DE102015122690A1 - Method for overvoltage protection - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren (100) zum Überspannungsschutz bei einem Zwischenkreis (200) eines elektrischen Antriebs (50) eines Fahrzeuges, wobei
der elektrische Zwischenkreis (220) zumindest eine Antriebskomponente (60) umfasst, und der Zwischenkreis (220) über einen Gleichspannungswandler (250) mit mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit (40) elektrisch verbunden ist, wobei
eine Überspannungsschutzvorrichtung (10) über eine elektronische Schalteinheit (11) den Zwischenkreis (220) und die Energiespeichereinheit (40) parallel zum Gleichspannungswandler (250) elektrisch verbindet, und
durch die Überspannungsschutzvorrichtung (10) eine Zwischenkreisspannung des Zwischenkreises (220) überwacht wird, und
die Schalteinheit (11) in Abhängigkeit von der Überwachung der Zwischenkreisspannung angesteuert wird.The invention relates to methods (100) for overvoltage protection in a DC link (200) of an electric drive (50) of a vehicle, wherein
the electrical intermediate circuit (220) comprises at least one drive component (60), and the intermediate circuit (220) is electrically connected to at least one electrical energy storage unit (40) via a DC-DC converter (250), wherein
an overvoltage protection device (10) via an electronic switching unit (11) electrically connects the intermediate circuit (220) and the energy storage unit (40) parallel to the DC-DC converter (250), and
an intermediate circuit voltage of the intermediate circuit (220) is monitored by the overvoltage protection device (10), and
the switching unit (11) is controlled as a function of the monitoring of the intermediate circuit voltage.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Überspannungsschutz bei einem elektrischen Zwischenkreis bei einem elektrischen Antrieb eines Fahrzeuges.The present invention relates to a method and a system for overvoltage protection in an electrical DC link in an electric drive of a vehicle.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass bei Fahrzeugen mit einem Elektroantrieb ein Zwischenkreis, insbesondere ein Traktionsnetz, genutzt wird, welches insbesondere den Elektroantrieb und ggf. weitere Antriebskomponenten sowie Verbraucher umfasst. Der Zwischenkreis kann dabei direkt mit einer Energiequelle und/oder -senke, wie einer Batterie, verbunden sein. Alternativ ist auch eine Verbindung über einen Gleichspannungswandler mit einer oder mehreren Energiequellen und/oder -senken bekannt. Im letztgenannten Fall existiert ein entkoppelter Spannungszwischenkreis auf der Antriebsseite. Insbesondere bei Brennstoffzellenfahrzeugen wird zudem eine Brennstoffzelle als Energiequelle über den Gleichspannungswandler mit dem Zwischennetz verbunden.It is known from the prior art that in vehicles with an electric drive, an intermediate circuit, in particular a traction network, is used, which in particular comprises the electric drive and optionally further drive components and consumers. The intermediate circuit can be directly connected to an energy source and / or sink, such as a battery. Alternatively, a connection via a DC-DC converter with one or more energy sources and / or sinks is known. In the latter case, there is a decoupled voltage intermediate circuit on the drive side. In particular, in fuel cell vehicles also a fuel cell is connected as an energy source via the DC-DC converter with the intermediate network.
Aus der
Aus der
Es hat sich als Nachteil herausgestellt, dass bei dem Einsatz eines Gleichspannungswandlers zur Entkopplung des Zwischenkreises Überspannungen am Zwischenkreis nur unzureichend abgeführt werden können. Der Gleichspannungswandler ist dabei oft nicht in der Lage, schnell genug auf die Überspannungen zu reagieren und die Energie in eine Senke (beispielsweise eine am Gleichspannungswandler angeschlossene Batterie) zu transferieren mit der Folge, dass ein transienter Spannungspeak am Spannungszwischenkreis auftritt. Die Überspannung entsteht dabei beispielsweise durch einen Lastabwurf der Elektromaschine (Raddurchdrehen). Die Überspannungen können dabei beispielsweise ein Abschalten und/oder eine Zerstörung von Komponenten im Traktionsnetz beziehungsweise im Zwischenkreis verursachen. It has proven to be a disadvantage that when using a DC-DC converter for decoupling the DC link overvoltages can be dissipated insufficiently on the DC link. The DC-DC converter is often unable to react quickly enough to the overvoltages and to transfer the energy into a sink (for example a battery connected to the DC-DC converter), with the result that a transient voltage peak occurs at the voltage intermediate circuit. The overvoltage occurs, for example, by a load shedding of the electric machine (wheel spin). The overvoltages can cause, for example, a shutdown and / or destruction of components in the traction network or in the DC link.
Es ist bekannt, zum Überspannungsschutz einen sogenannten Chopper einzusetzen, wobei ein zusätzlicher Bremswiderstand zur Energieaufnahme dient. Diese Möglichkeit erfordert allerdings einen höheren Bauraumbedarf und gegebenenfalls eine Kühlung. Weiter weist diese bekannte Lösung oft nur eine unzureichende Effizienz für den Überspannungsschutz auf.It is known to use a so-called chopper for overvoltage protection, wherein an additional braking resistor is used to absorb energy. However, this option requires a higher space requirement and possibly cooling. Furthermore, this known solution often has only insufficient efficiency for overvoltage protection.
