DE102013226763A1

DE102013226763A1 - Sicherheitsschaltungsanordnung für eine elektrische Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102013226763A1
Application number: DE102013226763.0A
Authority: DE
Inventors: Jose LOPEZ DE ARROYABE
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2015-06-25
Also published as: US9806649B2; JP2017502633A; US20160226410A1; CN105636820A; CN105636820B; WO2015090746A1; EP3083318A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltungsanordnung für eine elektrische Antriebseinheit, wobei die elektrische Antriebseinheit eine Traktionsbatterie, eine zu der Traktionsbatterie parallel geschaltete Zwischenkreiskapazität und eine durch die Traktionsbatterie mit elektrischer Energie versorgbare elektrische Maschine aufweist, wobei die elektrische Maschine eine Vielzahl von Phasen aufweist, die über einen ansteuerbaren, eine Vielzahl von Schalterelementen aufweisenden Wechselrichter mit der Traktionsbatterie verbindbar sind, mit einer Entladeschaltung, die dazu ausgebildet ist, in ihrem aktivierten Betriebszustand der Zwischenkreiskapazität einen vorgebbaren Entladestrom zu entnehmen, einer Kurzschlusssteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, in ihrem aktivierten Betriebszustand durch Ansteuern eines Teils der Schalterelemente zumindest einen Teil der Phasen der elektrischen Maschine kurzuschließen, einer Versorgungsspannungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, ausgehend von einer ihr zugeführten Eingangsspannung eine Versorgungsspannung bereitzustellen, wobei als Eingangsspannung eine an der Zwischenkreiskapazität anliegende Zwischenkreisspannung zugeführt ist, und einem Aktivierungselement, das dazu ausgebildet ist, bei Vorliegen einer Einschaltbedingung einen Aktivierungspfad zu schließen, um die Entladeschaltung und die Kurzschlusssteuerschaltung durch Bereitstellen der Versorgungsspannung zu aktivieren

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltungsanordnung für eine elektrische Antriebseinheit, wobei die elektrische Antriebseinheit eine Traktionsbatterie, eine zu der Traktionsbatterie parallel geschaltete Zwischenkreiskapazität und eine durch die Traktionsbatterie mit elektrischer Energie versorgbare elektrische Maschine aufweist. Die elektrische Maschine weist eine Vielzahl von Phasen auf, die über einen ansteuerbaren, eine Vielzahl von Schalterelementen aufweisenden Wechselrichter mit der Traktionsbatterie verbindbar sind.
Derart aufgebaute elektrische Antriebseinheiten können in vielfältiger Weise eingesetzt werden. Unter anderem können sie als Antriebseinheit in einem Fahrzeug eingesetzt werden, wobei das Fahrzeug als Hybridfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein kann. Bei einem Hybridfahrzeug wird neben der elektrischen Maschine ein weiteres Aggregat für den Antrieb eingesetzt, in der Regel ein Verbrennungsmotor. Wohingegen ein Elektrofahrzeug ausschließlich durch eine elektrische Maschine angetrieben wird. Die zum Einsatz kommenden elektrischen Maschinen sind in der Regel als Innenläufermaschinen ausgelegt, bei denen ein drehbar gelagerter Rotor von einem ortsfesten Stator umschlossen ist. Der Stator erzeugt ein sich drehendes Magnetfeld, durch das der Rotor mitgenommen wird. Der Rotor weist eine Rotorwelle auf, die wirktechnisch mit einer Antriebswelle des Fahrzeugs verbunden ist. Als elektrische Maschinen können Synchronmaschinen, insbesondere Hybrid-Synchronmaschinen zum Einsatz kommen, die vorzugsweise als permanent erregte Synchronmaschinen ausgeführt sind. Bei einer Hybrid-Synchronmaschine handelt es sich um eine permanent erregte Synchronmaschine, die zusätzlich einen stark ausgeprägten, durch eine entsprechend gewählte Rotorgeometrie bedingten Reluktanzeffekt aufweist, der für die Erzeugung des auf den Rotor wirkenden Drehmoments mit genutzt wird. Bei einer Traktionsbatterie handelt es sich um einen Hochvoltspeicher, der ein Spannungsniveau aufweisen kann, das in der Größenordnung von durchaus 250 bis 450 Volt liegen kann. Vorzugsweise ist eine Traktionsbatterie aus Li-Ionen-Speicherzellen aufgebaut.
Um einen sicheren Umgang mit einer elektrischen Antriebseinheit zu gewährleisten, insbesondere dann, wenn die elektrische Antriebseinheit in einem Fahrzeug angeordnet ist und die elektrische Maschine als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist, sind verschiedene Sicherheitsmaßnahmen vorzusehen.
Zum einen ist dafür Sorge zu tragen, dass die an der Zwischenkreiskapazität anliegende Hochspannung bei Vorliegen bzw. Eintreten bestimmter Bedingungen bzw. in bestimmten Betriebszuständen des Fahrzeugs durch Entladen der Zwischenkreiskapazität abgebaut werden kann. Durch diese Sicherheitsmaßnahme soll sichergestellt werden, dass beispielsweise im Ruhezustand des Fahrzeugs die Zwischenkreiskapazität spannungslos ist und somit bei beispielsweise durchgeführten Wartungsarbeiten ein Kontakt mit der für Menschen potenziell gefährlichen Hochspannung ausgeschlossen ist. In einem Fahrzeug ist eine eigens für das Durchführen dieser Sicherheitsmaßnahme ausgebildete Sicherheitsschaltungsanordnung vorgesehen.
