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Die Erfindung betrifft eine Vorladeeinrichtung zum Laden eines Kondensators eines Fahrzeugnetzes mit einem Relais, eine Schaltungsanordnung zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Kondensator eines Fahrzeugnetzes mit einer derartigen Vorladeeinrichtung und ein Verfahren zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Fahrzeugnetz.
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Aus dem Stand der Technik sind Fahrzeuge bekannt, bei denen eine HV-Batterie über zwei Hauptschütze mit dem Fahrzeug verbunden werden. Die Schütze dienen dabei der vollständigen Trennung der Energiequelle in Phasen der Inaktivität. Weiterhin ist im Fahrzeug in der Regel eine Pufferkapazität vorhanden. Beim Einschalten der Hauptschütze ohne Schutzmaßnahmen wird diese anfangs ungeladene Kapazität schlagartig und niederohmig mit der HV-Quelle verbunden, was zu sehr hohen Ladeströmen führt. Diese Ladeströme und die damit gegebenenfalls verbundene Lichtbogenbildung an den Kontakten der Hauptschütze können zur Beschädigung und dem Verschweißen der Schützkontakte führen. Um dies zu vermeiden ist eine Vorladeschaltung vorgesehen. In 1 ist schematisch eine Schaltungsanordnung 10 zum Koppeln einer HV-Batterie 11 mit einem Fahrzeugnetz gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst dabei eine HV-Batterie 11 mit zwei Polen, die über jeweils einen Schütz 12a und 12b mit einem Kondensator 13 des Fahrzeugnetzes gekoppelt werden können. Parallel zu einem der Schütze 12b ist eine Vorladeschaltung 14 angeordnet, welche ein Vorladerelais 15 und einen Widerstand 16 umfasst. Nach Schließen eines ersten Schützes 12a wird zunächst das Vorladerelais 15 aktiviert, welches über den Widerstand 16 den Kondensator 13 lädt. Der Ladestrom I(t) und die Spannung U(t) sind in 2a und 2b schematisch dargestellt. Nach Erreichen einer unkritischen Grenzwertes UG der Spannung U(t) zum Zeitpunkt t1 wird mit Einschalten des zweiten Schützes 12b der Hauptstromkreis geschlossen. Der Grenzwert liegt dabei in einem engen Bereich um den Wert der Batteriespannung, die Spannungsdifferenz wird also minimiert. Anschließend kann das Vorladerelais 15 wieder geöffnet werden. Die Dauer des Vorgangs wird entsprechend der R-C-Reihenschaltung durch den exponentiellen Stromverlauf I(t) bestimmt.
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Die
DE 10 2008 013 706 A1 beschreibt eine Ladeschaltung und ein Ladeverfahren für einen Zwischenkreiskondensator, der einem Umrichter in einem Hybridfahrzeug vorgeschaltet ist. Der Zwischenkreiskondensator kann über zwei Schütze mit einer Batterie verbunden werden. Dabei ist einem der Schütze eine Vorladeschaltung parallel geschaltet, die eine Stromquelle oder einen linear betriebenen Halbleiter und einen Schalter umfasst, der als Relais oder Halbleiter ausgebildet sein kann. Die Stromquelle kann dabei mit einer Zeitverzögerung mittels des Schalters schaltbar sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorladeeinrichtung und Schaltungsanordnung zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Fahrzeugnetz sowie ein verbessertes Verfahren zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Fahrzeugnetz bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird 1 gelöst durch eine Vorladeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 und ein Verfahren zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Fahrzeugnetz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
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Die erfindungsgemäße Vorladeeinrichtung zum Laden eines ersten Kondensators eines Fahrzeugnetzes umfasst ein Relais, einen in Serie mit dem Relais geschalteten MOSFET oder in Sättigung betriebenen Transistor und eine Verzögerungsschaltung zur Steuerung des Transistors bzw. MOSFETs in Abhängigkeit von einer Ansteuerung des Relais.