Es ist dabei eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen zuverlässigen Überspannungsschutz zu ermöglichen, und insbesondere dabei gleichzeitig den Bauraumbedarf zu verringern. Weiter sollen vorzugsweise die Kosten für die Bereitstellung des Überspannungsschutzes reduziert werden, indem ein günstig herzustellender Gleichspannungswandler ohne damit einhergehende Verringerung des Überspannungsschutzes eingesetzt werden kann.It is an object of the present invention to remedy the aforementioned disadvantages at least partially. In particular, it is an object of the present invention to enable a reliable overvoltage protection, and in particular to simultaneously reduce the space requirement. Next, preferably, the cost of providing the overvoltage protection can be reduced by a low-cost DC converter can be used without concomitant reduction of overvoltage protection can be used.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The above object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a system having the features of claim 6. Further features and details of the invention will become apparent from the respective dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the method according to the invention, of course, also in connection with the system according to the invention, and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual invention aspects always reciprocal reference is or can be.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zum Überspannungsschutz bei einem elektrischen Zwischenkreis bei einem elektrischen Antrieb eines Fahrzeuges. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass der Zwischenkreis zumindest eine Antriebskomponente umfasst, und der Zwischenkreis über einen Gleichspannungswandler mit mindestens einer elektrischen Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist. Dabei kann es vorgesehen sein, dass eine Überspannungsschutzvorrichtung und/oder ein Überspannungsschutzsystem mittels einer elektronischen Schalteinheit den Zwischenkreis und die Energiespeichereinheit parallel zum Gleichspannungswandler elektrisch miteinander verbindet, wobei durch die Überspannungsschutzvorrichtung eine Zwischenkreisspannung des Zwischenkreises überwacht wird, insbesondere durch eine Überwachungseinheit, und die Schalteinheit in Abhängigkeit von der Überwachung der Zwischenkreisspannung, insbesondere durch die Überwachungseinheit, angesteuert wird. Mit anderen Worten wird insbesondere ein Überspannungsschutz dadurch erreicht, dass die Schalteinheit als Bypass zum Gleichspannungswandler eingesetzt wird. Die Schalteinheit bildet damit vorzugsweise einen schaltbaren Bypass, welcher Energie aus dem Zwischenkreis an die Energiespeichereinheit unter Umgehung und/oder autark ohne Beteiligung des Gleichspannungswandlers leiten kann, wobei die Energiespeichereinheit somit als Leistungssenke eingesetzt wird. Es kann auf diese Weise ein zuverlässiger Überspannungsschutz für das elektrische System ermöglicht werden. Weiter können beispielsweise insgesamt mindestens zwei und/oder mindestens drei und/oder mindestens vier und/oder mindestens fünf und/oder mindestens sechs Energiequellen und/oder -senken, wie Energiespeichereinheiten, insbesondere über jeweils einen eigenen Anschluss des Gleichspannungswandlers, mit dem Gleichspannungswandler elektrisch verbunden sein. The object is achieved in particular by a method for overvoltage protection in an electrical DC link in an electric drive of a vehicle. In this case, it is provided in particular that the intermediate circuit comprises at least one drive component, and the intermediate circuit is electrically connected to at least one electrical energy storage unit via a DC-DC converter. It can be provided that an overvoltage protection device and / or an overvoltage protection system by means of an electronic switching unit electrically interconnects the intermediate circuit and the energy storage unit parallel to the DC-DC converter, wherein an intermediate circuit voltage of the intermediate circuit is monitored by the overvoltage protection device, in particular by a monitoring unit, and the switching unit in Depending on the monitoring of the DC link voltage, in particular by the monitoring unit, is controlled. In other words, an overvoltage protection is achieved in particular by using the switching unit as a bypass to the DC-DC converter. The switching unit thus preferably forms a switchable bypass, which energy from the intermediate circuit to the energy storage unit bypassing and / or can run independently without involvement of the DC-DC converter, the energy storage unit is thus used as a power sink. It can be made possible in this way a reliable overvoltage protection for the electrical system. Furthermore, for example, a total of at least two and / or at least three and / or at least four and / or at least five and / or at least six energy sources and / or sinks, such as energy storage units, in particular electrically connected in each case via a separate terminal of the DC-DC converter to the DC-DC converter be.
