DE102019128136A1

DE102019128136A1 - Integrierte vorladung und entladung für kondensatoren eines antriebssystems eines elektrofahrzeugs

Info

Publication number: DE102019128136A1
Application number: DE102019128136.9A
Authority: DE
Inventors: Boris Curuvija; Fan Xu; Lihua Chen; Baoming Ge
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-04-23
Also published as: US10773601B2; CN111071068A; US20200122582A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt integrierte Vorladung und Entladung für Kondensatoren eines Antriebssystems eines Elektrofahrzeugs bereit. Ein geteilter Resistor führt Vorlade- und Entladefunktionen von Kondensatoren in einem Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs durch. In einem Vorladezustand ist der geteilte Resistor zwischen den Kondensatoren und einer DC-Quelle über ein Vorladerelais verbunden. In einem Entladezustand ist der Resistor über einen Entladetransistor über die Kondensatoren hinweg verbunden. Ansonsten ist der Resistor getrennt. Ein Überbrückungsschalter ist zwischen dem Resistor und einem Eingangskondensator verbunden. Der Überbrückungsschalter wird während des Vorladezustands und während des Entladezustands leitfähig gemacht. Der Entladetransistor wird nur während des Entladezustands aktiviert. Infolgedessen verwendet die Erfindung weniger Komponenten durch Weglassen von separaten Widerstandselementen zum Vorladen und Entladen und durch Weglassen von Entladeschaltern, die separaten Widerständen zugeordnet sind. Die Schaltungsintegration und die Platzierung von Komponenten außerhalb des Wechselrichtermoduls verbessert Gesamtsystemkosten und Einbaugröße.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge und insbesondere Schaltung zum Kombinieren der Funktionen der Vorladung eines Kondensators beim Erregen des elektrischen Antriebs und der Entladung des Kondensators beim Deaktivieren des elektrischen Antriebs.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrofahrzeuge wie etwa Hybrid-Elektrofahrzeuge (Hybrid Electric Vehicle - HEV), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicle - PHEV) und Batterie-Elektrofahrzeuge (Battery Electric Vehicle - BEV) verwenden wechselrichterbetriebene elektrische Maschinen, um ein Traktionsmoment bereitzustellen. Ein typisches elektrisches Antriebssystem kann eine Gleichstrom-(DC-)Quelle (DC - Direct Current) (wie etwa einen Batteriesatz oder eine Brennstoffzelle) beinhalten, die durch Schützschalter (z. B. Relais) mit einem Eingangskondensator zum Puffern der Batteriespannung verbunden ist. Ein DC-DC-Wandler (auch als Wandler für variable Spannung oder VVC bekannt) koppelt den Eingangskondensator an einen DC-Hauptzwischenkreiskondensator, der einen DC-Hochspannungsbus stützt. Der VVC kann einen Stromfluss zwischen dem Eingangskondensator und dem Zwischenkreiskondensator bidirektional lenken, um eine Spannung über einen der Kondensatoren hinweg zu regulieren. Ein Dreiphasenmotorwechselrichter ist zwischen den Hauptbussen mit Ausgängen des Wechselrichters verbunden, die mit einem Traktionsmotor verbunden sind, um DC-Busleistung in eine AC-Spannung umzuwandeln, die an die Wicklungen eines Traktionsmotors gekoppelt ist, um das Fahrzeug anzutreiben. Während der Entschleunigung des Fahrzeugs kann der Motor durch die Fahrzeugräder angetrieben und verwendet werden, um elektrische Leistung abzugeben, um die Batterie während des Nutzbremsens des Fahrzeugs zu laden, wobei der DC-DC-Wandler in der entgegengesetzten Richtung arbeitet, um die erzeugte Leistung in eine DC-Spannung umzuwandeln, die geeignet ist, um das Batteriepack zu laden. In einigen Fahrzeugen ist ein durch eine Brennkraftmaschine (Benzin) angetriebener Generator bereitgestellt, um elektrische Leistung zu erzeugen, um die Batterie zu laden. Ein zweiter Dreiphasenwechselrichter verbindet typischerweise den Generatorausgang mit dem DC-Hochspannungsbus.