Zum anderen sind auch bezüglich der elektrischen Maschine Sicherheitsmaßnahmen vorzusehen, insbesondere dann, wenn es sich um permanenterregte elektrische Maschine handelt. Bei permanenterregten elektrischen Maschinen kommt es beim Betrieb wegen ihres Aufbaus dazu, dass aufgrund der auftretenden Relativbewegung zwischen den Statorwicklungen und den Permanentmagneten in den Statorwicklungen eine Gegenspannung induziert wird, die als Polradspannung bezeichnet wird. Mit zunehmender Drehzahl steigt die Polradspannung an, bis sie im Betrieb der elektrischen Maschine im Bereich der durch die Traktionsbatterie für die elektrische Maschine bereitgestellten Versorgungsspannung liegt. Ist nun mit der Zwischenkreiskapazität und somit dem Zwischenkreis keine Spannungsquelle verbunden, d. h. ist aus irgendeinem Grund die Verbindung der Traktionsbatterie mit der Zwischenkreiskapazität bzw. dem Zwischenkreis unterbrochen, so kann die Polradspannung an der Zwischenkreiskapazität anliegen. Dies kann zu Beschädigungen an der Zwischenkreiskapazität und/oder an Komponenten des Wechselrichters, insbesondere an den Schalterelementen führen. Um solche Beschädigungen zu vermeiden, ist bei Vorliegen bzw. Eintreten bestimmter Bedingungen bzw. in bestimmten vorgesehen, und zwar insbesondere dann, wenn die Traktionsbatterie nicht mit der Zwischenkreiskapazität verbunden, dass die Phasen einer permanenterregten elektrischen Maschine durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalterelemente des Wechselrichters kurzgeschlossen werden. Auch für das Durchführen dieser Sicherheitsmaßnahme ist in einem Fahrzeug eine eigens hierfür ausgebildete Sicherheitsschaltungsanordnung vorgesehen.
Sowohl für das Entladen der Zwischenkreiskapazität als auch für das Kurzschließen der Phasen der elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten elektrischen Maschine, sind die hierfür ausgebildeten Sicherheitsschaltungsanordnungen anzusteuern bzw. mit einer entsprechenden Versorgungsspannung zu beaufschlagen. Insbesondere was diesen Aspekt angeht, sind die bekannten Sicherheitsschaltungsanordnungen noch nicht optimal. So ist in bestimmten Betriebszuständen des Fahrzeugs, beispielsweise bei einem Unfall, bei dem aufgrund von Einwirkungen von außen auf das Fahrzeug eine Versorgung der Sicherheitsschaltungsanordnungen mit elektrischer Energie weder über die Traktionsbatterie noch über die Starterbatterie mehr möglich ist, keine ausreichende bzw. zeitlich durchgängige Versorgung der Sicherheitsschaltungsanordnungen gewährleistet, weswegen zum einen ein Entladen der Zwischenkreiskapazität auf ein Niveau, bei dem sich an der Zwischenkreiskapazität eine für Menschen ungefährliche Zwischenkreisspannung einstellt, und zum anderen ein langanhaltendes Kurzschließen der Phasen der permanenterregten elektrischen Maschine nicht sichergestellt.
Darüber hinaus besteht für die bekannten Sicherheitsschaltungsanordnungen auch hinsichtlich der Anzahl der Bauteile, die für das Realisieren der jeweiligen Sicherheitsmaßnahme benötigt werden, und damit einhergehend hinsichtlich des für den Aufbau der Sicherheitsschaltungsanordnung benötigten Bauraums, sowie hinsichtlich der sich bei den Sicherheitsschaltungsanordnungen einstellenden Wärmeentwicklung Verbesserungsbedarf.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sicherheitsschaltungsanordnung zu schaffen, die auch dann, wenn eine Versorgung mit elektrischer Energie weder über die Traktionsbatterie noch über die Starterbatterie möglich ist, sowohl ein Entladen der Zwischenkreiskapazität auf ein Niveau, bei dem sich eine für den Menschen ungefährliche Zwischenkreisspannung einstellt, als auch ein langanhaltendes Kurzschließen der Phasen einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten elektrischen Maschine, ermöglicht. Ferner soll die Sicherheitsschaltungsanordnung hinsichtlich der Anzahl der benötigten elektrischen bzw. elektronischen Bauteile, hinsichtlich des benötigten Bauraums und hinsichtlich der sich bei deren Betrieb einstellenden Wärmeentwicklung verbessert bzw. optimiert sein. D. h. die Sicherheitsschaltungsanordnung soll aus so wenigen wie möglichen Bauteilen aufgebaut sein, einen sehr geringen Bauraum benötigen und zudem eine sehr geringe Wärmeentwicklung im Betrieb aufweisen. Zudem sollen die Fertigungskosten für die Sicherheitsschaltungsanordnung niedrig sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitsschaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die folgende Mittel aufweist: eine Entladeschaltung, die dazu ausgebildet ist, in ihrem aktivierten Betriebszustand der Zwischenkreiskapazität einen vorgebbaren Entladestrom zu entnehmen, eine Kurzschlusssteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, in ihrem aktivierten Betriebszustand durch Ansteuern eines Teils der Schalterelemente zumindest einen Teil der Phasen der elektrischen Maschine kurzuschließen, eine Versorgungsspannungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, ausgehend von einer ihr zugeführten Eingangsspannung eine Versorgungsspannung bereitzustellen, wobei als Eingangsspannung eine an der Zwischenkreiskapazität anliegende Zwischenkreisspannung zugeführt ist, und ein Aktivierungselement, das dazu ausgebildet ist, bei Vorliegen einer Einschaltbedingung einen Aktivierungspfad zu schließen, um die Entladeschaltung und die Kurzschlusssteuerschaltung durch Bereitstellen der Versorgungsspannung zu aktivieren.
