EP2534757A1 - Schaltentlastung für einen trennschalter - Google Patents

Schaltentlastung für einen trennschalter

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Publication number
EP2534757A1
EP2534757A1 EP11702617A EP11702617A EP2534757A1 EP 2534757 A1 EP2534757 A1 EP 2534757A1 EP 11702617 A EP11702617 A EP 11702617A EP 11702617 A EP11702617 A EP 11702617A EP 2534757 A1 EP2534757 A1 EP 2534757A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switch
semiconductor switch
circuit
battery
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11702617A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Komma
Kai Kriegel
Jürgen RACKLES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2534757A1 publication Critical patent/EP2534757A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0814—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R25/00—Fittings or systems for preventing or indicating unauthorised use or theft of vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/548—Electromechanical and static switch connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/001—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection limiting speed of change of electric quantities, e.g. soft switching on or off

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for switching discharge of a circuit breaker for galvanic isolation of an electrical connection and an associated method for switching discharge.
  • Travel drives for electrically powered vehicles usually have a battery and an inverter for the operation of the electric motor or motors.
  • the battery provides the electrical power and the inverter converts the DC voltage of the battery into a suitable alternating voltage or three-phase current. For security reasons, the
  • the dependent claims relate to advantageous Ausges ⁇ taltungen the invention.
  • the inventive arrangement for switching discharge of a circuit breaker for the electrical isolation of an electrical connection has at least one semiconductor switch. It is further configured to allow the separation of the electrical connection to let the current to be disconnected via the semiconductor switch, so that a reduced voltage build-up is effected via the circuit breaker at its shutdown.
  • There are various setups or reduction ⁇ hens have, in which the current to be disconnected before or after the switching off of the circuit breaker flows through the semiconductor switch.
  • the semiconductor switch is electrically connected to the circuit breaker.
  • the disconnecting switch can be switched off in such a way that it either remains completely free of voltage and current or at least provides an escape path for the current, which reduces or prevents arcing. This ensures that the
  • the current through the semiconductor switch is turned off by the semiconductor switch is non-conducting maral ⁇ tet when the current to be disconnected flows through the semiconductor switch. This can be done before the disconnect switch is turned off or after the disconnect switch is turned off.
  • the circuit breaker corresponds to the necessarily existing battery disconnector for galvanic isolation of the battery from the DC link.
  • the arrangement is used for switching the battery disconnect switch.
  • problems arise there especially since, in contrast to conventionally operated vehicles, significantly higher voltages are used for electrically operated vehicles, in particular those above 24V. Typical voltages can be more than 400V.
  • a series circuit of a mechanical discharge switch and the semiconductor switch is arranged parallel to the circuit breaker. It is expedient that for the separation of the electrical connection only the mechanical switch, then the semiconductor switch are turned on and then the circuit breaker is switched non-conductive. This ensures that the mechanical discharge switch is switched on withoutponsbelas ⁇ tion, and can switch over when switching off the separation scarf ⁇ ters the current to the semiconductor switch and the mechanical discharge switch. Furthermore, it is expedient if after the circuit breaker first the semiconductor switch is turned off, that is placed in the non-conductive state. Finally, the mechanical discharge switch is expediently reopened. According to a further embodiment of the invention, the current to be disconnected already flows through the semiconductor switch before the disconnector is switched off. For this purpose, the semiconductor switch is arranged in particular in series with the circuit breaker. In this structure, it is expedient that for the separation of the electrical connection of the semiconductor switch is first switched non-conductive and then the circuit breaker is switched till ⁇ .
  • an overvoltage protection device for the semiconductor switch is provided parallel to the semiconductor switch. This serves to limit the voltage across the semiconductor switch and absorbs, for example, overvoltages caused by Lead inductances occur when switching off the battery current.
  • the disconnecting switch is used to disconnect a voltage source from, for example, a converter
  • the arrangement comprises a precharge circuit.
  • the precharge circuit has a series circuit of a mechanical precharge switch and a precharge resistor for current limiting. It is arranged parallel to the disconnector.
  • the semiconductor switch takes over the function of a current limiting by a pulsed on and off.
  • the semiconductor switch can effectively take over the function of a Vorladescnies in addition to the function of the switching discharge.
  • a second overvoltage protection device may be provided in series with the circuit breaker. In electric vehicles, this serves to the battery against over-voltages from the direction of the electric motor to Schütting ⁇ zen. These can occur during field weakening operation, for example, if the inverter fails.
  • the semiconductor switch takes over in addition to the switching discharge and the function of the second overvoltage protection device. It is expedient if, for example, a reverse blocking IGBT is used as a semiconductor switch. This has sufficient blocking capability in both directions.
  • FIG. 1 shows a circuit with a battery disconnect switch, a parallel discharge circuit and a precharge circuit
  • FIG. 2 shows a circuit with a battery disconnect switch and a parallel discharge circuit
  • Figure 3 is a circuit with battery disconnector, serially arranged discharge circuit and circuit for pre-charging, the semiconductor switch of the discharge circuit is protected against overvoltages
  • Figure 4 shows a circuit with battery disconnector, serially arranged discharge circuit and circuit for pre-charging, wherein the semiconductor switch of the discharge circuit by means of an RC circuit protected against overvoltages
  • Figure 5 shows another circuit with battery disconnector and serially arranged discharge circuit
  • Figure 6 shows a circuit with battery disconnector and serially arranged semiconductor device acting as a discharge circuit and battery protection switch.
  • FIG. 1 shows a highly schematic of the structure of a drive ⁇ system 10 according to a first embodiment of an electrically powered vehicle. It is known that in electrically powered vehicles instead of a conventional engine, often more electric motors are used, for example, to drive the wheels of the vehicle separately.