Aufgrund der hohen Spannungen, die vorhanden sind, wenn der elektrische Antrieb in Gebrauch ist, ist während der Aktivierung und Deaktivierung des Antriebs besondere Vorsicht erforderlich. Während der Aktivierung werden zum Beispiel die Schütze zu einer Zeit geöffnet, wenn die Kondensatoren auf ungefähr null Volt entladen werden. Das Schließen der Schütze mit den Kondensatoren in einem entladenen oder gering geladenen Zustand würde eine geringe Impedanz für das Batteriepack darstellen, was zu einem sehr hohen Einschaltstrom führt, der die Schütze und andere Komponenten beschädigen könnte. Eine Lösung ist die Bereitstellung eines konstanten Widerstands zwischen einem Schütz und den Kondensatoren. Jedoch ist die Verwendung eines strombegrenzenden Resistors in Reihe mit den Schützen aufgrund des damit verbundenen Spannungsabfalls und Stromverbrauchs, die während des anschließenden Normalbetriebs bewirkt würden, nach der anfänglichen Vorladung unerwünscht. Daher wird oft ein separater Schaltungszweig oder eine Vorladeschaltung verwendet. Die bekannten Vorladeschaltungen verwenden einen Schalter und einen Resistor in Reihe zwischen der DC-Zufuhr und den Kondensatoren. Das Einschalten des Schalters ermöglicht, dass die Kondensatoren durch den Resistor geladen werden, und das Vorhandensein des Resistors begrenzt den Einschaltstrom, um Schäden an dem Schalter zu verhindern. Sobald die Kondensatoren vorgeladen sind, dann i) können die Hauptschütze geschlossen werden, ohne jeglichen Einschaltstrom zu empfangen, und ii) kann der Vorladeschalter geöffnet werden, sodass der Vorladeresistor getrennt ist.
Während der Deaktivierung wird es erforderlich, die Kondensatoren zu entladen. Ein Abschalten des elektrischen Antriebssystems kann sich zum Beispiel aus einem Fahrzeugzündschlüsselausschalten, einem ineinandergreifenden DC-Hochspannungsfehler oder einem Fahrzeugunfall ergeben. Während der Abschaltung wird das Batteriepack schnell vom Rest des elektrischen Systems isoliert, indem die mechanischen Schütze geöffnet werden. Dadurch werden auch die elektrischen Ladungen isoliert, die an den DC-Schützen vorhanden sind. Aufgrund von Sicherheitsanforderungen sollte der HS-Kondensator schnell innerhalb einer bestimmten Zeit entladen werden. Zum Beispiel können die U.S. Federal Motor Vehicle Safety Standards (FMVSS) erfordern, dass die Spannung am Gleichstromzwischenkreiskondensator unter bestimmten Umständen innerhalb von 5 Sekunden weniger als 60 V betragen muss.
Die einfachsten herkömmlichen Verfahren zum Entladen des Zwischenkreiskondensators verwenden einen Widerstand, der über den Kondensator hinweg platziert ist, um die Ladung abzuleiten. Die Platzierung des Resistors kann passiv oder aktiv sein. Ein passiver Entladungsresistor (passive discharge resistor - PDR) ist parallel zu dem Zwischenkreiskondensator festverdrahtet. Der passive Resistor muss einen relativ großen Widerstand aufweisen, um während des Normalbetriebs übermäßigen Leistungsverlust zu vermeiden. Folglich könnte es eine bis zwei Minuten dauern, um eine HS-Ladung hinab bis zu einem sicheren Maß abzuleiten. Um schneller zu entladen, verwendet eine aktive Entladeschaltung einen Resistor in Reihe mit einem Transistorschalter, sodass die Ladung auswählbar durch einen kleineren Widerstandswert abgeleitet werden kann.
