DE102021129145A1 - Verfahren zum aktiven Entladen eines elektrischen Energiespeichers, Steuereinrichtung, elektrische Schaltungseinrichtung und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum aktiven Entladen eines elektrischen Energiespeichers (6) über eine elektrische Schaltungsanordnung (5), welche wenigstens eine Halbbrücke (11, 12, 13) aus zwei Schaltelementen (S1-S6) umfasst, wobei die Halbbrücke (11, 12, 13) parallel zu dem Energiespeicher (6) geschaltet ist und die Schaltelemente (S1-S6) jeweils einen schaltbaren Abschnitt aufweisen, dessen elektrischer Widerstand in einem Durchlassbetrieb des Schaltelements (S1-S6) über eine Steuerspannung (UG) des Schaltelements (S1-S6) einstellbar ist, wobei zur Entladung des Energiespeichers (6) die Höhe der Steuerspannungen der schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente (S1- S6) im Durchlassbetrieb und/oder das Verhältnis zwischen einer Anschaltdauer, in der die schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente (S1-S6) während des Entladens im Durchlassbetrieb betrieben werden, und einer Ausschaltdauer, in der die schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente (S1-S6) während des Entladens in einem Sperrbetrieb betrieben werden, in Abhängigkeit einer die Höhe eines Entladestroms (IE) des Energiespeichers beschreibenden Entladestromvorgabe eingestellt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Entladen eines elektrischen Energiespeichers über eine elektrische Schaltungsanordnung, welche wenigstens eine Halbbrücke aus zwei Schaltelementen umfasst, wobei die Halbbrücke parallel zu dem Energiespeicher geschaltet ist und die Schaltelemente jeweils einen schaltbaren Abschnitt aufweisen, dessen elektrischer Widerstand in einem Durchlassbetrieb des Schaltelements über eine Steuerspannung des Schaltelements einstellbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung, eine elektrische Schaltungseinrichtung und ein Kraftfahrzeug.
  • Eine Funktion zur aktiven Entladung eines elektrischen Energiespeichers kann beispielsweise bei Zwischenkreiskondensatoren in Traktionsnetzen von Elektro- oder Hybridfahrzeugen notwendig sein. Dort sind ein oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren zwischen einer Traktionsbatterie und einem Wechselrichter für den Betrieb einer elektrischen Maschine angeordnet. Derartige Traktionsnetze sind in der Regel als Hochvolt-Bordnetze ausgeführt, welche Spannungen von über 60 V aufweisen. Bei solchen Spannungen ist eine schnelle und zuverlässige Entladung des Zwischenkreiskondensators notwendig, beispielsweise wenn das Kraftfahrzeug außer Betrieb genommen wird oder wenn ein Fehlerfall vorliegt, welcher ein Abschalten des Kraftfahrzeugs beziehungsweise seines Bordnetzes bedingt. Neben Kraftfahrzeugen kann die Notwendigkeit zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers auch bei anderen Vorrichtungen auftreten.
  • Eine bekannte Möglichkeit, um eine aktive Entladung zu bewirken, besteht darin, dass gezielt eine ohmsche Last parallel zu dem Energiespeicher geschaltet wird, über die die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie in Wärme umgesetzt wird. Eine solche Lösung weist jedoch den Nachteil auf, dass zum einen eine zusätzliche Entladeschaltung notwendig ist, und zum anderen erhebliche Anforderungen an die Ausbildung der Last bestehen, da die während der Entladung auftretenden Ströme sehr groß werden können und die dadurch im Widerstand innerhalb kurzer Zeit entstehende Wärme effizient abgeführt werden muss.
  • Eine andere bekannte Möglichkeit zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators besteht darin, dass dieser über eine Halbbrücke eines Inverters entladen wird. Dazu wird ein kurzzeitiger Kurzschluss durch die beiden Schalter hergestellt. Durch diesen Kurzschluss wird die Spannung und somit auch die Energie im Zwischenkreiskondensator abgebaut. Die in dem Zwischenkreiskondensator gespeicherte Energie wird dabei in der Halbbrücke, beziehungsweise in den zwei, die Halbbrücke bildenden Schaltern, in Wärme umgewandelt. Derartige Verfahren werden beispielsweise in DE 10 2016 207 373 A1 , DE 10 2017 121 579 A1 und DE 10 2018 202 661 A1 beschrieben.
  • EP 2 475 085 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Gatespannung eines Schaltelements reduziert wird, bevor ein Zwischenkreiskondensator, welcher in einem mit einem das Schaltelement umfassenden Inverter verbundenen Gleichstromzwischenkreis angeordnet ist, geladen wird. Dadurch kann der zum Laden in den Kondensator eingespeiste Strom reduziert werden.
  • US 2019/0296634 A1 beschreibt eine elektrische Schaltungsanordnung, welche der Detektion von Spannungsüberhöhungen und/oder Stoßspannungen in einem Hochvoltnetz dient. Abhängig von der detektierten Überspannung erfolgt eine Anpassung der Schaltgeschwindigkeit durch ein Laden beziehungsweise ein Entladen einer Gatekapazität der Schaltelemente.
  • In US 2015/0280611 A1 wird eine elektrische Schaltungsanordnung mit einem Zwischenkreiskondensator und einem Wechselrichter beschrieben. Dabei ist zur aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators eine Entladeschaltung vorgesehen, welche einen Schalter und eine Last umfasst und welche parallel zu dem Zwischenkreiskondensator geschaltet ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum aktiven Entladen eines elektrischen Energiespeichers über eine elektrische Schaltungsanordnung anzugeben, welche insbesondere die Belastung der Bauteile der elektrischen Schaltungsanordnung beim Entladen reduziert.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Entladung des Energiespeichers die Höhe der Steuerspannungen der schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente im Durchlassbetrieb und/oder das Verhältnis zwischen einer Anschaltdauer, in der die schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente während des Entladens im Durchlassbetrieb betrieben werden, und einer Ausschaltdauer, in der die schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente während des Entladens in einem Sperrbetrieb betrieben werden, in Abhängigkeit einer die Höhe eines Entladestroms des Energiespeichers beschreibenden Entladestromvorgabe eingestellt werden.
  • Durch die Höhe der Steuerspannungen im Durchlassbetrieb kann der Widerstand der schaltbaren Strecke der Schaltelemente eingestellt werden. Dadurch kann eine Stromstärke eines Entladestroms, mit dem der elektrische Energiespeicher entladen wird, vorgegeben werden, da diese neben der Spannung des elektrischen Energiespeichers auch vom Widerstand der Schaltelemente, über die der Energiespeicher entladen wird, abhängt. Die Schaltelemente, welche die wenigstens eine Halbbrücke bilden, sind insbesondere jeweils als ein Transistor ausgeführt. Zur Einstellung der Höhe der Widerstände der schaltbaren Strecken im Durchlassbetrieb können dabei insbesondere die Steuerspannungen der Schaltelemente der Halbbrücke jeweils auf eine Höhe zwischen einer Schwellspannung und einer maximal zulässigen Einschaltspannung des jeweiligen Schaltelements eingestellt werden.
