DE102020112756A1 - Method and device for discharging a high-voltage electrical system - Google Patents
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Abstract
Es sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators (5) in einem Stromrichter (4) eines Hochvoltbordnetzes offenbart. Das Entladen wird durch wechselseitiges Schließen und Öffnen der Leistungsschaltelemente (10) der Highside-Schalter (10A) und der Leistungsschaltelemente (10) der Lowside-Schalter (10B) erreicht. Das Öffnen und Schließen erfolgt gemäß einer Steuerschaltung (2) mit einer vorgegebenen Frequenz. Eine Totzeit (20) wird durch die Steuerschaltung (2) verändert, was den durch die Brücken (14) fließenden Strom (30) ändert.A method and a device for discharging an intermediate circuit capacitor (5) in a converter (4) of a high-voltage electrical system are disclosed. Discharging is achieved by alternately closing and opening the power switching elements (10) of the high-side switches (10A) and the power switching elements (10) of the low-side switches (10B). The opening and closing takes place according to a control circuit (2) with a predetermined frequency. A dead time (20) is changed by the control circuit (2), which changes the current (30) flowing through the bridges (14).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators in einem Stromrichter eines Hochvoltbordnetzes. Der Stromrichter besteht aus einer Leistungseinheit und dem parallel dazu geschalteten Zwischenkreiskondensator. Die Leistungseinheit besitzt mehrere Brücken aus in Reihe geschalteten Leistungsschaltelementen. Jede Brücke ist zwischen Gleichstromleitungen einer Hochvoltbatterie geschaltet. Die Leistungsschaltelemente der Brücken sind in einen Highside-Schalter und in einen Lowside-Schalter aufgeteilt. Eine Steuerschaltung ist über eine erste Verbindung mit den Leistungsschaltelementen des Highside-Schalters und über eine zweite Verbindung mit den Leistungsschaltelementen des Lowside-Schalters verbunden.The invention relates to a method for discharging an intermediate circuit capacitor in a converter of a high-voltage electrical system. The converter consists of a power unit and the intermediate circuit capacitor connected in parallel. The power unit has several bridges made up of series-connected power switching elements. Each bridge is connected between the direct current lines of a high-voltage battery. The power switching elements of the bridges are divided into a high-side switch and a low-side switch. A control circuit is connected to the power switching elements of the high-side switch via a first connection and to the power switching elements of the low-side switch via a second connection.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators in einem Stromrichter eines Hochvoltbordnetzes. Der Stromrichter weist eine Leistungseinheit und den parallel dazu geschalteten Zwischenkreiskondensator auf. Die Leistungseinheit besitzt mehrere Brücken aus in Reihe geschalteten Leistungsschaltelementen, wobei die Leistungsschaltelemente der Brücken in einen Highside-Schalter und in einen Lowside-Schalter aufgeteilt sind.
Dabei betätigt die Schutzschaltung die Leistungshalbleiterschalter zum aktiven Kurzschließen direkt, also ohne Umweg über die Treiberschaltung.The protective circuit actuates the power semiconductor switch for active short-circuiting directly, i.e. without going through the driver circuit.
Aus der
Gemäß dem Stand der Technik ist ein Widerstand parallel zum Kondensator des Zwischenkreises geschaltet, der über einen Halbleiterschalter geöffnet und geschlossen werden kann. Im Falle der Entladung wird die Hochvoltbatterie vom Fahrzeug getrennt und der Widerstand parallel zum Kondensator geschaltet, bis die Spannung auf <60 Volt gefallen ist. Bei der Entladung wird die gesamte Energie im Kondensator im Widerstand in Wärme umgewandelt. Daher muss der Widerstand an die Kühlung angeschlossen werden und benötigt viel Bauraum.According to the prior art, a resistor is connected in parallel to the capacitor of the intermediate circuit, which resistor can be opened and closed via a semiconductor switch. In the event of a discharge, the high-voltage battery is disconnected from the vehicle and the resistor is connected in parallel to the capacitor until the voltage has dropped to <60 volts. When discharging, all of the energy in the capacitor is converted into heat in the resistor. Therefore, the resistor has to be connected to the cooling system and requires a lot of installation space.
