DE102020132571B3 - Aktive Zwischenkreisentladung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Entladung eines Hochvolt-Zwischenkreises eines Elektrofahrzeugs.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Entladung eines Hochvolt-Zwischenkreises eines Elektrofahrzeugs.
  • Aus Sicherheitsgründen ist gefordert, den Zwischenkreis von Elektrofahrzeugen innerhalb weniger Sekunden aktiv auf eine ungefährliche Spannung entladen zu können. Dies kann z. B. in einem Crash-Fall notwendig sein, um die Gefahr eines elektrischen Schlags deutlich zu reduzieren. Dazu wird in zumindest einer Hochvoltkomponente eine aktive Entladung implementiert. Diese entlädt die Energie des HV-Zwischenkreises z. B. über einen Entladewiderstand, welcher aktiv parallel zu der HV-Spannung geschaltet wird. Alternativ wird auch vorgeschlagen, die Halbbrücken des Inverters kurzzuschließen (z.B. gepulst), um die Energie abzubauen.
  • Bei der Variante mit dem passiven Entladewiderstand sind zusätzliche Bauelemente notwendig, welche zusätzliche Kosten und Bauraum zur Folge haben. Des Weiteren muss die aktive Entladung immer separat geprüft bzw. diagnostiziert werden. Das Entladen über den Inverter hat zwar keine zusätzlichen Kosten zur Folge, jedoch ergeben sich aufgrund der geringen Impedanz im Kurzschlusspfad schnell sehr hohe Ströme. Diese Ströme dürfen zu keiner Beschädigung führen, sowie müssen die auftretenden Abschaltspannungen im Pulsbetrieb im zulässigen Bereich bleiben. Dies erhöht die Komplexität der Entladelogik.
  • Die KR 20 200 005 281 A offenbart ein Zwischenkreiskondensator-Entladungssystem eines Wechselrichters zum Antreiben eines Motors mit einem Zwischenkreiskondensator, der durch Laden eine Zwischenkreisspannung an seinen beiden Anschlüssen bildet; einem Wechselrichter mit einem Eingangsanschluss, an den die Zwischenkreisspannung angelegt wird, mehreren Schaltvorrichtungen und einem Ausgangsanschluss, der Wechselspannung ausgibt, die durch Umwandeln der Zwischenkreisspannung durch Unterbrechungssteuerung der mehreren Schaltvorrichtungen gebildet wird; einem Motor, der unter Verwendung der vom Wechselrichter ausgegebenen Wechselspannung arbeitet; einem Entladungswiderstand und einem Schalter, die an einem Ort in Reihe geschaltet sind, an dem der Zwischenkreiskondensator und eine Stromschleife gebildet werden können; einer ersten Entladesteuereinheit, die das Kurzschließen / Öffnen der Schaltvorrichtung steuert, um die dem Motor bereitgestellte Wechselspannung anzupassen, um die Ladeleistung des Zwischenkreiskondensators mit dem Motor zu verbrauchen, wenn eine Zwangsentladung auf dem Zwischenkreiskondensator erforderlich ist; und einer zweiten Entladesteuereinheit, die den Schalter kurzschließt, um eine Stromschleife zwischen dem Entladungswiderstand und dem Zwischenkreiskondensator zu bilden, wenn eine Zwangsentladung des Zwischenkreiskondensators erforderlich ist und der Wechselrichter und der Motor elektrisch offen sind.
  • Aus der EP 2 712 759 A2 geht eine Spannungsentladevorrichtung hervor, die eine Batterie, einen Wechselrichter, der eine von der Batterie gelieferte Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umwandelt, um die umgewandelte Wechselstrom leistung auszugeben, einen Motor, der von der über den Wechselrichter abgegebenen Wechselstrom leistung angetrieben wird, ein Hauptrelais, das zwischen der Batterie und dem Wechselrichter angeordnet ist zum Umschalten der von der Batterie gelieferten Gleichstromversorgung in den Wechselrichter und eine Steuereinheit, die ein Schlüssel-Aus-Signal des Fahrzeugs erfasst, um eine Zwischenkreisspannung des Wechselrichters zu entladen, wenn das Schlüssel-Aus-Signal erkannt wird, umfasst. Die Steuereinheit entlädt die Zwischenkreisspannung durch Anlegen einer ersten oder zweiten Zwangsentladungslogik, die sich je nach Fahrzustand des Fahrzeugs zu einem Zeitpunkt unterscheiden, zu dem das Schlüssel-Aus-Signal erfasst wird.