  • Abhängig von der Höhe des Entladestroms, welcher gemäß der Entladestromvorgabe bei einem aktiven Entladen des Energiespeichers fließen soll, kann zusätzlich oder alternativ auch eine Änderung des Verhältnisses zwischen einer Einschaltdauer und einer Ausschaltdauer bei einem Pulsbetrieb der Schaltelemente angepasst werden. Die Anschaltdauer beschreibt dabei die Zeit, in der das Schaltelement im Durchlassbetrieb betrieben wird, also in der ein signifikanter Stromfluss durch die schaltbare Strecke stattfindet, und die Ausschaltdauer beschreibt die Zeit, in der die schaltbaren Abschnitte des Schaltelements in einem Sperrbetrieb betrieben werden, mithin also kein signifikanter Stromfluss über das Schaltelement auftritt.
  • Die Höhe eines Entladestroms kann sich dabei zum Beispiel auf das zeitliche Mittel eines Stromflusses beziehen, welcher sich aufgrund des Pulsbetriebs der Schaltelemente ergibt. Dieses zeitliche Mittel kann durch eine Variation des Verhältnisses zwischen der Anschaltdauer und der Ausschaltdauer der Schaltelemente der wenigstens einen Halbbrücke angepasst werden. Im Pulsbetrieb ist zusätzlich auch das Einstellen eines Widerstands der schaltbaren Strecke der Schaltelemente während der jeweiligen Anschaltdauer möglich, um den Stromfluss in den Anschaltphasen der wenigstens einen Halbbrücke zu begrenzen.
  • Sowohl das Einstellen definierter Widerstände für die schaltbare Strecke der Schaltelemente als auch das Anpassen des Verhältnisses zwischen Einschaltdauer und Ausschaltdauer bei einem Pulsbetrieb der Schaltelemente ermöglicht es, die Belastung der Schaltelemente während dem aktiven Entladen zu reduzieren. Eine geringere Stromstärke, welche durch die Schaltelemente fließt, bewirkt eine geringere Erwärmung dieser Schaltelemente. Das Ändern des Verhältnisses zwischen Einschaltdauer und Ausschaltdauer ermöglicht dabei einen besseren Wärmeübergang von den Schaltelementen zu einem der elektrischen Schaltungsanordnung zugeordneten Kühler, da in den Ausschaltphasen keine Wärmeentwicklung in den Schaltelementen vorliegt.
  • Gegenüber dem Entladen des Energiespeichers in einem dauerhaften oder einem gepulsten Betrieb von kurzgeschlossenen Schaltelementen bietet sich somit der Vorteil, dass der fließende Entladestrom nicht dem Kurzschlussstrom entspricht und somit nur eine geringere Wärme in den Halbleiterbauelementen erzeugt wird. Die eingestellten Entladeströme und/oder die eingestellten Verhältnisse zwischen Anschaltdauer und Ausschaltdauer können beispielsweise derart gewählt werden, dass die Temperaturen der Schaltelemente unterhalb eines kritischen Werts, beispielsweise unterhalb einer Junction-Temperatur von 200 °C, bleiben. Der Bauteilstress der Schaltelemente sowie der Bauteilstress eines beispielsweise als Kondensator ausgebildeten Energiespeichers können durch eine Verringerung des Entladestroms reduziert werden. Vorteilhaft ermöglicht dies, dass die Lebensdauer der Bauteile erhöht wird und dass ein auf das aktive Entladen des Energiespeichers zurückzuführender Verschleiß der Bauteile vermieden werden kann.
  • Das Auftreten sehr hoher Temperaturgradienten, wie es bei einem hohen Kurzschlussstrom der Fall ist, kann somit vorteilhaft vermieden werden. Auch beim Abschalten der Schaltelemente kann durch eine Reduktion des Entladestroms eine Spannungsüberhöhung an den Schaltelementen reduziert werden, was ebenfalls vorteilhaft zu einer Reduktion des Bauteilstresses führt. Eine Verringerung des Bauteilstresses hat vorteilhaft zur Folge, dass beispielsweise als Halbleiterbauelemente ausgeführte Schaltelemente mit einer geringeren Halbleiterfläche ausgeführt werden können, da die geringeren Belastungen beim aktiven Entladen eine weniger robuste Auslegung der Halbleiter erlauben. Vorteilhaft kann somit auf eine Überdimensionierung der Halbleiterbauteile zum Sicherstellen der erforderlichen Lebensdauer der Bauteile verzichtet werden. Ferner kann eine Reduzierung der Herstellungskosten aufgrund des geringeren Materialbedarfs erreicht werden.
  • Das Einstellen definierter Widerstände in den Schaltelementen, beziehungsweise das Anpassen des Tastverhältnisses zwischen Anschaltdauer und Ausschaltdauer, ermöglicht weiterhin einen definierten Entladevorgang, in dem ein definierter Entladestrom fließt und in dem somit ein definierter und beschränkter Leistungseintrag in den Schaltelemente erzeugt werden kann. Weiterhin kann durch die Wahl des gewünschten Entladestroms auch die Zeitdauer, welche zum vollständigen Entladen des Energiespeichers benötigt wird, eingestellt werden, so dass für unterschiedliche Szenarien unterschiedliche Entladegeschwindigkeiten des Energiespeichers erreicht werden können. Beispielsweise kann das Entladen des Energiespeichers innerhalb von 10 Sekunden oder weniger, bevorzugt innerhalb 5 Sekunden, insbesondere in einer Sekunde oder weniger, erfolgen.
  • Unter der aktiven Entladung des Energiespeichers wird im Rahmen der Erfindung ein Entladevorgang beschrieben, in dem der Energiespeicher gezielt innerhalb einer definierten Zeitspanne vollständig oder zumindest nahezu vollständig entladen wird. Das aktive Entladen stellt also ein Verfahren dar, dessen Ziel die Entladung des Energiespeichers ist und umfasst somit keine Entladung des Energiespeichers, welche bei einem Betrieb einer mit der elektrischen Schaltungsanordnung verbundenen Vorrichtung, beispielsweise einer elektrischen Maschine, auftreten kann. Das aktive Entladen kann insbesondere bei einem Abschalten der elektrischen Schaltungsanordnung durchgeführt werden, um diese in einen definierten und sicheren Zustand zu überführen.
  • Vorteilhaft kann bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer elektrischen Schaltungsanordnung, welche häufig ein- und ausgeschaltet wird, eine Belastung der Bauteile durch das Verwenden eines im Vergleich zu einem Kurzschlussstrom verringerten Stromes deutlich verbessert werden. Es kann vorteilhaft insbesondere bei Funktionen umgesetzt werden, in denen die Entladung des Energiespeichers nicht zeitkritisch ist, beispielsweise bei Entladen des Energiespeichers infolge eines regulären Abschaltens der elektrischen Schaltungsanordnung beziehungsweise einer der elektrischen Schaltungsanordnung umfassenden Vorrichtung. Mit Vorteil kann das Verfahren somit in einer elektrischen Schaltungsanordnung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einem Traktionsnetz eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt werden, da bei diesem über die Lebensdauer des Fahrzeugs eine hohe Zyklenzahl an Abschaltvorgängen, beispielsweise nach einem Abstellen des Kraftfahrzeugs, auftreten können.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Höhen der Steuerspannungen und/oder das Verhältnis zwischen Anschaltdauer und Ausschaltdauer während der Entladung in Abhängigkeit wenigstens einer den Entladestrom und/oder eine Spannung des Energiespeichers beschreibenden Messgröße eingestellt, insbesondere geregelt, werden. Vorteilhaft kann dabei eine Regelung auf den Entladestrom des Energiespeichers erfolgen, welcher häufig bereits zu anderen Zwecken messtechnisch erfasst wird. Insbesondere ermöglicht es eine Regelung des Widerstandes der schaltbaren Strecken über die Steuerspannungen, beziehungsweise eine Regelung des Verhältnisses zwischen Anschaltdauer und Ausschaltdauer, dabei einen Spannungsabfall des Energiespeichers direkt über die Spannungsmessung oder indirekt über eine Strommessung bei der Einstellung des gewünschten Entladestroms zu berücksichtigen.