  • the electric motor 1 is represented in the figures as representative of the one or more electric motors 1 that are used in the electrically operated vehicle. In the example shown, the electric motor 1 is a permanent magnetically excited synchronous motor.
  • an inverter 2 is seen easily.
  • the converter 2 is constructed per se in a known manner and connected on the output side in a suitable manner to the electric motor 1.
  • the inverter 2 On the input side, the inverter 2 is indirectly connected to a battery 3.
  • the battery provides a DC voltage. Therefore, in rectifier 2 expediently no rectifier is provided. This in turn means that typically the battery 3 is connected to the intermediate circuit of the converter 2 via intermediate components, which are described below.
  • a mechanical battery disconnector 4 is provided between the positive terminal of the battery 3 and the intermediate circuit of the inverter 2.
  • the battery disconnect switch 4 is designed to be able to carry the rated current and to ensure galvanic isolation in the opened state.
  • the drive system 10 according to figure 1 parallel to the Batte ⁇ advised gas circuit breaker 4 has a precharge circuit.
  • the precharge circuit consists of a series connection of a mechanical pre-charge switch 14 and a precharge resistor 13.
  • the precharge circuit is used at the time of turning on the battery disconnect switch 4. At this time, the discharged DC link capacity acts as a short circuit. To limit the current flowing, therefore, the precharge circuit is first used to turn on until the intermediate circuit is sufficiently precharged. Only then is the battery disconnect switch 4 closed and the mechanical precharge switch 14 reopened. Also in parallel with the battery disconnect switch 4, and also in parallel to the precharge, components for switching the battery disconnect switch 4 are provided in the circuit of Figure 1. These are ⁇ a series circuit of a mechanical relief switch 15 and an IGBT 11. Parallel to the IGBT 11, a protection circuit is provided against overvoltages for the IGBT 11, which includes a suppressor diode 12.
  • an overvoltage protection module 5 is provided between the battery breaker 4 and the other components connected in parallel therewith. This consists of an IGBT 6 and a diode from the inverter 2 to the battery 3 arranged blocking 7. If in the circuit of Figure 1, the battery current, possibly the maximum battery current, are turned off, the following switching operations are performed. It is assumed that the battery disconnect switch 4 is turned on, the mechanical discharge switch 15 and the semiconductor switch 11 are turned off and the me ⁇ chanische precharge switch 14 is also off. The current thus flows through the battery disconnect switch 4.
  • the mechanical discharge switch 15 is turned on first. This causes due to the switched-off semicon terschalter 11 still no change.
  • the semiconductor switch 11 is turned on.
  • the battery disconnector 4 is opened. Since the current can now take the detour via the discharge circuit, the voltage across the battery disconnect switch 4 remains low. Therefore, the shutdown of the battery disconnect switch 4 is problematic . In other words, the battery disconnect switch 4 does not have to be designed to shut off the high maximum battery current in its design.
  • the semiconductor switch 11 is turned off. The intermediate circuit voltage therefore builds up on the semiconductor switch 11. This can still be increased by the line inductances, for example, the battery ⁇ cable. Possible overvoltages are limited in this example by the suppressor diode 12.
  • the mechanical discharge switch 15 is de-energized
  • the battery disconnect switch 4 is not switched off without current.
  • a low-impedance path for the flow of current is offered.
  • the mechanical discharge switch 15 as well as the battery disconnector 4 for a galvanic isolation of the battery 3 and the intermediate circuit of the inverter 2 as well as that the current can only take over the semiconductor switch 11 for the shutdown.
  • the mechanical relief switch 15 itself is switched off after switching off the semiconductor switch 11 de-energized ⁇ .
  • the problematic shutdown is thus shifted from Batte ⁇ rietrennschalter 4 on the semiconductor switch 11. There, the shutdown is not a problem.
  • the semiconductor switch 11 is in the current path only for a short time.
  • control device In order to control the operations in the structure according to the Fi gur ⁇ 1 as well as the other embodiments, is a control device present. In the first exemplary embodiment, this controls the mechanical pre-charge switch 14, the mechanical release switch 15 and the battery disconnector 4. It also controls the semiconductor switch 11. Furthermore, the control device controls the IGBT 6, which is responsible for the overvoltage protection of the battery 3. For this it is expedient if a constant monitoring of the func ⁇ onsttle the IGBT 6 is provided. This is also operated by the controller.
  • a second embodiment of the invention will be described with reference to FIG.
  • the second embodiment is constructed similar to the first embodiment.
  • no precharge circuit is provided in the second embodiment. That is, in the second embodiment, the mechanical precharge switch 14 and the precharge resistor 13 are omitted.
  • the discharge ⁇ circuit takes from the semiconductor switch 11 and the mechanical Relief switch 15 the task of Vorladescnies.
  • the semiconductor switch 11 is capable of high
  • the discharge circuit is used until the intermediate circuit is sufficiently preloaded.
  • the mechanical ⁇ cal discharge switch 15 is turned on and the semiconductor switch 11 off at a high frequency, for example, a frequency of 5 kHz and off. If the intermediate circuit is sufficiently precharged, the battery disconnector 4 is closed, the semiconductor switch 11 is turned off and the mechanical release switch 15 is opened again.
  • the Entlas ⁇ processing circuit at the same time a precharge circuit.
  • FIG. 3 shows a structure 30 according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • the elements electric motor 1, inverter 2, battery 3 and battery disconnector 4 and the overvoltage protection 5 for the battery 3 are realized and arranged in an analogous manner to the first and second embodiments.
  • the Ent ⁇ lastungsscnies composed of the IGBT 11 and the parallel to the IGBT 11 provided suppressor diode 12.
