DE102021111773A1 - Method for actively discharging an electrical energy store, control device, electrical circuit device and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum aktiven Entladen eines elektrischen Energiespeichers (6) einer elektrischen Schaltungsanordnung (5), wobei die elektrische Schaltungsanordnung (5) wenigstens eine Halbbrücke (11, 12, 13) aus zwei Schaltelementen (S1 - S6) umfasst, wobei die Halbbrücke (11, 12, 13) parallel zu dem Energiespeicher (6) geschaltet ist und die Schaltelemente (S1 - S6) jeweils einen schaltbaren Abschnitt aufweisen, dessen elektrischer Widerstand über eine Steuerspannung des Schaltelements (S1 - S6) einstellbar ist, wobei zum Beginn der Entladung des Energiespeichers (6) die Steuerspannung der Schaltelemente (S1 - S6) der Halbbrücke (11, 12, 13) jeweils auf eine Höhe zwischen einer Schwellenspannung und einer maximal zulässigen Einschaltspannung des Schaltelements (S1 - S6) eingestellt werden. Method for actively discharging an electrical energy store (6) of an electrical circuit arrangement (5), the electrical circuit arrangement (5) comprising at least one half-bridge (11, 12, 13) made from two switching elements (S1 - S6), the half-bridge (11, 12, 13) is connected in parallel to the energy store (6) and the switching elements (S1 - S6) each have a switchable section whose electrical resistance can be adjusted via a control voltage of the switching element (S1 - S6), wherein at the beginning of the discharge of the energy store (6) the control voltage of the switching elements (S1 - S6) of the half-bridge (11, 12, 13) can each be set to a level between a threshold voltage and a maximum permissible turn-on voltage of the switching element (S1 - S6).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Entladen eines elektrischen Energiespeichers einer elektrischen Schaltungsanordnung, wobei die elektrische Schaltungsanordnung wenigstens eine Halbbrücke aus zwei Schaltelementen umfasst, wobei die Halbbrücke parallel zu dem Energiespeicher geschaltet ist und die Schaltelemente jeweils einen schaltbaren Abschnitt aufweisen, dessen elektrischer Widerstand über eine Steuerspannung des Schaltelements einstellbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung, eine elektrische Schaltungseinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a method for actively discharging an electrical energy store in an electrical circuit arrangement, the electrical circuit arrangement comprising at least one half-bridge made up of two switching elements, the half-bridge being connected in parallel with the energy store and the switching elements each having a switchable section whose electrical resistance has a Control voltage of the switching element is adjustable. Furthermore, the invention relates to a control device, an electrical circuit device and a motor vehicle.
Hybridkraftfahrzeuge und Kraftfahrzeuge mit reinem elektrischen Antrieb umfassen in der Regel ein Hochvoltbordnetz, über welches Leistungselektronik-Komponenten angebunden sind. Bei diesen Leistungselektronik-Komponenten kann es sich beispielsweise um einen Antriebsumrichter, einen Gleichspannungswandler zum Wandeln der Spannung des Hochvoltbordnetzes in eine niedrigere Spannung, ein Onboard-Ladegerät des Kraftfahrzeugs, einen elektrischen Klimakompressor und/oder einen elektrischen Heizer handeln. Diese Komponenten werden über das Hochvoltbordnetz aus einem Hochvolt-Energiespeicher des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer Traktionsbatterie, gespeist. Die Spannung in dem Hochvoltbordnetz beträgt bei Elektrofahrzeugen beispielsweise zwischen 350 V oder 860 V.Hybrid motor vehicles and motor vehicles with a purely electric drive generally have a high-voltage vehicle electrical system, via which power electronics components are connected. These power electronics components can be, for example, a drive converter, a DC converter for converting the voltage of the high-voltage vehicle electrical system to a lower voltage, an onboard charger in the motor vehicle, an electric air conditioning compressor and/or an electric heater. These components are fed via the high-voltage vehicle electrical system from a high-voltage energy store in the motor vehicle, for example a traction battery. In electric vehicles, the voltage in the high-voltage electrical system is between 350 V and 860 V, for example.
Aus Gründen der Gebrauchssicherheit sowie der funktionalen Sicherheit muss in jeder Komponente des Hochvolt-Bordnetzes, welche einen Hochvolt-Zwischenkreiskondensator bzw. einen X-Kondensator zur Filterung von elektromagnetischen Störungen aufweist, eine Schaltung zur aktiven Entladung vorgesehen werden. Durch diese Entladungsschaltung kann der Kondensator entladen werden, beispielsweise wenn das Hochvoltbordnetz des Kraftfahrzeugs außer Betrieb genommen wird oder wenn ein Fehlerfall auftritt. Die Entladeschaltung besteht in der Regel aus einem Schalter und einem ohmschen Widerstand, über welchen die im Kondensator gespeicherte Energie beim Entladen in Wärme umgewandelt wird. Dies reduziert die Spannung am Zwischenkreiskondensator, so dass diese innerhalb einer kurzen Zeitspanne auf ein beispielsweise für Berührungen ungefährliches Niveau abgesenkt werden kann.For reasons of operational safety and functional safety, a circuit for active discharge must be provided in every component of the high-voltage vehicle electrical system that has a high-voltage intermediate circuit capacitor or an X-capacitor for filtering electromagnetic interference. The capacitor can be discharged by this discharge circuit, for example when the high-voltage electrical system of the motor vehicle is taken out of operation or when a fault occurs. The discharge circuit usually consists of a switch and an ohmic resistor, via which the energy stored in the capacitor is converted into heat during discharge. This reduces the voltage at the intermediate circuit capacitor so that it can be lowered within a short period of time to a level that is harmless, for example for touching.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Entladen eines Energiespeichers bekannt.Various methods for discharging an energy store are known from the prior art.
In
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers anzugeben, welches insbesondere eine kontrollierte Durchführung des Entladevorgangs ermöglicht.The invention is based on the object of specifying an improved method for discharging an electrical energy store which, in particular, enables the discharging process to be carried out in a controlled manner.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen, dass zum Beginn der Entladung des Energiespeichers die Steuerspannung der Schaltelemente der Halbbrücke jeweils auf eine Höhe zwischen einer Schwellenspannung und einer maximal zulässigen Einschaltspannung des Schaltelements eingestellt werden.To solve this problem is provided according to the invention in a method of the type mentioned that at the beginning of the discharge of the energy store, the control voltage Switching elements of the half-bridge are each set to a level between a threshold voltage and a maximum allowable turn-on voltage of the switching element.
