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Die vorliegende Lösung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß den Hauptansprüchen.
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In Wechselrichtern für elektrische Maschinen ist meist ein Zwischenkreiskondensator eingebaut, der die umzurichtende elektrische Energie im Wechselrichter zwischenspeichert. Bei Wechselrichtern hoher Leistung kann die Kapazität und/oder die Ladespannung hohe Werte annehmen. Damit wird eine große elektrische Energie bei gleichzeitig hoher Kondensatorspannung gespeichert. Diese Kombination aus gespeicherter Energie und Spannung erfordert hohe Anforderungen an die elektrische Sicherheit eines elektrischen Systems.
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Im Fehlerfall oder beim Ausschalten des Wechselrichters sollte diese Energie im Zwischenkreiskondensator entladen werden, um zu verhindern, dass Menschen mit dieser Spannung in Kontakt kommen. Dies kann zum Beispiel passieren, wenn der Wechselrichter repariert werden soll. Um diese Entladung zu bewerkstelligen, gibt es in der Regel zwei Verfahren, die gleichzeitig angewendet werden, wobei eine dauernd anliegende langsame Entladung beispielsweise über passive Bauteile den Zwischenkreiskondensator üblicherweise innerhalb von 120 Sekunden entlädt.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 213 802 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überspannungsschutz für aktive Gleichrichter bei einem Lastabwurf beschrieben.
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Vor diesem Hintergrund schafft der vorliegende Ansatz ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine im Zwischenkreiskondensator gespeicherte Energie wird gemäß der hier vorgeschlagenen Lösung mittels zumindest einer (ersten) Halbbrücke mit zwei in Serie geschalteten Schaltern in Wärme umgewandelt, wobei ein kurzzeitiger Kurzschluss durch die beiden Schalter hergestellt und hierdurch die Spannung und somit auch die Energie im Zwischenkreiskondensator abgebaut wird.
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Es wird ein Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators vorgestellt, wobei der Zwischenkreiskondensator mit zumindest einer (ersten) Halbbrücke elektrisch gekoppelt ist, die zumindest oder genau zwei Schalter umfasst, die in Reihe geschaltet sind. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Ansteuerns der Schalter der Halbbrücke, um ein zeitgleiches Schließen der Schalter durchzuführen. Die Schalter werden also gleichzeitig angeschaltet. Die Schalter können darauffolgende gleichzeitig wieder geöffnet werden.
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Zum Ansteuern des jeweiligen Schalters zum Entladen des Zwischenkreiskondensators kann ein so genannter Entladepuls an den jeweiligen Schalter ausgegeben werden. So lange dieser Entladepuls anhält, schließt der Schalter. Wenn der Entladepuls abklingt, öffnet Schalter darauffolgend wieder.
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Bei dem Zwischenkreiskondensator kann es sich um einen elektrischen Kondensator in einem Zwischenkreis eines Umrichters oder eines Wechselrichters handeln. Bei der Halbbrücke kann es sich um eine elektrische Schaltung handeln. Beispielsweise ist die Halbbrücke ein Teil des Wechselrichters oder Umrichters. Bei einem solchen Schalter kann es sich um ein elektronisches Bauelement handeln, wie beispielsweise einen Transistor, wie ein IGBT oder MOSFET oder dergleichen, das eine Steuerung elektrischer Spannungen und Ströme ermöglicht. Über die Halbbrücke ist durch das Schließen der Schalter ein Kurzschluss zwischen zwei Anschlüssen des Zwischenkreiskondensators realisierbar.
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Bevorzugt wird der Zwischenkreiskondensator vorab oder gleichzeitig des Schrittes des Ansteuerns der Schalter von einer Gleichspannungsversorgung getrennt, beispielsweise mittels eines Schützes und/oder eines Batterietrennschalters. Die Gleichspannungsversorgung ist dazu ausgeführt, den Zwischenkreiskondensator im normalen Betrieb mit elektrischer Leistung zu versorgen.
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Bei einer Ausführungsform können im Schritt des Ansteuerns die Schalter derart angesteuert werden, dass eine Einschaltdauer der Schalter (Dauer zwischen dem gleichzeitigen Schließen und einem darauffolgenden Öffnen der Schalter) einen vorbestimmten Schwellwert nicht überschreitet. Hierbei wird der Stromfluss und die thermische Belastung der Schalter gering gehalten, wodurch die Schalter und der Zwischenkreiskondensator vor Schädigung bewahrt werden könnten.