Unter Überspannungsschutz wird dabei insbesondere verstanden, dass die Komponenten (wie die Antriebskomponenten oder weitere Verbraucher) im Zwischenkreis vor einer Funktionsbeeinträchtigung und/oder Zerstörung durch entstehende Überspannungen, insbesondere durch transiente Spannungspeaks, geschützt werden. Der Zwischenkreis ist dabei zum Beispiel ein Gleichspannungszwischenkreis und/oder ein (elektrisches) Traktionsnetz des Fahrzeuges, und wird insbesondere über den Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit den Energiespeichereinheiten beziehungsweise der Energiespeichereinheit und/oder einer Energiequelle verbunden. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise entkoppelt, wobei die Entkoppelung ohne galvanische Trennung oder mit galvanischer Trennung durchgeführt wird. Die Überspannungsschutzfunktion beziehungsweise der Überspannungsschutz führt damit bevorzugt nicht in einen Fehlerzustand, sondern stellt einen regulären Betriebsfall (Betriebszustand) dar.Overvoltage protection means in particular that the components (such as the drive components or other consumers) are protected in the intermediate circuit from a functional impairment and / or destruction due to overvoltages, in particular transient voltage peaks. The intermediate circuit is, for example, a DC voltage intermediate circuit and / or an (electric) traction network of the vehicle, and is in particular connected via the DC-DC converter (DC / DC converter) to the energy storage units or the energy storage unit and / or an energy source. The connection is preferably decoupled, wherein the decoupling is carried out without galvanic isolation or with galvanic isolation. The overvoltage protection function or the overvoltage protection therefore preferably does not lead to an error state, but represents a regular operating state (operating state).
Der Gleichspannungswandler verbindet dabei vorzugsweise (elektrische) Netze, wie den Zwischenkreis und/oder die mindestens eine Energiespeichereinheit und/oder die Energiequelle, jeweils untereinander, wobei die Netze jeweils unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen. Die am Anschluss des Gleichspannungswandlers anliegende Spannung des Zwischenkreises (das heißt insbesondere die Zwischenkreisspannung) kann vorzugsweise im Bereich zwischen 200 V und 1000 V, bevorzugt zwischen 380 V und 800 V, besonders bevorzugt zwischen 400 V und 600 V liegen. Die Nennspannung der Energiespeichereinheit, das heißt insbesondere die am Anschluss des Gleichspannungswandlers anliegende Spannung der jeweiligen Energiespeichereinheit, kann vorzugsweise zwischen 150 V und 850 V, bevorzugt zwischen 200 V und 600 V, besonders bevorzugt zwischen 250 V und 400 V, betragen. Die Spannung am Ausgang der Brennstoffzelle und/oder der an dem Anschluss des Gleichspannungswandlers anliegende Spannung der Brennstoffzelle kann bevorzugt im Bereich zwischen 200 V und 800 V, besonders bevorzugt zwischen 230 V und 430 V, vorzugsweise zwischen 300 V und 330 V liegen. Hierdurch wird beispielsweise durch den Einsatz des Gleichspannungswandlers ermöglicht, dass der Fahrzeugantrieb durch eine Brennstoffzelle und/oder ein oder mehreren Energiespeichereinheiten betrieben werden kann. Das Fahrzeug kann beispielsweise als ein Kraftfahrzeug und/oder ein Personenkraftfahrzeug und/oder ein Lastkraftfahrzeug und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug und/oder ein Elektrofahrzeug ausgeführt sein.In this case, the DC-DC converter preferably connects (electrical) networks, such as the intermediate circuit and / or the at least one energy storage unit and / or the energy source, to each other, the networks each having different voltage levels. The voltage applied to the terminal of the DC-DC converter voltage of the intermediate circuit (that is, in particular the DC link voltage) may preferably be in the range between 200 V and 1000 V, preferably between 380 V and 800 V, more preferably between 400 V and 600 V. The rated voltage of the energy storage unit, that is to say in particular the voltage applied to the terminal of the DC voltage converter of the respective energy storage unit, may preferably be between 150 V and 850 V, preferably between 200 V and 600 V, particularly preferably between 250 V and 400 V. The voltage at the output of the fuel cell and / or the voltage applied to the terminal of the DC voltage converter of the fuel cell may preferably be in the range between 200 V and 800 V, more preferably between 230 V and 430 V, preferably between 300 V and 330 V. This makes it possible, for example by the use of the DC-DC converter, that the vehicle drive can be operated by a fuel cell and / or one or more energy storage units. The vehicle may be embodied, for example, as a motor vehicle and / or a passenger vehicle and / or a truck and / or a fuel cell vehicle and / or an electric vehicle.
Zum Überspannungsschutz wird vorzugsweise durch die Überwachung eine Überspannung detektiert und anschließend durch die Ansteuerung der Schalteinheit die Energie, welche zur Überspannung führt, an eine Leistungssenke geleitet beziehungsweise abgeführt. Hierbei wird insbesondere der Gleichspannungswandler dadurch umgangen, dass die Schalteinheit beziehungsweise die Überspannungsschutzvorrichtung einen Bypass zum Gleichspannungswandler bildet, das heißt parallel dazu geschaltet ist. Die Leistungssenke wird vorzugsweise durch eine (insbesondere eine einzige) Energiespeichereinheit gebildet, welche bevorzugt am stärksten durch elektrischen Strom belastbar ist. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass mehrere Energiespeichereinheiten die Leistungssenke bilden und/oder mehrere Schalteinheiten vorgesehen sind, um die jeweils unterschiedlichen Energiespeichereinheiten elektrisch mit dem Zwischenkreis zu verbinden. Diese mehreren Schalteinheiten können dann gegebenenfalls simultan für den Überspannungsschutz gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden, oder alternativ auch nur eine dieser Schalteinheiten, um zum Beispiel eine Redundanz zu erzielen. For overvoltage protection, an overvoltage is preferably detected by the monitoring and then passed or removed by driving the switching unit, the energy which leads to the overvoltage to a power sink. In this case, in particular the DC-DC converter is bypassed in that the switching unit or the overvoltage protection device forms a bypass to the DC-DC converter, that is, is connected in parallel thereto. The power sink is preferably formed by a (in particular a single) energy storage unit, which is preferably the strongest loadable by electrical current. Alternatively, it may be provided that a plurality of energy storage units form the power sink and / or a plurality of switching units are provided in order to electrically connect the respectively different energy storage units to the DC link. These multiple switching units may then optionally be operated simultaneously for overvoltage protection according to the method of the invention, or alternatively only one of these switching units, for example to achieve redundancy.