Zudem benötigt der Halbleiterschalter eine sehr hohe Sperrspannung. Dies führt dazu, dass der Halbleiterschalter enorm groß und teuer wird. Diese Sperrspannung liegt während der gesamten Betriebszeit des Fahrzeuges am Halbleiterschalter an, was zu einer erhöhten Belastung des Bauteils führt. So werden beispielsweise bei Systemen mit Batteriespannungen von 800V Halbleiterschalter benötigt, die einer Sperrspannung von bis zu 1200V standhalten können.In addition, the semiconductor switch requires a very high reverse voltage. This leads to the semiconductor switch becoming enormously large and expensive. This reverse voltage is applied to the semiconductor switch during the entire operating time of the vehicle, which leads to increased stress on the component. For example, systems with battery voltages of 800V require semiconductor switches that can withstand a blocking voltage of up to 1200V.
Eine Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum aktiven Entladen eines Zwischenkreiskondensators eines Hochvoltbordnetzes zu schaffen, das ohne zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise Widerstände, auskommt und eine kostengünstige und zuverlässige Lösung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators bereitstellt.One object of the invention is therefore to create a method for actively discharging an intermediate circuit capacitor of a high-voltage on-board network, which does not require additional components, such as resistors, and which provides a cost-effective and reliable solution for discharging an intermediate circuit capacitor.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum aktiven Entladen eines Zwischenkreiskondensators eines Hochvoltbordnetzes gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.This object is achieved by a method for actively discharging an intermediate circuit capacitor of a high-voltage vehicle electrical system, which method includes the features of claim 1.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zum aktiven Entladen eines Zwischenkreiskondensators eines Hochvoltbordnetzes zu schaffen, die ohne zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise Widerstände, auskommt und somit kostengünstig ist.A further object of the invention is to create a device for actively discharging an intermediate circuit capacitor of a high-voltage on-board electrical system that does not require additional components, such as resistors, and is therefore inexpensive.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum aktiven Entladen eines Zwischenkreiskondensators eines Hochvoltbordnetzes gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 7 umfasst.This object is achieved by a device for actively discharging an intermediate circuit capacitor of a high-voltage vehicle electrical system, which device comprises the features of claim 7.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators in einem Stromrichter eines Hochvoltbordnetzes weist der Stromrichter eine Leistungseinheit und den parallel dazu geschalteten Zwischenkreiskondensator auf. Die Leistungseinheit besitzt mehrere Brücken aus in Reihe geschalteten Leistungsschaltelementen, wobei die Brücken zwischen Gleichstromleitungen einer Hochvoltbatterie geschaltet sind und die Leistungsschaltelemente der Brücken in einen Highside-Schalter und in einen Lowside-Schalter aufgeteilt sind. Eine Steuerschaltung ist über eine erste Verbindung mit den Leistungsschaltelementen des Highside-Schalters und über eine zweite Verbindung mit den Leistungsschaltelementen des Lowside-Schalters verbunden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mit einer vorgegebenen Frequenz mittels der Steuerschaltung ein wechselseitiges Schließen und Öffnen der Leistungsschaltelemente der Highside-Schalter und der Leistungsschaltelemente der Lowside-Schalter durchgeführt wird. Es wird eine Totzeit durch die Steuerschaltung angepasst, die den durch die Brücken fließenden Strom derart verändert, dass es an den Leistungsschaltelementen der Highside-Schalter und den Leistungsschaltelementen der Lowside-Schalter zu keiner Beschädigung kommt. Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Strom, der hierbei fließt, von der Totzeit abhängig ist. Über die Totzeit lässt sich somit der Strom einstellen, der die Kapazität des mindestens einen Zwischenkreiskondensators entlädt. Der Strom kann über die Halbleiterschalter der Brücken fließen und den Zwischenkreis entladen, ohne dafür zusätzliche Bauteile zu benötigen. Dies kann enorm Kosten und Bauraum sparen.In one embodiment of the method for discharging an intermediate circuit capacitor in a converter of a high-voltage electrical system, the converter has a power unit and the intermediate circuit capacitor connected in parallel therewith. The power unit has several bridges made of series-connected power switching elements, the bridges being connected between direct current lines of a high-voltage battery and the power switching elements of the bridges being divided into a high-side switch and a low-side switch. A control circuit is connected to the power switching elements of the high-side switch via a first connection and to the power switching elements of the low-side switch via a second connection. The method is characterized in that the control circuit alternately closes and opens the power switching elements of the high-side switches and the power switching elements of the low-side switches at a predetermined frequency. A dead time is adapted by the control circuit, which changes the current flowing through the bridges in such a way that the power switching elements of the high-side switches and the power-switching elements of the low-side switches are not damaged. The method has the advantage that the current that flows here is dependent on the dead time. The current that discharges the capacitance of the at least one intermediate circuit capacitor can thus be set via the dead time. The current can flow through the semiconductor switches in the bridges and discharge the intermediate circuit without the need for additional components. This can save enormous costs and installation space.