Die Schaltelemente der Halbbrücke weisen jeweils einen schaltbaren Abschnitt auf, dessen elektrischer Widerstand durch die jeweilige Steuerspannung des Schaltelements geändert werden kann. Bei dem schaltbaren Abschnitt kann es sich z. B. bei Ausführung der Schaltelemente als Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistoren (MOSFETs) um die Drain-Source-Strecke handeln. Die schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente der Halbbrücke sind in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltung der schaltbaren Abschnitte, also die Halbbrücke, parallel zu dem Energiespeicher der elektrischen Schaltungsanordnung geschaltet ist.The switching elements of the half-bridge each have a switchable section whose electrical resistance can be changed by the respective control voltage of the switching element. The switchable section can be z. B. when running the switching elements as metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) act around the drain-source path. The switchable sections of the switching elements of the half-bridge are connected in series, with the series circuit of the switchable sections, ie the half-bridge, being connected in parallel with the energy store of the electrical circuit arrangement.
Durch das Einstellen der Steuerspannung, beispielsweise der Gate-Spannung bzw. Gate-Source-Spannung eines als MOSFET ausgeführten Schaltelements, kann der elektrische Widerstand des schaltbaren Abschnitts eingestellt werden. Dazu wird die Höhe der Steuerspannung auf einen Wert zwischen einer Schwellenspannung des Schaltelements und einer maximal zulässigen Einschaltspannung des Schaltelements eingestellt. Die Schwellenspannung liegt dabei zwischen 0 V und der Einschaltspannung des Schaltelements und ist betragsmäßig größer als 0 V und somit auch größer als eine Ausschaltspannung des Schaltelements. Die Schwellenspannung sowie die maximal zulässige Steuerspannung können dem jeweiligen Schaltelement insbesondere als bauteilspezifische Größen zugeordnet sein. Die Schaltelemente der Halbbrücke können insbesondere baugleich sein. Es ist möglich, dass die Steuerspannungen für beide Schaltelemente der Halbbrücke in gleicher Höhe eingestellt werden oder dass für die Schaltelemente jeweils eine andere Höhe der Steuerspannung eingestellt wird.The electrical resistance of the switchable section can be adjusted by adjusting the control voltage, for example the gate voltage or gate-source voltage of a switching element designed as a MOSFET. For this purpose, the level of the control voltage is set to a value between a threshold voltage of the switching element and a maximum permissible turn-on voltage of the switching element. The threshold voltage is between 0 V and the switch-on voltage of the switching element and is greater than 0 V in terms of magnitude and is therefore also greater than a switch-off voltage of the switching element. The threshold voltage and the maximum permissible control voltage can be assigned to the respective switching element, in particular as component-specific variables. The switching elements of the half-bridge can in particular be structurally identical. It is possible for the control voltages for both switching elements of the half-bridge to be set at the same level or for a different control voltage level to be set for the switching elements.
Durch das Anlegen einer Spannung zwischen der Schwellenspannung und der maximalzulässigen Einschaltspannung kann ein definierter Widerstand der schaltbaren Strecken der Schaltelemente eingestellt werden, so dass der elektrische Zwischenkreiskondensator über die Reihenschaltung der beiden schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente der Halbbrücke entladen werden kann. Der Stromfluss aus dem Energiespeicher, bei welchem es sich beispielsweise um einen Kondensator handelt, richtet sich nach der Spannung des Energiespeichers sowie nach dem elektrischen Widerstand der schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente der Halbbrücke.By applying a voltage between the threshold voltage and the maximum permissible switch-on voltage, a defined resistance of the switchable sections of the switching elements can be set, so that the electrical intermediate circuit capacitor can be discharged via the series connection of the two switchable sections of the switching elements of the half-bridge. The flow of current from the energy store, which is a capacitor, for example, depends on the voltage of the energy store and on the electrical resistance of the switchable sections of the switching elements of the half-bridge.
Durch das Einstellen der Steuerspannung der Schaltelemente zu Beginn der Entladung des Energiespeichers auf eine Höhe zwischen der Schwellenspannung und einer maximal zulässigen Einschaltspannung kann direkt zu Beginn des Entladungsvorgangs ein signifikanter Entladestromfluss erzeugt werden. Dies ermöglicht vorteilhaft eine schnelle und kontrollierte Entladung des Kondensators, so dass vorgegebene Entladezeiten, das heißt Zeitdauern, in denen eine Spannung des Energiespeichers, wie beispielsweise eines Kondensators, unterhalb eines Grenzwerts liegen muss, zuverlässig erreicht oder unterschritten werden können. Bevorzugt kann der elektrische Widerstand der schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente derart eingestellt werden, dass eine Spannung des Energiespeichers innerhalb von einer Sekunde oder weniger auf eine Spannung kleiner als 60 V reduziert werden kann.By setting the control voltage of the switching elements at the beginning of the discharge of the energy store to a level between the threshold voltage and a maximum permissible switch-on voltage, a significant discharge current flow can be generated directly at the beginning of the discharge process. This advantageously enables the capacitor to be discharged quickly and in a controlled manner, so that specified discharge times, ie periods of time in which a voltage of the energy store, such as a capacitor, must be below a limit value, can be reliably reached or fallen below. The electrical resistance of the switchable sections of the switching elements can preferably be set in such a way that a voltage of the energy store can be reduced to a voltage of less than 60 V within one second or less.