Die Energiespeichereinheit ist dabei beispielsweise als ein elektrischer Energiespeicher, wie zum Beispiel eine (wiederaufladbare) Batterie, ausgebildet und kann vorzugsweise sowohl eine elektrische Senke als auch eine elektrische Quelle sein. Die elektrische Senke kann dabei elektrische Energie über den Gleichspannungswandler aufnehmen und die elektrische Quelle kann Energie an den Gleichspannungswandler abgeben beziehungsweise über den Gleichspannungswandler an weitere mit dem Gleichspannungswandler verbundene Netze abgeben. Die Energiequelle kann dabei beispielsweise als reine Energiequelle ausgebildet sein, wobei hierbei eine (Rück-)Speisung von Energie über den Gleichspannungswandler an die Energiequelle verhindert ist. Dies ermöglicht beispielsweise den Anschluss einer Brennstoffzelle zur Speisung des Zwischenkreises. Somit kann für die reine Energiequelle nur eine unidirektionale Energieübertragung an den Gleichspannungswandler vorgesehen sein, während bei den Energiespeichereinheiten beispielsweise eine bidirektionale Energieübertragung (das heißt sowohl Energieaufnahme als auch Energieabgabe beziehungsweise sowohl der Einsatz als Quelle als auch als Senke) vorgesehen ist. The energy storage unit is formed, for example, as an electrical energy storage, such as a (rechargeable) battery, and may preferably be both an electrical sink and an electrical source. The electrical sink can absorb electrical energy via the DC-DC converter and the electrical source can deliver energy to the DC-DC converter or deliver via the DC-DC converter to other connected to the DC-DC converter networks. The energy source can be designed, for example, as a pure energy source, in which case a (re) supply of energy via the DC-DC converter to the energy source is prevented. This allows, for example, the connection of a fuel cell for feeding the DC link. Thus, only a unidirectional energy transfer to the DC-DC converter can be provided for the pure energy source, while in the energy storage units, for example, a bidirectional energy transfer (that is, both energy intake and energy output or both use as a source and as a sink) is provided.
Weiter ist im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Überwachung und/oder Ansteuerung der Schalteinheit derart erfolgt, dass durch die Überwachung ein Spannungswert der Zwischenkreisspannung ermittelt (das heißt insbesondere gemessen) wird, wobei ein Stromfluss zwischen dem Zwischenkreis und der Energiespeichereinheit zugelassen wird, wenn der ermittelte Spannungswert größer als ein (vorgespeicherter) Maximalspannungswert ist, und ein Stromfluss zwischen dem Zwischenkreis und der Energiespeichereinheit (teilweise oder vollständig) unterdrückt wird, wenn der ermittelte Spannungswert geringer als der Maximalspannungswert ist oder diesem entspricht. Die Schalteinheit kann vorzugsweise derart gestaltet werden, dass für das Zulassen des Stromflusses ein elektrischer Widerstand einer elektrischen Verbindung, insbesondere der Schalteinheit, zwischen dem Zwischenkreis und der Energiespeichereinheit verringert wird. Für das Unterdrücken des Stromflusses kann zum Beispiel der elektrische Widerstand erhöht werden. Hierzu kann die Schalteinheit beispielsweise als elektronischer Schalter ausgeführt sein. Das Zulassen des Stromflusses kann beispielsweise getaktet und/oder nur für einen bestimmten Puls erfolgen und somit nur eine bestimmte Zeit andauern. Anschließend kann (gegebenenfalls nach einer weiteren Zwischenzeit) die Überwachung und Ansteuerung erneut erfolgen. Gegebenenfalls wird dann dieser Ablauf, das heißt insbesondere ein erneutes (zyklisches) pulsartiges Zulassen des Stromflusses, wiederholt durchgeführt, bis der ermittelte Spannungswert unterhalb des Maximalspannungswerts liegt oder diesem entspricht. Dies hat den Vorteil, dass schnell und mit geringem Platzaufwand ein schaltbarer Bypass zum Gleichspannungswandler realisiert werden kann. It is also conceivable within the scope of the invention that the monitoring and / or control of the switching unit takes place in such a way that a voltage value of the intermediate circuit voltage is determined (that is to say measured in particular) by the monitoring, whereby a current flow between the intermediate circuit and the energy storage unit is permitted if the determined voltage value is greater than a (pre-stored) maximum voltage value, and a current flow between the intermediate circuit and the energy storage unit (partially or completely) is suppressed if the determined voltage value is less than or equal to the maximum voltage value. The switching unit may preferably be designed such that, for allowing the current flow, an electrical resistance of an electrical connection, in particular of the switching unit, between the intermediate circuit and the energy storage unit is reduced. For suppressing the current flow, for example, the electrical resistance can be increased. For this purpose, the switching unit may be embodied for example as an electronic switch. Allowing the current flow can, for example, clocked and / or take place only for a given pulse and thus last only for a certain time. Subsequently, the monitoring and control can take place again (possibly after a further intermediate time). If appropriate, this process, that is to say in particular a renewed (cyclic) pulse-like permitting of the current flow, is then carried out repeatedly until the determined voltage value lies below or corresponds to the maximum voltage value. This has the advantage that a switchable bypass to the DC-DC converter can be realized quickly and with little space.