Der erfindungsgemäßen Batteriezelle liegen mehrere Ideen zugrunde. Gemäß einer ersten Idee ist bei der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungsanaordnung eine Versorgungsschaltungsanordnung vorgesehen, der als Eingangsspannung die an der Zwischenkreiskapazität anliegende Zwischenkreisspannung zugeführt wird, um ausgehend von dieser Zwischenkreisspannung eine Versorgungsspannung bereitstellen zu können. Somit ist auch dann eine Versorgung der Sicherheitsspannung mit elektrischer Energie gewährleistet, wenn eine Versorgung weder durch die Traktionsbatterie noch durch die Starterbatterie möglich ist, beispielsweise bei einer Unterbrechung der Versorgungsleitungen. Somit ist auch bei einem gleichzeitigen Ausfall von Traktionsbatterie und Starterbatterie sowohl ein Entladen der Zwischenkreiskapazität auf ein Niveau, bei dem sich eine für den Menschen ungefährliche Zwischenkreisspannung einstellt, als auch ein langanhaltendes Kurzschließen der Phasen einer permanenterregten elektrischen Maschine möglich.
Gemäß einer zweiten Idee enthält die Sicherheitsschaltungsanordnung sowohl eine Entladeschaltung als auch eine Kurzschlusssteuerschaltung. Somit können sich ergebende Synergien genutzt werden, was beispielsweise zu einer Reduzierung der Bauteile führt, für die Realisierung der Entladefunktionalität einerseits und die Realsierung der Kurzschlussfunktionalität andererseits benötigt werden. Gleichermaßen reduziert sich durch die Integration beider Funktionalitäten in eine Schaltungsanordnung der für den Aufbau der Schaltungsanordnung benötigte Bauraum, d. h. es verringert sich die Größe der für die Unterbringung der Schaltungsanordnung benötigten Platine. Die Leiterplatte und somit die Sicherheitsschaltungsanordnung kann wesentlich kompakter realisiert werden, Die Reduzierung der Anzahl der Bauteile, hierbei handelt es sich unter anderem um Hochspannungswiderstände, Leistungstransistoren und um Dioden hat zudem den positiven Nebeneffekt, dass die Wärmeentwicklung auf der die Schaltungsanordnung tragenden Platine und somit der Wärmeeintrag in die Platine geringer ist. Darüber hinaus reduzieren sich insgesamt aufgrund der geringeren Anzahl der Bauteile und des geringeren Bauraumbedarfs die Fertigungskosten.
Gemäß einer dritten Idee können mit der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungsanordnung kombiniert, d. h. gleichzeitig zum einen die Phasen einer elektrischen Maschine kurzgeschlossen werden und zum anderen eine Zwischenkreiskapazität und somit der Zwischenkreis entladen werden. Somit kann mit einem geringen Aufwand und mit einer hohen Zuverlässigkeit ein Höchstmaß an Sicherheit für eine elektrische Antriebseinheit erzielt werden. Es lassen sich somit gleichzeitig ein Gleichspannungszwischenkreis entladen und alle Klemmen einer elektrischen Drehfeldmaschine kurzschließen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Aktivierungselement die Versorgungsspannungsschaltung einerseits und die Entladeschaltung sowie die Kurzschlusssteuerschaltung andererseits über einen Aktivierungspfad wirktechnisch miteinander verbindet.
Die obengenannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
Bevor auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungsanordnung eingegangen wird, sei an dieser Stelle erwähnt, dass die vorstehend erfolgte Bezugnahme auf eine permanenterregte elektrische Maschine keine einschränkende Wirkung haben soll. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltungsanordnung auch bei andersartig aufgebauten elektrischen Maschinen zum Einsatz kommen.
Vorteilhafterweise ist die Entladeschaltung steuerbar ausgebildet, so dass sich der der Zwischenkreiskapazität entnommene Entladestrom einstellen lässt.
Wie bereits ausgeführt, ist die elektrische Antriebseinheit vorzugsweise in einem Fahrzeug angeordnet. Demzufolge ist die Einschaltbedingung vorteilhafterweise dann gegeben, wenn zumindest eine der folgenden Situationen vorliegt:

– Überführen des Fahrzeugs von einem Fahrbetriebszustand in einen Ruhezustand oder,
– Außerbetriebgehen der Traktionsbatterie, oder
– Vorliegen eines vom normalen Fahrbetriebszustand abweichenden kritischen Fahrbetriebszustands.