Die Schaltungskomponenten für die aktiven Entladeschaltungen und zumindest einige Komponenten für eine Vorladeschaltung sind typischerweise an einer Leiterplatte in einem Modul einer Wechselrichtersystemsteuerung (Inverter System Controller - ISC) enthalten. Somit sind die Größe, die Komponentenzahl und die Kosten eines ISC-Moduls alle erhöht. Es wäre wünschenswert, die Vorlade- und Entladefunktionen mit weniger Komponenten durchzuführen, sodass Größe und Kosten eines ISC-Moduls reduziert werden können.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer DC-Quelle einen Zwischenkreiskondensator zwischen einem positiven Bus und einem negativen Bus. Ein Vorladeschütz weist einen Eingang auf, der ausgelegt ist, um mit der DC-Quelle verbunden zu werden, und weist einen Ausgang auf. Ein Widerstandselement verbindet den Ausgang des Vorladeschützes mit dem positiven Bus. Ein Entladeschalter verbindet den negativen Bus selektiv mit einer Verbindung zwischen dem Vorladeschütz und dem Widerstandselement. Wenn das Vorladeschütz leitfähig ist und der Entladeschalter nicht leitfähig ist, dann wird der Kondensator vorgeladen. Wenn der Entladeschalter leitfähig ist, dann wird der Kondensator entladen. Das gleiche Widerstandselement trägt sowohl den Vorladestrom als auch den Entladestrom des Kondensators.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Antriebssystem einen Zwischenkreiskondensator und einen Eingangskondensator auf. Der Eingangskondensator weist einen positiven und negativen Anschluss auf, die jeweils durch ein positives und ein negatives Schütz selektiv an die DC-Quelle gekoppelt sind. Ein Wandler für variable Spannung koppelt den positiven Anschluss an den positiven Bus. Ein Überbrückungsschalter koppelt den positiven Anschluss selektiv an den positiven Bus. In einem Vorladezustand sind das Vorladeschütz und der Überbrückungsschalter leitfähig, während der Entladeschalter und das positive Schütz nicht leitfähig sind. In einem Entladezustand sind der Entladeschalter und der Überbrückungsschalter leitfähig, während das Vorlade-, positive und negative Schütz nicht leitfähig sind.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Blockschaubild, das einen elektrischen Antrieb für ein typisches Hybridelektrofahrzeug zeigt.
2 ist ein schematisches Blockschaubild, das die allgemeine Anordnung einer Vorladeschaltung des Stands der Technik zeigt.
3 ist ein schematisches Blockschaubild, das die allgemeine Anordnung einer Entladeschaltung des Stands der Technik zeigt.
4 ist ein schematisches Schaubild eines Abschnitts eines elektrischen Antriebs des Stands der Technik, das Vorlade- und Entladeschaltungen detaillierter zeigt.
5 ist ein schematisches Schaubild, das eine bevorzugte Ausführungsform einer integrierten Vorlade-/Entladeschaltung zeigt.
6 ist ein schematisches Schaubild, das einen Fluss an Vorladestrom während eines Vorladezustands der Schaltung aus 5 zeigt.
7 ist ein schematisches Schaubild, das einen Fluss an Normalbetriebsstrom während des Routinebetriebs der Schaltung aus 5 zeigt.
