - Der zweite Spannungsteileranschluss kann über eine Masseverbindung mit dem zweiten Elektrodenanschluss verbunden sein.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Spannungsteilerschaltung zwischen dem ersten Spannungsteileranschluss und dem Spannungsteilerabgriffspunkt einen Widerstand mit einem Widerstandswert aufweisen, der ein Vielfaches, insbesondere mindestens das Zehnfache des Widerstandswertes eines Widerstandes zwischen dem Spannungsteilerabgriffspunkt und dem zweiten Spannungsteileranschlusses aufweist. Eine derartige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist den Vorteil auf, dass am Spannungsteilerabgriffspunkt eine wesentlich geringere Spannung als am Zwischenkreiskondensator anliegt, die mit geringerem Messaufwand erfasst werden kann.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Spannungsteiler eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Einzelwiderständen zwischen dem ersten Spannungsteileranschluss und dem Spannungsteilerabgriffspunkt umfassen. Aus thermischen und isolationstechnischen Gründen ist diese Ausgestaltung von Vorteil, da sich die bei einer Entladung des Zwischenkreiskondensators umzusetzende elektrische Energie auf mehrere Widerstände aufteilt, die zur Aufnahme eines entsprechenden Energieanteils optimiert sein können.
- Die Einzelwiderstände können gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung einen identischen Widerstandswert aufweisen. Dadurch teilt sich die umzusetzende Entladungsenergie zu gleichen Teilen auf die Widerstände auf, d. h. jeder Widerstand ist etwa gleich belastet.
- Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zwischen dem ersten Spannungsteileranschluss und dem Spannungsteilerabgriffspunkt mehrere, insbesondere sieben Einzelwiderstände mit einem Wert, der einem Bruchteil des Gesamtwiderstandes entspricht, insbesondere einem Wert von jeweils etwa 14 kΩ angeordnet sein, und ein Widerstand zwischen dem Spannungsteilerabgriffspunkt und dem zweiten Spannungsteileranschluss kann einen Wert, der ebenfalls einem Bruchteil des Gesamtwiderstandes entspricht, insbesondere einem Wert von etwa 2 kΩ aufweisen. Hierdurch ergibt sich ein Spannungsverhältnis zwischen ersten und zweiten Spannungsteileranschluss sowie dem Spannungsteilerabgriffspunkt von etwa 2 Prozent, so dass durch eine solche Wahl der Widerstände eine ausreichende Reduktion der von einer Spannungsmesseinrichtung zu messenden Spannung im Vergleich zu der am Zwischenkreiskondensator anliegenden Spannung ergibt.
- Die Spannungsteilerschaltung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch eine Mehrzahl von Widerständen aufweisen, die derart dimensioniert sind, dass sie eine Leistung vom Zwischenkreiskondensator aufnehmen können, ohne dabei beschädigt zu werden, beispielsweise durch Überhitzung.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ferner eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen der Messspannung zwischen dem Spannungsteilerabgriffspunkt und dem zweiten Spannungsteileranschluss vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um die am Zwischenkreiskondensator anliegende Spannung auf der Basis der Messspannung zu ermitteln.
- Schließlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Spannungsmesseinrichtung eine Information über Widerstandswerte von Widerständen umfassen, die zwischen dem ersten Spannungsteileranschluss und dem Spannungsteilerabgriffspunkt sowie zwischen dem Spannungsteilerabgriffspunkt und dem zweiten Spannungsteileranschlusses eingesetzt sind. Unter Ausnutzung des proportionalen Teilungsverhältnisses kann somit eine eindeutige Bestimmung der am Zwischenkreiskondensator abfallenden Spannung erfolgen.
- Weitere Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Leistungselektronik eines Hybridantriebssystems und ein Hybridantriebssystem umfassend die erfindungsgemäße Vorrichtung.
- Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in der einzigen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
- In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in der Zeichnung werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
- Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. ein prinzipielles Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
- Im Folgenden können gleiche und/oder funktional gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die im Folgenden angegebenen absoluten Werte und Maßangaben sind nur beispielhafte Werte und stellen keine Einschränkung der Erfindung auf derartige Dimensionen dar.