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Bei einer Ausführungsform kann im Schritt des Ansteuerns das gleichzeitige Schließen und ein darauffolgendes (gegebenenfalls gleichzeitiges) Öffnen der Schalter mehrfach wiederholt werden. Insbesondere wird hierbei das aufeinanderfolgende Öffnen und Schließen der Schalter in vordefinierten (zeitlichen) Abständen wiederholt. Hierbei werden die vordefinierten (zeitlichen) Abstände derart gewählt, dass ein solcher Abstand als Abkühlintervall nach einem Schließen der Schalter dient, sodass eine Überhitzung der Schalter bei einem wiederholten Schließen der Schalter verhindert wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann im Schritt des Ansteuerns das (dauerhafte oder wiederholte) Schließen der Schalter erfolgt, bis der Zwischenkreiskondensator entladen ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine Gefahr für Menschen möglichst gering gehalten werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ansteuerns eine weitere (zweite) Halbbrücke, die parallel zur ersten Halbbrücke geschaltet ist, angesteuert werden. Auch diese zweite Halbbrücke weist zumindest oder genau zwei in Reihe geschaltete Schalter auf. Die weitere Halbbrücke ist insbesondere analog zu der ersten Halbbrücke ausgeführt. Die Schalter der weiteren Halbbrücke werden im Schritt des Ansteuerns zeitgleich geschlossen. Hierdurch kann der Zwischenkreiskondensator schneller entladen werden. Analog zur ersten Halbbrücke können auch die Schalter der weitere Halbbrücke mehrfach wiederholt gleichzeitig geschlossen und jeweils darauffolgend wieder geöffnet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können im Schritt des Ansteuerns die Schalter der weiteren Halbbrücke gegenüber den Schaltern der ersten Halbbrücke zeitlich versetzt angesteuert werden, also geschlossen und/oder geöffnet werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Entladungsstrom aus dem Zwischenkreiskondensator und eine entsprechende thermische Belastung zeitlich gleichmäßig auf die Halbbrücken aufgeteilt wird. Auch haben zeitliche Toleranzen des Einschaltpulses zum Durchschalten der Schalter der Halbbrücken eine geringere Auswirkung auf den maximalen Stromfluss, was zum einen die thermische Belastung auf die Schalter reduziert und ferner ein Einstellen des Einschaltpulses vereinfacht.
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Es können eine oder mehrere weitere derartige Halbbrücken vorgesehen sein, insbesondere genau eine dritte Halbbrücke. Insbesondere kann somit mit den Halbbrücken ein Umrichter oder Wechselrichter gebildet sein. Der Schritt des Ansteuerns kann hierbei analog zur ersten und/oder weiteren Halbbrücke erfolgen. Insbesondere erfolgt ein zeitlich versetztes Ansteuern der Schalter der Halbbrücken, sodass beispielsweise zuerst die Schalter der ersten Halbbrücke geschlossen (und gegebenenfalls wieder geöffnet) werden und dann erst die Schalter der zweiten Halbbrücke etc.
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Bei einer Ausführungsform kann im Schritt des Ansteuerns eine Schutzeinheit der Halbbrücke(n) zur Überwachung, dass ein Zustand der Schalter der eingeschalteten Halbbrücke(n) nicht länger als eine maximale Einschaltdauer eingeschaltet sind, deaktiviert werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine bereits vorhandene Schutzfunktion zur Verhinderung eines Kurzschlusses der Schalter der Halbbrücke(n) die hier vorgestellte Lösung zum Abbau von Energie aus dem Zwischenkreiskondensator nicht unterdrücken kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ansteuerns die Schutzeinheit der Halbbrücke für eine vorbestimmte Zeitspanne deaktiviert werden und nach Ablauf der vorgebestimmten Zeitspanne wieder aktiviert werden. Hierdruch kann sichergestellt werden, dass in einem „normalen“ Betriebsmodus, in dem kein kurzfristiger Abbau von Energie aus dem Zwischenkreiskondensator erforderlich ist, ein gegebenenfalls versehentliches Schließen der Schalter einer Halbbrücke verhindert wird. Dies trägt zu einer deutlich erhöhten Betriebssicherheit im „normalen“ Betriebsmodus des Zwischenkreises bzw. der Halbbrücke bei.
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Bei einer Ausführungsform kann im Schritt des Ansteuerns die Entladung des Zwischenkreiskondensators angesteuert werden, wenn eine Fehlermeldung und/oder eine Information über das Vorliegen eines Generatorbetriebs einer mit der oder den Halbbrücken gekoppelten elektrischen Maschine vorliegt. Insbesondere handelt es sich bei der Fehlermeldung um eine Information bezüglich eines Fehlerzustands im Zwischenkreis und/oder einer Überspannung des Zwischenkreiskondensators. Hierdurch kann eine elektrische Sicherheit des den Zwischenkreiskondensator umfassenden elektrischen Systems erhöht werden.