8 ist ein schematisches Schaubild, das einen Fluss an Entladestrom während eines Entladezustands der Schaltung aus 5 zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 veranschaulicht ein elektrisches Antriebssystem 10 einer bekannten Art, die zum Beispiel mit einem Leistungsverzweigungshybridantrieb nützlich ist. Ein Batteriepack 11 ist durch Schützrelaisschaltungen 12 und 13 an einen Wandler für variable Spannung (variable voltage converter - VVC) 14 gekoppelt, der einen Eingangskondensator 15 aufweist. Ein DC-Zwischenkreiskondensator 16 ist mit einem Ausgang des VVC 14 verbunden, wodurch ein positiver Bus 17 und ein negativer Bus 18 aufgebaut werden. Ein Motorwechselrichter 20 koppelt einen Traktionsmotor 21 an die DC-Spannung zwischen Bus 17 und 18. Ebenso koppelt ein Generatorwechselrichter 22 einen elektrischen Generator 23 an die DC-Verbindung. Die Wechselrichter 20 und 22 bestehen jeweils aus einer Vielzahl von Schaltungsvorrichtungen (wie etwa Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode, IGBTs) in einer Brückenkonfiguration, die drei Phasenzweige beinhaltet. Die IGBTs in den Wechselrichtern 20 und 22 sowie die IGBTs in dem VVC 14 werden gemäß Steuersignalen (z. B. PWM-Schaltsignalen) von einer Steuerung 24 auf herkömmliche Weise angetrieben. Das Batteriepack 11 kann eine Ausgangsspannung von etwa 200 V bis 300 V, während die DC-Verbindung normalerweise bei einer höheren Spannung von zum Beispiel etwa 600 V bis 800 V betrieben wird. Obwohl sie in der Regel nicht die gleiche Spannung aufweisen, ist es wichtig, für beide Kondensatoren Vorladung und Entladung bereitzustellen.
2 veranschaulicht eine gemeine Anordnung zum Vorladen angewandt auf das Antriebssystem 10. Eine Vorladeschaltung 25 weist einen Eingang, der über das Batteriepack 11 hinweg gekoppelt ist, und einen Ausgang auf, der mit positiven Anschlüssen des Zwischenkreiskondensators 16 und des Eingangskondensators 15 verbunden ist, um den Kondensatoren während des Hochfahrens des elektrischen Antriebs 10 eine Ladung zuzuführen, sodass, wenn die Schütze 12 und 13 geschlossen sind, sie nicht durch einen Einschaltstrom beschädigt werden. Nachdem die Kondensatoren 15 und 16 auf die Spannung des Batteriepacks 11 vorgeladen wurden, wird die Vorladeschaltung 25 deaktiviert, sodass während des Normalbetriebs des Antriebssystems 10 keine Leistung verloren geht.
3 zeigt eine herkömmliche Anordnung zur aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 16. Eine ähnliche Schaltung kann auch verwendet werden, um den Eingangskondensator 15 (nicht gezeigt) zu entladen. Eine aktive Entladeschaltung 26 weist einen Entladeresistor 27 in Reihe mit einem Entladeschalter (z. B. Transistor) 28 auf. Der Schalter 28 weist einen Steueranschluss zum selektiven Ein- und Ausschalten des Entladeschalters über eine Sperrschaltung 29 als Reaktion auf ein Sperrbefehlssignal von einer Steuerung (nicht gezeigt) auf. Die Steuerung kann aus einer herkömmlichen Motor-Generator-Steuereinheit (Motor Generator Control Unit - MGCU) bestehen, wie im Fach bekannt ist. Die Funktion der Sperrschaltung 29 besteht darin, eine logische Inversion des Sperrbefehlssignals durchzuführen. Somit weist, wenn das Sperrbefehlssignal einen hohen Logikpegel aufweist, ein Ausgang der Sperrschaltung 29, der mit dem Steueranschluss verbunden ist, ein niedriges Spannungsniveau auf, sodass der Schalter 28 abgeschaltet wird (und der Kondensator 16 nicht entladen wird). Das niedrige Spannungsniveau kann zum Beispiel durch Nebenschließen des Steueranschlusses mit dem negativen Bus 18 erlangt werden. Wenn das Sperrbefehlssignal endet (d. h. auf einen geringen Logikpegel fällt), wird der Ausgang der Sperrschaltung 29 automatisch auf eine Spannung angehoben, die ausreicht, um den Entladeschalter 28 anzuschalten, und der Kondensator 16 wird schnell entladen. Bei einem Ausfall der Steuereinheit können sämtliche Befehlssignale verloren gehen. Die Sperrschaltung 29 kehrt das Befehlssignal logisch um, sodass, wenn es einen Verlust von Befehlssignalen aufgrund von Ausfall der Steuereinheit gibt, der Kondensator 16 dann entladen wird. Daher wird Schutz vor einer hohen Spannung an dem Kondensator 16 erhalten, auch wenn die Steuereinheit ausfällt.