Die erfindungsgemäße Lösung hat dabei den Vorteil, dass auf eine separate Entladeschaltung verzichtet werden kann. Es wird kein weiterer Entladewiderstand benötigt, in welchem die in dem Energiespeicher enthaltene Energie beim Entladen in Wärme umgesetzt wird. Derartige Entladewiderstände weisen in der Regel den Nachteil auf, dass sie aufgrund der hohen Entladeleistung, welche beispielsweise beim Entladen eines Zwischenkreiskondensators eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs auftreten können, mit hoher thermischer Masse und somit sehr massiv ausgelegt werden müssen, damit sie der thermischen Belastung beim Entladen widerstehen können. Dies resultiert in der Regel in großen, bauraum intensiven Entladewiderständen, welche beispielsweise innerhalb einer Leistungselektronikschaltung viel Bauraum benötigen. Vorteilhaft kann durch die Verwendung der Schaltelemente zum Entladen des Energiespeichers auf einen separaten Entladewiderstand und somit auf bauraumintensive Elemente wie Zementwiderstände oder Gruppen bzw. Arrays aus oberflächenmontierten Dickschichtwiderständen (SMD-Dickschichtwiderständen) verzichtet werden. Durch die Ersparnis des Bauraums des Entladewiderstands kann weiterhin die benötigte Fläche einer Platine zur Realisierung zumindest eines Teils der elektrischen Schaltungsanordnung reduziert werden.The solution according to the invention has the advantage that a separate discharge circuit can be dispensed with. No further discharge resistor is required, in which the energy contained in the energy store is converted into heat during discharge. Discharge resistors of this type usually have the disadvantage that, due to the high discharge power that can occur, for example, when discharging an intermediate circuit capacitor of a high-voltage vehicle electrical system of a motor vehicle, they have to be designed with a high thermal mass and therefore very massively so that they can withstand the thermal load during discharging be able. As a rule, this results in large, space-intensive discharge resistors, which, for example, require a large amount of space within a power electronics circuit. Advantageously, by using the switching elements to discharge the energy store, a separate discharge resistor and thus space-intensive elements such as cement resistors or groups or arrays of surface-mounted thick-film resistors (SMD thick-film resistors) can be dispensed with. By saving the installation space of the discharge resistor, the required area of a circuit board for realizing at least part of the electrical circuit arrangement can also be reduced.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine Halbbrücke zum Entladen verwendet werden kann, welche mit einer Kühlvorrichtung gekoppelt ist und/oder welche an einen Kühlkreislauf angebunden ist, so dass die beim Entladen des Zwischenkreiskondensators entstehende Wärme vorteilhaft an den Kühlkreislauf abgegeben werden kann. Dadurch kann vorteilhaft der Wärmeeintrag in die elektrische Schaltungsanordnung beim Entladen des Energiespeichers reduziert werden, was eine thermische Belastung der Schaltung verringern und eine Lebensdauer der Schaltung erhöhen kann. Mit Vorteil können somit insbesondere mehrfache Entladevorgänge in kurzer zeitlicher Folge ohne übermäßige Erwärmung der elektrischen Schaltungsanordnung umgesetzt werden. Auf sich erwärmende Entladewiderstände und/oder eine zusätzliche Kühlung von Entladewiderständen kann somit vorteilhaft verzichtet werden. Ferner kann eine bessere Kühlung erreicht werden, als es bei in der Regel über die Umgebungsluft in einem Inneren eines Gehäuses der elektrischen Schaltungsanordnung gekühlten Entladewiderständen möglich ist.A further advantage of the invention is that a half-bridge can be used for discharging, which is coupled to a cooling device and/or which is connected to a cooling circuit, so that the heat generated when the intermediate circuit capacitor is discharged can advantageously be dissipated to the cooling circuit. As a result, the heat input into the electrical circuit arrangement when discharging the energy store can advantageously be reduced, which can reduce a thermal load on the circuit and increase the service life of the circuit. Advantageously, in particular, multiple discharging processes in a short time sequence without excessive moderate heating of the electrical circuitry are implemented. Discharge resistors that heat up and/or additional cooling of discharge resistors can thus advantageously be dispensed with. Furthermore, better cooling can be achieved than is possible with discharge resistors that are generally cooled by the ambient air in an interior of a housing of the electrical circuit arrangement.
Der Verzicht auf einen Entladewiderstand ermöglicht weiterhin auch den Verzicht auf weitere, dem Entladewiderstand zugeordnete Schaltungen wie beispielsweise Temperaturmessungen, Filterschaltungen und/oder weitere Schaltungen zur Bereitstellung von Entstörmaßnahmen, so dass eine weitergehende Bauraumersparnis sowie eine Steigerung der Robustheit der gesamten Schaltungseinrichtung erzielt werden kann. Ferner ergeben sich ebenfalls Einsparungen bei den Materialkosten, bei den Kosten für Aufbau- und Verbindungstechnik sowie der Anbindung des Entladewiderstands. Insbesondere wird auch die Herstellung der elektrischen Schaltungsanordnung vereinfacht, da keine großen Entladewiderstände bzw. Gruppen aus einer Vielzahl von kleineren Entladewiderständen montiert bzw. auf einer Leiterplatte bestückt werden müssen. Auch auf eine Verschraubung des Entladewiderstands innerhalb eines Gehäuses der elektrischen Schaltungsanordnung kann verzichtet werden. Vorteilhaft kann die elektrische Schaltungsanordnung somit mit einem geringeren Gewicht sowie einer geringeren Baugröße ausgeführt werden, was die Flexibilität beim Einsatz der elektrischen Schaltungsanordnung in weiteren Vorrichtungen erhöht.The omission of a discharge resistor also makes it possible to omit further circuits associated with the discharge resistor, such as temperature measurements, filter circuits and/or other circuits for providing interference suppression measures, so that a further saving in installation space and an increase in the robustness of the entire circuit device can be achieved. Furthermore, there are also savings in material costs, in the costs for assembly and connection technology and the connection of the discharge resistor. In particular, the production of the electrical circuit arrangement is also simplified, since no large discharge resistors or groups of a large number of smaller discharge resistors have to be mounted or populated on a printed circuit board. Screwing the discharge resistor inside a housing of the electrical circuit arrangement can also be dispensed with. The electrical circuit arrangement can thus advantageously be designed to be lighter in weight and smaller in size, which increases the flexibility when using the electrical circuit arrangement in other devices.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Höhen der Steuerspannungen zu Beginn der Entladung und/oder während der Entladung in Abhängigkeit wenigstens einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift und/oder wenigstens einer erfassten oder abgeleiteten Messgröße der elektrischen Schaltungsanordnung eingestellt werden.In a preferred embodiment of the invention, it can be provided that the levels of the control voltages are set at the beginning of the discharge and/or during the discharge as a function of at least one predetermined assignment specification and/or at least one measured or derived measured variable of the electrical circuit arrangement.