Beim Überführen des Fahrzeugs von einem Fahrbetriebszustand, bei dem das Fahrzeug durch die elektrische Maschine angetrieben wird, in einen Ruhezustand, bei dem das Fahrzeug steht, und bei dem insbesondere die elektrische Maschine nicht mehr mit der Traktionsbatterie und somit der Zwischenkreiskapazität verbunden ist, ist dafür Sorge zu tragen, dass die Zwischenkreiskapazität entladen wird. Zu Beginn des Ruhezustands entspricht die an der Zwischenkreiskapazität anliegende Zwischenkreisspannung der von der Traktionsbatterie bereitgestellten Hochspannung. Demzufolge ist mit Eintritt des Ruhezustands die Zwischenkreiskapazität nach Möglichkeit sehr schnell auf ein Niveau zu entladen, bei dem sich eine für den Menschen ungefährliche Zwischenkreisspannung einstellt. Dies wird mit der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungsanordnung erreicht. Alternativ kann die Einschaltbedingung dann gegeben sein, wenn auf Vorliegen eines Außerbtetriebnahmezustands erkannt wird.
Bei Feststellen des Außerbetriebgehens der Traktionsbatterie ist dafür Sorge zu tragen, dass einerseits die Zwischenkreiskapazität zum Abbauen der an ihr anliegenden Zwischenkreisspannung, die direkt zu Beginn des Außerbetriebgehens der Traktionsbatterie der von der Traktionsbatterie bereitgestellten Hochspannung entspricht, entladen wird, und dass andererseits die Phasen der elektrischen Maschine kurzgeschlossen werden, so dass sich an diesen keine Spannungen aufbauen können. Auch dies wird mit der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungsanordnung erreicht. Alternativ oder ergänzend kann ein eine Traktionsbatteriezustandsbedingung erfasst und ausgewertet werden, die beispielsweise einen Hinweis auf den Ladezustand der Traktionsbatterie und/oder auf einen bei der Traktionsbatterie vorliegenden Defekt gibt.
Wird festgestellt, dass ein von dem normalen Fahrbetriebszustand abweichender kritischer Fahrbetriebszustand vorliegt, sind ebenfalls Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen. Bei einem kritischen Fahrbetriebszustand kann es sich beispielsweise um einen Fahrbetriebszustand handeln, bei dem sehr große Beschleunigungen, insbesondere Querbeschleunigungen aber auch Längsbeschleunigungen, und/oder große Gierwinkelgeschwindigkeiten auftreten, die allesamt ein Indiz für einen Schleudervorgang sind, wie er beispielsweise bei einem Unfall oder bei einer Fahrt vorliegen kann, bei der aufgrund einer Fahrervorgabe die physikalisch bedingten Grenzwerte, beispielsweise in Bezug auf die Haftreibung, insbesondere in Bezug auf eine Kurvenfahrt, überschritten sind. In diesem Fall ist ebenfalls angeraten, zum einen die Zwischenkreiskapazität schnellstmöglich zu entladen, und zum anderen die Phasen der elektrischen Maschine kurz zu schließen. Die vorgenannten Größen können vorteilhafterweise jeweils mittels geeigneter Sensoren erfasst werden.
Alternativ und/oder ergänzend kann eine Maschinenzustandsbedigung erfasst und ausgewertet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Versorgungsspannungsschaltung um eine aus einem elektrischen Versorgungswiderstand und einer Zenerdiode bestehende Reihenschaltung. Hierbei handelt es sich um eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Maßnahme, die für den Betrieb der Sicherheitsschaltungsanordnung benötigte Versorgungsspannung bereitzustellen. Der Aufwand bzw. der Bedarf für die Realsierung einer Versorgungsspannungsschaltung ist somit auf ein Mindestmaß reduziert. Gleichzeitig ermöglicht die so aufgebaute Schaltung auch dann, wenn die Entladeschaltung nicht aktiviert ist, ein passive Entladung der Zwischenkreiskapazität.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Entladeschaltung um eine aus einem elektrischen Lastwiderstand und einem steuerbaren Halbleiterelement bestehende Reihenschaltung. Auch diese Maßnahme zeichnet sich durch ihren einfachen und kostengünstigen Aufbau, bei gleichzeitiger hoher Zuverlässigkeit auf. Zugleich lässt sich der Entladestrom in einfacher Art und Weise einstellen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Halbleiterelement um einen MOS-FET Transistor.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sicherheitsschaltungsanordnung ferner eine Überwachungsschaltung auf. Diese Überwachungsschaltung ist dazu ausgebildet, ein elektrisches Signal zu verarbeiten, das eine am Lastwiderstand vorliegende Temperatur repräsentiert. Somit können bei einem ungünstigen Verlauf der Temperatur des Lastwiderstands, wobei diese Temperatur im wesentlichen durch den durch den Lastwiderstand fließenden Entladestrom bestimmt ist, insbesondere dann, wenn die Temperatur sich einem vorgegebenen Grenzwert annähert oder diesen gar bereits überschritten hat, temperaturbeeinflussende Maßnahmen ergriffen werden, insbesondere können Maßnahmen ergriffen werden, die dazu führen, das die Temperatur nicht mehr weiter ansteigt, vorzugsweise jedoch abgesenkt wird. Konsequenterweise ist die Überwachungsschaltung dazu ausgebildet, das steuerbare Halbleiterelement in Abhängigkeit eines ermittelten Überwachungsergebnisses anzusteuern. Dadurch ist es möglich, den Wert des der Zwischenkreiskapazität entnommen Entladestroms