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Der Einsatz der hier vorgeschlagenen Lösung wird bevorzugt bei Notfällen, wie insbesondere Lastabwurf-Fälle, eingesetzt, in denen kurzfristig und schnell eine elektrische Energie (elektrische Spannung) aus dem Zwischenkreiskondensator abgebaut werden soll. Ein solcher Notfall liegt insbesondere dann vor, wenn bei einem generatorischen Betrieb einer mit der oder den Halbbrücken gekoppelten elektrischen Maschine ein Lastabwurf stattfindet.
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Die Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware implementiert sein, beispielsweise in einem Steuergerät, beispielsweise in einer Vorrichtung einer Antriebsregelungseinrichtung der Antriebseinrichtung.
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Es wird ferner eine Vorrichtung vorgestellt, die eingerichtet ist, um die Schritte / den Schritt des Verfahrens in entsprechenden Einheiten / einer entsprechenden Einheit auszuführen und/oder anzusteuern.
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Eine solche Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Vorgeschlagen wird ferner ein elektrisches System mit einer elektrischen Maschine, wobei das elektrische System eine zwischen die elektrische Maschine und einen Zwischenkreiskondensator gekoppelte Halbbrücke sowie die vorgestellte Vorrichtung aufweist. Bei dem elektrischen System handelt es sich insbesondere um ein elektrisches Antriebssystem.
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Bei der elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um eine Drehfeldmaschine, wie insbesondere eine Synchron- oder Asynchronmaschine. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs, also eines elektrischen Motors zum Antreiben des Fahrzeugs. Bei dem Fahrzeug handelt es sich daher insbesondere um ein zumindest zeitweise mittels der elektrischen Maschine antreibbares Fahrzeug, wie beispielsweise ein reines E-Fahrzeugs oder ein Hybridfahrzeugs. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise ein PKW oder LKW. Der Gegenstand der Erfindung kann sich daher auch auf einen Antriebsstrang oder Antriebssystem für ein solches Fahrzeug mit der elektrischen Maschine beziehen.
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Ausführungsbeispiele der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators in Verbindung mit einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 ein erstes und ein zweites Diagramm mit zeitlichen Spannungs- und Stromstärkeverläufen, die beim Vorgang der Entladung eines Zwischenkreiskondensators erfasst worden sind;
- 4 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators in Verbindung mit einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Darstellung einer Schutzeinheit einer Schaltungsanordnung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators in Verbindung mit einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine schematische Darstellung einer Variante einer Schutzeinheit einer Schaltungsanordnung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators in Verbindung mit einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 7 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 100 zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel im Zusammenwirken mit weiteren Komponenten. Die Vorrichtung 100 ist Teil eines elektrischen Systems 101 mit einer elektrischen Maschine 102. Dieses elektrische System 101 kann beispielsweise in einem Fahrzeug 103 eingesetzt werden, bei dem ein elektrischer Energiespeicher 104 elektrische Energie über einen Zwischenkreis 105 mit dem Zwischenkreiskondensator 106 und einen Wechselrichter 107 an die elektrische Maschine 102 abgeben kann, beispielsweise um das Fahrzeug 103 fortzubewegen. Bei der elektrischen Maschine 102 handelt es sich daher insbesondere um einen Traktionsmotor des Fahrzeugs 103. Bei dem System 101 handelt es sich daher insbesondere um ein elektrisches Antriebssystem. Bei dem Fahrzeug 103 handelt es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeug.
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Um nun zu verhindern, dass in einem Fehlerfall oder im Fall eines Lastabwurfs eine Beschädigung von Komponenten beispielsweise des Zwischenkreises 105 auftritt, ist die Vorrichtung 100 vorgesehen. Diese ist dazu ausgebildet ist, um ein Verfahren zum Entladen des Zwischenkreiskondensators 106 in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
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Die Vorrichtung 100 umfasst eine Steuereinheit 108, wobei die Steuereinheit 108 beispielsweise ausgebildet ist, ein Fehlersignal 110 einzulesen. Das Fehlersignal 110 repräsentiert beispielsweise eine Fehlermeldung oder eine Lastabwurfsmeldung, die eine Überspannung im Zwischenkreis 105 und/oder am Zwischenkreiskondensator 106 darstellt. Alternativ oder zusätzlich kann das Fehlersignal 110 einen Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 102 repräsentieren, wie er beispielsweise im Falle des rekuperativen Bremsens des Fahrzeugs 103 auftritt. Tritt nämlich im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 102 ein Fehler auf Seiten des Zwischenkreises 105 auf, beispielsweise durch eine Notabtrennung des von der elektrischen Maschine 102 über den Zwischenkreis 105 zu ladenden Energiespeichers 104, dann würde die von der elektrischen Maschine 102 gelieferte Energie möglicherweise zu Beschädigungen am Zwischenkreis 105 oder den Komponenten des Zwischenkreises 105 wie dem Zwischenkreiskondensator 106 führen. Die Steuereinheit 105 ist daher dazu ausgebildet, in Reaktion auf das Fehlersignal 110 ein Ansteuerungssignal 115 auszugeben.