4 veranschaulicht ein elektrisches Antriebssystem 30, das sowohl Vorladung als auch Entladung von Kondensatoren unter Anwendung der bekannten Techniken bereitstellt. Der elektrische Antrieb 30 beinhaltet ein Batteriepack 31, das mit einem Modul 32 einer Wechselrichtersystemsteuerung (inverter system controller - ISC) verbunden ist, um einen Traktionsmotor 33 anzutreiben. Zu externen Komponenten, die das Batteriepack 31 mit dem Modul 32 verbinden, gehören ein manueller Service-Trennstecker (manual service disconnect - MSD) 34 und eine Sicherung 35, die DC-Leistung von dem Batteriepack 31 Hauptschützen (d. h. elektronisch gesteuerten Relaisschaltern) 36 und 37 und einem Vorladeschütz 38 zuführt. Ein Vorladeresistor 40 ist der Darstellung nach außerhalb des Moduls 32, aber er könnte alternativ innerhalb des Moduls 32 montiert sein.
Das Modul 32 beinhaltet einen Eingangskondensator 41, der angeordnet ist, um Batteriespannung zu empfangen, wenn die Hauptschütze 36 und 37 geschlossen sind. Batteriespannung wird einem Eingang eines VVC 42 bereitgestellt, dessen Ausgang über einen DC-Zwischenkreiskondensator 43 hinweg verbunden ist, wodurch eine Hochspannungsschiene zwischen einem positiven Bus 44 und einem negativen Bus 45 erzeugt wird. Der Hochspannungs-DC wird durch einen Wechselrichter 46 in AC umgewandelt, um den Dreiphasenmotor 33 anzutreiben.
Ein Überbrückungsschalter 47 ist zwischen dem Kondensator 41 und dem positiven Bus 44 verbunden, um VVC 42 zu überbrücken (z. B. wenn der positive Bus 44 bei einer Spannung gleich der Batteriespannung arbeiten soll), wie im Fach bekannt ist. Der Überbrückungsschalter 47 wird auch wie folgt während des Vorladezustands des elektrischen Antriebs 30 verwendet. Vor dem Eintreten in den Vorladezustand sind die Hauptschütze 36 und 37 und das Vorladeschütz 38 offen (nicht leitfähig) und sind die Kondensatoren 41 und 43 im Wesentlichen entladen. Um das Vorladen zu initiieren, werden das Vorladeschütz 38 und das Hauptschütz 37 geschlossen (leitfähig), sodass Strom durch den Vorladeresistor 40 fließt, um Ladestrom direkt an den Zwischenkreiskondensator 43 zu liefern. Gleichzeitig wird der Überbrückungsschalter 47 aktiviert, sodass er Ladestrom an den Eingangskondensator 41 leitet. Nach ausreichender Ladung sind die Spannungen über die Kondensatoren 41 und 43 hinweg im Wesentlichen die gleiche wie die Batteriespannung. Das Vorladeschütz 38 wird dann geöffnet und das Hauptschütz 36 wird geschlossen (das Schütz 37 ist bereits während der Vorladung geschlossen und es bleibt geschlossen). Die Antriebsschaltung 30 ist dann für den Normalbetrieb zum Antreiben des Motors 33 (und zum Übertragen von Leistung von dem Motor 33 zurück zu dem Batteriepack 31 während des Nutzbremsens) bereit.