  • Dabei kann eine aktive Regelung der Steuerspannungen eingesetzt werden. Die Steuerspannungen können dazu durch eine insbesondere zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung variabel innerhalb eines vorgegebenen Intervalls erzeugt werden. Auf diese Weise kann eine Ansteuerung der Schaltelemente mit unterschiedlich großen Steuerspannungen und somit mit unterschiedlichen Widerständen der schaltbaren Strecken erfolgen. Die Steuereinrichtung kann dazu insbesondere mit einem Messmittel, welches die einen Entladestrom des Energiespeichers und/oder eine Spannung des Energiespeichers beschreibende Messgröße misst, verbunden sein, so dass eine Regelung der Steuerspannung auf eine dieser Größen ermöglicht wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass über die Entladestromvorgabe ein während des Entladens konstanter Entladestrom vorgegeben wird. Dazu werden beispielsweise die Steuerspannungen während des Entladens fortlaufend erhöht, so dass die elektrischen Widerstände der schaltbaren Strecken verringert werden. Aufgrund des sich beim Entladen des Energiespeichers ergebenden Abfalls der Energiespeicherspannung ergibt sich somit ein konstanter Stromfluss. Ein konstanter Stromfluss kann sich auch dadurch ergeben, dass mehrere Halbbrücken zum Entladen des Energiespeichers verwendet werden, wobei sich durch das Anpassen der Anschaltdauern und/oder Ausschaltdauern der Schaltelemente der jeweiligen Halbbrücken ein konstanter Stromfluss auch bei Pulsbetrieb von zwei oder mehr parallel zum Energiespeicher geschalteten Halbbrücken ergeben kann.
  • Das Vorgeben eines konstanten Ladestroms über die Entladestromvorgabe und das entsprechende Anpassen der Widerstände der schaltbaren Strecken, beziehungsweise des Verhältnisses zwischen Anschaltdauer und Ausschaltdauer der jeweiligen Schaltelemente, ermöglicht eine lineare beziehungsweise konstante Entladung des Energiespeichers. Dies vermeidet es, dass die Entladekurve des Energiespeichers am Ende sehr langsam abfällt, was insbesondere bei Verwenden eines konstanten Widerstands zum Entladen des Energiespeichers auftreten kann. Vorteilhaft kann durch das Verwenden einer einen konstanten Entladestrom beschreibenden Entladestromvorgabe das Zeitfenster, in dem das Entladen des Energiespeichers zu einer Energiespeicherspannung unterhalb eines vorgegebenen Spannungswerts, insbesondere zu einer Spannung kleiner als 60 V oder einer berührungssicheren Kleinspannung führt, vorgegeben werden.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Höhe des konstanten Entladestroms in Abhängigkeit einer das Alter und/oder die Alterung der Schaltelemente beschreibenden Alterungsinformation vorgegeben wird, insbesondere, dass bei zunehmendem Alter und/oder zunehmender Alterung eine geringere Höhe des Entladestroms vorgegeben wird. Dies ermöglicht es, in Abhängigkeit des Alters und/oder der Alterung der Schaltelemente eine geringere Höhe eines Entladestroms vorzugeben, so dass eine gewünschte Lebensdauer der Schaltelemente sichergestellt werden kann. Verglichen mit einem Entladen durch zumindest kurzzeitiges und/oder pulsartiges Kurzschlie-ßen des Energiespeichers kann dadurch eine deutliche Steigerung der Lebensdauer der Schaltelemente und/oder des Energiespeichers erreicht werden.
  • Die Alterungsinformation kann beispielsweise das Alter der Schaltelemente, das heißt beispielsweise die Zeit, welche seit einer Montage der elektrischen Schaltungsanordnung vergangen sind, beschreiben. Die Alterung der Schaltelemente kann beispielsweise die bisherige Betriebsdauer der Schaltelemente, also die Dauer, in der die elektrische Schaltungsanordnung eingeschaltet war und/oder betrieben wurde, beschreiben. Die Abhängigkeit des Entladestroms von dem Alter und/oder der Alterung kann beispielsweise stufenweise anhand unterschiedlicher Altersstufen und/oder Alterungsstufen erfolgen. Auch eine kontinuierliche Zuordnung einer Höhe des Entladestroms zu einem Alter und/oder einer Alterung über eine Zuordnungsvorschrift ist möglich.
  • Die Ermittlung der Alterungsinformation und/oder die Ermittlung des konstanten Entladestroms in Abhängigkeit der Alterungsinformation kann beispielsweise von einer zur Durchführung des Verfahrens ausgebildeten Steuereinrichtung vorgenommen werden. Diese kann auch die Alterungsinformation enthalten beziehungsweise die fortlaufende Alterung der Schaltelemente nachverfolgen und speichern.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass eine elektrische Schaltungsanordnung mit mehreren, jeweils parallel zu dem Energiespeicher geschalteten Halbbrücken, insbesondere eine als mehrphasiger Pulswechselrichter ausgebildete elektrische Schaltungsanordnung, verwendet wird. Dabei kann beispielsweise der Energiespeicher mit einer Gleichstromseite des Wechselrichters verbunden werden. Über die Wechselspannungsseite des Wechselrichters kann dabei z. B. eine elektrische Maschine der elektrischen Schaltungsanordnung bestromt werden.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass während der Entladung des Energiespeichers die schaltbaren Strecken der Schaltelemente mehrerer Halbbrücken jeweils in einem Pulsbetrieb zwischen einem Sperrbetrieb und einem Durchlassbetrieb geschaltet werden. Durch den Pulsbetrieb der Schaltelemente von mehreren der Halbbrücken kann erreicht werden, dass die in den Halbleitern abfallende Verlustleistung beziehungsweise die dort entstehende Wärme beim Entladen des Energiespeichers besser in einen der elektrischen Schaltung zugeordneten Kühler abgeführt werden kann.
  • Durch die Pulspausen, welche sich in dem Pulsbetrieb ergeben, wird sichergestellt, dass die Verlustwärme aus dem die Schaltelemente bildenden Halbleiterchips in den Kühler übergeht, da die thermische Masse des Chips sehr gering ist. Eine Entladung über mehrere Phasen zeitversetzt oder sogar zeitgleich ist ohne einen Pulsbetrieb der mehreren Halbbrücken nicht wünschenswert, da der Kurzschlussstrom zu groß werden würde und den Bauteilstress in den Leistungshalbleitern sowie im Energiespeicher erheblich erhöhen kann. Durch den Pulsbetrieb kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Erwärmung der Schaltelemente reduziert wird und dass eine Beschädigung oder eine übermäßige Belastung der Schaltelemente aufgrund ihrer geringen thermischen Masse vermieden werden kann. Auch dadurch kann erreicht werden, dass die Temperaturen der Schaltelemente unterhalb eines kritischen Werts, beispielsweise unterhalb einer Junction-Temperatur von 200 °C, bleiben, da genug Zeit für den Wärmeübergang in einen Kühler durch die Ausschaltphasen bereitgestellt wird.