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Das Ansteuerungssignal 115 repräsentiert einen Befehl, um ein zeitgleiches Schließen und gegebenenfalls darauffolgendes Öffnen von Schaltern einer nachfolgend noch näher beschriebenen Halbbrücke durchzuführen. Diese Halbbrücke ist bevorzugt Teil des Wechselrichters 107. Eine Entladung des Zwischenkreiskondensators 106 wird somit in diesem Ausführungsbeispiel speziell dann angesteuert, wenn es sich bei der Fehlermeldung um eine Überspannung des Zwischenkreiskondensators und/oder einen Notfall handelt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 200 als elektrisches System 101 mit einer Vorrichtung 100 zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators 106. Die Schaltungsanordnung 200 umfasst die elektrische Maschine 102, die im Generatorbetrieb betrieben werden kann und somit eine elektrische Spannung und einen elektrischen Strom liefert. Ferner umfasst das elektrische System 101 einen Zwischenkreis 105 mit dem Zwischenkreiskondensator 106, wobei der Zwischenkreis 105 mit einer Hochvolt-Batterie als Energiespeicher 104 (der hier allgemeiner als ein elektrochemischer Energiespeicher 104 verstanden wird) verbunden ist. Dieser kann beispielsweise durch die von der elektrischen Maschine 102 gelieferte elektrische Energie aufgeladen werden, um nachfolgend wieder elektrische Energie zur Fortbewegung des Fahrzeugs 103 an die elektrische Maschine 102 abgeben zu können.
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Die elektrische Maschine 102 ist vorliegend mittels drei Phasenleitungen 212a, 212b und 212c (U, V und W) in an sich bekannter Weise über den Wechselrichter 107 mit dem Zwischenkreis 105 elektrisch gekoppelt. Der Wechselrichter 107 weist drei Halbbrücken 215, 217, 219 auf (eine Hallbrücke 215, 217, 219 für jede der Phasenleitungen U, V, W).
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Die Halbbrücken 215, 217 und 219 sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. Jede der Halbbrücken 215, 217, 219 umfasst zwei Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237, die in Reihe (in Bezug auf zwei Pole / Anschlüsse des Zwischenkreises 105) geschaltet sind. Dies sind jeweils ein High-Side-Schalter 225, 230, 235 und ein Low-Side-Schalter 227, 232, 237.
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Die Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 der Halbbrücken 215, 217,219 werden durch die Steuereinheit 108 der Vorrichtung 100 angesteuert, um
- • ein zeitgleiches Schließen der Schalter 225 und 227, und/oder
- • ein zeitgleiches Schließen der Schalter 230 und 232, und/oder
- • ein zeitgleiches Schließen der Schalter 235 und 237
durchzuführen.
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Die Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 der jeweiligen Halbbrücke 215, 217, 219 werden hierbei so angesteuert, dass eine Einschaltdauer der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 einen vorbestimmten (Einschaltdauer-) Schwellwert nicht überschreitet. Das Schließen und darauffolgende Öffnen der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 wird mehrfach wiederholt, insbesondere in vordefinierten zeitlichen Abständen. Dies erfolgt solange, bis der Zwischenkreiskondensator 106 vollständig entladen ist.
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Insbesondere werden auf diese Art alle Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 der Halbbrücken 215, 217, 219 angesteuert. Denkbar ist jedoch auch ein Anwendungsfall, bei dem lediglich die Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 einer der Halbbrücken 215, 217, 219 oder zwei der Halbbrücken 215, 217, 219 auf diese Art geschlossen und wieder geöffnet werden. Die technische Funktion eines solchen Öffnens und Schließens ist analog zu dem Öffnen und Schließen der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 aller Halbbrücken 215, 217, 219 des Wechselrichters 107. Dies bewirkt jedoch geringere Stromflüsse und damit ein langsameres Entladen des Zwischenkreiskondensators 106. Auch denkbar ist die zeitlich versetzte Ansteuerung der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 der einzelnen Halbbrücken 215, 217, 219. Dadurch kann ein glatterer Verlauf des Stromflusses beim Entladen des Zwischenkreiskondensators 106 erreicht werden.