Zum Entladen der Kondensatoren 41 und 43 während einer Abschaltung sind aktive Entladeschaltungen bereitgestellt, die einen Entladeresistor 50 und einen Entladeschalter 51, die in Reihe über den Kondensator 43 hinweg verbunden sind, und einen Entladeresistor 52 und einen Entladeschalter 53 beinhalten, die in Reihe über den Eingangskondensator 41 hinweg verbunden sind. Die Entladeschalter 51 und 53 können zum Beispiel aus IGBTs oder MOSFETs bestehen. Wenn eine Steuerung (nicht gezeigt) bestimmt, dass eine Abschaltung erforderlich ist, initiiert sie einen Entladezustand, indem die Hauptschütze 36 und 37 geöffnet werden. Dann macht die Steuerung die Entladeschalter 51 und 53 leitfähig, um Ladung jeweils von den Kondensatoren 41 und 43 in Resistoren 52 und 50 abzuleiten. Obwohl für jeden Entladeresistor 50 und 52 ein Resistorsymbol gezeigt ist, kann jeder mehrere Resistorvorrichtungen beinhalten, die miteinander verbunden sind, um ausreichend Lei stungsableitungsfähigkeit bereitzustellen.
Die Schaltung in 4 demonstriert, dass bekannte Verfahren zum Vorladen und Entladen der Kondensatoren eine relativ große Anzahl an Komponenten verwenden, von denen die meisten innerhalb des Wechselrichtermoduls montiert worden sind. Dadurch werden höhere Komponentenkosten erzeugt und die Gesamtgröße und Komplexität des verbundenen Moduls erhöht.
5 zeigt ein elektrisches Antriebssystem 60, das eine integrierte Vorlade- und Entladeschaltung für eine reduzierte Komponentenzahl und ein vereinfachtes Wechselrichtermodul einschließt. Elemente des Antriebssystems 60 in 5, die identisch mit Komponenten aus 4 sind, werden unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen angegeben. Der Eingangskondensator 41 und der DC- Zwischenkreiskondensator 43 empfangen DC-Leistung, die von dem Batteriepack 31 abgeleitet ist, über die Hauptschützrelais 36 und 38 und über den VVC 42. Ein Wechselrichtersystemsteuermodul 61 ist ohne jegliche interne aktive Entladesystemschaltungskomponenten konstruiert. Ein kombiniertes Vorlade-/Entladewiderstandselement 62 verbindet das Vorladeschütz 38 mit dem positiven Bus 44. Das Widerstandselement 62 beinhaltet bevorzugt einen oder mehrere feste Resistoren, um einen Widerstandswert und eine Leistungsableitungsfähigkeit bereitzustellen, die gewünschte Lade- und Entladeraten erreichen. Es können andere Arten von Widerstandselementen verwendet werden, wie zum Beispiel ein FET, der in seinem Übergangsbereich angetrieben wird.
Die integrierte Vorlade-/Entladeschaltung des Antriebssystems 60 beinhaltet ferner einen Entladeschalter 63, der eine Verbindung zwischen dem Vorladeschütz 38 und dem Resistor 62 selektiv mit dem negativen Bus 45 verbindet. Eine Steuerung 65 ist konfiguriert, um den Schützen 36, 37 und 38 Steuersignale bereitzustellen und um Transistorantriebsschaltungen 66 und 68 Steuersignale bereitzustellen, um jeweils den Überbrückungsschalter 47 und den Entladeschalter 63 zu steuern. In der veranschaulichen Ausführungsform ist der Überbrückungsschalter 47 als ein IGBT mit einer Überbrückungsdiode 67 gezeigt. Die Diode 67 macht die Notwendigkeit der Aktivierung des IGBT während der Entladung des Eingangskondensators 41 überflüssig, wie nachfolgend beschrieben. Falls keine Überbrückungsdiode vorhanden wäre, würde es notwendig werden, ein Antriebsbefehlssignal bereitzustellen, um den Überbrückungsschalter 47 während der Entladung des Kondensators 41 zu aktivieren.