einzustellen, vorzugsweise zu reduzieren. Im Extremfall kann das Halbleiterelement so angesteuert werden, dass eine Entladeleitung, durch die der Entladestrom fließt, unterbrochen bzw. geöffnet ist, und somit kein Entladestrom mehr fließt, d. h. der Entladestrom den Wert Null annimmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme enthält die Überwachungsschaltung eine aus elektrischen Messwiderständen aufgebaute Messbrückenschaltung, wobei einer der Messwiderstände als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist. Hierbei handelt es sich um eine besonders einfache zu realsierende Maßnahme, die Lastwiderstand vorliegede Temperatur zu erfassen, die zudem sehr zuverlässig ist und gleichzeitig ein präzise Temperaturerfassung ermöglicht. Konsequenterweise ist der temperaturabhängige Widerstand baulich nahe an dem Lastwiderstand angeordnet, so dass das von der Überwachungsschaltung zu verarbeitende elektrische Signal die an dem Lastwiderstand vorliegende Temperatur möglichst präzise repräsentiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme weist der temperaturabhängige Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten auf. Unter Verwendung eines derart ausgebildeten Messwiderstands kann auf einfache Art und Weise eine zuverlässige und präzise Erfassung der an dem Lastwiderstand vorliegenden Temperatur realisiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sicherheitsschaltungsanordnung ferner eine Stabilisierungsschaltung auf, die schaltungstechnisch zwischen der Versorgungsspannungsschaltung und dem Aktivierungselement angeordnet ist. Mit dieser Maßnahme ist sichergestellt, dass ein genügend großer Strom für das zum Kurzschließen der Phasen der elektrischen Maschine erforderliche Ansteuern der Schalterelemente des Wechselrichters bereitgestellt werden kann. Somit ist ein zuverlässiges Kurzschließen der Phasen der elektrischen Maschine sichergestellt.
Vorteilhafterweise weist der Wechselrichter eine Vielzahl von Halbbrücken auf, wobei jede Halbbrücke ein erstes und ein zweites Schalterelement aufweist, wobei das erste Schalterelement mit einem Versorgungspol der Traktionsbatterie und das zweite Schalterelement mit einem Massepol der Traktionsbatterie verbunden ist. Bei der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungsanordnung ist die Kurzschlusssteuerschaltung vorzugsweise dazu ausgebildet, die mit dem Massepol verbundenen zweiten Schalterelemente anzusteuern. Hierbei handelt es sich um eine Maßnahme, mit der ohne großen schaltungstechnischen Aufwand ein Ansteuern der Schalterelemente zum Kurzschließen der Phasen der elektrischen Maschine möglich ist. Alternativ ist es aber ebenso denkbar, die Kurzschlusssteuerschaltung derart auszuführen, dass die mit dem Versorgungspol der Traktionsbatterie verbundenen Schalterelemente zum Kurzschließen der Phasen der elektrischen Maschine angesteuert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 anhand eines Schaltungsschemas die Anbindung einer erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung an eine elektrische Antriebseinheit,
2 anhand eines Schaltungsschemas den Aufbau der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung.
In 1 zeigt eine elektrische Antriebseinheit 10 und eine für diese vorgesehen Sicherschaltungsanordnung 12. Die elektrische Antriebseinheit 10 weist eine Traktionsbatterie 14 auf, die eine Hochspannung U_B bereitstellen kann. Zu der Traktionsbatterie 14 ist eine Zwischenkreiskapazität 16 parallel geschaltet. Durch die Traktionsbatterie 14 wird eine elektrische Maschine 18 mit elektrischer Energie versorgt. Die elektrische Maschine 18 weist eine Vielzahl von Phasen 20, 22, 24 auf, die über einen durch eine Ansteuereinheit 26 ansteuerbaren Wechselrichter 28 mit der Traktionsbatterie 14 verbindbar sind. Der Wechselrichter 28 weist eine Vielzahl von Schalterelementen T1, T2, T3, T4, T5, T6 auf, die zu Halbbrücken angeordnet sind, von denen eine exemplarisch mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet ist. Jede dieser Halbbrücken 30 weist jeweils ein erstes Schalterelement 32 und ein zweites Schalterelement 34 auf, wobei das erste Schalterelement 32 mit einem Versorgungspol 36 der Traktionsbatterie 14 und das zweite Schalterelement 34 mit einem Massepol 38 der Traktionsbatterie 14 verbunden ist. In 1 sind lediglich jeweils ein erstes und ein zweites Schalterelement mit den Bezugsziffern 32 und 34 bezeichnet. Zu jedem der Schalterelemente T1, T2, T3, T4, T5, T6 ist eine Freilaufdiode parallel geschaltet, von denen eine exemplarisch mit der Bezugsziffer 40 bezeichnet ist. In 1 sind die Schalterelemente als IGBTs ausgeführt. Dies soll keine einschränkende Wirkung haben. Selbstverständlich können auch andere Halbleiterbauelemente eingesetzt werden, beispielsweise MOSFETs.
1 ist ferner eine Recheneinheit 42 zu entnehmen. Mit der Recheneinheit 42 werden ausgehend von einem Drehmomentsollwert, der das von der elektrischen Maschine 18 zu erzeugende Drehmoment repräsentiert, Tastverhältniswerte d_i ermittelt, die der Ansteuereinheit 26 zugeführt werden und die in der Ansteuereinheit 26 in Ansteuersignale A_i für die Schalterelemente T1, T2, T3, T4, T5, T6 umgesetzt werden.