  • the Entlas ⁇ processing circuit is in the third embodiment in series with the battery disconnect switch 4 between it and the surge protector 5 is provided.
  • a precharge circuit is provided ⁇ analogous to that of the first embodiment in the third embodiment.
  • the precharge circuit consists of a mechanical precharge switch 14 in series with a precharge resistor 13. Both elements are in parallel with the battery disconnect switch 4 arranged.
  • the function of the precharge circuit is analogous to that in the first embodiment.
  • the semiconductor switch 11 is first turned off to turn off the power. This ent ⁇ standing surges are limited as already described by the suppressor diode 12. As in the first or second embodiment, the switching off of the current from the battery disconnector 4 to the semiconductor switch 11 is thus relocated. After switching off the semiconductor switch 11, the battery disconnector 4 can be opened in the de-energized state.
  • the semiconductor switch 11 is constantly in the circuit of battery 3 and Umrich ⁇ ter 2. In other words, it always leads the current flowing through the battery disconnector 4.
  • semiconductor switches 11 have a higher electrical resistance than mechanical switches 4, 14, 15. Therefore, fall in the circuit according to the third embodiment higher elec ⁇ cal losses than in the circuits according to the first and second embodiments. For this Switching Power ⁇ control and control technical expenditure is reduced because, in contrast to the three mechanical switches off the first two me ⁇ chanical switches provide leadership example in the third embodiment.
  • a fourth exemplary embodiment according to FIG. 4 shows how the overvoltage protection for the semiconductor switch 11 can be constructed as an alternative to the use of the suppressor diode 12.
  • a circuit is parallel to the semiconductor switch 11 is provided consisting of a parallel to the semiconducting ⁇ terschalter 11 disposed resistor 41 and, disposed parallel to both aforementioned elements capacitor 42nd
  • the possibilities used for the overvoltage protection that is to say suppressor diode 12 and RC circuit, can also be used in combination with one another.
  • a further simplification of the structure and thus of the tax-technical effort results when a circuit according to the fifth embodiment, shown in Figure 5 is used.
  • the elements electric motor 1, inverter 2, battery 3 and battery disconnect switch 4 and the overvoltage protection 5 for the battery 3 are in the fifth embodiment ⁇ example again realized and arranged in an analogous manner to the first and second embodiments.
  • the discharge circuit of the semiconductor switch 11 and its overvoltage protection in this case formed by a suppressor diode 12, is provided.
  • the semiconductor switch 11 is arranged as in the third and fifth embodiments in series with the battery disconnector 4 between this and the overvoltage protection 5 for the battery 3.
  • the discharge ⁇ circuit next to the switching relief for the battery disconnector 4 again assumes the function of the precharge.
  • the function of the switching relief for the battery disconnect switch 4 works analogously to the third and fourth adoptedsbei- game. Again, the shutdown process is performed by the semiconductor switch 11 and the battery disconnector 4 is turned off in the de-energized state.
  • Figure 6 shows a final, sixth embodiment of the invention.
  • the elements of electric motor 1, the inverter 2, battery 3 and battery disconnect switch 4 are in turn implemented in the sixth embodiment in a manner analogous to the first and th two ⁇ embodiment and arranged.
  • the overvoltage protection 5 for the battery 3 and the discharge circuit are combined into a single circuit.
  • a so-called reverse blocking IGBT 61 is provided in series with the battery isolating switch 4. Parallel to the reverse blocking IGBT 61, an overvoltage protection is provided for this. This consists in the sixth embodiment of two anti-serially connected suppressor diodes 62, 63rd
  • the reverse blocking IGBT 61 takes over the switching discharge for the battery disconnector 4, by the shutdown of
  • the reverse blocking IGBT 61 still assumes the function of Sprintwoodsschut ⁇ zes 5 for the battery 3. It is expedient that the reverse blocking IGBT 61 is turned on to allow current flow from the battery 3 to the inverter 2, but can be switched off at any time to block any overvoltages from the direction of the electric motor 1. For this purpose, it is expedient ⁇ SSGIs, a permanent function monitoring for the reverse Bio- Cking IGBT 61 to provide, as it is already the case for the overvoltage protection 5 from the first to fifth embodiments. It is understood that certain components of the here ge Service ⁇ th circuits must be provided repeatedly in an electrically powered vehicle under certain circumstances.
  • a converter 2 is provided for each of the electric motors 1, a converter 2 is provided.
  • several batteries can be provided in the vehicle 3 ⁇ en.
  • the number of other components presented in the figures can be easily adapted to the number of electric motors 1, converters 2 or batteries 3.

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Abstract

Es wird eine Schaltentlastung für einen Trennschalter (4) angegeben für die Anwendung im Bereich elektrischer Fahrzeuge, bei der der Trennschalter (4) eine galvanische Trennung zwischen Batterie und Zwischenkreis vornehmen muss. Dazu wird wenigstens ein Halbleiterschalter (11) eingesetzt. Für die Trennung der elektrischen Verbindung wird der abzuschaltende Strom über den Halbleiterschalter (11) geleitet. Davor oder danach wird der Trennschalter (4) bei reduziertem Spannungsaufbau abgeschaltet.