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Ansteuerung der Schalteinheit und/oder das Zulassen des Stromflusses getaktet und/oder pulsförmig oder alternativ dauerhaft erfolgt, und insbesondere für eine erste vorbestimmte Zeitdauer durchgeführt und anschließend für eine zweite vorbestimmte Zeitdauer unterbrochen wird. Bevorzugt erfolgt die Überwachung, insbesondere die Spannungsmessung, dauerhaft und/oder analog. Insbesondere wird die Ansteuerung erst dann durchgeführt, wenn durch die Überwachung ein Überschreiten der maximal erlaubten Spannung (das heißt zum Beispiel des Maximalspannungswertes) festgestellt wird. Unter getakteter Ansteuerung wird dabei insbesondere auch verstanden, dass das Zulassen und/oder das Unterdrücken des Stromflusses (zwischen dem Zwischenkreis und der Energiespeichereinheit) getaktet erfolgt. Es kann beispielsweise zur Ansteuerung der Stromfluss nur für einen definierten Puls ermöglicht werden (und anschließend wieder verhindert werden), wenn der ermittelte Spannungswert größer als der Maximalspannungswert ist. Die Ansteuerung kann bevorzugt wiederholt werden, bis die Zwischenkreisspannung (der ermittelte Spannungswert) kleiner oder gleich dem Maximalspannungswert ist. Zur Überwachung wird weiter vorzugsweise der gemessener Spannungswert, insbesondere der Zwischenkreisspannung, welche insbesondere am Gleichspannungswandler anliegt, mit einer Referenzspannung (zum Beispiel entsprechend dem Maximalspannungswert) verglichen. Die Taktung kann dabei beispielsweise mit einer Frequenz zwischen 1KHz und 100KHz, bevorzugt zwischen 10KHz und 50KHz erfolgen. Die erste und/oder die zweite vorbestimmte Zeitdauer kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 10µs und 1ms, vorzugsweise zwischen 100µs und 500µs liegen. Weiter ist es denkbar, dass die Ansteuerung elektronisch erfolgt, wobei hierzu die Überwachungseinheit und/oder die Schalteinheit Elektronikkomponenten aufweist. Derartige Elektronikkomponenten umfassen dabei vorzugsweise zumindest eine integrierte Schaltung und/oder einen Mikroprozessor und/oder einen Mikrocontroller und/oder Halbleiterbauelemente. Hierdurch wird unter anderem eine flexible und schnelle Ansteuerung und Überwachung mit einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht.It can be provided within the scope of the invention that the control of the switching unit and / or allowing the current flow clocked and / or pulsed or alternatively permanent, and in particular carried out for a first predetermined period of time and then interrupted for a second predetermined period of time. The monitoring, in particular the voltage measurement, preferably takes place permanently and / or analogously. In particular, the activation is only carried out when the monitoring indicates that the maximum permitted voltage (that is to say the maximum voltage value, for example) has been exceeded. In this context, clocked triggering is understood in particular to mean that the permitting and / or suppressing of the current flow (between the DC link and the energy storage unit) is clocked. For example, to control the current flow, it is possible to enable (and subsequently prevent again) only for a defined pulse when the determined voltage value is greater than the maximum voltage value. The activation can preferably be repeated until the intermediate circuit voltage (the determined voltage value) is less than or equal to the maximum voltage value. For monitoring, the measured voltage value, in particular the intermediate circuit voltage, which in particular is applied to the DC-DC converter, is preferably compared with a reference voltage (for example, corresponding to the maximum voltage value). The clocking can be done, for example, with a frequency between 1KHz and 100KHz, preferably between 10KHz and 50KHz. The first and / or the second predetermined time period may, for example, be in a range between 10 μs and 1 ms, preferably between 100 μs and 500 μs. It is also conceivable that the control takes place electronically, for which purpose the monitoring unit and / or the switching unit has electronic components. Such electronic components preferably comprise at least one integrated circuit and / or a microprocessor and / or a microcontroller and / or semiconductor components. This allows, inter alia, a flexible and fast control and monitoring with a high efficiency.