Die Sicherheitsschaltungsanordnung 12 ist nun so eingebunden, dass die von ihr erzeugten Ansteuersignale B_i, mit denen die Schalterelemente T1, T2, T3, T4, T5, T6 zum Kurzschließen der Phasen 20, 22, 24 angesteuert werden, ebenfalls der Ansteuereinheit 26 zugeführt werden. Die Ansteuereinheit 26 ist dabei so ausgebildet, dass die Ansteuersignale Bi den Ansteuersignalen Ai überlagert werden. Dies kann beispielsweise in der Form erfolgen, dass die Ansteuersignale B_i vorrangig vor den Ansteuersignalen A_i ausgegeben werden.
Durch eine Unterbrechung 44 ist in 1 angedeutet, dass die Traktionsbatterie 14 ausfallen kann, beispielsweise dadurch dass eine Versorgungsleitung unterbrochen ist.
In 2. ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungsanordnung gezeigt.
Die Sicherheitsschaltungsanordnung 12 weist eine Versorgungsspannungsschaltung 46 auf, die dazu ausgebildet ist, ausgehend von einer ihr über Klemmen 48, 50 zugeführten Eingangsspannung U_E eine Versorgungsspannung U_V bereitzustellen. Wie der Darstellung in 1 zu entnehmen ist, handelt es sich bei der Eingangsspannung U_E um die an der Zwischenkreiskapazität 16 anliegende Zwischenkreisspannung U_Z, die wiederum der von der Traktionsbatterie 14 bereitgestellten Hochspannung U_B entspricht. Wie der Darstellung in 2 zu entnehmen ist, ist die Versorgungsspannungsschaltung 46 als eine Reihenschaltung aus einem elektrischen Versorgungswiderstand 52 und einer Zenerdiode 54 realisiert. Die Versorgungsspannungsschaltung 46 entspricht in ihrer Funktionalität einem Netzteil. Mit der Versorgungsspannungsschaltung 46 kann die Hochspannung U_B, die im Bereich von 250 bis 450 Volt liegen kann, in eine Versorgungsspannung U_V umgesetzt werden, die beispielsweise in der Größenordnung von ungefähr 15 Volt liegt. Die Versorgungsspannung sollte auf jeden Fall so groß sein, dass die Schalterelemente T1, T2, T3, T4, T5, T6 zur Realisierung des Kurzschlusses der Phasen sicher und zuverlässig angesteuert werden können, wobei in diesem Zusammenhang an zwischengeschalteten Bauelementen auftretende Spannungsverluste zu berücksichtigen sind.
Die Realisierung der Versorgungsspannungsschaltung 46 als eine Reihenschaltung aus einem elektrischen Widerstand und einer Zenerdiode hat den Vorteil, dass mittels solch einer Versorgungsspannungsschaltung eine passive Entladung der Zwischenkreiskapazität möglich ist, wobei der Wert des Widerstands die Zeitdauer bestimmt, die es erfordert, bis die an der Zwischenkreiskapazität anliegende Spannung unter einen durch die Berührschutzgrenze definierten Spannungswert abgesunken ist, bzw. bis eine vollständige Entladung der Zwischenkreiskapazität eingetreten ist.
Der Versorgungsspannungsschaltung 46 ist eine Stabilisierungsschaltung 56 nachgeschaltet. Durch die Stabilisierungsschaltung 56 ist sichergestellt, dass ein genügend großer Strom für das zum Kurzschließen der Phasen 20, 22, 24 der elektrischen Maschine 18 erforderliche Ansteuern der Schalterelemente T1, T2, T3, T4, T5, T6 des Wechselrichters 28 bereitgestellt werden kann. Wie der Darstellung in 2 zu entnehmen ist, besteht die Stabilisierungsschaltung 56 aus einem Transistor 58, dessen Basis mit der Versorgungsspannung U_V beaufschlagt ist. Der Kollektor des Transistors 58 liegt über einen elektrischen Widerstand 60 an der Eingangsspannung U_E. Der Emitter ist über eine aus einer Zenerdiode 62 und einem elektrischen Widerstand 64 gebildeten Parallelschaltung mit Masse verbunden.
Wie der Darstellung in 2 zu entnehmen ist, ist die Stabilisierungsschaltung 56 schaltungstechnisch zwischen der Versorgungsspannungsschaltung 46 und einem Aktivierungselement 66 angeordnet. Das Aktivierungselement 66 ist dazu ausgebildet, bei Vorliegen einer Einschaltbedingung, was durch einen Peil 68 angedeutet ist, einen Aktivierungspfad 70 zu schließen, um eine Entladeschaltung 72 und eine Kurzschlusssteuerschaltung 74 durch Bereitstellen der Versorgungsspannung U_V zu aktivieren. D. h. bei Vorliegen einer Einschaltbedingung 68 wird der Aktivierungspfad 70 geschlossen, über den dann die Entladeschaltung 72 und die Kurzschlusssteuerschaltung 74 mit der von der Versorgungsspannungsschaltung 46 bereitgestellten Versorgungsspannung U_V versorgt und somit aktiviert werden. Insofern kann man diesen Pfad auch als Versorgungspfad bezeichnen. Bei dem Aktivierungselement 66 kann es sich um ein ansteuerbares Halbleiterelement oder um ein Relais handeln.