- In der einzigen Fig. ist eine Leistungselektronik eines Hybridantriebssystems mit einem ersten Netz
10 und einem zweiten Netz (Umrichterschaltung)18 dargestellt, die über einen Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator CZK gekoppelt sind. Im Zwischenkreis herrscht in der Regel eine recht hohe elektrische Spannung, die für Lebewesen gefährlich sein kann und daher beim Abschalten des Hybridantriebssystems entladen werden muss. - Vom ersten Netz
10 aus wird über einen Versorgungsspannungsanschluss14 der Zwischenkreiskondensator CZK mit einer Versorgungsspannung auf die Zwischenkreisspannung UZK aufgeladen. Der Zwischenkreiskondensator CZK ist hierzu zwischen den Versorgungsspannungsanschluss14 und einen Massepotenzialanschluss16 geschaltet. - Zum Zwischenkreiskondensator CZK ist die Umrichterschaltung
18 parallel geschaltet, indem ein erster Anschluss20 der Umrichterschaltung18 mit einer ersten Elektrode22 des Zwischenkreiskondensators CZK und eine zweite Elektrode24 des Zwischenkreiskondensators CZK mit dem Massepotenzialanschluss16 elektrisch leitfähig verbunden sind. Die Umrichterschaltung18 ist mit einem zweiten Anschluss ebenfalls mit dem Massepotenzialanschluss16 verbunden. - Die Umrichterschaltung
18 umfasst eine Spannungsteilerschaltung12 , die eine Widerstandsserienschaltung26 und einen einzelnen Teilerwiderstand R8 umfasst. Zwischen der Widerstandsserienschaltung26 und dem Teilerwiderstand R8 ist ein Spannungsteilerabgriffspunkt28 vorgesehen. Weiterhin umfasst die Umrichterschaltung18 eine Zwischenkreisspannungsmessung30 , die ausgebildet ist, um eine Spannung zwischen dem Spannungsteilerabgriffspunkt28 und dem Massepotenzialanschluss16 zu messen und daraus die Zwischenkreisspannung UZK zu ermitteln. Hierzu besitzt die Zwischenkreisspannungsmessung30 eine Information über die Widerstandswerte der Widerstandsserienschaltung26 und dem Teilerwiderstand R8, wodurch sie über die Kenntnis des proportionalen Teilungsverhältnisses des Spannungsteilers aus der ermittelten Messspannung auf die an der Speichereinrichtung bzw. dem Zwischenkreiskondensator CZK abfallende Spannung UZK schließen kann. - Die Widerstandsserienschaltung
26 kann eine Reihenschaltung von sieben identischen Widerständen R1 bis R7 umfassen. Im vorliegenden Fall werden sieben Widerstände mit einem Widerstandswert von etwa 14 kΩ verwendet. Der Teilerwiderstand R8 weist einen Wert von etwa 2 kΩ auf, so dass zwischen dem Spannungsteilerabgriffspunkt28 und dem Massepotenzialanschluss16 lediglich eine Spannung von etwa zwei Prozent der Spannung zwischen dem ersten Anschluss20 der Umrichterschaltung18 und dem Massepotenzialanschluss16 (d. h. der Zwischenkreisspannung UZK) anliegt. Für die Widerstände der Widerstandsserienschaltung26 werden Widerstandstypen verwendet, die eine hohe Wärmebelastung aushalten. Auch der Teilerwiderstand R8 kann so ausgelegt sein. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Umrichterschaltung18 beim Entladen des Zwischenkreiskondensators CZK keine Beschädigung erleidet. Eine Abgabe von Wärme beim Entladen des Zwischenkreiskondensators CZK ist dadurch nicht lokal konzentriert, sondern erfolgt in den gesonderten Einzelwiderständen R1 bis R7. Hierdurch kann eine. Überhitzung von einzelnen Widerständen vermieden werden. - Beim Abschalten des Hybridantriebssystems sollte jedoch aus Sicherheitsgründen, um die hohe Zwischenkreisspannung UZK zu verringern und dadurch das Wartungspersonal beim Durchführen von Wartungsarbeiten (beispielsweise am ersten Netz
10 ) durch die hohe Zwischenkreisspannung UZK nicht zu gefährden, die in dem Zwischenkreiskondensator CZK gespeicherte Ladung abgebaut werden. Das Entladen erfolgt nun durch die Umrichterschaltung18 . Die Umrichterschaltung18 ermöglicht hierzu einen Stromfluss über die Widerstandsserienschaltung26 sowie den Teilerwiderstand R8, so dass die Ladung des Zwischenkreiskondensators CZK und die Zwischenkreisspannung UZK nahezu vollständig abgebaut werden kann. - Zudem kann beim Betrieb des Hybridantriebssystems die Zwischenkreisspannung UZK am Zwischenkreiskondensator CZK (und damit der Ladungszustand des Zwischenkreiskondensators CZK) mittels der Zwischenkreismessung
30 überwacht werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Spannungsteilerschaltung mit der Widerstandsserienschaltung26 und dem Teilerwiderstand R8 ein vorgegebenes proportionales Teilungsverhältnis zwischen dem Spannungsabfall zwischen dem ersten Anschluss20 der Umrichterschaltung18 und dem Spannungsteilerabgriffspunkt28 sowie dem Spannungsteilerabgriffspunkt28 und dem Massepotenzialanschluss16 besitzt. Die am Teilerwiderstand R8 abfallende Spannung ist somit proportional zu der am Zwischenkreiskondensator CZK abfallenden Spannung. - Zusammenfassend ist anzumerken, dass durch die Erfindung der Zwischenkreiskondensator CZK beim Abschalten des Systems durch eine Entladevorrichtung entladen werden kann. Dies kann durch einen oder mehrere Widerstände erfolgen. Zugleich kann mit der Erfindung eine Zwischenkreisspannung gemessen werden. Dazu wird eine Spannung über einen Spannungsteiler heruntergeteilt. Dieser Spannungsteiler kann bei geschickter Dimensionierung gleichzeitig als Entladeschaltung genutzt werden.