  • Weiterhin wird erreicht, dass bei einem Defekt einer der Halbbrücken, welcher diese dauerhaft in einen nichtleitenden Zustand versetzt, durch den Wechsel der zum Entladen verwendeten Halbbrücken weiterhin eine Entladung des Energiespeichers möglich ist. Ferner werden die Halbbrücken, insbesondere bei einem Verwenden aller Halbbrücken zum Entladen, gleichmäßig belastet, so dass sich kein übermäßiger Verschleiß einer einzigen Halbbrücke ergibt. Bevorzugt werden die Halbbrücken derart betrieben, dass sich innerhalb eines Entladevorgangs eine zumindest im Wesentlichen gleich Anschaltdauer ihrer jeweiligen Schaltelemente ergibt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der Höhe des Entladestroms während der Entladung die Verhältnisse zwischen Anschaltdauer und Ausschaltdauer für die Schaltelemente mehrerer Halbbrücken derart eingestellt werden, dass zyklisch abwechselnd die Schaltelemente genau einer der Halbbrücken im Durchlassbetrieb geschaltet sind oder dass zyklisch zumindest zweitweise die Schaltelemente von wenigstens zwei der Halbbrücken gleichzeitig im Durchlassbetrieb geschaltet sind.
  • Abhängig von der Höhe des einzustellenden Entladestroms können somit zwei verschiedene Szenarien realisiert werden. In dem ersten Szenario ist abwechselnd immer genau eine der Halbbrücken leitfähig geschaltet, wobei zyklisch zwischen den mehreren Halbbrücken gewechselt wird. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Auslastung der Schaltelemente der Halbbrücken erreicht, wodurch vorteilhaft der Bauteilstress in den einzelnen Schaltelementen minimiert werden kann.
  • Zum Erreichen großer Entladeströme beziehungsweise kürzerer Entladezeiten kann in einem zweiten Szenario vorgesehen sein, dass zumindest zwei der Halbbrücken gleichzeitig leitfähig geschaltet sind, so dass aufgrund der Parallelschaltung ein größerer Entladestrom realisiert werden kann, ohne dass in den Schaltelementen jeweils selbst größere Ströme fließen müssen. Auch die zwei oder mehreren jeweils leitfähig geschalteten Halbbrücken können zyklisch gewechselt werden, so dass sich auch hier eine gleichmäßigere Belastung der jeweils zum Entladen verwendeten Halbbrücken ergibt.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass bei Vorgabe eines maximalen Entladestroms zyklisch zumindest zeitweise die Schaltelemente von wenigstens zwei der Halbbrücken gleichzeitig im Durchlassbetrieb geschaltet sind, wobei über die Steuerspannungen die kleinstmöglichen Widerstände im Durchlassbetrieb eingestellt werden. Eine Vorgabe eines maximalen Entladestroms kann beispielsweise bei einer Schnellentladung des Energiespeichers in einem Notfall erfolgen. Dabei kann die Steuerspannung der Schaltelemente auf die maximal zulässige Steuerspannung, beispielsweise eine maximal zulässige Gate-Source-Spannung oder eine maximal zulässige Basis-Emitter-Spannung, geschaltet werden. Auf diese Weise werden die kleinstmöglichen Widerstände im Durchlassbetrieb der Schaltelemente eingestellt und es kann zusammen mit dem zumindest zeitweise parallelen Betrieb von zwei oder mehr Halbbrücken im eingeschalteten Zustand ein möglichst schnelles Entladen des Energiespeichers erfolgen.
  • Ein derartiges Verfahren der Schnellentladung für den Notfall kann insbesondere dann gewählt werden, wenn es sich um ein außerplanmäßiges Abschalten oder ein Abschalten aufgrund eines Fehlers oder Störfalls in der elektrischen Schaltungsanordnung beziehungsweise einer die elektrischen Schaltungsanordnung umfassenden Vorrichtung handelt. In diesem Fall kann eine erhöhte Belastung der Bauteile in Kauf genommen werden, da es sich um Einzelfälle und nicht um Vorgänge mit einer erwartbar hohen Zyklenzahl handelt, so wie es beispielsweise bei einem regulären Abschalten der elektrischen Schaltungsanordnung der Fall ist. Ferner kann durch das Bereitstellen einer Funktion zur Schnellentladung erreicht werden, dass der Energiespeicher möglichst schnell entladen wird und dass die elektrische Schaltungsanordnung damit auch so schnell wie möglich in einen definierten, sicheren Zustand versetzt werden kann.
  • Erfindungsgemäß können als Schaltelemente Transistoren, insbesondere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren aus Siliziumcarbid, verwendet werden. Als MOSFET beziehungsweise als SiC-MOSFET ausgeführte Schaltelemente bieten hierbei den Vorteil, dass ihr Kanalwiderstand, also der Widerstand ihrer schaltbaren Drain-Source-Strecke über die Einschaltspannung, also die Gate-Source-Spannung des jeweiligen Schaltelements, auf einen nahezu beliebigen Widerstandswert eingestellt werden kann. Zum Einstellen des Widerstands der Drain-Source-Strecke der als mit MOSFET ausgebildeten Schaltelemente kann beispielsweise durch eine Steuereinrichtung, wie vorangehend beschrieben wurde, eine aktive Regelung der Gate-Source-Einschaltspannung erfolgen. Dabei kann zum Einschalten der Schaltelemente insbesondere eine Gate-Source-Spannung gewählt werden, welche größer als die Schwellspannung des Halbleiters, zum Beispiel größer als 5 V, und kleiner als eine maximal zulässige Spannung des Schaltelements, beispielsweise kleiner als 15 V oder 18 V, ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Energiespeicher ein Zwischenkreiskondensator eines Hochvolt-Netzes, insbesondere mit einer Spannung zwischen 250 V und 1500 V, verwendet wird. Das Hochvolt-Netz kann insbesondere ein Traktionsnetz eines Kraftfahrzeugs sein, über welches die Bestromung eines Traktionselektromotors des Kraftfahrzeugs möglich ist. Bevorzugt kann dabei die elektrische Schaltungsanordnung als eine Wechselrichterschaltung ausgeführt sein, welche eine Bestromung des Motors in einem Normalbetrieb der elektrischen Schaltungsanordnung ermöglicht.