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Der Zwischenkreiskondensator 106 wird also entladen, indem die elektrische Energie des Zwischenkreiskondensators 106 mittels der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 der (kurzzeitig) kurzgeschlossen Halbbrücken 215, 217, 219 in Wärme überführt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Schaltern 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 um (Leistungs-) Transistoren, wie beispielsweise IGBTs oder MOSFETs.
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Wenn eine Entladung des Zwischenkreiskondensators 106 angefordert wird, werden gemäß einem Ausführungsbeispiel alle Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 mit einem zeitgleichen Entladepuls geöffnet und wieder geschlossen. Dies führt dazu, dass während die Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 durchgeschaltet sind, sich ein Strom direkt vom positiven Potenzialanschluss des Zwischenkreises 105 bzw. des Zwischenkreiskondensators 106 zum negativen Potenzialanschluss des Zwischenkreises 105 bzw. des Zwischenkreiskondensators 106 einstellt. Dies führt zu einer Entladung des Zwischenkreiskondensators 106. Dieser Strom fließt in diesem Fall nicht, wie sonst häufig üblich, über die elektrische Maschine 102 und kann darin also keine ungewollten Momente erzeugen. Bei diesem Entladepuls limitiert nur die Induktivität des Strompfades den Stromanstieg. Da die Induktivität üblicherweise sehr gering ist, ist mit hohen Stromanstiegsraten zu rechnen. Da hohe Ströme die Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 der Halbbrücken 215, 217 und 219 sowie den Zwischenkreiskondensator 106 schädigen können, sollte dieser Stromanstieg gering gehalten werden. Durch die Reduktion der Einschaltdauer der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 kann dies erreicht werden.
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Meist kann der Zwischenkreiskondensator 106 mit einem einmaligen Einschalten und Ausschalten der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 nicht vollständig entladen werden, da die Einschaltzeit der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 gering gewählt werden sollte. Um die Energieumwandlung zu erhöhen, wird der Entladepuls ausreichend oft in kurzen Abständen wiederholt, bis der Zwischenkreiskondensator 106 vollständig oder ausreichend weit entladen ist.
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Der Vorteil bei der Verwendung einer oder mehrerer Halbbrücken 215, 217 und 219 eines Wechselrichters 107 mit jeweils zumindest zwei Schaltern 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 liegt darin, dass diese Komponenten normalerweise verträglich für hohe Verlustleistungen sind und eine Entwärmung optimal gestaltet ist. Zudem sind die Halbbrücken 215, 217 und 219 mit den Schaltern 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 zumeist bereits vorhanden und verursachen somit keine Zusatzkosten für die Entladefunktion. Die vorgeschlagene Lösung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass während des Entladens kein Strom durch die elektrische Maschine 102 fließt. Dadurch kann kein fehlerhaftes Moment gestellt werden.
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3 zeigt ein erstes und ein zweites Diagramm 300, 305 mit zeitlichen Spannungs- und Stromstärkeverläufen, die beim Vorgang der Entladung eines Zwischenkreiskondensators 106 mittels der vorgeschlagenen Lösung erfasst worden sind.
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Das erste Diagramm 300 zeigt einen Zeit-Spannungsverlauf, wobei die x-Achse 310 einen Zeitverlauf von -7,2 ms bis 192,8 ms umfasst und die y-Achse 315 eine Spannung von -200V bis 600V umfasst. Die im ersten Diagramm 300 sichtbare Kurve beschreibt eine Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator 106. Im ersten Diagramm liegt die Spannung zu Beginn (linker Pfeil) bei 500V und entlädt sich nach 100ms auf eine Spannung von 0V. Die Spannung über den Zwischenkreiskondensator 106 fällt im Wesentlichen exponentiell ab.
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Das zweite Diagramm 305 zeigt einen Zeit-Stromstärkenverlauf, wobei die x-Achse 320 einen Zeitverlauf von -7,2 ms bis 192,8 ms umfasst und die y-Achse 325 eine Stromstärke von -200A bis 1,4kA umfasst. Die im zweiten Diagramm 305 sichtbaren Kurven beschreiben elektrische Ströme, die während der Entladung durch die Halbbrücken 215, 217, 219 fließen. Im zweiten Diagramm liegt die Stromstärke der Ströme zu Beginn (linker Pfeil) bei 1,2kA und verringert sich nach 100ms auf eine Stromstärke von 0A. Der Abfall der Stromstärke ist anfangs groß, wird aber mit zunehmender Zeit immer geringer. Nach einer Zeit von 50 ms ist die Stromstärke der Ströme auf unter 50%, also auf unter 600A abgefallen (ca. 400A).