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Aus dieser Ausgestaltung der Vorladeeinrichtung resultiert eine Vielzahl an Vorteilen. Zum einen kann durch den Transistor bzw. den MOSFET bewerkstelligt werden, dass die Stromstärke des Ladestroms unabhängig vom Ladezustand des Kondensators auf konstantem Niveau gehalten werden kann. Durch diesen konstanten Ladestrom kann die Ladezeit des Kondensators im Vergleich zu einer Verwendung eines Vorladerelais mit einem Widerstand enorm verkürzt werden. Des Weiteren wird durch die Verzögerungsschaltung ein lastfreies Schalten des Relais ermöglicht. Dadurch wird einerseits ein Verschweißen des Relais verhindert, was bei einem Schalten des Relais bei voller Spannung der Fall sein könnte Andererseits wird durch die Verzögerungsschaltung und das dadurch bewirkte lastfreie Schalten des Relais auf besonders vorteilhafte Weise eine deutlich kleinere Ausgestaltung des Relais ermöglicht. Insbesondere dient das Relais bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorladeeinrichtung lediglich zur galvanischen Trennung, da die Strombegrenzung vom Transistor bzw. MOSFET übernommen wird. Dies wiederum ermöglicht eine äußerst bauraumsparende Anordnung der Vorladeeinrichtung.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Stromstärke durch das Relais der Vorladeeinrichtung mittels des Transistors oder MOSFETs durch eine am Transistor oder MOSFET anliegende Gate-Spannung steuerbar. Dadurch kann auf vorteilhafte Weise bewerkstelligt werden, dass eine erlaubte Stromstärke nicht überschritten wird. Des Weiteren erlaubt diese Ausgestaltung eine derartige Steuerung der Stromstärke, dass die Ladezeit minimiert werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verzögerungsschaltung einen Widerstand und eine zum Widerstand in Reihe geschaltete Parallelschaltung eines zweiten Kondensators mit einer Zener-Diode, wobei ein Knotenpunkt zwischen dem Widerstand und der Parallelschaltung mit einem Gate des Transistors oder MOSFETs gekoppelt ist. Durch das R-C-Glied, also die Reihenschaltung von Widerstand und zweitem Kondensator, wird eine besonders einfache Ausgestaltung der Einschaltverzögerung des Relais umgesetzt. Diese Einschaltverzögerung kann dabei durch die Zeitkonstante τ = R·C vorgegeben werden. Des Weiteren kann durch die parallel zum zweiten Kondensator geschaltete Zener-Diode der Spannungsanstieg begrenzt werden. im RC-Glied wird der Kondensator langsam geladen und die Spannung am Kondensator wird immer größer. Die Zener-Diode bleibt bis zum Erreichen einer Durchbruchsspannung sperrend, die Gate-Spannung des MOSFETs steigt also mit der Kondensatorspannung. Damit wird der MOSFET immer besser leitfähig. Nach Erreichen der Durchbruchspannung der Zener-Diode bleibt die Spannung auf genau diesem Wert stehen. Damit bleibt der MOSFET auch in einem klar definierten Zustand der Leitfähigkeit mit definiertem Durchlasswiderstand und verhält sich also wie ein begrenzender Widerstand. Diese Option der Verwendung einer Zener-Diode ist wahlweise nutzbar und hängt vom Designziel ab. Ohne Zener-Diode wird der MOSFET immer besser leiten und irgendwann ”verschwinden”, also keinen spürbaren Widerstand mehr bieten. Falls dies zu einer unerlaubten Hitzeentwicklung o. ä. führen kann, muss die Leitfähigkeit begrenzt werden, also beispielsweise durch die Z-Diode.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorladeeinrichtung als Modul, d. h. als leicht austauschbares Einzelteil, ausgebildet. Da das Relais lastfrei Schalten kann und dadurch wesentlich kleiner ausgestaltet werden kann, wird eine kompakte Ausbildung der Vorladeeinrichtung als Modul ermöglicht. Insbesondere können so vorteilhafter Weise alle Komponenten, wie das Relais, die Verzögerungsschaltung und der Transistor bzw. MOSFET, in ein Modul integriert wird, das auf sehr platzsparende Weise in den Bauraum des bisher erforderlichen, größeren Vorladerelais untergebracht werden kann.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Kondensator eines Fahrzeugnetzes umfasst eine erfindungsgemäße Vorladeeinrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungsvarianten. Weiterhin ist die HV-Batterie über einen ersten und einen zweiten Schütz mit dem Kondensator koppelbar und die Vorladeeinrichtung ist in einer Parallelschaltung zum ersten Schütz angeordnet. Für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gelten die für die erfindungsgemäße Vorladeeinrichtung und ihre Ausgestaltungsvarianten oben genannte Vorteile gleichermaßen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Fahrzeugnetz, das einen ersten Kondensator aufweist, umfasst die Schritte:
- – Koppeln eines ersten Pols der HV-Batterie mit dem ersten Kondensator durch Schließen eines ersten Schützes;
- – Koppeln eines zweiten Pols der HV-Batterie mit dem Kondensator durch Schließen eines als Relais ausgebildeten Schalters einer Vorladeeinrichtung, welche einen in Sättigung betriebenen Transistor oder einen MOSFET umfasst;
- – Laden des Kondensators durch einen Strom mit einer Stromstärke, die von dem Transistor oder MOSFET in zeitlicher Abhängigkeit von dem Schließen des Relais begrenzt wird; und
- – Schließen eines zweiten Schützes parallel zur Vorladeeinrichtung nach dem Laden des ersten Kondensators.