  • Für eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung ist vorgesehen, dass sie dazu ausgebildet ist, die Steuerspannungen für wenigstens zwei Schaltelemente wenigstens einer Halbbrücke einer mit der Steuereinrichtung verbindbaren oder verbundenen elektrischen Schaltungsanordnung zu erzeugen, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
  • Die Steuereinrichtung ist folglich dazu eingerichtet, in Abhängigkeit einer Entladestromvorgabe, welche die Höhe eines Entladestroms des Energiespeichers beschreibt, eine Anpassung der Steuerspannungen der Schaltelemente und/oder des Verhältnisses einer Einschaltdauer zu einer Ausschaltdauer der Schaltelemente zu bewirken. Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, auch eine elektrische Schaltungsanordnung, insbesondere einen dreiphasigen Wechselrichter, entsprechend zu betreiben, so dass sie die Steuerspannungen für jeweils wenigstens sechs Schaltelemente entsprechend erzeugen kann. Dies kann bevorzugt durch eine aktive Regelung der Steuerspannungen der Schaltelemente erfolgen.
  • Für eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung ist vorgesehen, dass diese eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung, einen elektrischen Energiespeicher und eine elektrische Schaltungsanordnung mit wenigstens einer Halbbrücke aus zwei Schaltelementen umfasst, wobei die Halbbrücke parallel zu dem Energiespeicher geschaltet ist und die Schaltelemente jeweils einen schaltbaren Abschnitt aufweisen, dessen Widerstand über eine Steuerspannung des Schaltelements einstellbar ist.
  • Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung umfasst.
  • Die elektrische Schaltungseinrichtung kann dabei insbesondere einen Teil eines Traktionsbordnetzes des Kraftfahrzeugs bilden. Bei dem elektrischen Energiespeicher handelt es sich bevorzugt um einen Zwischenkreiskondensator, welcher in einem Gleichspannungs-Zwischenkreis des Traktionsbordnetzes angeordnet ist.
  • Sämtliche vorangehend in Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung, die erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung sowie das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Auch die bezüglich der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungseinrichtung und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für die jeweils anderen erfindungsgemäßen Vorrichtungen sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
    • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßem Kraftfahrzeugs, umfassend eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung,
    • 2 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungseinrichtung zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 3 ein Widerstands-Ersatzschaltbild einer zum Entladen eines Energiespeichers verwendeten elektrischen Schaltungsanordnung,
    • 4 ein erstes Diagramm, in dem die Steuerspannungen der Schaltelemente der elektrischen Schaltungsanordnung über der Zeit dargestellt sind, und
    • 5 ein zweites Diagramm, in dem die Steuerspannungen der Schaltelemente der elektrischen Schaltungsanordnung über der Zeit dargestellt sind.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine elektrische Schaltungseinrichtung 2. Die elektrische Schaltungseinrichtung 2 bildet ein Hochvolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs 1 und umfasst einen Traktionsenergiespeicher 3, einen elektrischen Traktionsmotor 4 sowie eine als dreiphasige Pulswechselrichter ausgeführte elektrische Schaltungsanordnung 5.
  • Durch die Schaltungsanordnung 5 kann ein dem Traktionsenergiespeicher 3 entnommener Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom zum Betrieb des elektrischen Traktionsmotors 4 gewandelt werden. Auch eine Wandlung eines über den Traktionsmotor 4 im Generatorbetrieb erzeugten Wechselstroms in einen Gleichstrom zum Laden des Energiespeichers ist möglich.
  • Der Aufbau der elektrischen Schaltungsanordnung 5 wird nachfolgend in Bezug zur 2 genauer beschrieben.
  • Die elektrische Schaltungseinrichtung 2 umfasst weiterhin einen als Zwischenkreiskondensator ausgebildeten Energiespeicher 6, welcher zwischen den Spannungsniveaus HV+ und HV- des elektrischen Traktionsenergiespeichers 3 geschaltet ist. Der Energiespeicher 6 stellt somit einen Zwischenkreiskondensator bzw. einen X-Kondensator dar.
  • Die elektrische Schaltungseinrichtung 2 umfasst außerdem noch eine Steuereinrichtung 7, welche eine Treiberschaltung 8 sowie ein Steuergerät 9 umfasst. Die Treiberschaltung 8 der Steuereinrichtung 7 kann räumlich in der Schaltungsanordnung 5 enthalten sein, zum Beispiel durch Anordnung der Treiberschaltung 8 innerhalb eines Gehäuses der Schaltungsanordnung 5. Das Steuergerät 9 kann dabei ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet sein oder es kann separat ausgeführt und mit der Treiberschaltung 8 verbunden sein. Zum Entladen des Energiespeichers 6 kann der Traktionsenergiespeicher 3 beispielsweise über eine Schalteinrichtung (hier nicht dargestellt) entkoppelt werden, so dass bei dem Entladen des Energiespeichers 6 der Traktionsenergiespeicher 3 nicht ebenfalls entladen wird.
  • Der elektrischen Schaltungsanordnung 5 ist eine Kühleinrichtung 10 zugeordnet, über welche im Betrieb der Schaltungsanordnung 5 entstehende Wärme, insbesondere in Schaltelementen der Schaltungsanordnung 5 entstehende Wärme, abgeführt werden kann. Die Kühleinrichtung 10 kann beispielsweise ein Kühlkörper sein und insbesondere mit einem Kühlkreislauf (hier nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs 1 verbunden bzw. thermisch gekoppelt sein.
  • In einem normalen Betrieb der elektrischen Schaltungsanordnung 5, beispielsweise einem Motorbetrieb oder einem Generatorbetrieb des Traktionsmotors 4, werden die Steueranschlüsse der Schaltelemente Si von der Steuereinrichtung 7 mit einer zwischen der Ausschaltspannung und der maximalen Einschaltspannung alternierenden Steuerspannung angesteuert. Die Ansteuerung kann in diesem Fall insbesondere mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgen. Ferner kann die Steuereinrichtung 7 die elektrische Schaltungsanordnung 5 zum aktiven Entladen des Energiespeichers 6 ansteuern, wie nachfolgend genauer beschrieben wird.
  • Ein aktives Entladen des Energiespeichers 6 kann erforderlich sein, wenn zum Beispiel ein Abschalten der elektrischen Schaltungseinrichtung 2 und/oder des Kraftfahrzeugs 1 erfolgt ist, beispielsweise in Folge einer Betriebsbeendigung wie dem Ausschalten nach einem Parken des Kraftfahrzeugs oder vergleichbaren Vorgängen. Ferner kann ein aktives Entladen als eine Schnellentladung, beispielsweise bei Auftreten eines Fehlerfalls in der elektrischen Schaltungsanordnung 5 und/oder in dem Kraftfahrzeug 1, erforderlich sein, wie nachfolgend genauer erläutert wird.
  • Von dem Traktionsenergiespeicher 3 kann eine Hochvoltspannung zum Betrieb der elektrischen Schaltungseinrichtung 2 bereitgestellt werden. Diese Hochvoltspannung kann beispielsweise zwischen 250 V und 1500 V, insbesondere zwischen 360 V und 860 V, betragen. Der als Zwischenkreiskondensator ausgebildete Energiespeicher 6 weist im Betrieb der elektrischen Schaltungseinrichtung 2 bzw. des Kraftfahrzeugs 1 eine Spannung UE auf, welche der Spannung des Hochvolt-Bordnetzes bzw. des Traktionsenergiespeichers 3 entspricht. Dies bedeutet, dass an dem Energiespeicher 6 eine hohe Spannung anliegt, welche bei einem Abschalten der elektrischen Schaltungseinrichtung 2 bzw. des Kraftfahrzeugs 1 abgebaut werden muss, um beispielsweise eine Berührsicherheit der Schaltungseinrichtung 2 bzw. einzelner ihrer Komponenten zu gewährleisten. Auf diese Weise wird auch eine funktionelle Sicherheit und ein Berührschutz der Komponenten des Kraftahrzeuges 1 gewährleistet. Dieses aktive Entladen des Energiespeichers 6 kann vorteilhaft durch die elektrische Schaltungsanordnung 5 erfolgen, wie nachfolgend genauer beschrieben wird.