Die erfasste Messgröße kann dabei beispielsweise mittels eines Messmittels direkt bestimmt werden. Eine abgeleitete Messgröße kann insbesondere durch Messung einer anderen Größe und unter Verwendung einer Zuordnungsvorschrift bzw. einer Formel, welche die andere Größe in die abgeleitete Messgröße umrechnet, bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Kontrolle des Entladevorgangs weiter verbessert werden. Während des Entladevorgangs kann die Höhe der Steuerspannung also in Abhängigkeit einer erfassten oder abgeleiteten Messgröße geändert werden, so dass eine Anpassung der Steuerspannung und somit des elektrischen Widerstands der schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente der Halbbrücke auch während des Entladevorgangs möglich ist. Unerwünschte Zustände während des Entladens können somit erkannt werden und es kann durch die Änderung der Steuerspannungen eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden. Insbesondere ist es auch möglich, den Eintritt eines unerwünschten Zustandes bereits im Vorfeld durch eine Änderung wenigstens einer der Steuerspannungen zu verhindern.The recorded measured variable can be determined directly using a measuring device, for example. A derived measured variable can be determined in particular by measuring another variable and using an assignment rule or a formula that converts the other variable into the derived measured variable. In this way, the control of the discharge process can be further improved. During the discharging process, the level of the control voltage can be changed as a function of a detected or derived measured variable, so that the control voltage and thus the electrical resistance of the switchable sections of the switching elements of the half-bridge can also be adjusted during the discharging process. Undesirable states during discharging can thus be detected and countermeasures can be initiated by changing the control voltages. In particular, it is also possible to prevent the occurrence of an undesired state in advance by changing at least one of the control voltages.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Messgröße der elektrischen Schaltungsanordnung eine Spannung des Energiespeichers, ein Stromfluss durch wenigstens eines der Schaltelemente und/oder eine Temperatur wenigstens eines der Schaltelement verwendet wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Entladevorgang und insbesondere die elektrischen Widerstände der schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente an Größen anzupassen, welche für einen kontrollierten Entladevorgang maßgeblich sind. Dabei ist es möglich, dass beispielsweise eine Spannung des Energiespeichers über ein dem Energiespeicher zugeordnetes Messmittel ermittelt wird. Auch ein Stromfluss durch wenigstens eines der Schaltelemente und/oder eine Temperatur wenigstens eines der Schaltelemente können über jeweils ein Messmittel, welches dem Schaltelement bzw. der Halbbrücke zugeordnet ist, bestimmt werden. Es ist auch möglich, dass ein Stromfluss durch eines der Schaltelemente beispielsweise aus einer Temperatur des Schaltelements, der Spannung des Energiespeichers und einer hinterlegten Zuordnungsvorschrift, welche beispielsweise den Widerstand des Schaltelements bei der eingestellten Steuerspannung angibt, ermittelt wird.In a preferred embodiment of the invention, it can be provided that a voltage of the energy store, a current flow through at least one of the switching elements and/or a temperature of at least one of the switching elements is used as the measured variable of the electrical circuit arrangement. In this way it is possible to adapt the discharging process and in particular the electrical resistances of the switchable sections of the switching elements to variables which are decisive for a controlled discharging process. It is possible, for example, for a voltage of the energy storage device to be determined using a measuring device assigned to the energy storage device. A current flow through at least one of the switching elements and/or a temperature of at least one of the switching elements can also be determined via a measuring device that is assigned to the switching element or the half-bridge. It is also possible for a current flow through one of the switching elements to be determined, for example, from a temperature of the switching element, the voltage of the energy storage device and a stored assignment specification which, for example, specifies the resistance of the switching element at the set control voltage.
Um weitere Kontrolle über den Entladevorgang zu enthalten, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Höhen der Steuerspannungen während der Entladung in Abhängigkeit der Messgröße der elektrischen Schaltungsanordnung geregelt werden. Dabei kann z. B. eine Regelung der Steuerspannungen auf einen festen Stromwert, eine maximale Temperatur, eine gewünschte Entladezeit und/oder eine maximale Spannungsänderung am Energiespeicher erfolgen. Auf diese Weise kann in einfacher Weise der aktuelle Zustand der Schaltelemente der Halbbrücke und/oder des Energiespeichers berücksichtigt werden, so dass der Entladevorgang des Energiespeichers in kontrollierter und sicherer Weise erfolgen kann.In order to contain further control over the discharging process, it can be provided according to the invention that the levels of the control voltages are regulated during discharging as a function of the measured variable of the electrical circuit arrangement. In doing so, e.g. B. the control voltages can be regulated to a fixed current value, a maximum temperature, a desired discharge time and/or a maximum voltage change at the energy store. In this way, the current state of the switching elements of the half-bridge and/or the energy store can be taken into account in a simple manner, so that the discharge process of the energy store can take place in a controlled and safe manner.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine elektrische Schaltungsanordnung mit mehreren, jeweils parallel zu dem Energiespeicher geschalteten Halbbrücken, insbesondere eine als mehrphasiger Pulswechselrichter ausgebildete elektrische Schaltungsanordnung, verwendet wird. Eine beispielsweise als mehrphasiger Pulswechselrichter ausgebildete Schaltungsanordnung kann beispielsweise dazu verwendet werden, eine über ein Hochvolt-Gleichstromteilnetz bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung, beispielsweise zum Betrieb einer elektrischen Maschine, zu wandeln. Die elektrische Schaltungsanordnung kann insbesondere als ein dreiphasiger Pulswechselrichter ausgebildet sein, welcher entsprechend drei parallel zu dem Energiespeicher geschaltete Halbbrücken aufweist. Der Energiespeicher kann dabei als ein Zwischenkreiskondensator bzw. ein X-Kondensator des Hochvolt-Gleichstromteilnetzes ausgeführt sein.In a preferred embodiment of the invention, it can be provided that an electrical circuit arrangement with a plurality of half-bridges, each connected in parallel with the energy store, is used, in particular an electrical circuit arrangement designed as a multi-phase pulse-controlled inverter. An example as A circuit arrangement designed as a multi-phase pulse-controlled inverter can be used, for example, to convert a DC voltage provided via a high-voltage DC subsystem into an AC voltage, for example for operating an electrical machine. The electrical circuit arrangement can be designed in particular as a three-phase pulse-controlled inverter which correspondingly has three half-bridges connected in parallel with the energy store. The energy store can be designed as an intermediate circuit capacitor or an X-capacitor of the high-voltage direct-current sub-grid.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass zum Beginn der Entladung des Energiespeichers die Steuerspannung aller Schaltelemente der Halbbrücken jeweils auf eine Höhe zwischen einer Schwellenspannung und einer maximal zulässigen Einschaltspannung des Schaltelements gesetzt werden. Dies ermöglicht es, dass der Energiespeicher über mehrere Halbbrücken und somit über mehrere, parallel zu dem Energiespeicher geschaltete Pfade entladen werden kann. Dadurch reduziert sich vorteilhaft die Stromstärke der jeweils in den Pfaden bzw. den Schaltelementen der Halbbrücken fließenden Ströme, so dass eine Erwärmung der Schaltelemente und/oder eine maximal benötigte Entladezeit vorteilhaft reduziert werden kann.According to the invention, it can be provided that at the beginning of the discharge of the energy store the control voltage of all switching elements of the half-bridges is set to a level between a threshold voltage and a maximum permissible turn-on voltage of the switching element. This makes it possible for the energy store to be discharged via a number of half-bridges and thus via a number of paths connected in parallel with the energy store. As a result, the current strength of the currents flowing in each case in the paths or the switching elements of the half-bridges is advantageously reduced, so that heating of the switching elements and/or a maximum required discharge time can advantageously be reduced.
Es ist dabei möglich, dass die Schaltelemente einer Halbbrücke und/oder die Schaltelemente der mehreren Halbbrücken jeweils mit einer gleichen Steuerspannung beaufschlagt werden und/oder dass die Schaltelemente der Halbbrücken mit unterschiedlichen Steuerspannungen beaufschlagt werden. Die Schaltelemente können derart mit einer Steuerspannung beaufschlagt werden, dass jeweils die gleichen oder zumindest im Wesentlichen die gleichen elektrischen Widerstände ihrer schaltbaren Abschnitte aufweisen. Auf diese Weise wird eine möglichst gleichförmige Erwärmung der Schaltelemente erreicht. Unter einem zumindest im Wesentlichen gleichen elektrischen Widerstand sind hierbei Widerstände zu verstehen, welche sich höchstens um 20 %, insbesondere um 10 % und bevorzugt um 5 % oder weniger unterscheiden.In this case, it is possible for the switching elements of a half-bridge and/or the switching elements of the plurality of half-bridges to be acted upon in each case by the same control voltage and/or for the switching elements of the half-bridges to be acted upon by different control voltages. A control voltage can be applied to the switching elements in such a way that their switchable sections have the same or at least essentially the same electrical resistances. In this way, the switching elements are heated as uniformly as possible. At least essentially the same electrical resistance is to be understood here as meaning resistances which differ by at most 20%, in particular by 10% and preferably by 5% or less.