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 400 zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators 106 für eine nicht explizit gezeigte elektrische Maschine 102. Bei der Schaltungsordnung 400 ist der Zwischenkreiskondensator 106 analog zu 2 mit drei Halbbrücken 215, 217, 219 eines Wechselrichters elektrisch gekoppelt ist. Die Halbbrücken 215, 217, 219 selbst sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. Jede der Halbbrücken umfasst zumindest zwei Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237, die in Reihe geschaltet sind.
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Die Schaltungsanordnung 400 umfasst ferner die Phasen-Leitungen U, V und W, zum Zuführen von Strom zu oder von der elektrischen Maschine 102. Jede der Leitungen U, V und W ist an einem Mittelabgriffspunkt der betreffenden Halbbrücke 215, 217, 219 mit den zwei in Reihe geschalteten Schaltern 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 der betreffenden Halbbrücke 215, 217, 219 gekoppelt, wie auch in 2 gezeigt.
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Die Schaltungsanordnung 400 umfasst ferner Halbbrücken-Treiber 405 zur Verstärkung von Ansteuerungssignalen 115, die die Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 ansteuern. Die Schaltungsanordnung 400 umfasst ferner einen Mikrocontroller 410 zur Ansteuerung der Halbbrücken-Treiber 405. In 4 ist außerdem eine Spule 415 dargestellt, die eine Leitungsinduktivität der Schaltungsanordnung 400 im Bereich des Zwischenkreiskondensators 106 repräsentiert.
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Die Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 der Halbbrücke 215, 217, 219 werden angesteuert, um das zur 2 bereits beschriebene zeitgleiche Schließen und darauffolgende Öffnen der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 durchzuführen. Die Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 werden also so angesteuert, dass eine Einschaltdauer einen vorbestimmten Schwellwert nicht überschreitet. Das Schließen und darauffolgende Öffnen der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 wird mehrfach in vordefinierten Abständen wiederholt. Dies erfolgt solange, bis der Zwischenkreiskondensator 106 entladen ist.
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Denkbar ist auch hier, die Entladepulse zur Ansteuerung der beiden Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 der Halbbrücken 215, 217, 219 entweder zeitlich versetzt auf die Halbbrücken 215, 217, 219 zu verteilen oder stattdessen den Entladepuls für alle Halbbrücken 215, 217, 219 gleichzeitig auszugeben. Besonders hilfreich ist hierbei ein gleichzeitiges Schalten der Halbbrücken 215, 217 und 219. Da ein Zwischenkreiskondensator 106 einen großen Teil der Streckeninduktivität beinhaltet, begrenzt dieser den maximalen Stromanstieg. Durch das gleichzeitige Schalten aller Halbbrücken 215, 217, 219 wird dieser sich maximal einstellende Strom auf die Halbbrücken 215, 217, 219 gleichmäßig aufgeteilt. So haben auch zeitliche Toleranzen des Einschaltpulses eine geringere Auswirkung auf den maximal fließenden Strom. Dies reduziert zum einen die Belastung der Schalter 225 und 227, 230 und 232, 235 und 237 und vereinfacht zum anderen ein Stellen des Einschaltpulses.
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5 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Schutzeinheit 500 zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators für eine elektrische Maschine mittels zweier Schalter einer Halbbrücke, insbesondere der Schalter von Halbbrücken eines Wechselrichters. Die Schutzeinheit 500 kann insbesondere bei den in 2 und 4 gezeigten Wechselrichtern eingesetzt werden, um den jeweiligen Zwischenkreiskondensator zu entladen.
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Die Schutzeinheit 500 umfasst einen Eingang 505 für ein Signal 535 einer High-Side-Pulsweitenmodulation und einen Eingang 510 für ein Signal 540 einer Low-Side-Pulsweitenmodulation. Diese dienen der Erzeugung pulsweitenmodulierter Signale, zum Öffnen und Schließen der zugehörigen Schalter der Halbbrücke. Die Schutzeinheit umfasst ferner ein UND-Gatter 515, eine Verzögerungseinheit 520, sowie einen High-Side-Halbbrücken-Treiber 525 und einen Low-Side-Halbbrücken-Treiber 530, die den jeweiligen Schalter der Halbbrücke ansteuern.