  • In 2 ist eine Detailansicht der Schaltungseinrichtung 2 mit der als dreiphasigem Pulswechselrichter ausgebildeten elektrischen Schaltungsanordnung 5 dargestellt. Weiterhin dargestellt sind die Steuereinrichtung 7 und der mit der elektrischen Schaltungsanordnung 5 verbundene elektrische Traktionsmotor 4.
  • Die elektrische Schaltungsanordnung 5 umfasst drei Halbbrücken 11, 12, 13, welche jeweils durch zwei von insgesamt sechs Schaltelementen S1 bis S6 der Schaltungsanordnung 5 gebildet werden. Mittels der Halbbrücken 11, 12, 13 wird in einem normalen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 der von dem Traktionsenergiespeicher 3 bereitgestellte Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom mit den Phasen U, V und W zum Betrieb des elektrischen Traktionsmotors 4 gewandelt. Weiterhin kann die elektrische Schaltungsanordnung 5 zum Entladen des Energiespeichers 6 eingesetzt werden. Dazu werden die Steueranschlüsse der Schaltelemente S1 bis S6 wenigstens einer der Halbbrücken 11, 12, 13 mit einer Steuerspannung UG,i beaufschlagt, wobei die Höhe der Steuerspannungen UG,i jeweils zwischen einer Schwellenspannung Uth,i und einer maximal zulässigen Einschaltspannung UG,i_max des jeweiligen Schaltelements Si liegt.
  • Die Schaltelemente Si bis S6 umfassen jeweils einen schaltbaren Abschnitt, wobei die schaltbaren Abschnitte von zwei Schaltelementen einer Halbbrücke jeweils in Reihe geschaltet sind. Durch das Einstellen der Steuerspannung UG,i von wenigstens zwei der Schaltelemente, beispielsweise der Steuerspannungen UG,1 und UG,4 der Schaltelemente S1 und S4 der ersten Halbbrücke 11, kann der Energiespeicher 6 entladen werden. Durch die Steuerspannung UG,i der jeweiligen Schaltelemente Si kann der jeweilige elektrische Widerstand des schaltbaren Abschnitts des Schaltelements Si eingestellt werden. Die Steuerspannungen UG,i der Schaltelemente S1 bis S6 können über die Treiberschaltung 8 der Steuereinrichtung 7 nach Maßgabe des Steuergeräts 9 eingestellt werden. Die Verbindungen zwischen der Treiberschaltung 8 und der jeweiligen Steueranschlüssen der Schaltelemente S1 bis S6 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
  • Wenn die drei Halbbrücken 11, 12, 13 zum Entladen des Energiespeichers 6 eingesetzt werden, ergibt sich für die Entladung des Energiespeichers 6 das in 3 dargestellte Widerstands-Ersatzschaltbild der elektrischen Schaltungsanordnung 5. Der Widerstand RDS,i bezeichnet dabei jeweils den elektrischen Widerstand der schaltbaren Strecke der Schaltelemente Si - S6. Dabei müssen die Halbbrücken 11, 12, 13 jedoch nicht gleichzeitig und dauerhaft in einem leitfähigen Zustand sein. Insbesondere können die Schaltelemente S1 - S6 über ihre Steuerspannungen UG,i auch in einem Pulsbetrieb zwischen einem angeschalteten Zustand und einem ausgeschalteten Zustand betrieben werden, wie nachfolgend genauer erläutert wird.
  • Die Schaltelemente S1 bis S6 können beispielsweise als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren, insbesondere auf Basis von Siliziumcarbid, ausgeführt sein. Solche SiC-MOSFETs können beispielsweise eine Schwellenspannung Uth zwischen 3 V und 5 V sowie eine maximal zulässige Einschaltspannung UG,i_max zwischen 15 V und 18 V aufweisen. Die Steuerspannungen UG,i können dabei zum Schalten der Schaltelemente S1-S6 in einem Durchlassbetrieb von der Steuereinrichtung 7 entsprechend angepasst werden. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 7 dazu ausgebildet, die Steuerspannungen UG,i der Schaltelemente S1-S6 dynamisch, insbesondere im Rahmen einer Regelung, anzupassen. Ferner kann durch die Steuereinrichtung 7 bei einem Pulsbetrieb der Schaltelemente S1-S6 das Verhältnis zwischen der Einschaltdauer und der Ausschaltdauer und/oder den absoluten Zeitdauern der jeweiligen Einschaltintervalle und der Ausschaltintervalle, eingestellt werden.
  • Dies ermöglicht es, dass in einem Verfahren zum aktiven Entladen des elektrischen Energiespeichers 6 über die Steuerspannungen UG,i der elektrische Widerstand der schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente S1-S6, vorliegend der Drain-Source-Strecken der Schaltelemente S1-S6, im Durchlassbetrieb in Abhängigkeit einer Entladestromvorgabe, welche die Höhe eines einzustellenden Entladestroms IE des Energiespeichers 6 beschreibt, eingestellt werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann in Abhängigkeit der von der Entladestromvorgabe beschriebenen Höhe des einzustellenden Entladestroms IE auch ein Anpassen der Verhältnisse zwischen der Einschaltdauer und der Ausschaltdauer in einem Pulsbetrieb der einzelnen Schaltelemente S1-S6 erfolgen.
  • Insbesondere kann durch die Steuereinrichtung 7 die Höhe der jeweiligen Steuerspannungen UG,i und/oder das Verhältnis zwischen der Anschaltdauer und der Ausschaltdauer während der aktiven Entladung des Energiespeichers 6 in Abhängigkeit wenigstens einer den Entladestrom beschreibenden Messgröße geregelt werden. Dies ermöglicht es, dass beim aktiven Entladen des Energiespeichers 6 zum Beispiel ein konstanter Entladestrom IE eingestellt werden kann. Eine den Entladestrom IE beschreibende Messgröße kann unmittelbar durch eine Strommessung des auf dem Potential HV- liegenden Zweigs des Wechselrichters, beispielsweise über ein dort angeordnetes Strommessmittel 15, erfolgen. Die Verwendung eines derartigen Strommessmittels hat den Vorteil, dass dieses im regulären Betrieb der Schaltung ohnehin ebenfalls zur Messung und/oder zur Kontrolle eines der Phasenströme in den Phasen U, V, W herangezogen werden kann. Alternativ kann die Strommessung auch in dem auf dem Potential HV+ liegenden Zweig des Wechselrichters erfolgen.