Alternativ kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Energiespeicher nur über eine der Halbbrücken entladen wird, wobei die zum Entladen verwendete Halbbrücke in Abhängigkeit der Temperatur wenigstens eines der Schaltelemente und/oder in Abhängigkeit in einer seit Beginn des Entladens verstrichenen Zeitdauer gewählt wird. Somit kann abhängig von der Temperatur eines der Schaltelemente und/oder in Abhängigkeit der verstrichenen Zeitdauer seit Beginn des Entladens eine andere Halbbrücke verwendet werden. Dies ermöglicht vorteilhaft ein Umschalten der jeweils zum Entladen verwendeten Halbbrücke.Alternatively, it can be provided according to the invention that the energy store is only discharged via one of the half-bridges, the half-bridge used for discharging being selected depending on the temperature of at least one of the switching elements and/or depending on a period of time that has elapsed since the start of discharging. A different half-bridge can thus be used depending on the temperature of one of the switching elements and/or depending on the elapsed time since the start of discharging. This advantageously enables the half-bridge used for discharging to be switched over.
Zum Beispiel kann eine zu Beginn des Entladevorgangs verwendete erste Halbbrücke abgeschaltet werden, indem die Steuerspannung der Schaltelemente beispielsweise auf eine Sperrspannung gesetzt werden, wenn eine vorgegebene Zeitdauer seit Beginn des Entladens verstrichen ist und/oder wenn wenigstens eines der Schaltelemente eine Temperatur oberhalb eines Temperaturgrenzwerts aufweist. Gleichzeitig kann bei einer zweiten Halbbrücke der mehreren Halbbrücken die Steuerspannung jeweils auf einen Wert zwischen der Schwellenspannung der maximalen Einschaltspannung gesetzt werden, so dass der Entladevorgang über die Schaltelemente der zweiten Halbbrücke fortgesetzt werden kann.For example, a first half-bridge used at the beginning of the discharging process can be switched off by setting the control voltage of the switching elements to a blocking voltage, for example, when a predetermined period of time has elapsed since the beginning of discharging and/or when at least one of the switching elements has a temperature above a temperature limit value . At the same time, in a second half-bridge of the plurality of half-bridges, the control voltage can be set to a value between the threshold voltage and the maximum turn-on voltage, so that the discharging process can be continued via the switching elements of the second half-bridge.
Entsprechend kann nach erneutem Verstreichen der Zeitdauer bzw. bei einer Erwärmung der zweiten Halbbrücke ein Abschalten der zweiten Halbbrücke erfolgen und der Entladevorgang kann über eine dritte Halbbrücke fortgesetzt werden. Bei wiederum erneutem Verstreichen der Zeitdauer bzw. einer Erwärmung der dritten Halbbrücke kann eine weitere Halbbrücke, insbesondere wieder die erste Halbbrücke, zum Entladen des Energiespeichers verwendet werden, wenn die dritte Halbbrücke abgeschaltet wird.Correspondingly, after the period of time has elapsed again or when the second half-bridge heats up, the second half-bridge can be switched off and the discharging process can be continued via a third half-bridge. If the period of time elapses again or the third half-bridge heats up, another half-bridge, in particular the first half-bridge again, can be used to discharge the energy store when the third half-bridge is switched off.
Insbesondere können die mehreren Halbbrücken zyklisch zum Entladen des Energiespeichers durchgeschaltet werden. Der Wechsel einer zum Entladen verwendeten Halbbrücke kann erfolgen, wenn die Temperatur eines der Schaltelemente der zum Entladen verwendeten Halbbrücke einen vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise von 200° C, überschreitet. Um eine weitere Erwärmung der Schaltelemente zu vermeiden, kann durch das Umschalten der Halbbrücken eine Abkühlung der vorangehend zum Entladen verwendeten Schaltelemente bewirkt werden. Auch ein Umschalten bzw. ein zyklisches Durchschalten der Halbbrücken zum Entladen in Abhängigkeit einer verstrichenen Zeitdauer ist möglich, so dass jede der Halbbrücken nur für eine vorgegebene Zeitdauer zum Entladen verwendet wird. Dadurch kann vorteilhaft die Erwärmung der einzelnen Schaltelemente reduziert werden, so dass sich insgesamt während des Entladens nur eine geringe Erwärmung der Schaltelemente ergibt.In particular, the multiple half-bridges can be switched through cyclically for discharging the energy store. A half-bridge used for discharging can be changed when the temperature of one of the switching elements of the half-bridge used for discharging exceeds a predetermined limit value, for example 200.degree. In order to avoid further heating of the switching elements, the switching elements previously used for discharging can be brought about to cool down by switching over the half-bridges. It is also possible to switch over or switch through the half-bridges cyclically for discharging as a function of an elapsed time period, so that each of the half-bridges is only used for discharging for a predetermined period of time. As a result, the heating of the individual switching elements can advantageously be reduced, so that the switching elements heat up only slightly overall during discharging.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass als Schaltelemente Transistoren, insbesondere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren aus Siliziumcarbid, verwendet werden. Die Höhe der Steuerspannungen zwischen der Schwellenspannung und der maximalen Einschaltspannung kann beispielsweise zwischen 3 V und 18 V variiert werden. Es ist insbesondere möglich, dass die Schwellenspannung beispielsweise zwischen 3 V und 5 V liegt und dass die maximale Einschaltspannung zwischen 15 V und 18 V liegt, so dass je nach verwendetem Schaltelement auch Höhen der Steuerspannungen zwischen 5 V und 15 V verwendet werden können, um den elektrischen Widerstand des schaltbaren Abschnitts einzustellen.According to the invention, it can be provided that transistors, in particular metal-oxide-semiconductor field-effect transistors made of silicon carbide, are used as switching elements. The level of the control voltages between the threshold voltage and the maximum switch-on voltage can be varied between 3 V and 18 V, for example the. In particular, it is possible that the threshold voltage is between 3 V and 5 V, for example, and that the maximum switch-on voltage is between 15 V and 18 V, so that depending on the switching element used, control voltage levels between 5 V and 15 V can also be used in order to adjust the electrical resistance of the switchable section.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Energiespeicher ein Zwischenkreiskondensator eines Hochvoltnetzes, insbesondere mit einer Spannung zwischen 200 V und 1500 V, verwendet wird. Der Zwischenkreiskondensator kann dabei zwischen den Polen, an denen die Spannung des Hochvoltnetzes anliegt, geschaltet sein und somit einen X-Kondensator darstellen. Der Energiespeicher ist dabei ein Kondensator, an welchem die Spannung des Hochvoltnetzes, beispielsweise eine Spannung zwischen 250 V und 1500 V, insbesondere eine Spannung zwischen 360 V und 860 V, anliegt. Für derartige Spannungen ist eine Berührsicherheit nicht gegeben, so dass bei einem Abschalten der elektrischen Schaltungsanordnung ein Entladen des Zwischenkreiskondensators erfolgen muss.In a preferred embodiment of the invention, it can be provided that an intermediate circuit capacitor of a high-voltage network, in particular with a voltage between 200 V and 1500 V, is used as the energy store. In this case, the intermediate circuit capacitor can be connected between the poles at which the voltage of the high-voltage network is present, and thus represent an X capacitor. The energy store is a capacitor to which the voltage of the high-voltage network, for example a voltage between 250 V and 1500 V, in particular a voltage between 360 V and 860 V, is applied. Such voltages are not safe to touch, so that when the electrical circuit arrangement is switched off, the intermediate circuit capacitor must be discharged.