Description

Beschreibung
Schaltentlastung für einen Trennschalter Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Schaltentlastung eines Trennschalters zur galvanischen Trennung einer elektrischen Verbindung sowie ein zugehöriges Verfahren zur Schaltentlastung . Fahrantriebe für elektrisch betriebene Fahrzeuge weisen für den Betrieb des oder der Elektromotoren üblicherweise eine Batterie und einen Umrichter auf. Die Batterie stellt die elektrische Leistung zur Verfügung und der Umrichter setzt die Gleichspannung der Batterie in eine geeignete Wechsel- Spannung oder Drehstrom um. Aus Sicherheitsgründen ist die
Möglichkeit einer galvanischen Trennung der Batterie vom Zwischenkreis des Umrichters zwingend vorgeschrieben. Diese Trennung muss zu jeder Zeit möglich sein. In elektrisch betriebenen Fahrzeugen werden daher Batterietrennschalter (Batterieschütze) eingesetzt, die den maximalen Batteriestrom abschalten können. Die auftretenden möglichen Ströme sind dabei vergleichsweise hoch, da beim von der Bat¬ terie gelieferten Gleichstrom ein Nulldurchgang nicht auf- tritt. Daher fällt der Batterietrennschalter vergleichsweise sperrig aus und ist teuer.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden oder abzumildern. Insbesondere soll eine Möglichkeit geschaffen werden, den Batterietrennschalter in kleinerer Bauform auszugestalten.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Schaltentlastung für einen Trennschalter mit den Merkmalen von Anspruch 1 ge- löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausges¬ taltungen der Erfindung. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Schaltentlastung eines Trennschalters zur galvanischen Trennung einer elektrischen Verbindung weist wenigstens einen Halbleiterschalter auf. Sie ist weiterhin ausgestaltet, für die Trennung der elektrischen Verbindung den abzuschaltenden Strom über den Halbleiterschalter fließen zu lassen, so dass ein verminderter Spannungsaufbau über den Trennschalter bei dessen Abschaltung bewirkt wird. Dabei gibt es verschiedene Aufbaumöglichkeiten bzw. Vorge¬ hensweisen, bei denen der abzuschaltende Strom vor oder nach dem Abschalten des Trennschalters über den Halbleiterschalter fließt. Zweckmäßig ist der Halbleiterschalter elektrisch mit dem Trennschalter verbunden.
Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass der Trennschalter so abgeschaltet werden kann, dass er entweder völlig spannungs- und stromfrei bleibt oder zumindest ein Ausweichpfad für den Strom bereitgestellt ist, der eine Lichtbogenbildung vermin- dert oder unterbindet. Dadurch wird erreicht, dass sich die
Anforderungen an den Trennschalter reduzieren. Er muss lediglich in der Lage sein, die galvanische Trennung sicherzustel¬ len und den Nennstrom zu führen. Dadurch ist es möglich, den Trennschalter in kleinerer Bauform auszugestalten.
Bevorzugt wird der Strom durch den Halbleiterschalter abgeschaltet, indem der Halbleiterschalter nichtleitend geschal¬ tet wird, wenn der abzuschaltende Strom über den Halbleiterschalter fließt. Das kann geschehen, bevor der Trennschalter abgeschaltet wird oder nachdem der Trennschalter abgeschaltet wird .
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der Anordnung in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug. Der Trennschalter entspricht dem notwendigerweise vorhandenen Batterietrennschalter zur galvanischen Trennung der Batterie vom Zwischenkreis. Die Anordnung wird zur Schaltentlastung des Batterietrennschalters eingesetzt. Gerade hier wirkt sich aufgrund des begrenzten Einbauplatzes eine verringerte Größe des Batterietrennschal¬ ters besonders positiv aus. Weiterhin treten gerade dort Probleme auf, da bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen im Gegensatz zu herkömmlich betriebenen Fahrzeugen deutlich erhöh- te Spannungen verwendet werden, insbesondere solche über 24V. Typische Spannungen können mehr als 400 V betragen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Serienschaltung aus einem mechanischen Entlastungsschalter und dem Halb- leiterschalter parallel zum Trennschalter angeordnet. Dabei ist es zweckmäßig, dass für die Trennung der elektrischen Verbindung erst der mechanische Schalter, danach der Halbleiterschalter leitend geschaltet werden und dann der Trennschalter nichtleitend geschaltet wird. Dadurch wird erreicht, dass der mechanische Entlastungsschalter ohne Spannungsbelas¬ tung eingeschaltet wird, und bei Abschaltung des Trennschal¬ ters der Strom auf den Halbleiterschalter und den mechanischen Entlastungsschalter übergehen kann. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn nach dem Trennschalter zuerst der Halbleiterschalter abgeschaltet wird, also in den nichtleitenden Zustand versetzt wird. Schließlich wird zweckmäßig der mechanische Entlastungsschalter wieder geöffnet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung fließt der abzuschaltende Strom bereits vor dem Abschalten des Trennschalters über den Halbleiterschalter. Dazu ist der Halbleiterschalter insbesondere in Serie zum Trennschalter angeordnet. Bei diesem Aufbau ist es zweckmäßig, dass für die Tren- nung der elektrischen Verbindung erst der Halbleiterschalter nichtleitend geschaltet wird und dann der Trennschalter abge¬ schaltet wird.
Bevorzugt ist parallel zum Halbleiterschalter eine Überspan- nungsschutzeinrichtung für den Halbleiterschalter vorgesehen. Diese dient zur Spannungsbegrenzung über den Halbleiterschalter und fängt beispielsweise Überspannungen auf, die durch Leitungsinduktivitäten beim Abschalten des Batteriestroms auftreten .
Dient der Trennschalter zur Trennung einer Spannungsquelle von beispielsweise einem Umrichter, so ist es vorteilhaft, wenn die Anordnung eine Vorladeschaltung umfasst. Die Vorladeschaltung weist eine Serienschaltung aus einem mechanischen Vorladeschalter und einem Vorladewiderstand zur Strombegrenzung auf. Sie ist parallel zum Trennschalter angeordnet.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung übernimmt der Halbleiterschalter die Funktion einer Strombegrenzung durch eine gepulste An- und Abschaltung. Dadurch kann der Halbleiterschalter effektiv neben der Funktion der Schaltentlastung auch die Funktion einer Vorladeschaltung übernehmen .