In einer Ausführungsform ist der durch die Brücken fließende Strom derart von der Totzeit abhängig, dass der Strom mit zunehmender Totzeit abnimmt. Ferner wird der über die Brücken fließende Strom in einer weiteren Ausführungsform gemessen. Anhand der Messung kann mittels der Steuerschaltung die Totzeit anpasst und somit der über die Brücken fließende Strom einstellt beziehungsweise angepasst werden. Dies hat den Vorteil, dass man beim Wechsel der Zustände der Leistungsschaltelemente der Highside-Schalter (AKS Highside) und der Leistungsschaltelemente der Lowside-Schalter (AKS Lowside) bei einer festen Frequenz (wie beispielsweise 10kHz) die Totzeit variiert. Dadurch kann man den Strom, der aus dem Zwischenkreiskondensator kommt, regeln. Hierdurch kann auch die Entladezeit des Zwischenkreiskondensator eingestellt werden.In one embodiment, the current flowing through the bridges is dependent on the dead time in such a way that the current decreases as the dead time increases. Furthermore, the current flowing across the bridges is measured in a further embodiment. On the basis of the measurement, the dead time can be adjusted by means of the control circuit and thus the current flowing over the bridges can be set or adapted. This has the advantage that when changing the states of the power switching elements of the high-side switches (AKS high-side) and the power-switching elements of the low-side switches (AKS low-side), the dead time is varied at a fixed frequency (such as 10 kHz). This allows the current that comes from the intermediate circuit capacitor to be regulated. In this way, the discharge time of the intermediate circuit capacitor can also be set.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Stromrichter in einem elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs vorgesehen sein. Der Stromrichter wandelt eine von der Hochvoltbatterie bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung zum Versorgen einer das Fahrzeug antreibenden elektrischen Maschine. In einer Ausführungsform besteht die Leistungseinheit aus drei parallel geschalteten Brücken mit je zwei in Reihe geschalteten Leistungsschaltelementen. Diese Leistungseinheit wird auch als B6 Brücke bezeichnet. Dies hat den Vorteil, dass durch die Topologie der B6 Brücke ein dreifacher Pfad als Redundanz entstehen würde, was für sicherheitsrelevante Schaltungen bei Fahrzeugen von großer Bedeutung ist.According to one embodiment of the invention, the converter can be provided in an electric drive train of a vehicle. The converter converts a DC voltage provided by the high-voltage battery into a multiphase AC voltage to supply an electrical machine that drives the vehicle. In one embodiment, the power unit consists of three bridges connected in parallel, each with two power switching elements connected in series. This power unit is also known as a B6 bridge. This has the advantage that the topology of the B6 bridge would result in a triple path as redundancy, which is of great importance for safety-relevant circuits in vehicles.
In einer Ausführungsform wird das Verfahren mittels eines Computerprogramms realisiert, das beispielsweise in der Steuerschaltung ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert sein.In one embodiment, the method is implemented by means of a computer program that is executed, for example, in the control circuit. The computer program can be stored on a machine-readable storage medium.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators in einem Stromrichter eines Hochvoltbordnetzes, weist der Stromrichter eine Leistungseinheit und den parallel dazu geschalteten Zwischenkreiskondensator auf. Die Leistungseinheit besitzt mehrere Brücken aus in Reihe geschalteten Leistungsschaltelementen, wobei die Leistungsschaltelemente der Brücken in einen Highside-Schalter und in einen Lowside-Schalter aufgeteilt sind. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die über eine erste Verbindung mit den Leistungsschaltelementen des Highside-Schalters und über eine zweite Verbindung mit den Leistungsschaltelementen des Lowside-Schalters verbunden ist. Mit der Steuerschaltung wird ein wechselseitiges Schließen und Öffnen der Leistungsschaltelemente der Highside-Schalter und der Leistungsschaltelemente der Lowside-Schalter durchgeführt. Zwischen den einzelnen Wechseln der Zustände geschlossen und geöffnet liegt eine Totzeit vor, während der ein Strom zum Entladen des Zwischenkreiskondensators ausschließlich über die Brücken der Leistungseinheit fließt.In one embodiment of the device for discharging an intermediate circuit capacitor in a converter of a high-voltage electrical system, the converter has a power unit and the intermediate circuit capacitor connected in parallel therewith. The power unit has several bridges made of series-connected power switching elements, the power switching elements of the bridges being divided into a high-side switch and a low-side switch. The device is characterized in that a control circuit is provided which is connected to the power switching elements of the high-side switch via a first connection and to the power switching elements of the low-side switch via a second connection. The control circuit is used to alternately close and open the power switching elements of the high-side switches and the power switching elements of the low-side switches. There is a dead time between the individual changes between the closed and open states, during which a current for discharging the intermediate circuit capacitor flows exclusively via the bridges of the power unit.