Des Weiteren ist es denkbar, dass in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Schalteinheit ein Stromfluss zwischen dem Zwischenkreis und der Energiespeichereinheit für eine vorbestimmte Pulsdauer zugelassen oder unterdrückt wird. Die vorbestimmte Pulsdauer kann dabei in einem Bereich liegen, die voranstehend für die erste und zweite vorbestimmte Zeitdauer beschrieben wurde. Hierdurch wird ein effizienter und zuverlässiger Überspannungsschutz ermöglicht.Furthermore, it is conceivable that, depending on the activation of the switching unit, a current flow between the intermediate circuit and the energy storage unit is permitted or suppressed for a predetermined pulse duration. The predetermined pulse duration can lie in a range which has been described above for the first and second predetermined time periods. This enables efficient and reliable overvoltage protection.
Es ist ferner denkbar, dass die vorbestimmte Pulsdauer in Abhängigkeit von einer thermischen Grenze der Schalteinheit vorbestimmt wird bzw. ist. Dabei kann es möglich sein, dass die vorbestimmte Pulsdauer beispielsweise als digital hinterlegter Wert in einer elektronischen Speichereinheit elektronisch vorgespeichert ist. Die vorbestimmte Pulsdauer kann dabei vorzugsweise derart gewählt werden, dass sie unterhalb einer Pulsdauer liegt, welche über längere Zeit eine Beschädigung der Schalteinheit zur Folge hätte. Weiter kann es auch vorgesehen sein, dass eine Temperaturüberwachung der Schalteinheit vorgesehen ist. Hierdurch kann die Lebensdauer der Überspannungsschutzvorrichtung verbessert werden.It is also conceivable that the predetermined pulse duration is predetermined in dependence on a thermal limit of the switching unit or is. It may be possible that the predetermined pulse duration is pre-stored electronically, for example as a digitally stored value in an electronic memory unit. The predetermined pulse duration can preferably be selected such that it lies below a pulse duration which would result in damage to the switching unit over a longer period of time. Furthermore, it can also be provided that a temperature monitoring of the switching unit is provided. As a result, the life of the overvoltage protection device can be improved.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein System zum Überspannungsschutz bei einem elektrischen Zwischenkreis bei einem elektrischen Antrieb eines Fahrzeuges, wobei der Zwischenkreis zumindest eine Antriebskomponente umfasst, und vorzugsweise der Zwischenkreis über einen (insbesondere ausschließlich einen einzigen) Gleichspannungswandler mit mindestens einer elektrischen Energiequelle elektrisch verbunden ist. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit über diesen Gleichspannungswandler mit dem Zwischenkreis und der Energiequelle verbunden ist. Hierbei ist denkbar, dass eine Überspannungsschutzvorrichtung über eine elektronische Schalteinheit den Zwischenkreis und die oder mindestens eine der Energiespeichereinheit(en) parallel zum Gleichspannungswandler elektrisch miteinander verbindet. Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind. Zudem kann das System insbesondere gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar sein.The invention also relates to a system for overvoltage protection in an electrical DC link in an electric drive of a vehicle, wherein the intermediate circuit comprises at least one drive component, and preferably the DC link is electrically connected via a (in particular only a single) DC-DC converter with at least one electrical energy source. It is preferable provided that at least one electrical energy storage unit is connected via this DC-DC converter with the intermediate circuit and the power source. It is conceivable here that an overvoltage protection device electrically connects the intermediate circuit and the or at least one of the energy storage unit (s) to one another via an electronic switching unit in parallel to the DC voltage converter. Thus, the system according to the invention brings the same advantages as have been explained in detail with reference to a method according to the invention. In addition, the system can be operated in particular according to a method according to the invention.
Der Gleichspannungswandler weist bevorzugt mehrere Anschlüsse auf, welche jeweils als unidirektionale oder bidirektionale Anschlüsse ausgebildet sein können. Die Energiespeichereinheit ist dabei beispielsweise mit einem bidirektionalen Anschluss verbunden, sodass ein Energiefluss in beide Richtungen möglich ist. Die Energiequelle ist beispielsweise mit einem unidirektionalen Anschluss verbunden, so dass die Energieübertragung nur von der Energiequelle an den Gleichstellungswandler möglich ist und in umgekehrter Richtung blockiert wird. Der Gleichspannungswandler kann dabei zum Beispiel mindestens drei, mindestens vier oder mindestens fünf Anschlüsse aufweisen, wobei zum Beispiel mindestens eine oder mindestens zwei oder mindestens drei elektrische Energiespeichereinheit(en) jeweils mit einem Anschluss verbunden sind. Eine oder mehrere Energiespeichereinheit(en) bilden dabei insbesondere eine Leistungssenke, an welche durch die Überspannungsvorrichtung Energie von dem Zwischenkreis bei Detektion einer Überspannung geleitet werden kann. Ein Überspannungssystem wird somit durch die Überspannungsvorrichtung und die Leistungssenke, das heißt die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit, welche als Leistungssenke genutzt wird, gebildet. Hierdurch ist ein zuverlässiger und effizienter Überspannungsschutz möglich.The DC-DC converter preferably has a plurality of terminals, which may each be designed as unidirectional or bidirectional terminals. The energy storage unit is connected, for example, with a bidirectional connection, so that an energy flow in both directions is possible. The power source is connected, for example, to a unidirectional terminal, so that the energy transfer is only possible from the power source to the equality converter and is blocked in the reverse direction. The DC-DC converter can have, for example, at least three, at least four or at least five terminals, wherein, for example, at least one or at least two or at least three electrical energy storage unit (s) are each connected to a terminal. In this case, one or more energy storage unit (s) form, in particular, a power sink to which energy can be conducted from the intermediate circuit upon detection of an overvoltage by the overvoltage device. An overvoltage system is thus formed by the overvoltage device and the power sink, that is, the at least one electrical energy storage unit, which is used as a power sink. As a result, a reliable and efficient surge protection is possible.