Vorzugsweise soll die elektrische Antriebseinheit 10 in einem nicht dargestellten Fahrzeug angeordnet sein. Demzufolge ist die Einschaltbedingung 68 gegeben, wenn zumindest eine der folgenden Situationen vorliegt:

Die Auswertung vorgenannter Situationen und die Bereitstellung eines die Einschaltbedingung repräsentierenden Signals erfolgt in der bereits beschriebenen Recheneinheit 42, von der über eine Klemme 76 dieses Signal abgegeben wird.
Die Kurzschlusssteuerschaltung 74 ist dazu ausgebildet, in ihrem aktivierten Betriebszustand durch Ansteuern eines Teils der Schalterelemente T1, T2, T3, T4, T5, T6 zumindest einen Teil der Phasen 20, 22, 24 der elektrischen Maschine 18 kurzuschließen. Hierzu enthält die Kurzschlusssteuerschaltung 74 Dioden, die zur Ansteuerung der Schalterelemente T1, T2, T3, T4, T5, T6 mit deren Ansteueranschlüssen verbindbar sind. Im Fall der in 1 dargestellten IGBTs mit deren Gates. In 2 ist eine dieser Dioden exemplarisch mit dem Bezugszeichen 78 bezeichnet.
Bei der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungsanordnung 12 ist vorgesehen, dass durch die Kurzschlusssteuerschaltung 74 die mit dem Massepol 38 verbundenen zweiten Schalterelemente 34 angesteuert werden. Die zweiten Schalterelemente 34 werden dabei leitend geschaltet. Vorzugsweise werden alle drei zweiten Schalterelemente 34 leitend geschaltet, so dass die Phasen 20, 22, 24 allesamt untereinander kurzgeschlossen sind. Die hier beschriebene Ansteuerung der zweiten Schalterelemente soll keine einschränkende Wirkung haben. Ebenso können die Phasen der elektrischen Maschine durch Ansteuern der ersten Schalterelemente kurzgeschlossen werden.
Die Entladeschaltung 72 ist dazu ausgebildet, in ihrem aktivierten Betriebszustand der Zwischenkreiskapazität 16 einen vorgebbaren Entladestrom zu entnehmen. Somit ist zusätzlich zu der passiven Entladung der Zwischenkreiskapazität 16, die durch die Versorgungsspannungsschaltung 46 möglich bzw. realisiert ist, bei Bedarf, d. h. bei Aktivierung der Entladeschaltung 72 auch eine aktive Entladung der Zwischenkreiskapazität 16 möglich.
Wie der Darstellung in 2 zu entnehmen ist, handelt es sich bei der Entladeschaltung 72 um eine aus einem elektrischen Lastwiderstand 80 und einem steuerbaren Halbleiterelement 82 bestehende Reihenschaltung. Vorzugsweise kann es sich bei dem Halbleiterelement 82 um einen MOSFET handeln, so wie es in 2 dargestellt ist. Der Lastwiderstand 80 und das Halbleiterelement 82 sind dabei so dimensioniert bzw. ausgelegt, dass die Zwischenkreiskapazität 16 in sehr kurzer Zeit entladen werden kann, und zwar zumindest soweit, dass die an ihr anliegende Spannung unterhalb der Berührschutzgrenze von 60 Volt liegt. Beispielsweise kann die Entladeschaltung 72 so eingestellt sein, dass dieses Niveau innerhalb von 5 Sekunden erreicht wird.
Wie der Darstellung in 2 weiter zu entnehmen ist, weist die Sicherheitsschaltungsanordnung 12 ferner eine Überwachungsschaltung 84 auf, die dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal zu verarbeiten, das eine am Lastwiderstand 80 vorliegende Temperatur repräsentiert. In Abhängigkeit des ermittelten Überwachungsergebnisses kann dann das Halbleiterelement 82 angesteuert werden. Somit kann eine Überhitzung und demzufolge eine potentielle Beschädigung oder gar Zerstörung des Lastwiderstands 80 verhindert werden, indem in Abhängigkeit der Lastwiderstandstemperatur der Entladestrom eingestellt werden kann. Vorzugsweise wird mit zunehmender Temperatur der Entladestrom reduziert, was soweit gehen kann, dass bei Überschreiten eines vorgegeben Temperaturschwellenwertes der Entladestrom auf 0 reduziert wird, d. h. das Entladen der Zwischenkreiskapazität 16 zumindest zeitweise unterbrochen wird.
Wie der Darstellung in 2 zu entnehmen ist, enthält die Überwachungsschaltung 84 eine Messbrückenschaltung 86, die aus elektrischen Messwiderständen aufgebaut ist, von denen einer exemplarisch mit dem Bezugszeichen 88 bezeichnet ist. Bei einem der Messwiderstände handelt es sich um einen temperaturabhängigen Widerstand 90, der vorzugweise einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Der temperaturabhängige Widerstand 90 ist baulich in unmittelbarer Nähe des Lastwiderstands 80 angeordnet. Mittels eines Komparators 92 wird ein Ansteuersignal für das Halbleiterelement 82 erzeugt.
Dadurch dass die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltungsanordnung eine Versorgungsspannungsschaltung aufweist, die ausgehend von der ihr zugeführten Zwischenkreisspannung eine Versorgungsspannung für die Entladeschaltung und die Kurzschlusssteuerschaltung bereitstellt, ist auch bei gleichzeitigem Ausfall oder nicht zur Verfügung stehen der Traktionsbatterie und der Starterbatterie möglich, eine aktive Entladung der Zwischenkreiskapazität und einen aktiven Kurzschluss der Klemmen bzw. der Phasen der elektrischen Maschine zu realisieren.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgte Bezugnahme auf eine in einem Fahrzeug angeordnete elektrische Antriebseinheit keine beschränkende Wirkung haben soll. Die erfindungsgemäße Sicherheitsanordnung kann auch bei anderweitig eingesetzten elektrischen Antriebseinheiten zum Einsatz kommen.