In bestimmten Einsatzgebieten kann eine zweite Überspannungsschutzeinrichtung in Serie zum Trennschalter vorgesehen sein. In elektrischen Fahrzeugen dient diese dazu, die Batterie vor Überspannungen aus der Richtung des Elektromotors zu schüt¬ zen. Diese können bei Feldschwäche-Betrieb beispielsweise auftreten, wenn der Umrichter ausfällt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung übernimmt der Halbleiterschalter zusätzlich zur Schaltentlastung auch die Funktion der zweiten Überspannungsschutzeinrichtung. Dabei ist es zweckmäßig, wenn als Halbleiterschalter beispielsweise ein Reverse Blocking IGBT verwendet wird. Dieser weist in beide Richtungen eine ausreichende Sperrfähigkeit auf.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbei¬ spiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale sche¬ matisiert dargestellt. Es zeigen Figur 1 eine Schaltung mit Batterietrennschalter, parallel angeordneter Entlastungsschaltung und Schaltung zur Vorladung,
Figur 2 eine Schaltung mit Batterietrennschalter und paral- lel angeordneter Entlastungsschaltung,
Figur 3 eine Schaltung mit Batterietrennschalter, seriell angeordneter Entlastungsschaltung und Schaltung zur Vorladung, wobei der Halbleiterschalter der Entlastungsschaltung gegen Überspannungen geschützt ist, Figur 4 eine Schaltung mit Batterietrennschalter, seriell angeordneter Entlastungsschaltung und Schaltung zur Vorladung, wobei der Halbleiterschalter der Entlastungsschaltung mittels einer RC-Schaltung gegen Überspannungen geschützt ist,
Figur 5 eine weitere Schaltung mit Batterietrennschalter und seriell angeordneter Entlastungsschaltung, Figur 6 eine Schaltung mit Batterietrennschalter und seriell angeordnetem Halbleiterbauelement, das als Entlastungsschaltung und Batterieschutzschalter agiert.
Figur 1 zeigt stark schematisiert den Aufbau eines Antriebs¬ systems 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Es ist bekannt, dass in elektrisch betriebenen Fahrzeugen statt einem herkömmlichen Motor oft mehrere Elektromotoren zum Einsatz kommen, um beispielsweise die Räder des Fahrzeugs separat anzutreiben. Der Elektromotor 1 steht in den Figuren stellvertretend für den einen oder die mehreren Elektromotoren 1, die in dem elekt- risch betriebenen Fahrzeug verwendet werden. Der Elektromotor 1 ist in dem gezeigten Beispiel ein permanentmagnetisch erregter Synchronmotor.
Zum Betreiben des Synchronmotors 1 ist ein Umrichter 2 vorge sehen. Der Umrichter 2 ist für sich genommen in bekannter Weise aufgebaut und ausgangsseitig in geeigneter Weise mit dem Elektromotor 1 verbunden. Eingangsseitig ist der Umrichter 2 indirekt mit einer Batterie 3 verbunden. Die Batterie liefert eine Gleichspannung. Daher wird in Umrichter 2 zweckmäßig kein Gleichrichter vorgesehen. Das bedeutet wiederum, dass typischerweise die Batterie 3 über Zwischenkomponenten, die im Folgenden beschrieben werden, mit dem Zwischenkreis des Umrichters 2 verbunden ist.
In einem elektrisch betriebenen Fahrzeug ist es aufgrund der vergleichsweise hohen Zwischenkreisspannungen vorgeschrieben, eine galvanische Trennung der Batterie 3 vom Zwischenkreis des Umrichters 2 vornehmen zu können. Dazu ist zwischen dem positiven Anschluss der Batterie 3 und dem Zwischenkreis des Umrichters 2 ein mechanischer Batterietrennschalter 4 vorgesehen. Der Batterietrennschalter 4 ist ausgelegt, den Nennstrom tragen zu können und die galvanische Trennung im geöff- neten Zustand sicherzustellen.
Das Antriebssystem 10 gemäß Figur 1 weist parallel zum Batte¬ rietrennschalter 4 eine Vorladeschaltung auf. Die Vorladeschaltung besteht aus einer Reihenschaltung eines mechani- sehen Vorladeschalters 14 und eines Vorladewiderstands 13.