Vorteil der Vorrichtung ist, dass der Strom zur Entladung der Kapazität des mindestens einen Zwischenkreiskondensators während der Totzeit über die Leistungsschaltelemente der Brücken abfließt. Über die Totzeit kann somit der Strom eingestellt werden. Für die Entladung des Zwischenkreises werden keine zusätzlichen Bauteile, wie beispielsweise Widerstände, benötigt. Dies spart enorm Kosten und Bauraum.The advantage of the device is that the current for discharging the capacitance of the at least one intermediate circuit capacitor flows through the power switching elements of the bridges during the dead time. The current can thus be adjusted via the dead time. No additional components, such as resistors, are required to discharge the intermediate circuit. This saves enormous costs and installation space.
In einer Ausführungsform nimmt der Strom, der über die Brücken fließt, mit zunehmender Totzeit ab. In einer weiteren Ausführungsform wird die Totzeit mittels der Steuerschaltung eingestellt, was somit den über die Brücken fließenden Strom regelt.In one embodiment, the current flowing across the bridges decreases as the dead time increases. In a further embodiment, the dead time is set by means of the control circuit, which thus regulates the current flowing across the bridges.
Die Leistungsschaltelemente der Leistungseinheit können in Form von Halbleiterbauelementen ausgebildet sein. Die Leistungseinheit kann aus drei Brücken mit je zwei in Reihe geschalteten Halbleiterbauelementen bestehen. Eine aktive Entladung des Zwischenkreises (Zwischenkreiskondensator) kann durch einen Stromfluss durch die drei parallel geschalteten Brücken erfolgen. Bei einem einfachen Kurzschluss von beispielsweise den Halbleiterbauelementen einer der Brücken würde der fließende Strom zu einer Zerstörung der Halbleiterbauelemente führen.The power switching elements of the power unit can be designed in the form of semiconductor components. The power unit can consist of three bridges, each with two semiconductor components connected in series. An active discharge of the intermediate circuit (intermediate circuit capacitor) can take place by a current flow through the three bridges connected in parallel. In the event of a simple short circuit of, for example, the semiconductor components of one of the bridges, the flowing current would lead to the destruction of the semiconductor components.
Bei dem Zustand des aktiven Kurzschlusses (AKS) sind entweder die drei Halbleiterbauelemente der AKS-Highside oder die drei Halbleiterbauelemente der AKS-Lowside gleichzeitig eingeschaltet. Bei diesen Zuständen findet kein Stromfluss von der Hochvoltbatterie zur elektrischen Maschine des Antriebsstrangs statt.In the active short circuit (AKS) state, either the three semiconductor components of the AKS high side or the three semiconductor components of the AKS low side are switched on at the same time. In these states, there is no current flow from the high-voltage battery to the electrical machine in the drive train.