Bezugszeichenliste

10: elektrische Antriebseinheit
12: Sicherschaltungsanordnung
14: Traktionsbatterie
16: Zwischenkreiskapazität
18: elektrische Maschine
20: Phase
22: Phase
24: Phase
26: Ansteuereinheit
28: Wechselrichter
30: Halbbrücke
32: erstes Schalterelement
34: zweites Schalterelement
36: Versorgungspol
38: Massepol
40: Freilaufdiode
42: Recheneinheit
44: Unterbrechung
46: Versorgungsspannungsschaltung
48: Klemme
50: Klemme
52: elektrischer Versorgungswiderstand
54: Zenerdiode
56: Stabilisierungsschaltung
58: Transistor
60: elektrischen Widerstand
62: Zenerdiode
64: elektrischer Widerstand
66: Aktivierungselement
68: Peil
70: Aktivierungspfad
72: Entladeschaltung
74: Kurzschlusssteuerschaltung
76: Klemme
78: Diode
80: elektrischer Lastwiderstand
82: steuerbares Halbleiterelement
84: Überwachungsschaltung
86: Messbrückenschaltung
88: Messwiderstand
90: temperaturabhängiger Widerstand
92: Komparator

Claims

Sicherheitsschaltungsanordnung für eine elektrische Antriebseinheit, wobei die elektrische Antriebseinheit eine Traktionsbatterie, eine zu der Traktionsbatterie parallel geschaltete Zwischenkreiskapazität und eine durch die Traktionsbatterie mit elektrischer Energie versorgbare elektrische Maschine aufweist, wobei die elektrische Maschine eine Vielzahl von Phasen aufweist, die über einen ansteuerbaren, eine Vielzahl von Schalterelementen aufweisenden Wechselrichter mit der Traktionsbatterie verbindbar sind, mit einer Entladeschaltung, die dazu ausgebildet ist, in ihrem aktivierten Betriebszustand der Zwischenkreiskapazität einen vorgebbaren Entladestrom zu entnehmen, einer Kurzschlusssteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, in ihrem aktivierten Betriebszustand durch Ansteuern eines Teils der Schalterelemente zumindest einen Teil der Phasen der elektrischen Maschine kurzuschließen, einer Versorgungsspannungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, ausgehend von einer ihr zugeführten Eingangsspannung eine Versorgungsspannung bereitzustellen, wobei als Eingangsspannung eine an der Zwischenkreiskapazität anliegende Zwischenkreisspannung zugeführt ist, und einem Aktivierungselement, das dazu ausgebildet ist, bei Vorliegen einer Einschaltbedingung einen Aktivierungspfad zu schließen, um die Entladeschaltung und die Kurzschlusssteuerschaltung durch Bereitstellen der Versorgungsspannung zu aktivieren.
Sicherheitsschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinheit in einem Fahrzeug angeordnet ist und die Einschaltbedingung gegeben ist, wenn zumindest eine der folgenden Situationen vorliegt: – Überführen des Fahrzeugs von einem Fahrbetriebszustand in einen Ruhezustand oder, – Außerbetriebgehen der Traktionsbatterie, oder – Vorliegen eines vom normalen Fahrbetriebszustand abweichenden kritischen Fahrbetriebszustands.
Sicherheitsschaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Versorgungsspannungsschaltung um eine aus einem elektrischen Versorgungswiderstand und einer Zenerdiode bestehende Reihenschaltung handelt.
Sicherheitsschaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Entladeschaltung um eine aus einem elektrischen Lastwiderstand und einem steuerbaren Halbleiterelement bestehende Reihenschaltung handelt.
Sicherheitsschaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsschaltungsanordnung ferner eine Überwachungsschaltung aufweist, wobei die Überwachungsschaltung dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal zu verarbeiten, das eine am Lastwiderstand vorliegende Temperatur repräsentiert.
Sicherheitsschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung dazu ausgebildet ist, das steuerbare Halbleiterelement in Abhängigkeit eines ermittelten Überwachungsergebnisses anzusteuern.
Sicherheitsschaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung eine aus elektrischen Messwiderständen aufgebaute Messbrückenschaltung enthält, wobei einer der Messwiderstände als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist.
Sicherheitsschaltungsanordnung, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist.
Sicherheitsschaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsschaltungsanordnung ferner eine Stabilisierungsschaltung aufweist, die schaltungstechnisch zwischen der Versorgungsspannungsschaltung und dem Aktivierungselement angeordnet ist.
Sicherheitsschaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter eine Vielzahl von Halbbrücken aufweist, wobei jede Halbbrücke ein erstes und ein zweites Schalterelement aufweist, wobei das erste Schalterelement mit einem Versorgungspol der Traktionsbatterie und das zweite Schalterelement mit einem Massepol der Traktionsbatterie verbunden ist, wobei die Kurzschlusssteuerschaltung dazu ausgebildet ist, die mit dem Massepol verbundenen zweiten Schalterelemente anzusteuern.