Wenn die Steuerung 65 bestimmt, dass das Antriebssystem aus einem inaktiven Zustand aktiviert wird, dann löst sie einen Vorladezustand aus. Vor dem Vorladezustand sind die Schütze 36, 37 und 38 alle nicht leitfähig und sind die Kondensatoren 41 und 43 im Wesentlichen entladen. Um mit dem Vorladezustand zu beginnen, macht die Steuerung 65 das Vorladeschütz 38, das Hauptschütz 37 und den Überbrückungsschalter 47 leitfähig, was zu einem Stromfluss wie in 6 veranschaulicht führt. Strom fließt durch das Widerstandselement 62 zu dem positiven Bus 44, wodurch der Zwischenkreiskondensator 43 geladen wird. Strom fließt auch über den Überbrückungsschalter 47 von dem Widerstandselement 62 zu dem Eingangskondensator 41. Die Steuerung 65 überwacht typischerweise eine Spannung an der DC-Verbindung unter Verwendung eines Sensors (nicht gezeigt). Sobald die DC-Verbindungsspannung einen Pegel erreicht, der im Wesentlichen gleich der Batteriespannung ist, dann wird das Vorladeschütz 38 geöffnet, wodurch das Widerstandselement 62 von der DC-Leistung getrennt wird. Der Überbrückungsschalter 47 wird nicht leitfähig gemacht und das Hauptschütz 36 wird geschlossen, sodass der Antrieb 60 bereit ist, um Normalbetriebsstrom wie in 7 gezeigt bereitzustellen.
Wenn befohlen wird, dass der Wechselrichterbetrieb abgeschaltet wird, öffnet die Steuerung 65 die Hauptschütze 36 und 37, um das Batteriepack 31 zu isolieren, und initiiert dann einen Entladezustand. Um die Kondensatoren 41 und 43 zu entladen, macht die Steuerung 65 den Entladeschalter 63 über ein Befehlssignal, das der Antriebsschaltung 68 bereitgestellt wird, leitfähig. Die Antriebsschaltung 68 wandelt das Befehlssignal in einen geeigneten Strom und eine geeignete Spannung um, um den Transistor des Entladeschalters 63 anzutreiben (z. B. unter Verwendung der Sperrlogik wie in 2 gezeigt). Wie in 8 gezeigt, fließt Entladestrom, sobald der Entladeschalter 63 leitfähig gemacht ist, von dem Zwischenkreiskondensator 43 durch das Widerstandselement 62 und den Entladeschalter 63. Ein weiterer Entladestrom fließt von dem Eingangskondensator 41 durch die Überbrückungsdiode 67, das Widerstandselement 62 und den Entladeschalter 63. Der DC-Zwischenkreiskondensator 43 weist typischerweise eine höhere Spannung auf, die bewirkt, dass er zuerst durch das Widerstandselement 62 entladen wird. Sobald der Zwischenkreiskondensator 43 ausreichend entladen ist, um ein Vorspannen der Diode 67 in Durchlassrichtung zu ermöglichen, dann beginnt auch der Eingangskondensator 41 mit dem Entladen. Nachdem die Ladungen an den Kondensatoren 41 und 43 auf einen sicheren Pegel erschöpft sind, kann der Entladeschalter 63 durch die Steuerung 65 ausgeschaltet werden.
Die vorstehende Erfindung kann einen gemeinsamen Widerstand zum Durchführen der Lade- und Entladefunktionen verwenden. In einem Vorladezustand ist das gemeinsame Widerstandselement zwischen jedem der Kondensatoren und einer DC-Quelle über ein Vorladerelais verbunden. In einem Entladezustand ist das Widerstandselement über jeden Kondensator hinweg über einen Entladetransistor verbunden. Ansonsten ist das Widerstandselement getrennt. Ein Überbrückungsschalter ist zwischen dem Widerstandselement und dem Eingangskondensator verbunden. Der Überbrückungsschalter wird während des Vorladezustands und während des Entladezustands leitfähig gemacht. Der Entladetransistor wird nur während des Entladezustands aktiviert. Infolgedessen verwendet die Erfindung weniger Komponenten durch Weglassen von separaten Widerstandselementen zum Vorladen und Entladen und durch Weglassen von Entladeschaltern, die separaten Widerständen zugeordnet sind. Die Schaltungsintegration und die Platzierung von Komponenten außerhalb des Wechselrichtermoduls verbessert Gesamtsystemkosten und Einbaugröße.