- Die Vorteile dieser Erfindung bestehen einerseits in einer Kostenreduzierung und andererseits in einer Platzersparnis auf einer Platine der Leistungselektronik, auf der die wesentlichen Komponenten der Erfindung montiert sind. Ferner wird für die Entladung des Zwischenkreiskondensators keine gesonderte Einrichtung in Form einer speziellen Entladeschaltung benötigt.
- Bezugszeichenliste
-
- 10
- erstes Netz
- 12
- Spannungsteilerschaltung
- 14
- Versorgungsspannungsanschluss
- 16
- Massepotenzialanschluss
- 18
- zweites Netz (Umrichterschaltung)
- 20
- erster Anschluss der Umrichterschaltung
18 - 22
- erste Elektrode
- 24
- zweite Elektrode
- 26
- Widerstands-Serienschaltung
- 28
- Spannungsabgriffspunkt
- 30
- Zwischenkreisspannungsmessung
- CZK
- Zwischenkreiskondensator
- UZK
- Zwischenkreisspannung
- R1–R7
- Einzelwiderstände
- R8
- Teilerwiderstand
Claims (10)
- Vorrichtung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators (CZK) der Leistungselektronik eines Hybridantriebssystems, mit den folgenden Merkmalen: – der Zwischenkreiskondensator (CZK) weist einen ersten Elektrodenanschluss (
22 ) und einen zweiten Elektrodenanschluss (24 ) auf; – eine Spannungsteilerschaltung (12 ) mit einer Widerstandsserienschaltung (26 ) ist vorgesehen, die einen ersten Spannungsteileranschluss (20 ), einen zweiten Spannungsteileranschluss (16 ) und einen Spannungsteilerabgriffspunkt (28 ), über welchen zwischen zwei Widerständen der Widerstandsserienschaltung (26 ) eine Messspannung abgegriffen wird, aufweist; – der erste Spannungsteileranschluss (20 ) ist mit dem ersten Elektrodenanschluss (22 ) elektrisch leitfähig verbunden und der zweite Spannungsteileranschluss ist mit dem zweiten Elektrodenanschluss (24 ) elektrisch leitfähig verbunden; – am Spannungsteilerabgriffspunkt (28 ) liegt eine aus der Spannung (UZK) am Zwischenkreiskondensator (CZK) erzeugte Messspannung an; und – die Spannungsteilerschaltung (12 ) ist derart ausgebildet, dass der Zwischenkreiskondensator (CZK) mittels der Spannungsteilerschaltung (12 ) entladen werden kann. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsteilerschaltung (
12 ) zwischen dem ersten Spannungsteileranschluss (20 ) und dem Spannungsteilerabgriffspunkt (28 ) einen oder mehrere Widerstände mit einem Widerstandswert aufweist, der ein Vielfaches, insbesondere mindestens das Zehnfache des Widerstandswertes eines Widerstandes zwischen dem Spannungsteilerabgriffspunkt (28 ) und dem zweiten Spannungsteileranschlusses (16 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler (
12 ) eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Einzelwiderständen (R1–R7) zwischen dem ersten Spannungsteileranschluss (20 ) und dem Spannungsteilerabgriffspunkt (28 ) umfasst. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelwiderstände (R1–R7) einen gleichen Widerstandswert aufweisen.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Spannungsteileranschluss (
20 ) und dem Spannungsteilerabgriffspunkt (28 ) mehrere, insbesondere sieben Einzelwiderstände (R1–R7) mit einem Wert, der einem Bruchteil des Gesamtwiderstandes entspricht, insbesondere einem Wert von jeweils etwa 14 kΩ, angeordnet sind und ein Widerstand zwischen dem Spannungsteilerabgriffspunkt (28 ) und dem zweiten Spannungsteileranschluss (16 ) einen Wert, der ebenfalls einem Bruchteil des Gesamtwiderstandes entspricht, insbesondere einem Wert von etwa 2 kΩ, aufweist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsteilerschaltung (
12 ) eine Mehrzahl von Widerständen (R1–R8) aufweist, die derart dimensioniert sind, dass sie eine Leistung vom Zwischenkreiskondensator (CZK) aufnehmen können, ohne dabei beschädigt zu werden. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Spannungsmesseinrichtung (
30 ) zum Messen der Messspannung zwischen dem Spannungsteilerabgriffspunkt (28 ) und dem zweiten Spannungsteileranschluss (16 ) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um die am Zwischenkreiskondensator (CZK) anliegende Spannung auf der Basis der Messspannung zu ermitteln. - Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmesseinrichtung (
30 ) eine Information über Widerstandswerte von Widerständen umfasst, die zwischen dem ersten Spannungsteileranschluss (20 ) und dem Spannungsteilerabgriffspunkt (28 ) sowie zwischen dem Spannungsteilerabgriffspunkt (28 ) und dem zweiten Spannungsteileranschlusses (16 ) eingesetzt sind. - Leistungselektronik eines Hybridantriebssystems umfassend eine Vorrichtung (
18 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8. - Hybridantriebssystem umfassend eine Vorrichtung (
18 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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