Es kann weiter möglich sein, dass die Überspannungsschutzvorrichtung mit dem Gleichspannungswandler ein gemeinsames Bauteil bildet, insbesondere mit gemeinsamen Anschlüssen für die Energiespeichereinheit und/oder den Zwischenkreis und/oder die Energiequelle, und vorzugsweise (vollständig) funktional autark vom Gleichspannungswandler mit einer eigenen Überwachungseinheit zur Überwachung der Zwischenkreisspannung ausgeführt ist. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Überspannungsschutzvorrichtung funktional von einer Vorsteuerung abhängig ist. Weiter ist es denkbar, dass die Überspannungsschutzvorrichtung ein elektrisches Signal, insbesondere einen Status, an den Gleichspannungswandler und/oder ein weiteres Fahrzeugsteuerungsgerät ausgibt. Zudem kann es möglich sein, dass die Vorsteuerung durch den Gleichspannungswandler und/oder das Fahrzeugsteuerungsgerät vorgesehen ist. Hierzu kann der Gleichspannungswandler und/oder das Fahrzeugsteuerungsgerät beispielsweise elektrisch mit der Überspannungsschutzvorrichtung verbunden sein. Der Gleichspannungswandler ist beispielsweise als ein Elektronikbauteil geführt, welches insbesondere auch ein Gehäuse umfasst. Die Überspannungsvorrichtung kann dabei in diesem Elektronikbauteil integriert und/oder ein gemeinsames Gehäuse mit dem Gleichspannungswandler beziehungsweise dem Elektronikbauteil aufweisen. Somit ist kein zusätzlicher Bauraumbedarf für die Überspannungsvorrichtung notwendig. Die Überwachungseinheit umfasst dabei beispielsweise zumindest eine Elektronikkomponente, insbesondere mindestens einen Halbleiterschalter, vorzugsweise einen MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und/oder einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), und/oder mindestens eine Referenzspannungsquelle und/oder mindestens einen Komparator. Somit kann durch die Überwachungseinheit zuverlässig die Zwischenkreisspannung gemessen werden.It may further be possible for the overvoltage protection device to form a common component with the DC-DC converter, in particular with common connections for the energy storage unit and / or the intermediate circuit and / or the energy source, and preferably (completely) functionally independently from the DC-DC converter with its own monitoring unit for monitoring the DC link voltage is executed. Alternatively, it is also conceivable that the overvoltage protection device is functionally dependent on a pilot control. It is also conceivable that the overvoltage protection device outputs an electrical signal, in particular a status, to the DC-DC converter and / or another vehicle control device. In addition, it may be possible that the feedforward control is provided by the DC-DC converter and / or the vehicle control device. For this purpose, the DC-DC converter and / or the vehicle control device may, for example, be electrically connected to the overvoltage protection device. The DC-DC converter is guided, for example, as an electronic component, which in particular also comprises a housing. The overvoltage device can in this case be integrated in this electronic component and / or have a common housing with the DC-DC converter or the electronic component. Thus, no additional space requirement for the overvoltage device is necessary. The monitoring unit comprises, for example, at least one electronic component, in particular at least one semiconductor switch, preferably a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) and / or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and / or at least one reference voltage source and / or at least one comparator , Thus, the DC link voltage can be reliably measured by the monitoring unit.
Ein weiterer Vorteil im Rahmen der Erfindung ist erzielbar, wenn die Antriebskomponente zumindest eine der nachfolgenden Komponenten umfasst:
- – mindestens einen Wechselrichter, welcher insbesondere mit mindestens einer elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist,
- – mindestens eine elektrische Maschine, vorzugsweise einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeuges,
- – mindestens ein Nebenaggregat, bevorzugt einen Turboverdichter zum Verdichten der Luft für eine Brennstoffzelle und/oder eine Zusatzheizung für den Fahrzeuginnenraum.
- At least one inverter, which is in particular electrically connected to at least one electric machine,
- At least one electric machine, preferably an electric motor for driving the vehicle,
- - At least one auxiliary unit, preferably a turbo compressor for compressing the air for a fuel cell and / or an auxiliary heater for the vehicle interior.