Für eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung kann vorgesehen sein, dass sie dazu ausgebildet ist, die Steuerspannungen für wenigstens zwei Schaltelemente einer Halbbrücke einer mit der Steuereinrichtung verbindbaren oder verbundenen elektrischen Schaltungsanordnung zu erzeugen, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Steuereinrichtung kann z. B. eine zur Erzeugung der Steuerspannungen ausgebildete Treiberschaltung sowie ein Steuergerät umfassen, wobei das Steuergerät mit der Treiberschaltung verbunden und zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Auf diese Weise wird es ermöglicht, die Schaltelemente der Halbbrücke einer elektrischen Schaltungsanordnung, insbesondere die Schaltelemente von einer oder mehreren Halbbrücken eines Pulswechselrichters, über die Steuereinrichtung mit jeweils einer Steuerspannung zu beaufschlagen.Provision can be made for a control device according to the invention to be designed to generate the control voltages for at least two switching elements of a half-bridge of an electrical circuit arrangement which can be connected or is connected to the control device, the control device being set up to carry out a method according to the invention. The controller can, for. B. include a driver circuit designed to generate the control voltages and a control unit, wherein the control unit is connected to the driver circuit and set up to carry out the method. This makes it possible to apply a respective control voltage to the switching elements of the half-bridge of an electrical circuit arrangement, in particular the switching elements of one or more half-bridges of a pulse-controlled inverter, via the control device.
Für eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung ist vorgesehen, dass sie eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung und eine elektrische Schaltungsanordnung mit einem Energiespeicher und wenigstens einer Halbbrücke aus zwei Schaltelementen umfasst, wobei die Halbbrücke parallel zu dem Energiespeicher geschaltet ist und die Schaltelemente jeweils einen schaltbaren Abschnitt aufweisen, dessen Widerstand über eine Steuerspannung des Schaltelements einstellbar ist.For an electrical circuit device according to the invention, it is provided that it comprises a control device according to the invention and an electrical circuit arrangement with an energy store and at least one half-bridge made up of two switching elements, the half-bridge being connected in parallel with the energy store and the switching elements each having a switchable section whose resistance exceeds a control voltage of the switching element is adjustable.
Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung umfasst. Die elektrische Schaltungseinrichtung kann dabei insbesondere mit einem Traktionsenergiespeicher des Kraftfahrzeugs verbunden sein, wobei die Spannung des Traktionsenergiespeichers an dem zum entladenden Energiespeicher anliegt. Insbesondere kann der Traktionsenergiespeicher als eine Batterie ausgeführt werden und der Energiespeicher, welcher über die Halbbrücke entladen werden kann, kann als Zwischenkreiskondensator ausgeführt sein.It is provided for a motor vehicle according to the invention that it comprises an electrical circuit device according to the invention. The electrical circuit device can be connected in particular to a traction energy store of the motor vehicle, the voltage of the traction energy store being present at the energy store to be discharged. In particular, the traction energy store can be designed as a battery and the energy store, which can be discharged via the half-bridge, can be designed as an intermediate circuit capacitor.
Sämtliche vorangehend in Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung, die erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung sowie das erfindungsgemäße elektrische Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt.All the advantages and configurations described above in relation to the method according to the invention apply correspondingly to the control device according to the invention, the electrical circuit device according to the invention and the electric motor vehicle according to the invention and vice versa.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßem Kraftfahrzeugs, umfassend eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, -
2 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungseinrichtung zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und -
3 ein Widerstands-Ersatzschaltbild einer zum Entladen eines Energiespeichers verwendeten elektrischen Schaltungsanordnung.
-
1 an embodiment of a motor vehicle according to the invention, comprising an electrical circuit device according to the invention with a control device according to the invention, -
2 a detailed view of the electrical circuit device according to the invention to explain an embodiment of a method according to the invention, and -
3 a resistance equivalent circuit diagram of an electrical circuit arrangement used for discharging an energy store.