Die Vorladeschaltung wird zum Zeitpunkt des Einschaltens des Batterietrennschalters 4 verwendet. Zu diesem Zeitpunkt wirkt die entladene Zwischenkreiskapazität wie ein Kurzschluss. Um den fließenden Strom zu begrenzen, wird daher zum Einschalten zuerst die Vorladeschaltung benutzt, bis der Zwischenkreis ausreichend vorgeladen ist. Erst dann wird der Batterietrennschalter 4 geschlossen und der mechanische Vorladeschalter 14 wieder geöffnet. Ebenfalls in Parallelschaltung zum Batterietrennschalter 4, und weiterhin auch in Parallelschaltung zur Vorladeschaltung, sind in der Schaltung gemäß Figur 1 Komponenten zur Schaltentlastung des Batterietrennschalters 4 vorgesehen. Diese be¬ stehen aus einer Serienschaltung aus einem mechanischen Ent- lastungsschalter 15 und einem IGBT 11. Parallel zum IGBT 11 ist eine Schutzschaltung gegen Überspannungen für den IGBT 11 vorgesehen, die eine Suppressor-Diode 12 umfasst. Bei elektrischen Antrieben mit permanenterregten Synchronmaschinen kann es bei einem Ausfall des Umrichters 2 im Feld¬ schwächebetrieb zu hohen Spannungen kommen, die von der Batterie 3 abgehalten werden müssen. Daher ist zwischen dem Bat- terietrennschalter 4 und den dazu parallel geschalteten weiteren Komponenten ein Überspannungsschutzmodul 5 vorgesehen. Dieses besteht aus einem IGBT 6 und einer vom Umrichter 2 zur Batterie 3 sperrend angeordneten Diode 7. Soll in der Schaltung gemäß Figur 1 der Batteriestrom, gegebenenfalls der maximale Batteriestrom, abgeschaltet werden, werden die folgenden Schalthandlungen durchgeführt. Es wird dabei davon ausgegangen, dass der Batterietrennschalter 4 eingeschaltet ist, der mechanische Entlastungsschalter 15 so- wie der Halbleiterschalter 11 ausgeschaltet sind und der me¬ chanische Vorladeschalter 14 ebenfalls ausgeschaltet ist. Der Strom fließt somit über den Batterietrennschalter 4. Zum Abschalten wird zuerst der mechanische Entlastungsschalter 15 eingeschaltet. Dies bewirkt wegen dem abgeschalteten Halblei- terschalter 11 noch keine Änderung. Im nächsten Schritt wird der Halbleiterschalter 11 eingeschaltet. Im folgenden Schritt wird der Batterietrennschalter 4 geöffnet. Da der Strom nun den Umweg über die Entlastungsschaltung nehmen kann, bleibt die Spannung über den Batterietrennschalter 4 gering. Daher ist der Abschaltvorgang des Batterietrennschalters 4 problem¬ los. Mit anderen Worten muss der Batterietrennschalter 4 in seiner Auslegung nicht für die Abschaltung des hohen maximalen Batteriestroms ausgelegt werden. Im nächsten Schritt wird der Halbleiterschalter 11 abgeschaltet. Über den Halbleiterschalter 11 baut sich daher die Zwi- schenkreisspannung auf. Diese kann dabei noch erhöht werden durch die Leitungsinduktivitäten beispielsweise des Batterie¬ kabels. Eventuelle Überspannungen werden dabei in diesem Bei- spiel durch die Suppressor-Diode 12 begrenzt. In der Folge wird der mechanische Entlastungsschalter 15 stromlos abge¬ schaltet . Bei dem ersten gegebenen Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird also der Batterietrennschalter 4 zwar nicht stromlos abgeschaltet. Es wird jedoch ein niederohmiger Ausweichpfad für den Stromfluss geboten. Der mechanische Entlastungsschalter 15 sorgt ebenso wie der Batterietrennschalter 4 für eine galvanische Trennung von Batterie 3 und dem Zwischenkreis des Umrichters 2 sowie dafür, dass der Strom nur für den Abschaltvorgang den Weg über den Halbleiterschalter 11 nehmen kann. Der mechanische Entlastungsschalter 15 selbst wird nach dem Abschalten des Halbleiterschalters 11 stromlos abgeschal¬ tet. Der problematische Abschaltvorgang wird also vom Batte¬ rietrennschalter 4 auf den Halbleiterschalter 11 verlagert. Dort ist der Abschaltvorgang unproblematisch. Vorteilhafterweise ist bei dem Aufbau gemäß der Figur 1 der Halbleiter- Schalter 11 nur für kurze Zeit im Strompfad.
Um die Vorgänge zu steuern, ist bei dem Aufbau gemäß der Fi¬ gur 1 sowie den anderen Ausführungsbeispielen eine Steuerungseinrichtung vorhanden. Diese steuert im ersten Ausfüh- rungsbeispiel den mechanischen Vorladeschalter 14, den mechanischen Entlastungsschalter 15 und den Batterietrennschalter 4. Sie steuert weiterhin auch den Halbleiterschalter 11. Weiterhin steuert die Steuereinrichtung den IGBT 6, der für den Überspannungsschutz der Batterie 3 zuständig ist. Für diesen ist es zweckmäßig, wenn eine ständige Überwachung der Funkti¬ onsfähigkeit des IGBT 6 vorgesehen ist. Auch diese wird von der Steuereinrichtung mit betrieben.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird anhand der Figur 2 beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel ist dabei ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist im zweiten Ausführungsbeispiel keine Vorladeschaltung vorgesehen. Das bedeutet, dass im zweiten Ausführungsbeispiel der mechanische Vorladeschalter 14 und der Vorladewiderstand 13 entfallen.
Im zweiten Ausführungsbeispiel übernimmt die Entlastungs¬ schaltung aus dem Halbleiterschalter 11 und dem mechanischen Entlastungsschalter 15 die Aufgabe der Vorladeschaltung. Dazu wird eine Anpassung der Steuerung für die Entlastungsschal¬ tung, speziell für den Halbleiterschalter 11 in der Steuereinrichtung vorgenommen. Vorteilhaft wird dabei ausgenutzt, dass der Halbleiterschalter 11 in der Lage ist, mit hoher
Frequenz zu schalten und dadurch die Funktion des Widerstands 13 zu übernehmen. Zum Zeitpunkt des Einschaltens des Batte¬ rietrennschalters 4 wird, um den fließenden Strom zu begrenzen, daher die Entlastungsschaltung benutzt, bis der Zwi- schenkreis ausreichend vorgeladen ist. Dazu wird der mechani¬ sche Entlastungsschalter 15 eingeschaltet und der Halbleiterschalter 11 mit einer hohen Frequenz, beispielsweise einer Frequenz von 5 kHz ein- und ausgeschaltet. Ist der Zwischenkreis ausreichend vorgeladen, wird der Batterietrennschalter 4 geschlossen, der Halbleiterschalter 11 abgeschaltet und der mechanische Entlastungsschalter 15 wieder geöffnet. Im zwei¬ ten Ausführungsbeispiel ist also vorteilhaft mit der Entlas¬ tungsschaltung auch gleichzeitig eine Vorladeschaltung realisiert .