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Normalerweise ist bei Halbbrücken von Wechselrichtern eine Schutzeinheit vorgesehen, die verhindert, dass die beiden Schalter der Halbbrücken nicht länger als eine maximale Einschaltdauer eingeschaltet sind. Mittels einer solchen Schutzeinheit würden die hier vorgeschlagene Lösung unterdrückt werden, da die Schutzeinheit ein zu langes Einstellen des Einschaltimpulses zum Schließen der Schalter der Halbbrücke verhindern würde. Üblicherweise überprüft eine konventionelle Schutzeinheit dazu, ob der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter gleichzeitig über entsprechende Signale an den jeweiligen Eingängen der Schutzeinheit angesteuert werden. Ist dies der Fall, dann werden beide Einschaltimpulse unterdrückt und als Resultat werden die beiden Schalter der Halbbrücke zwangsläufig geöffnet. Diese Funktion würde die vorgestellte Lösung jedoch unterbinden.
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Daher ist die in 5 gezeigte vorgeschlagene Schutzeinheit 500 folgenderweise ausgeführt:
- Die Schutzeinheit 500 vergleicht die beiden Schaltsignale 535 und 540 der Eingänge 505, 510. Das UND-Gatter 515 schaltet seinen Ausgang nur auf „high“ (logisch 1), wenn an beiden Eingängen 505, 510 ein „high“ (logisch 1) anliegt. Werden also beide Eingänge 505, 510 gleichzeitig angesteuert (beide logisch 1), was ein gleichzeitiges Schließen der beiden Schalter der Halbbrücke anfordert, wird ein entsprechendes Schutzsignal 545 generiert. Diese Schutzsignal 545 wird mittels der Verzögerungseinheit 520 zeitlich verzögert. Das Schutzsignal 545 wird also am Ausgang der Verzögerungseinheit 520 um eine bestimmte Zeitspanne (Verzögerungszeit) verzögert ausgegeben. Bevorzugt beträgt die Verzögerungszeit ca. 500ns. Die Verzögerungszeit ist insbesondere minimal größer als die Zeitdauer der Entladepulse zum Entladen des Zwischenkreiskondensators. Überschreitet die Zeitdauer der Entladepulse die Verzögerungszeit, so werden die Schalter der Halbbrücke zwangsweise (wieder) ausgeschaltet, also geöffnet, um sie zu schützen. Die beiden Treiber 525, 530 werden entsprechend angesteuert. Bleibt der Entladepuls kürzer als die Verzögerungszeit, so greift die Schutzeinheit 500 nicht ein.
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6 zeigt eine Variante einer Schutzeinheit 600 zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators für eine elektrische Maschine mittels zweier Schalter einer Halbbrücke, insbesondere der Schalter von Halbbrücken eines Wechselrichters. Auch diese Schutzeinheit 600 kann insbesondere bei den in 2 und 4 gezeigten Wechselrichtern eingesetzt werden, um den jeweiligen Zwischenkreiskondensator zu entladen.
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Die Schutzeinheit 600 umfasst einen Eingang 505 für ein Signal 535 einer High-Side-Pulsweitenmodulation und einen Eingang 510 für ein Signal 540 einer Low-Side-Pulsweitenmodulation. Diese dienen der Erzeugung entsprechender pulsweitenmodulierter Signale mit Treibern 630, 635 zum Öffnen und Schließen der zugehörigen Schalter der Halbbrücke. Die Schutzeinheit 600 umfasst ferner drei UND-Gatter 515, 605, 610 und einen Invertierer 615 und ein ODER-Gatter 620 und ein NAND-Gatter 625, weiterhin eine Verzögerungseinheit 520, sowie den High-Side-Schalter-Treiber 630 und den Low-Side-Schalter-Treiber 635. Die Treiber 630, 635 stellen den nötigen Strom zur Verfügung, um den jeweils zugehörigen Schalter der Halbbrücke zu betätigen.
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In einem Ausführungsbeispiel weisen die hier gezeigten Treiber 630, 635 einen Logikausgang auf, wobei die hier gezeigten Elemente 515, 605, 610, 615, 620, 625 die jeweils besagte Logikfunktion beinhalten.
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Damit die Schutzeinheit 600 die Signale für „high“ (logisch 1) und „low“ (logisch 0) erkennt, sollten für diese Pegel bestimmte Spannungsbereiche eingehalten werden. Damit eine „1“ erkannt wird, sollte die Eingangsspannung insbesondere mehr als 70% einer Betriebsspannung betragen. Damit eine „0“ erkannt wird, sollte die Eingangsspannung insbesondere nicht mehr als 30% einer Betriebsspannung betragen.