In
Die elektrische Schaltungseinrichtung 2 umfasst weiterhin einen als Zwischenkreiskondensator ausgebildeten Energiespeicher 6, welcher zwischen den Spannungsniveaus HV+ und HV- des elektrischen Traktionsenergiespeichers 3 geschaltet ist. Der Energiespeicher 6 stellt somit einen Zwischenkreiskondensator bzw. einen X-Kondensator dar. Die elektrische Schaltungseinrichtung 2 umfasst außerdem noch eine Steuereinrichtung 7, welche eine Treiberschaltung 8 sowie ein Steuergerät 9 umfasst. Die Treiberschaltung 8 der Steuereinrichtung 7 kann räumlich in der Schaltungsanordnung 5 enthalten sein, zum Beispiel durch Anordnung der Treiberschaltung 8 innerhalb eines Gehäuse der Schaltungsanordnung 5. Das Steuergerät 9 kann dabei ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet sein oder es kann separat ausgeführt und mit der Treiberschaltung 8 verbunden sein. Zum Entladen des Energiespeichers 6 kann der Traktionsenergiespeicher 3 beispielsweise über eine Schalteinrichtung 10 entkoppelt werden, so dass bei dem Entladen des Energiespeichers 6 der Traktionsenergiespeicher 3 nicht ebenfalls entladen wird.The
In einem normalen Betrieb der elektrischen Schaltungsanordnung 5, beispielsweise einem Motorbetrieb oder einem Generatorbetrieb des Traktionsmotors 4, werden die Steueranschlüsse der Schaltelemente Si von der Steuereinrichtung 7 mit einer zwischen der Ausschaltspannung und der maximalen Einschaltspannung alternierenden Steuerspannung angesteuert. Die Ansteuerung kann in diesem Fall insbesondere mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgen. Ferner kann die Steuereinrichtung 7 die elektrische Schaltungsanordnung 5 zum entladen des Energiespeichers 6 ansteuern, wie nachfolgend genauer beschrieben wird. Dies kann erfolgen, wenn eine Entladungsinformation an die Steuereinrichtung 7 übermittelt wird, wobei eine solche Ermittlung zum Beispiel zu Beginn eines Abschaltvorgangs der elektrischen Schaltungseinrichtung 2 und/oder in Folge eines detektierten Fehlers im Kraftfahrzeug 1 vorgenommen wird.In normal operation of the
Von dem Traktionsenergiespeicher 3 kann eine Hochvoltspannung zum Betrieb der elektrischen Schaltungseinrichtung 2 bereitgestellt werden. Diese Hochvoltspannung kann beispielsweise zwischen 250 V und 1500 V, insbesondere zwischen 360 V und 860 V betragen. Der als Zwischenkreiskondensator ausgebildete Energiespeicher 6 weist im Betrieb der elektrischen Schaltungseinrichtung 2 bzw. des Kraftfahrzeugs 1 eine Spannung auf, welche der Spannung des Hochvolt-Bordnetzes bzw. des Traktionsenergiespeichers 3 entspricht. Dies bedeutet, dass an dem Energiespeicher 5 eine hohe Spannung anliegt, welche bei einem Abschalten der elektrischen Schaltungseinrichtung 2 bzw. des Kraftfahrzeugs 1 abgebaut werden muss, um beispielsweise eine Berührsicherheit der Schaltungseinrichtung 2 bzw. einzelner ihrer Komponenten zu gewährleisten. Auf diese Weise wird auch eine funktionelle Sicherheit und ein Berührschutz der Komponenten des Kraftahrzeuges 1 gewährleistet. Dieses Entladen des Energiespeichers 6 kann vorteilhaft durch die elektrische Schaltungsanordnung 5 erfolgen, wie nachfolgend genauer beschrieben wird.A high-voltage voltage for operating the
In
Die elektrische Schaltungsanordnung 5 umfasst drei Halbbrücken 11, 12, 13, welche jeweils durch zwei von insgesamt sechs Schaltelementen S1 bis S6 der Schaltungsanordnung 5 gebildet werden. Mittels der Halbbrücken 11, 12, 13 wird in einem normalen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 der von dem Traktionsenergiespeicher 3 bereitgestellte Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom mit den Phasen U, V und W zum Betrieb des elektrischen Traktionsmotors 4 gewandelt. Weiterhin kann die elektrische Schaltungsanordnung 5 zum Entladen des Energiespeichers 6 eingesetzt werden. Dazu werden die Steueranschlüsse der Schaltelemente wenigstens einer der Halbbrücken 11, 12, 13 mit einer Steuerspannung UG,i beaufschlagt, wobei die Höhe der Steuerspannungen UG,i jeweils zwischen einer Schwellenspannung und einer maximal zulässigen Einschaltspannung des jeweiligen Schaltelements S1 liegt.The
Die Schaltelemente S1 bis S6 umfassen jeweils einen Schaltbaren Abschnitt, wobei die schaltbaren Abschnitte von zwei Schaltelementen einer Halbbrücke jeweils in Reihe geschaltet sind. Durch das Einstellen der Steuerspannung UG,i von wenigstens zwei der Schaltelemente, beispielsweise der Steuerspannungen UG,1 und UG,4 der Schaltelemente S1 und S4 der ersten Halbbrücke 11, kann der Energiespeicher 6 entladen werden. Durch die Steuerspannung UG,i der jeweiligen Schaltelemente S1 kann der jeweilige elektrische Widerstand des schaltbaren Abschnitts des Schaltelements S1 eingestellt werden. Die Steuerspannungen UG,i der Schaltelemente S1 bis S6 können über die Treiberschaltung 8 der Steuerungseinrichtung 7 nach Maßgabe des Steuergeräts 9 eingestellt werden. Die Verbindungen zwischen der Treiberschaltung 8 und der jeweiligen Steueranschlüssen der Schaltelemente S1 bis S6 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.The switching elements S 1 to S 6 each include a switchable section, the switchable sections of two switching elements of a half-bridge each being connected in series. The
Die Schaltelemente S1 bis S6 sind als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) ausgeführt und umfassen jeweils eine Freilaufdiode Di. Insbesondere kann es sich bei den Schaltelementen S1 bis S6 um MOSFETs auf Siliziumcarbid-Basis (SiC-MOSFETs) handeln. Bei den schaltbaren Abschnitten der Schaltelemente S1 bis S6 handelt es sich in diesem Fall um die Drain-Source-Strecken der MOSFETs, deren elektrischer Widerstand RDS durch die Höhe der als Steuerspannung UG,i verwendeten Gate-Spannung bzw. Gate-Source-Spannung eingestellt werden kann. Mit steigender Gate-Spannung sinkt der Widerstand RDS stetig und hat bei der maximal zulässigen Gate-Spannung, also der maximal zulässigen Einschaltspannung des Schaltelements, sein Minimum. Stellt man die Gate-Spannung auf Spannungswerte im Bereich zwischen einschließlich der Schwellenspannung und der maximalen Einschaltspannung, so lassen sich definierte Kanalwiderstände RDS der Schaltelemente Si einstellen. Diese Widerstände RDS können dann genutzt werden, um den Energiespeicher 6 zu entladen. Die Gate-Spannungen bzw. die Steuerspannungen können dabei jeweils insbesondere auf eine Höhe größer als die Schwellspannung und kleiner als die maximale Einschaltspannung eingestellt werden.The switching elements S 1 to S 6 are designed as metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET) and each include a freewheeling diode D i . In particular, the switching elements S 1 to S 6 can be MOSFETs based on silicon carbide (SiC MOSFETs). In this case, the switchable sections of the switching elements S 1 to S 6 are the drain-source paths of the MOSFETs, whose electrical resistance R DS is determined by the level of the gate voltage or gate voltage used as the control voltage U G,i Source voltage can be adjusted. As the gate voltage increases, the resistance R DS falls steadily and has its minimum at the maximum permissible gate voltage, ie the maximum permissible turn-on voltage of the switching element. If the gate voltage is set to voltage values in the range between and including the threshold voltage and the maximum turn-on voltage, defined channel resistances R DS of the switching elements S i can be set. These resistors R DS can then be used to discharge the
Die Schwellenspannung oder Schwellspannung gibt zum Beispiel bei einem MOSFET diejenige Gate-Spannung an, bei der ein leitfähiger Pfad zwischen den Anschlüssen der schaltbaren Abschnitts entstanden ist. Durch das Einstellen einer Steuerspannung UG,i, welche gleich oder größer als die jeweilige Schwellenspannung des Schaltelements Si ist, kann ein Widerstand des schaltbaren Abschnitts bzw. der Drain-Source-Strecke des Schaltelements Si kontrolliert eingestellt werden. Vorteilhaft kann dies bei SiC-MOSFETs umgesetzt werden, da diese im leitenden Zustand eine ohmsche Charakteristik aufweisen.In the case of a MOSFET, for example, the threshold voltage indicates that gate voltage at which a conductive path between the terminals of the switchable section is formed. By setting a control voltage U G,i which is equal to or greater than the respective threshold voltage of the switching element S i , a resistance of the switchable section or the drain-source path of the switching element S i can be set in a controlled manner. This can be implemented advantageously with SiC MOSFETs, since these have an ohmic characteristic in the conductive state.