  • Zusätzlich oder alternativ dazu kann über ein Spannungsmessmittel 16 auch eine Messung der Energiespeicherspannung UE vorgenommen werden, wobei die Steuerspannungen UG,i zusätzlich oder alternativ zu dem Messwert des Entladestroms IE auch in Abhängigkeit der Energiespeicherspannung UE geregelt werden können. Dazu kann zum Beispiel eine Zuordnungsvorschrift, welche die jeweiligen Steuerspannungen UG,i einem Widerstandswert der schaltbaren Strecke des jeweiligen Schaltelements Si zuweist, verwendet werden, so dass der Entladestrom IE entsprechend aus der Energiespeicherspannung UE und den Widerständen RDS,i der leitfähig geschalteten Drain-Source-Strecken der Schaltelemente ergibt. Die Verbindungen zwischen dem Strommessmittel 15, dem Spannungsmessmittel 16 und der Steuereinrichtung 7 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 2 nicht dargestellt.
  • Die Höhe des konstanten Entladestroms kann dabei in Abhängigkeit einer das Alter und/oder die Alterung der Schaltelemente S1-S6 beschreibenden Alterungsinformation vorgegeben werden. Dabei kann insbesondere bei zunehmendem Alter beziehungsweise zunehmender Alterung eine geringere Höhe des Entladestroms IE vorgegeben werden, so dass die Belastung der Schaltelemente beim aktiven Entladen des Energiespeichers 6 mit zunehmender Lebensdauer reduziert wird, um insgesamt eine hohe Gesamtlebensdauer der Schaltelemente S1-S6 erzielen zu können.
  • Die Alterungsinformation kann beispielsweise in der Steuereinrichtung 7 gespeichert sein und beispielsweise von der Steuereinrichtung 7 selbst ermittelt werden. Als Alter der Schaltelemente S1-S6 kann dabei z. B. die Zeit, welche seit einer Montage der Schaltungsanordnung oder seit einer Erstinbetriebnahme der Schaltungsanordnung 2 vergangen ist, herangezogen werden. Als Alterungsinformation können beispielsweise die kumulierte Betriebsdauer der Schaltelemente S1-S6 oder vergleichbare Größen herangezogen werden. Die Abhängigkeit des Entladestroms IE von dem Alter beziehungsweise der Alterung der Schaltelemente S1-S6 kann dabei beispielsweise über verschiedene Altersstufen beziehungsweise Alterungsstufen oder kontinuierlichen Form einer Zuordnungsvorschrift beschrieben sein. Die entsprechenden Informationen können dabei beispielsweise in einer Speichereinrichtung der Steuereinrichtung 7 hinterlegt sein.
  • Weiterhin ist es möglich, dass bei der aktiven Entladung des elektrischen Energiespeichers 6 ein Anpassen des Verhältnisses zwischen Einschaltdauer und Ausschaltdauer der Schaltelemente S1-S6 mit einer der Halbbrücken 11 bis 13 erfolgt. Um den Wärmeeintrag in den jeweiligen Schaltelementen S1-S6 vorteilhaft zu begrenzen kann vorgesehen sein, dass während der aktiven Entladung des Energiespeichers 6 die schaltbaren Strecken der Schaltelemente S1-S6 mehrerer, insbesondere aller drei Halbbrücken, in einem Pulsbetrieb zwischen einem Sperrbetrieb und einem Durchlassbetrieb geschaltet werden. Insbesondere können dabei, beispielsweise um einen konstanten Entladestrom IE zu erzielen, die Verhältnisse zwischen Anschaltdauern und Ausschaltdauern für die Schaltelemente S1-S6 mehrerer Halbbrücken derart eingestellt werden, dass zyklisch abwechseln die Schaltelemente S1-S6 genau einer der Halbbrücken 11, 12, 13 im Durchlassbetrieb geschaltet sind. Die dazu verwendeten Schaltmuster sind beispielsweise in 4 dargestellt.
  • In 4 ist ein Diagramm dargestellt, in welchem die Anschaltdauern und Ausschaltdauern für die jeweiligen Steuerspannungen UGi der Schaltelemente S1-S6 abhängig von der Zeit t dargestellt sind. Der Verlauf der jeweiligen Steuerspannungen UG,i der Schaltelemente S1-S6 ist dabei übereinander in einzelnen Diagrammen dargestellt, um die Lage der jeweiligen Einschaltpulse zueinander deutlich zu machen.
  • Ersichtlich werden die Schaltelemente S1 und S4, welche die erste Halbbrücke 11 bilden, gleichzeitig in einem ersten Zeitfenster t1 im Durchlassbetrieb betrieben. Entsprechend werden auch in einem nachfolgenden Zeitfenster t2, in dem die Schaltelemente S1 und S4 der ersten Halbbrücke 11 im Sperrbetrieb betrieben sind, die Schaltelemente S2 und S5 der zweiten Halbbrücke 12 im Durchlassbetrieb betrieben. In einem weiteren Zeitfenster t3, in dem sowohl die Schaltelemente der ersten Halbbrücke 11 als auch der zweiten Halbbrücke 12 jeweils im Sperrbetrieb betrieben werden, sind die Schaltelemente S6 und S6 der dritten Halbbrücke 13 in den Durchlassbetrieb geschaltet. Anschließend wiederholt sich das Schalten der Schaltelemente S1 - S6 beziehungsweise der Halbbrücken 11 - 13 zyklisch, wie für die Zeitfenster t4 bis t6 dargestellt ist. Das Verhältnis zwischen der Einschaltdauer ton und der Ausschaltdauer toff der Schaltelemente S1 - S6 beträgt dabei 1:2 bzw. ton=0,5*toff.
  • Auf diese Weise kann erreicht werden, dass in den Pulspausen, also während den Ausschaltphasen der einzelnen Schaltelemente S1-S6, ein Wärmeübergang von den Schaltelementen S1-S6 in die Kühleinrichtung 10 erfolgt. Somit kann vorteilhaft eine Temperatur der Schaltelemente S1-S6, beispielsweise eine Junction-Temperatur in den Schaltelementen S1-S6, wieder abnehmen, so dass die insgesamt während des aktiven Entladevorgangs auftretende Erwärmung der Schaltelemente S1-S6 begrenzt werden kann, beispielsweise auf eine maximale Junction-Temperatur von 200 °C oder weniger.
  • Wenn durch die Entladestromvorgabe eine maximale Höhe des Entladestroms IE vorgegeben wird, so kann vorgesehen sein, dass zyklisch zumindest zeitweise die Schaltelemente S1-S6 von wenigstens zwei der Halbbrücken 11 bis 13 gleichzeitig im Durchlassbetrieb geschaltet werden. Zur Illustration dieses Verfahrens sind in 5 die Steuerspannungen UG,i der Schaltelemente S1-S6 in einzelnen Diagrammen übereinander dargestellt. Zum Erreichen des maximalen Entladestroms IE sind zusätzlich die Steuerspannungen UG,i der Schaltelemente S1-S6 derart eingestellt, dass sich die kleinstmöglichen Widerstände RDS,i im Durchlassbetrieb der Schaltelemente S1- S6 ergeben. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Steuerspannung UG,i der jeweils maximal zulässigen Steuerspannung UG,i,max der Schaltelemente S1-S6 entspricht.