  • Die WO 2012 / 123 847 A2 offenbart eine fremderregte Synchronmaschine mit einem Erregerkreis an der Seite des Rotors, die eine Erregerwicklung und eine Stromversorgung für die Erregerwicklung sowie ein Schaltelement zum Anschließen der Stromversorgung der Erregerwicklung umfasst. Ferner umfasst die Synchronmaschine eine erste statorseitige Primärwicklung und eine erste rotorseitige Sekundärwicklung. Darüber hinaus kann die Synchronmaschine a) einen Abgriff der ersten rotorseitigen Sekundärwicklung umfassen, der mit einem Steuerelement des Schaltelements verbunden ist, oder b) eine zweite rotorseitige Sekundärwicklung, die mit der ersten statorseitigen Primärwicklung gekoppelt und mit einem Steuerelement des Schaltelements verbunden ist.
  • Die DE 10 2018 201 321 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung aus einer elektrischen Maschine und einem Gleichrichter, bei der die elektrische Maschine über Phasenanschlüsse mit dem Gleichrichter verbunden und der Gleichrichter über Gleichspannungsanschlüsse in ein Bordnetz eines Fahrzeugs eingebunden ist, in einem generatorischen Betrieb, wobei eine Größe (Uz) überwacht wird, die eine an einer Zwischenkreiskapazität anliegende Spannung charakterisiert, und wobei, wenn die überwachte Größe (Uz) einen vorgegebenen Schwellwert (U) überschreitet, elektrische Energie aus dem Zwischenkreis in wenigstens eine in der Anordnung befindliche Last (L) überführt wird, um die überwachte Größe (Uz) oder die an der Zwischenkreiskapazität anliegende Spannung zu reduzieren.
  • Die EP 2 433 830 A1 offenbart ein Verfahren und eine Steuerung zum Bereitstellen elektrischer Energie aus einer angetriebenen Drehstrom-Synchronmaschine mit einem mehrphasigen Umrichter, der obere Schalter und untere Schalter und wenigstens einen in oder an einem Zwischenkreis des Umrichters angeordneten Zwischenkreis-Kondensator umfasst. Durch einen aktiven Kurzschluss, bei dem alle oberen Schalter oder alle unteren Schalter geschlossen werden, wird bei einem abgeschleppten Kraftfahrzeug oder bei einem Fahrzeug, das fremd (hybrid oder am Rollenprüfstand) angetrieben wird oder ausrollt und/oder über keine einsatzfähige Zwischenkreisspannungsversorgung verfügt, ein sicherer Zustand herbeigeführt, bei dem hohe Spannungen im Zwischenkreis verhindert und Bremsmomente reduziert werden.
  • Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die möglichst wenige zusätzliche Bauelemente erfordert und sicherstellt, dass die auftretenden Entladeströme zu keiner Beschädigung führen und die auftretenden Abschaltspannungen im zulässigen Bereich bleiben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Abbildungen.
  • Die Erfindung schlägt vor, die Erregerwicklung (den Rotor) einer fremderregten Synchronmaschine (FSM) zum Entladen des Zwischenkreises zu verwenden. Dazu wird der Zwischenkreis bei nicht bestromtem Stator über die Erregerwicklung kurzgeschlossen.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur aktiven Entladung eines Hochvolt-Zwischenkreises (HV-Zwischenkreis) eines Elektrofahrzeugs, bei dem der Hochvolt-Zwischenkreis über eine Erregerwicklung des Rotors einer fremderregten Synchronmaschine (FSM) bei nicht bestromtem Stator der FSM kurzgeschlossen wird.