Die Zusatzheizung ist dabei beispielsweise als ein PTC-Heizelement ausgeführt. Die Antriebskomponenten, insbesondere auch der Antrieb, sind dabei beispielsweise Hochvoltkomponenten. Die Leistung der elektrischen Maschine beträgt insbesondere 50kW bis 150kW, bevorzugt 80kW bis 100kW und die Leistung der Brennstoffzelle beträgt vorzugsweise 50kW bis 200kW, bevorzugt 80kW bis 100kW und die Batterieleistung beträgt bevorzugt 20kW bis 150kW, insbesondere 25kW bis 100kW. Durch die Überspannungsschutzvorrichtung ist dabei ein zuverlässiger Schutz dieser Antriebskomponenten möglich. Dabei ist es denkbar, dass die Überspannungsschutzvorrichtung auch in mindestens einem dieser Antriebskomponenten integriert ist und/oder mit mindestens einem dieser Antriebskomponenten ein gemeinsames Bauteil bildet und/oder damit verbunden ist. The additional heater is designed for example as a PTC heating element. The drive components, in particular the drive, are for example high voltage components. The power of the electric machine is in particular 50kW to 150kW, preferably 80kW to 100kW and the power of the fuel cell is preferably 50kW to 200kW, preferably 80kW to 100kW and the battery power is preferably 20kW to 150kW, more preferably 25kW to 100kW. By the overvoltage protection device while a reliable protection of these drive components is possible. It is conceivable that the overvoltage protection device is also integrated in at least one of these drive components and / or forms a common component with at least one of these drive components and / or is connected thereto.
Von weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Überspannungsschutzvorrichtung wenigstens eine elektrische Filtereinheit, insbesondere eine Drossel, aufweist, wobei insbesondere die Schalteinheit als Leistungshalbleiter, insbesondere als MOSFET und/oder IGBT, ausgebildet ist. Die elektrische Filtereinheit dient dabei insbesondere dazu, einen absoluten Kurzschluss zu verhindern und ist vorzugsweise als Hochpass-Filter ausgeführt. Die Filtereinheit dient insbesondere zur Filterung des gemäß der Ansteuerung der Schalteinheit zugelassenen Stromflusses. Hierdurch kann der Überspannungsschutz weiter verbessert werden.Further advantage may be provided that the overvoltage protection device at least one electrical filter unit, in particular a throttle, having, in particular, the switching unit as a power semiconductor, in particular as a MOSFET and / or IGBT, is formed. The electric filter unit serves in particular to prevent an absolute short circuit and is preferably designed as a high-pass filter. The filter unit is used in particular for filtering the current flow permitted according to the activation of the switching unit. As a result, the overvoltage protection can be further improved.
Vorteilhafterweise kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Energiequelle als Brennstoffzelle und/oder als Range Extender ausgebildet ist. Weiter ist es denkbar, dass die Energiequelle als weitere Energiespeichereinheit ausgeführt ist. Unter einem Range Extender versteht man insbesondere Verbrennungsmotoren, welche einen Generator antreiben, der eine Energiespeichereinheit und/oder einen Elektromotor mit Strom versorgt. Der Range Extender wird insbesondere zur Erhöhung der Reichweite des Fahrzeuges eingesetzt. Es ist dabei auch denkbar, dass mehrere Energiequellen, insbesondere auch unterschiedliche Energiequellen, mit dem Gleichspannungswandler verbunden sind.Advantageously, it can be provided within the scope of the invention that the energy source is designed as a fuel cell and / or as a range extender. It is also conceivable that the energy source is designed as a further energy storage unit. A range extender is understood to mean, in particular, internal combustion engines that drive a generator that supplies power to an energy storage unit and / or an electric motor. The Range Extender is used in particular to increase the range of the vehicle. It is also conceivable that a plurality of energy sources, in particular also different energy sources, are connected to the DC-DC converter.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which, with reference to the drawings, embodiments of the invention are described in detail. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination. Show it:
In
In
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. The above explanation of the embodiments describes the present invention solely by way of example. Of course, individual features of the embodiments, if technically feasible, can be combined freely with one another, without departing from the scope of the present invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Überspannungsschutzvorrichtung Surge protector
- 1111
- Schalteinheit switching unit
- 1212
- Filtereinheit, Drossel Filter unit, throttle
- 1313
- Überwachungseinheit, Spannungsüberwachungseinheit Monitoring unit, voltage monitoring unit
- 1414
- gemeinsames Bauteil common component
- 3030
- Energiequelle, Brennstoffzelle Energy source, fuel cell
- 4040
- Energiespeichereinheit Energy storage unit
- 5050
- Antrieb drive
- 6060
- Antriebskomponente drive component
- 100100
- Verfahren method
- 100.1100.1
- Erster Verfahrensschritt First process step
- 100.2100.2
- Zweiter Verfahrensschritt Second process step
- 100.3100.3
- Dritter Verfahrensschritt Third procedural step
- 200200
- System system
- 220220
- Zwischenkreis DC
- 250250
- Gleichspannungswandler DC converter
- 251251
- Anschluss connection
- 252252
- gemeinsamer Anschluss common connection
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102014107093 A1 [0003] DE 102014107093 A1 [0003]
- DE 102004023505 A1 [0004] DE 102004023505 A1 [0004]
Claims (11)
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|---|---|
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE BALS & VOGEL, DE |
|
| R163 | Identified publications notified | ||
| R012 | Request for examination validly filed |