Die Figur 3 zeigt einen Aufbau 30 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Elemente Elektromotor 1, Umrichter 2, Batterie 3 und Batterietrennschalter 4 sowie der Überspannungsschutz 5 für die Batterie 3 sind in analoger Weise zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel realisiert und angeordnet. Im dritten Ausführungsbeispiel ist die Ent¬ lastungsschaltung aufgebaut aus dem IGBT 11 und der parallel zum IGBT 11 vorgesehenen Suppressor-Diode 12. Die Entlas¬ tungsschaltung ist im dritten Ausführungsbeispiel in Serie zum Batterietrennschalter 4 zwischen diesem und dem Überspannungsschutz 5 vorgesehen.
Weiterhin ist im dritten Ausführungsbeispiel eine Vorlade¬ schaltung analog zu der aus dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen. Die Vorladeschaltung besteht aus einem mechanischen Vorladeschalter 14 in Serie zu einem Vorladewiderstand 13. Beide Elemente sind parallel zum Batterietrennschalter 4 angeordnet. Die Funktion der Vorladeschaltung ist analog zu der im ersten Ausführungsbeispiel.
Im dritten Ausführungsbeispiel wird zum Abschalten des Stro- mes zuerst der Halbleiterschalter 11 abgeschaltet. Dabei ent¬ stehende Überspannungen werden wie bereits beschrieben von der Suppressor-Diode 12 begrenzt. Wie im ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel wird also die Abschaltung des Stromes vom Batterietrennschalter 4 auf den Halbleiterschalter 11 verla- gert. Nach dem Abschalten des Halbleiterschalters 11 kann der Batterietrennschalter 4 im stromlosen Zustand geöffnet werden .
Im dritten Ausführungsbeispiel befindet sich der Halbleiter- Schalter 11 ständig im Stromkreis von Batterie 3 und Umrich¬ ter 2. Er führt mit anderen Worten immer den Strom, der über den Batterietrennschalter 4 fließt. Bekanntermaßen haben Halbleiterschalter 11 einen höheren elektrischen Widerstand als mechanische Schalter 4, 14, 15. Deshalb fallen in der Schaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel höhere elek¬ trische Verluste an als in den Schaltungen gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. Dafür ist der schaltungs¬ technische und steuerungstechnische Aufwand reduziert, da im Gegensatz zu den drei mechanischen Schaltern des ersten Aus- führungsbeispiels im dritten Ausführungsbeispiel nur zwei me¬ chanische Schalter vorzusehen sind.
Ein viertes Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 4 zeigt, wie der Überspannungsschutz für den Halbleiterschalter 11 alter- nativ zur Verwendung der Suppressor-Diode 12 aufgebaut werden kann. Gemäß der Figur 4 ist parallel zum Halbleiterschalter 11 eine Schaltung bestehend aus einem parallel zum Halblei¬ terschalter 11 angeordneten Widerstand 41 und einem parallel zu beiden vorgenannten Elementen angeordneten Kondensator 42 vorgesehen. In einer weiteren Aufbaualternative können die verwendeten Möglichkeiten für den Überspannungsschutz, also Suppressor-Diode 12 und RC-Schaltung auch in Kombination miteinander verwendet werden. Eine weitere Vereinfachung des Aufbaus und damit auch des steuertechnischen Aufwands ergibt sich, wenn eine Schaltung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, dargestellt in Figur 5 verwendet wird. Die Elemente Elektromotor 1, Umrichter 2, Batterie 3 und Batterietrennschalter 4 sowie der Überspannungsschutz 5 für die Batterie 3 sind im fünften Ausführungs¬ beispiel wiederum in analoger Weise zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel realisiert und angeordnet.
Zusätzlich zu den genannten Elementen ist im fünften Ausführungsbeispiel lediglich die Entlastungsschaltung aus dem Halbleiterschalter 11 und seinem Überspannungsschutz, in diesem Fall gebildet durch eine Suppressor-Diode 12, vorgesehen. Der Halbleiterschalter 11 ist wie im dritten und fünften Ausführungsbeispiel in Serie zum Batterietrennschalter 4 zwischen diesem und dem Überspannungsschutz 5 für die Batterie 3 angeordnet . Im fünften Ausführungsbeispiel übernimmt die Entlastungs¬ schaltung neben der Schaltentlastung für den Batterietrennschalter 4 wieder die Funktion der Vorladeschaltung. Die Funktion der Schaltentlastung für den Batterietrennschalter 4 funktioniert analog zum dritten und vierten Ausführungsbei- spiel. Wiederum wird der Abschaltvorgang durch den Halbleiterschalter 11 vorgenommen und der Batterietrennschalter 4 im stromlosen Zustand abgeschaltet.
Für die Funktion der Vorladung wird der Halbleiterschalter 11 wiederum als strombegrenzendes Element eingesetzt. Dies pas¬ siert analog zum zweiten Ausführungsbeispiel durch ein aus¬ reichend hochfrequentes Ein- und Ausschalten des Halbleiter¬ schalters 11. Im fünften Ausführungsbeispiel wird der Batte¬ rietrennschalter 4 somit auch für die Aufgabe der Vorladung mit eingesetzt, die im zweiten Ausführungsbeispiel noch vom mechanischen Entlastungsschalter 15 übernommen wurde. Im fünften Ausführungsbeispiel ist daher ein einziger mecha¬ nischer Schalter, nämlich der ohnehin vorhandene Batterietrennschalter 4 vorgesehen. Dennoch sind im fünften Ausführungsbeispiel sowohl die Schaltentlastung für den Batterie- trennschalter 4 als auch die Vorladung durchführbar.