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Für die erfindungsgemäße Vorladeeinrichtung und ihre Ausgestaltungsvarianten genannten Merkmale und Vorteile gelten in gleicher Weise, soweit anwendbar, auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Fahrzeugnetz gemäß dem Stand der Technik;
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2a eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Ladestroms gemäß dem Stand der Technik;
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2b eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Kondensatorspannung gemäß dem Stand der Technik;
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3 eine schematische Darstellung einer Vorladeeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4a eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Ladestroms eines Kondensators bei einer Verwendung einer Vorladeschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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4b eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Kondensatorspannung bei einer Verwendung einer Vorladeschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorladeeinrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorladeeinrichtung 20 umfasst dabei einen Vorladepfad 21 mit einem Relais 22 und einem in Reihe geschalteten Transistor 23, insbesondere einen in Sättigung betriebenen Transistor 23, Feldeffekttransistor oder MOSFET zur Strombegrenzung. Ein derart betriebener Transistor 23 erlaubt immer nur die gleiche, per Gate-Spannung definierte Stromstärke I(t), unabhängig von der Source-Drain-Spannung. Die Stromstärke I(t) wird also unabhängig vom Ladezustand der externen Kapazität, also des ersten Kondensators, auf einem konstanten Niveau gehalten. Die Ansteuerung des Relais 22 und des Transistors 23 erfolgt dabei über ein Ansteuersignal 25.
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Würde der Transistor 23 vor dem Relais 22 schalten, würde dieses bei voller Spannung schalten und verschweißen, daher ist eine Einschaltverzögerung erforderlich. Diese Einschaltverzögerung wird mittels einer Verzögerungsschaltung bewerkstelligt. Diese kann über ein R-C-Glied, d. h. eine Reihenschaltung eines Widerstands R und eines zweiten Kondensators C, besonders einfach realisiert werden, welches eine Zeitkonstante von τ = R·C aufweist. Die zur Steuerung der erlaubten Stromstärke I(t) erlaubte Gate-Spannung kann über eine Zener-Diode 26 definiert werden, welche parallel zum zweiten Kondensator C geschaltet ist. Ein Knotenpunkt zwischen dem zweiten Kondensator C und der Zener-Diode 26 kann dabei auf Masse 27 gelegt werden. Darüber hinaus ist ein Knotenpunkt zwischen dem Widerstand R und der Parallelschaltung des zweiten Kondensators C mit der Zener-Diode 26 mit dem Gate des Transistors 23 oder MOSFETs gekoppelt. Je nach Anforderung kann der FET auch durch eine bidirektional sperrende Serienschaltung von gegenläufig verschalteten FETs ersetzt werden.
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4a zeigt eine schematische Darstellung des zeitlichen Stromverlaufs I(t) und 4b eine schematische Darstellung des zeitlichen Spannungsverlaufs U(t) bei einer Verwendung einer Vorladeeinrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Durch die Verwendung einer geregelten Stromquelle sinkt der Ladestrom I(t) nicht mehr ab und der Ladevorgang wird beschleunigt, ohne dass der Spitzenstrom steigt. Der Zeitpunkt t1', zu dem die Vorladung den unkritischen Grenzwert UG erreicht, liegt deutlich vor dem ursprünglichen Zeitpunkt t1.
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Insgesamt wird so eine Vorladeeinrichtung mit einer Vielzahl an Vorteilen bereitgestellt. Durch die Verwendung einer solchen Schaltung kann das Relais geschrumpft werden, da es immer lastfrei schaltet und lediglich der galvanischen Trennung dient. Der so gewonnene Bauraum kann dazu verwendet werden, die zusätzlichen Komponenten zu integrieren, so dass im Bauraum, oder ggf. im Originalgehäuse, des alten großen Relais ein neues, robusteres System mit schnellerer Ladezeit verbaut werden kann. Vorteilhafterweise kann so ein Relais zusammen mit einer einfachen Stromquelle und einer Verzögerungsschaltung in einem Modul integriert werden, idealerweise im Bauraum des bisher erforderlichen, größeren Vorladerelais.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008013706 A1 [0003]