In einer Ausführungsform ist die Leistungseinheit als Pulswechselrichter ausgebildet und umfasst eine aus den Halbleiterbauelementen gebildete B6 Brücke zur Ansteuerung der elektrischen Maschine. Die B6 Brücke wird in einem speziellen Muster getaktet, das die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter schließt und öffnet. Dabei gibt es eine bestimmte Zeit, in der die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter geöffnet sind. Die sogenannte Totzeit. Der Grund für die Totzeit ist, dass ohne Totzeit ein Brückenkurzschluss auftritt und ein enorm hoher Strom fließt, der die B6 Brücke zerstört. Der Strom, der bei der Vorrichtung gemäß fließt, ist folglich abhängig von der Totzeit. Über das Regeln der Totzeit kann man einen Strom fließen lassen, der die Kapazität (dargestellt durch beispielsweise einen Zwischenkreiskondensator) im Zwischenkreis entlädt. Man kann also alle Highside-Schalter und nach der geregelten Totzeit alle Lowside-Schalter einschalten. Somit kann man einen Strom über die Halbleiterbauelemente der Brücke fließen lassen und den Zwischenkreis entladen, ohne dafür zusätzliche Bauteile zu benötigen.In one embodiment, the power unit is designed as a pulse-controlled inverter and comprises a B6 bridge, formed from the semiconductor components, for controlling the electrical machine. The B6 bridge is clocked in a special pattern that closes and opens the high-side switches and the low-side switches. There is a certain time during which the high-side switches and the low-side switches are open. The so-called dead time. The reason for the dead time is that a bridge short circuit occurs without dead time and an enormously high current flows, which destroys the B6 bridge. The current which flows in the device in accordance with is consequently dependent on the dead time. By regulating the dead time, a current can flow that discharges the capacitance (represented by an intermediate circuit capacitor, for example) in the intermediate circuit. You can turn on all high-side switches and, after the regulated dead time, all low-side switches. This allows a current to flow through the bridge's semiconductor components and discharge the intermediate circuit without the need for additional components.
In einer Ausführungsform ist ein Antriebsstrang mit einer der oben beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung vorgesehen.In one embodiment, a drive train with one of the embodiments of the device described above is provided.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun die Erfindung und ihre Vorteile durch Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dadurch die Erfindung auf das gezeigte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs mit einer Vorrichtung zur Entladung eines Hochvoltzwischenkreises eines Fahrzeugs. -
2 zeigt eine schematische Darstellung des Wechsels zwischen den Highside-Schaltern und den Lowside-Schaltern. -
3 zeigt die Messung des Stroms an einer Halbbrücke in Abhängigkeit von der Totzeit.
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1 shows a schematic representation of a drive train with a device for discharging a high-voltage intermediate circuit of a vehicle. -
2 shows a schematic representation of the change between the high-side switches and the low-side switches. -
3 shows the measurement of the current at a half bridge as a function of the dead time.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
Die Leistungseinheit
Der Stromrichter
Bei Fahrzeugen mit Batteriespannungen, die größer 60V betragen, müssen die Systeme in kurzer Zeit spannungsfrei gemacht werden können. Dies ist notwendig, um eine Gefährdung von Personen durch gefährliche Spannungen zu vermeiden. Um einen elektrischen Antriebsstrang
Es wird angenommen, dass die vorliegende Offenbarung und viele der darin erwähnten Vorteile durch die vorhergehende Beschreibung verständlich werden. Es ist offensichtlich, dass verschiedene Änderungen in Form, Anzahl, Konstruktion und Anordnung der Bauteile durchgeführt werden können, ohne von dem offenbarten Gegenstand abzuweichen. Die beschriebene Form ist lediglich erklärend, und es ist die Absicht der beigefügten Ansprüche, solche Änderungen zu umfassen und einzuschließen. Dementsprechend sollte der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.It is believed that the present disclosure and many of the advantages noted therein will be understood from the preceding description. Obviously, various changes in the shape, number, construction and arrangement of the components can be made without departing from the disclosed subject matter. The form described is illustrative only and it is the intent of the appended claims to embrace and incorporate such changes. Accordingly, the scope of the invention should be limited only by the appended claims.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- AntriebsstrangPowertrain
- 22
- SteuerschaltungControl circuit
- 33
- HochvoltbatterieHigh voltage battery
- 44th
- StromrichterPower converter
- 55
- ZwischenkreiskondensatorDC link capacitor
- 66th
- LeistungseinheitPower unit
- 88th
- elektrische Maschineelectric machine
- 1010
- LeistungsschaltelementPower switching element
- 10A10A
- Highside-SchalterHighside switch
- 10B10B
- Lowside-SchalterLowside switch
- 1111th
- erste Verbindungfirst connection
- 1212th
- zweite Verbindungsecond connection
- 1414th
- Brückebridge
- 2020th
- TotzeitDead time
- 2222nd
- durchgezogene Liniesolid line
- 2424
- gestrichelt-gepunktete Liniedashed-dotted line
- 3030th
- Stromcurrent
- DC+DC +
- GleichstromleitungDC line
- DC-DC-
- GleichstromleitungDC line
- U, V, WAND MANY MORE
- Phasephase
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- WO 2017/186436 A1 [0005]WO 2017/186436 A1 [0005]
- WO 2009/106187 A1 [0007]WO 2009/106187 A1 [0007]
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