Figur 6 zeigt ein letztes, sechstes Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Elemente Elektromotor 1, Umrichter 2, Batterie 3 und Batterietrennschalter 4 sind im sechsten Ausfüh- rungsbeispiel wiederum in analoger Weise zum ersten und zwei¬ ten Ausführungsbeispiel realisiert und angeordnet.
Im sechsten Ausführungsbeispiel sind jedoch der Überspannungsschutz 5 für die Batterie 3 und die Entlastungsschaltung zu einer einzigen Schaltung zusammengefasst . Hierzu ist im sechsten Ausführungsbeispiel in Serie zum Batterietrennschal¬ ter 4 ein so genannter Reverse Blocking IGBT 61 vorgesehen. Parallel zum Reverse Blocking IGBT 61 ist für diesen ein Überspannungsschutz vorgesehen. Dieser besteht im sechsten Ausführungsbeispiel aus zwei antiseriell geschalteten Sup- pressor-Dioden 62, 63.
Wie bereits für das fünfte Ausführungsbeispiel beschrieben, übernimmt der Reverse Blocking IGBT 61 die Schaltentlastung für den Batterietrennschalter 4, indem zur Abschaltung des
Stroms der Reverse Blocking IGBT 61 zuerst abgeschaltet wird, um sodann den Batterietrennschalter 4 stromlos abschalten zu können. Ebenso übernimmt der Reverse Blocking IGBT 61 die Funktion der Vorladeschaltung, da auch der Reverse Blocking IGBT 61 mit hoher Frequenz geschaltet werden kann, um eine
Strombegrenzung zu bewirken. Schließlich übernimmt der Reverse Blocking IGBT 61 noch die Funktion des Überspannungsschut¬ zes 5 für die Batterie 3. Dafür ist es zweckmäßig, das der Reverse Blocking IGBT 61 eingeschaltet ist, um Stromfluss von der Batterie 3 zum Umrichter 2 zu ermöglichen, aber jederzeit ausschaltbar ist, um eventuelle Überspannungen aus der Richtung des Elektromotors 1 zu sperren. Hierzu ist es zweckmä¬ ßig, eine ständige Funktionsüberwachung für den Reverse Bio- cking IGBT 61 vorzusehen, wie es auch bereits für den Überspannungsschutz 5 aus dem ersten bis fünften Ausführungsbeispiel der Fall ist. Es versteht sich, dass bestimmte Komponenten der hier gezeig¬ ten Schaltungen in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug unter Umständen mehrfach vorgesehen sein müssen. Beispielsweise ist zweckmäßig bei der Verwendung von mehreren Elektromotoren 1 für jeden der Elektromotoren 1 ein Umrichter 2 vorgesehen. Ebenso können im Fahrzeug mehrere Batterien 3 vorgesehen sei¬ en. Die Anzahl der sonstigen in den Figuren vorgestellten Komponenten ist in einfacher Weise an die Anzahl der Elektromotoren 1, Umrichter 2 oder Batterien 3 anzupassen.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Schaltentlastung eines Trennschalters zur galvanischen Trennung einer elektrischen Verbindung, wobei die Anordnung wenigstens einen Halbleiterschalter umfasst und weiterhin ausgestaltet ist, für die Trennung der elektrischen Verbindung den abzuschaltenden Strom über den Halbleiterschalter fließen zu lassen, so dass ein verminderter Spannungsaufbau über den Trennschalter bei dessen Abschaltung be- wirkt wird.
2. Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der der abzuschaltende Strom wenigstens nach dem Abschalten des Trennschalters über den Halbleiterschalter fließt.
3. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der eine Serienschaltung aus einem mechanischem Entlastungsschalter und dem Halbleiterschalter parallel zum Trennschalter angeordnet ist.
4. Anordnung gemäß Anspruch 3, derart ausgestaltet, dass für die Trennung der elektrischen Verbindung erst der mechanische Entlastungsschalter und danach der Halbleiterschalter leitend geschaltet werden und dann der Trennschalter abgeschaltet wird .
5. Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der der abzuschaltende Strom wenigstens vor dem Abschalten des Trennschalters über den Halbleiterschalter fließt.
6. Anordnung gemäß Anspruch 1, 2 oder 5, bei der der Halbleiterschalter in Serie zum Trennschalter angeordnet ist.
7. Anordnung gemäß Anspruch 6, derart ausgestaltet, dass für die Trennung der elektrischen Verbindung erst der Halbleiter- Schalter nichtleitend geschaltet wird und dann der Trenn¬ schalter abgeschaltet wird.
8. Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der parallel zum Halbleiterschalter eine Überspannungsschutzeinrichtung für den Halbleiterschalter vorgesehen ist.
9. Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Vorladeschaltung mit einer Serienschaltung aus einem mechanischen Vorladeschalter und einem Vorladewiderstand zur Strombegrenzung, die parallel zum Trennschalter angeordnet ist .
10. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, derart aus¬ gestaltet, dass der Halbleiterschalter die Funktion einer Strombegrenzung übernimmt durch eine gepulste An- und Ab¬ schaltung .
11. Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer zweiten Überspannungsschutzeinrichtung in Serie zum
Trennschalter .
12. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, derart aus¬ gestaltet, dass der Halbleiterschalter zusätzlich zur Schaltentlastung die Funktion der zweiten Überspannungsschutzeinrichtung übernimmt.
13. Antriebssystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem Batterietrennschalter zur galvanischen Trennung einer Batterie von einem Zwischenkreis eines Umrichters bei einer Zwischenkreisspannung von mehr als 24 V und einer Anordnung zur Schaltentlastung des Batterietrennschalters gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
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