Claims

Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer DC-Quelle, umfassend: einen Zwischenkreiskondensator zwischen einem positiven Bus und einem negativen Bus; ein Vorladeschütz, das einen Eingang aufweist, der ausgelegt ist, um mit der DC-Quelle verbunden zu werden, und einen Ausgang aufweist; ein Widerstandselement, das den Ausgang des Vorladeschützes mit dem positiven Bus verbindet; und einen Entladeschalter, der den negativen Bus selektiv mit einer Verbindung zwischen dem Vorladeschütz und dem Widerstandselement verbindet.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei das Widerstandselement aus einem festen Resistor besteht.
Antriebssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Eingangskondensator mit positivem und negativem Anschluss, die jeweils durch ein positives und ein negatives Schütz selektiv an die DC-Quelle gekoppelt sind; einen Wandler für variable Spannung, der den positiven Anschluss an den positiven Bus koppelt; und einen Überbrückungsschalter, der den positiven Anschluss selektiv an den positiven Bus koppelt; wobei in einem Vorladezustand das Vorladeschütz und der Überbrückungsschalter leitfähig sind, während der Entladeschalter und das positive Schütz nicht leitfähig sind; und wobei in einem Entladezustand der Entladeschalter und der Überbrückungsschalter leitfähig sind, während das Vorlade-, positive und negative Schütz nicht leitfähig sind.
Antriebssystem nach Anspruch 3, ferner umfassend: eine Wechselrichterbrücke, die an den Wandler für variable Spannung gekoppelt ist; wobei sich der Zwischenkreiskondensator, der Eingangskondensator, der Wandler für variable Spannung, der Überbrückungsschalter und die Wechselrichterbrücke innerhalb eines integrierten Wechselrichtermoduls befinden; und wobei sich das Widerstandselement und der Entladeschalter außerhalb des Wechselrichtermoduls befinden.
Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei der Überbrückungsschalter aus einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor - IGBT) mit einer Überbrückungsdiode besteht und wobei der Überbrückungsschalter in dem Entladezustand über die Überbrückungsdiode leitet.
Antriebssystem nach Anspruch 3, ferner umfassend eine Steuerschaltung, die Zustände zum Hervorrufen des Vorladezustands und des Entladezustands erfasst, wobei die Steuerschaltung entsprechend das Vorladeschütz, den Entladeschalter und den Überbrückungsschalter aktiviert.
Antriebssystem nach Anspruch 6, wobei der Entladeschalter und der Überbrückungsschalter jeweils aus einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor - IGBT) bestehen und wobei das Antriebssystem ferner Folgendes umfasst: Antriebsschaltung zwischen der Steuerschaltung und dem Entladeschalter und zwischen der Steuerschaltung und dem Überbrückungsschalter, die ausgelegt ist, um jeweilige Befehlssignale von der Steuerschaltung in Antriebssignale umzuwandeln, die ausgelegt sind, um jeweilige leitfähige und nicht leitfähige Zustände des Entladeschalters und des Überbrückungsschalters zu empfangen.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Entladeschalter aus einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor - IGBT) besteht.
Verfahren zum Vorladen und Entladen eines Zwischenkreiskondensators und eines Eingangskondensators in einem Antrieb eines Elektrofahrzeugs, umfassend: in einem Vorladezustand Verbinden eines Widerstandselements zwischen jedem der Kondensatoren und einer DC-Quelle über ein Vorladerelais; in einem Entladezustand Verbinden des Widerstandselements über jeden Kondensator hinweg über einen Entladetransistor; und ansonsten Trennen des Widerstandselements.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein Überbrückungsschalter zwischen dem Widerstandselement und dem Eingangskondensator verbunden ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Leitfähigmachen des Überbrückungsschalters während des Vorladezustands und während des Entladezustands.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Entladetransistor nur während den Entladezustands aktiviert wird.