  • Ersichtlich überlappt in einem Teil des Zeitfensters t1 die Anschaltphase der Schaltelemente S1 und S4 der ersten Halbbrücke 11 mit der Anschaltphase der Schaltelemente S2 und S5 der zweiten Halbbrücke 12. Die zweite Hälfte der Anschaltphase der Schaltelemente S2 und S5 der zweiten Halbbrücke 12 überlappt in einem Teil des Zeitfenster tt entsprechend mit der Anschaltphase der Schaltelemente S6 und S6 der dritten Halbbrücke 13. Anschließend erfolgt zu Beginn des Zeitfensters t3 ohne eine weitere Überlappung ein erneutes Einschalten der Schaltelemente S1 und S4 der ersten Halbbrücke 11, worauf sich das vorangehend beschreibende Schaltmuster periodisch fortsetzt. Dies ermöglicht es, dass sich aufgrund des parallelen Einschaltens mehrerer der Schaltelemente S1 bis S6, beziehungsweise dem zumindest zeitweise leitfähig Schalten wenigstens zwei der Halbbrücken 11, 12, 13, ein höherer Entladestrom einstellt.
  • Das Einregeln eines konstanten Ladestroms IE ist in so einem Szenario nicht möglich und insbesondere aufgrund der nur selten und als Notfallmaßnahme durchgeführten Schnellentladung auch nicht zwingend erforderlich. Gegenüber dem normalen Betrieb zur aktiven Entladung, welcher beispielsweise bei einem Vorgang mit hoher Zyklenzahl, wie dem Abschalten der elektrischen Schaltungsanordnung 2 beziehungsweise des Kraftfahrzeugs 1, erfolgen kann, stellt eine derartige Schnellentladung eine Notfallmaßnahme dar, welche in Reaktion auf einen aufgetretenen Fehler in der elektrischen Schaltungsanordnung 2 und/oder in dem Kraftfahrzeug 1 durchgeführt werden kann. Eine derartige Schnellentladung kann beispielsweise erfolgen, wenn das Kraftfahrzeug 1 in einen Unfall verwickelt ist. In diesem Fall kann beispielsweise eine das Auftreten des Unfalls oder eines anderen Fehlerfalls im Kraftfahrzeug 1 beschreibende Fehlerinformation an die Steuereinrichtung 7 übermittelt werden, welche entsprechend die Schnellentladung durch die Ansteuerung der Schaltelemente S1-S6 umsetzt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016207373 A1 [0004]
    • DE 102017121579 A1 [0004]
    • DE 102018202661 A1 [0004]
    • EP 2475085 A1 [0005]
    • US 2019/0296634 A1 [0006]
    • US 2015/0280611 A1 [0007]

Claims (13)

  1. Verfahren zum aktiven Entladen eines elektrischen Energiespeichers (6) über eine elektrische Schaltungsanordnung (5), welche wenigstens eine Halbbrücke (11, 12, 13) aus zwei Schaltelementen (S1-S6) umfasst, wobei die Halbbrücke (11, 12, 13) parallel zu dem Energiespeicher (6) geschaltet ist und die Schaltelemente (S1-S6) jeweils einen schaltbaren Abschnitt aufweisen, dessen elektrischer Widerstand in einem Durchlassbetrieb des Schaltelements (S1-S6) über eine Steuerspannung (UG) des Schaltelements (S1-S6) einstellbar ist, wobei zur Entladung des Energiespeichers (6) die Höhe der Steuerspannungen der schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente (S1-S6) im Durchlassbetrieb und/oder das Verhältnis zwischen einer Anschaltdauer, in der die schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente (S1-S6) während des Entladens im Durchlassbetrieb betrieben werden, und einer Ausschaltdauer, in der die schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente (S1-S6) während des Entladens in einem Sperrbetrieb betrieben werden, in Abhängigkeit einer die Höhe eines Entladestroms (IE) des Energiespeichers (6) beschreibenden Entladestromvorgabe eingestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhen der Steuerspannungen (UG) und/oder das Verhältnis zwischen Anschaltdauer und Ausschaltdauer während der Entladung in Abhängigkeit wenigstens einer den Entladestrom (IE) und/oder eine Spannung (UE) des Energiespeichers (6) beschreibenden Messgröße eingestellt, insbesondere geregelt, werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die Entladestromvorgabe ein während des Entladens konstanter Entladestrom (IE) vorgegeben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des konstanten Entladestroms (IE) in Abhängigkeit einer das Alter und/oder die Alterung der Schaltelemente (S1-S6) beschreibenden Alterungsinformation vorgegeben wird, insbesondere, dass bei zunehmendem Alter und/oder zunehmender Alterung eine geringere Höhe des Entladestroms (IE) vorgegeben wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Schaltungsanordnung (5) mit mehreren, jeweils parallel zu dem Energiespeicher (6) geschalteten Halbbrücken (11, 12, 13), insbesondere eine als mehrphasiger Pulswechselrichter ausgebildete elektrische Schaltungsanordnung (5), verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Entladung des Energiespeichers (6) die schaltbaren Strecken der Schaltelemente (S1-S6) mehrerer Halbbrücken (11, 12, 13) jeweils in einem Pulsbetrieb zwischen einem Sperrbetrieb und einem Durchlassbetrieb geschaltet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Höhe des Entladestroms (IE) während der Entladung die Verhältnisse zwischen Anschaltdauer und Ausschaltdauer für die Schaltelemente (S1-S6) mehrerer der Halbbrücken (11, 12, 13) derart eingestellt werden, dass zyklisch abwechselnd die Schaltelemente (S1-S6) genau einer der Halbbrücken im Durchlassbetrieb geschaltet sind oder dass zyklisch zumindest zeitweise die Schaltelemente (S1-S6) von wenigstens zwei der Halbbrücken (11, 12, 13) gleichzeitig im Durchlassbetrieb geschaltet sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorgabe eines maximalen Entladestroms (IE) zyklisch zumindest zeitweise die Schaltelemente (S1-S6) von wenigstens zwei der Halbbrücken (11, 12, 13) gleichzeitig im Durchlassbetrieb geschaltet sind, wobei über die Steuerspannungen (UG) die kleinstmöglichen Widerstände im Durchlassbetrieb eingestellt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltelemente (S1-S6) Transistoren, insbesondere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren aus Siliziumcarbid, verwendet werden.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeicher (6) ein Zwischenkreiskondensator eines Hochvolt-Netzes, insbesondere mit einer Spannung zwischen 250 V und 1500 V, verwendet wird.
  11. Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Steuerspannungen für wenigstens zwei Schaltelemente (S1-S6) wenigstens einer Halbbrücke (11, 12, 13) einer mit der Steuereinrichtung (7) verbindbaren oder verbundenen elektrischen Schaltungsanordnung (5) zu erzeugen, wobei die Steuereinrichtung (7) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
  12. Elektrische Schaltungseinrichtung umfassend eine Steuereinrichtung (7) nach Anspruch 11, einen elektrischen Energiespeicher und eine elektrischen Schaltungsanordnung (5) mit wenigstens einer Halbbrücke (11, 12, 13) aus zwei Schaltelementen (S1-S6), wobei die Halbbrücke (11, 12, 13) parallel zu dem Energiespeicher (6) geschaltet ist und die Schaltelemente (S1-S6) jeweils einen schaltbaren Abschnitt aufweisen, dessen Widerstand über eine Steuerspannung (UG) des Schaltelements (S1- S6) einstellbar ist.
  13. Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Schaltungseinrichtung (2) nach Anspruch 12.
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