  • In einem alternativen Verfahren zur aktiven Entladung eines Hochvolt-Zwischenkreises (HV-Zwischenkreis) eines Elektrofahrzeugs wird der Hochvolt-Zwischenkreis durch Kurzschließen einer Halbbrücke einer Erregerschaltung des Rotors einer fremderregten Synchronmaschine (FSM) entladen.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Entladung des HV-Zwischenkreises durch gepulsten Kurzschluss der Erregerwicklung. Dadurch lässt sich der Entladestrom aktiv über die Pulsdauer und die Pulsfrequenz begrenzen. Erfindungsgemäß ist beim Entladevorgang die Dauer des ersten Pulses größer als die der darauffolgenden Pulse. In einer Ausführungsform beträgt die Dauer des ersten Pulses das Zweifache bis Fünffache der Dauer der nachfolgenden Pulse, beispielsweise das Dreifache. Dies hat den Vorteil, dass der Strom zu Beginn der Entladephase schneller ansteigt. In einer weiteren Ausführungsform wird nach dem ersten Puls ein fixes Puls-Pausen-Verhältnis eingestellt. In einer anderen Ausführungsform wird mit fallender Zwischenkreisspannung das Puls-Pausen-Verhältnis schrittweise vergrößert. Damit ist es möglich, den Entladestrom weitgehend konstant zu halten.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur aktiven Entladung eines Hochvolt-Zwischenkreises (HV-Zwischenkreis) eines Elektrofahrzeugs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Vorrichtung umfasst eine fremderregte Synchronmaschine, deren Rotor mindestens eine Erregerwicklung umfasst, deren Anschlüsse über Schaltelemente mit den Anschlüssen eines Zwischenkreiskondensators des Hochvolt-Zwischenkreises verbunden sind.
  • In einer Ausführungsform umfassen die Schaltelemente eine erste und eine zweite Halbbrücke, die jeweils zwei in Reihe geschaltete elektronische Schalter mit jeweils einer zum Schalter parallel geschalteten Diode aufweisen. In einer Ausführungsform sind die elektronischen Schalter Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren wie MOS-FETs oder IGBTs.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine stromgeregelte Ansteuerlogik zur Ansteuerung der elektronischen Schalter. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Zweipunktregler zur Ansteuerung der elektronischen Schalter. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Rotorstromsensor, der einen Messwert des aktuellen Entladestroms an die Ansteuerlogik bzw. den Zweipunktregler übermittelt. Ein solcher Rotorstromsensor ist i.d.R. bereits in der FSM vorhanden.
  • Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung zählt, dass keine zusätzlichen Bauteile notwendig sind und die Impedanz im Kurzschlusspfad im Vergleich zu einem Kurzschluss des Inverters deutlich größer ist, jedoch nicht so groß, dass die geforderten Entladezeiten nicht eingehalten werden können. Die größere Impedanz hat zur Folge, dass der Strom zum einen nicht so schnell ansteigt und aufgrund des Rotorwiderstandes auch begrenzt ist. Somit lassen sich die auftretenden Ströme und Abschaltspannungen deutlich einfacher beherrschen, was die Entladelogik stark vereinfacht.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vor anstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:
    • 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • 2 einen beispielhaften Verlauf des Entladestroms und der Zwischenkreisspannung über die Zeit in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die beiden Pole einer Erregerwicklung 10 einer FSM (nicht dargestellt) mit einer Induktivität L und einem ohmschen Widerstand R sind über eine erste Halbbrücke 20 und eine zweite Halbbrücke 30 mit den Anschlüssen eines Kondensators 40 eines Hochvolt-Zwischenkreises verbunden. Die erste Halbbrücke 20 ist aus den in Reihe geschalteten Schaltelementen 21 und 22 gebildet, die jeweils einen elektronischen Schalter und eine parallel dazu geschaltete Diode umfassen, die zweite Halbbrücke 30 ist aus den in Reihe geschalteten Schaltelementen 31 und 32 gebildet, die ebenfalls jeweils einen elektronischen Schalter und eine parallel dazu geschaltete Diode umfassen.
  • Durch Schalten einer Brückendiagonale (z.B. 21 und 32) baut sich ein Strom in der Erregerwicklung 10 auf und der Zwischenkreiskondensator 40 wird entladen.