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Der Eingang 505 und der Eingang 510 haben eine Verriegelungsfunktion, welche ausgelöst wird, wenn sowohl der Treiber 630 als auch der Treiber 635 eingeschaltet werden sollen. Die Schutzeinheit 600 vergleicht die beiden Schaltsignale 535 und 540 an den Eingängen 505, 510. Das NAND-Gatter 625 schaltet seinen Ausgang hierbei nur auf „high“ (logisch 1), wenn zumindest eines der Schaltsignale 535, 540 auf „low“ (logisch 0) steht. Demgegenüber schaltet das NAND-Gatter 625 seinen Ausgang auf „low“ (logisch 0), wenn beide Schaltsignale 535, 540 auf „high“ (logisch 1) stehen.
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Die Schutzeinheit 600 kann in dieser Variante überbrückt werden, wenn beispielsweise durch einen Mikrocontroller (beispielsweise der Mikrocontroller 410 aus 4) die Anforderung „SC_Rel“ („Relais-Schalter“) auf „high“ gesetzt wird (logisch „1“). Wenn dies der Fall ist, kann die vorgeschlagene Lösung zur Entladung des Zwischenkreiskondensators eingesetzt werden. Die Verzögerungseinheit 520 sorgt dann nämlich dafür, dass die Schutzeinheit 600 nur eine begrenzte Zeit überbrückt ist. Die Verzögerungseinheit 520 der Schutzeinheit 600 arbeitet vergleichbar mit der Verzögerungseinheit 520 der Schutzeinheit 500 aus 5. Der Invertierer 615 liefert eine Negation des an seinem Eingang anliegenden Signals. Dies bedeutet, dass nach einer zeitweisen Deaktivierung der Schutzeinheit 600, das Signal durch das UND-Gatter 515 wieder auf „high“ (logisch 1) schaltet. Das UND-Gatter 515 stellt seinen Ausgang auf „high“ (logisch „1“), wenn beide Eingänge auf „high“ (logisch „1“) stehen.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 700 zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 kann unter Verwendung einer der in 1, 2 und 4, 5, 6 vorgestellten Vorrichtungen ausgeführt werden.
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Das Verfahren 700 umfasst zumindest einen Schritt 705, bei dem die Schalter der Halbbrücke angesteuert werden, um ein zeitgleiches Schließen der Schalter durchzuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 101
- elektrisches System
- 102
- elektrische Maschine
- 103
- Fahrzeug
- 104
- Energiespeicher
- 105
- Zwischenkreis
- 106
- Zwischenkreiskondensator
- 107
- Wechselrichter
- 108
- Steuereinheit
- 110
- Fehlersignal
- 115
- Ansteuerungssignal
- 200
- Schaltungsanordnung
- 210
- elektrische Maschine
- 213a, 213b, 213c, U, V, W
- Phasenleitungen
- 215
- erste Halbbrücke
- 217
- zweite Halbbrücke
- 219
- dritte Halbbrücke
- 225
- Schalter
- 227
- Schalter
- 230
- Schalter
- 232
- Schalter
- 235
- Schalter
- 237
- Schalter
- 300
- erstes Diagramm Zeit-Spannungsverlauf
- 305
- zweites Diagramm Zeit-Stromstärkenverlauf
- 310
- x-Achse
- 315
- y-Achse
- 320
- x-Achse
- 325
- y-Achse
- 400
- Schaltungsanordnung
- 405
- Halbbrücken-Treiber
- 410
- Mikrocontroller
- 415
- Spule
- 500
- Schutzeinheit
- 505
- Eingang für das Signal einer High-Side Pulsweitenmodulation
- 510
- Eingang für das Signal einer Low-Side Pulsweitenmodulation
- 515
- UND-Gatter
- 520
- Verzögerungseinheit
- 525
- High-Side-Halbbrücken-Treiber
- 530
- Low-Side-Halbbrücken-Treiber
- 535
- Schaltsignal High-Side Pulsweitenmodulation
- 540
- Schaltsignal Low-Side Pulsweitenmodulation
- 545
- Schutzsignal
- 600
- Schutzeinheit
- 605
- UND-Gatter
- 610
- UND-Gatter
- 615
- Invertierer
- 620
- ODER-Gatter
- 625
- NAND-Gatter
- 630
- High-Side-Schalter-Treiber
- 635
- Low-Side-Schalter-Treiber
- 700
- Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators
- 705
- Schritt des Ansteuerns
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013213802 A1 [0004]