  • 2 zeigt einen beispielhaften Verlauf des Entladestroms und der Zwischenkreisspannung in der in 1 gezeigten Vorrichtung über die Zeit bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im oberen Diagramm ist der Verlauf des Steuersignals 50 für die Steuerelemente 21 und 32 und der resultierende Verlauf des Entladestroms 60 in der Erregerwicklung 10 über die Zeit gezeigt. Im unteren Signal ist die korrespondierende Spannung 70 am Zwischenkreiskondensator 40 über die Zeit dargestellt.
  • In dem gezeigten Beispiel wird die Diagonale 21 und 32 mit einem gepulsten Steuersignal 50 angesteuert, um den Entladestrom 60 aktiv zu begrenzen. Der erste Puls ist dabei deutlich länger als die darauffolgenden. Dies hat den Vorteil, dass der Entladestrom 60 zu Beginn der Entladephase schneller ansteigt. Nach dem ersten Puls wird ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Steuersignal 50 mit fixem Puls-Pausen-Verhältnis an der Diagonale 21 und 32 angelegt.
  • In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform des Verfahrens wird mit fallender Zwischenkreisspannung 70 das Puls-Pausen-Verhältnis schrittweise angepasst, um den Entladestrom 60 relativ konstant zu halten. Hierfür werden die Schaltelemente 21, 32 über eine stromgeregelte Ansteuerlogik (nicht dargestellt) oder einen einfachen Zweipunktregler (nicht dargestellt) angesteuert. Der dazu notwendige Rotorstromsensor (nicht dargestellt) ist i.d.R. bereits vorhanden.
  • In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform des Verfahrens wird der Zwischenkreiskondensator 40 über einen Dauerpuls vollständig entladen. Hierbei ist sicherzustellen, dass der Entladestrom nicht zu stark ansteigt, indem die Kapazität des Zwischenkreiskondensators 40, die Zwischenkreisspannung und die Rotorimpedanz L entsprechend ausgelegt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Erregerwicklung
    20
    erste Halbbrücke
    21
    elektronischer Schalter
    22
    elektronischer Schalter
    30
    zweite Halbbrücke
    31
    elektronischer Schalter
    32
    elektronischer Schalter
    40
    Zwischenkreiskondensator
    50
    Steuersignal [V]
    60
    Entladestrom [A]
    70
    Zwischenkreisspannung [V]

Claims (7)

  1. Verfahren zur aktiven Entladung eines HV-Zwischenkreises eines Elektrofahrzeugs, bei dem der HV-Zwischenkreis über eine Erregerwicklung (10) eines Rotors einer FSM bei nicht bestromtem Stator der FSM kurzgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladung des HV-Zwischenkreises durch gepulsten Kurzschluss der Erregerwicklung (10) erfolgt, wobei die Dauer des ersten Pulses größer ist als die der darauffolgenden Pulse.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem ersten Puls ein fixes Puls-Pausen-Verhältnis eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit fallender Spannung des HV-Zwischenkreises das Puls-Pausen-Verhältnis schrittweise vergrößert wird.
  4. Vorrichtung zur aktiven Entladung eines HV-Zwischenkreises eines Elektrofahrzeugs nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 3, umfassend eine fremderregte Synchronmaschine, deren Rotor mindestens eine Erregerwicklung (10) enthält, deren Anschlüsse über Schaltelemente (20, 30) mit den Anschlüssen eines Zwischenkreiskondensators (40) des Hochvolt-Zwischenkreises verbunden sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die Schaltelemente (20, 30) eine erste Halbbrücke (20) und eine zweite Halbbrücke (30) umfassen, die jeweils zwei in Reihe geschaltete elektronische Schalter (21, 22, 31, 32) mit jeweils einer zum Schalter parallel geschalteten Diode aufweisen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, welche eine stromgeregelte Ansteuerlogik zur Ansteuerung der elektronischen Schalter (21, 22, 31, 32) umfasst.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, welche einen Zweipunktregler zur Ansteuerung der elektronischen Schalter (21, 22, 31, 32) umfasst.
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