Es ist möglich, dass insbesondere für alle Schaltelemente der drei Halbbrücken 11, 12, 13 jeweils eine Steuerspannung zwischen der Schwellenspannung und der maximal zulässigen Einschaltspannung des jeweiligen Schaltelements Si eingestellt wird. Je nach Ausführungen der Schaltelemente Si kann die Schwellenspannung UG,i beispielsweise zwischen 3 V und 5 V und die maximale Einschaltspannung zwischen 15 V und 18 V liegen. Somit können zum Entladen des Energiespeichers 6 Steuerspannungen UG,i zwischen 3 V und 18 V, beispielsweise zwischen 5 V und 15 V, eingestellt werden.It is possible that, in particular for all switching elements of the three half-
Wenn die drei Halbbrücken 11, 12, 13 gleichzeitig zum Entladen des Energiespeichers 6 eingesetzt werden, ergibt sich für die Entladung des Energiespeichers 6 das in
Dazu ist es möglich, dass die Schaltelemente S1 bis S6 jeweils mit einer Steuerspannung UG,i beaufschlagt werden, deren Höhe in dem Steuergeräten als eine Zuordnungsvorschrift hinterlegt ist. Eine zu Beginn eingestellte Höhe der Steuerspannung UG,i kann während der Entladung des Energiespeichers 6 abhängig von der hinterlegten Zuordnungsvorschrift angepasst werden.For this purpose, it is possible for the switching elements S 1 to S 6 to be acted upon in each case by a control voltage U G,i , the level of which is stored in the control units as an assignment specification. A level of the control voltage U G,i set at the beginning can be adjusted during the discharging of the
Zusätzlich oder alternativ dazu ist es möglich, dass die Höhen der Steuerspannungen UG,i zu Beginn der Entladung und/oder während der Entladung in Abhängigkeit wenigstens einer erfassten oder abgeleiteten Messgröße der elektrischen Schaltungsanordnung 5 eingestellt werden. Bei der Messgröße der elektrischen Schaltungsanordnung 5 kann es sich beispielsweise um eine Spannung des Energiespeichers 6, einen Stromfluss durch wenigstens eines der Schaltelemente Si und/oder eine Temperatur wenigstens eines der Schaltelemente Si handeln.In addition or as an alternative to this, it is possible for the levels of the control voltages U G,i to be set at the beginning of the discharge and/or during the discharge as a function of at least one measured variable of the
Eine Spannung UE des Energiespeichers 6 kann beispielsweise über ein dem Energiespeicher 6 zugeordnetes Messmittel 14 erfasst werden. Die Temperatur der Schaltelemente Si kann beispielsweise über in die Schaltelemente Si integrierte Messmittel (hier nicht dargestellt) gemessen und beispielsweise über die Verbindung der jeweiligen Steueranschlüsse mit der Treiberschaltung 8 und dem Steuergerät 9 an das Steuergerät 9 übermittelt werden. Ein Stromfluss durch eines oder mehrere der Schaltelemente Si kann ebenfalls über ein zugeordnetes Messmittel bestimmt werden. Als Stromfluss durch eines der Schaltelemente kann insbesondere ein Drainstrom des Schaltelements Si betrachtet werden, da dieser entlang des schaltbaren Abschnitts fließt.A voltage U E of the
Zusätzlich oder alternativ zu einer Messung eines Stroms ist es möglich, dass der Stromfluss durch eines der Schaltelemente Si bzw. durch eine der Halbbrücken 11, 12, 13 als eine abgeleitete Messgröße bestimmt wird. Dazu kann beispielsweise die Spannung UE des Energiespeichers 6 sowie der zu Beginn des Entladevorgangs eingestellte Widerstand der schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente Si berücksichtigt werden. Da der eingestellte Widerstand RDS der Drain-Source-Strecke bei einem MOSFET in der Regel temperaturabhängig ist, kann zusätzlich die Temperatur der jeweiligen Schaltelemente Si bei der Ermittlung des Stroms durch die jeweiligen Schaltelemente Si bzw. die jeweiligen Halbbrücken 11, 12, 13 berücksichtigt werden.In addition or as an alternative to measuring a current, it is possible for the current flow through one of the switching elements S i or through one of the half-
Das Entladen des Energiespeichers 6 über wenigstens eine der Halbbrücken 11, 12, 13 halt den Vorteil, dass keine zusätzliche Entladeschaltung benötigt wird. Weiterhin kann vorteilhaft eine elektrische Schaltungsanordnung 5 verwendet werden, welche einer Kühlvorrichtung 15 des Kraftfahrzeugs 1 zugeordnet ist. Die an die Kühlvorrichtung 15 angebundene Schaltungsanordnung 5 ermöglicht eine gute Kühlung der Schaltelemente Si auch beim Entladen. The discharging of the
Dies kann insbesondere durch eine Anordnung von Kühlflächen der Schaltelemente Si an einem Kühlkörper bzw. einen Kühlkanal der Kühlvorrichtung 15 erzielt werden.This can be achieved in particular by arranging cooling surfaces of the switching elements S i on a heat sink or a cooling channel of the
Auf diese Weise kann insbesondere eine aktive Kühlung der Schaltelemente Si erfolgen, so dass auch bei hohen Spannungen in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs 1 bzw. hohen Spannungen UE am Energiespeicher 6 ein schnelles Entladen des Energiespeichers 6 möglich ist, da hohe Stromflüsse durch die Schaltelemente Si beim Entladen möglich sind, ohne dass eine Überhitzung auftritt. Beispielsweise ist es möglich, dass die Widerstände der schaltbaren Abschnitte der Schaltelemente S1 bis S6 in Abhängigkeit einer in dem Steuergerät 9 hinterlegten Zuordnungsvorschrift und einer als Messgröße erfassten Temperatur der Schaltelemente Si derart in Abhängigkeit der Spannung UE des Energiespeichers 6 eingestellt werden, dass eine vorgegebene Entladezeit, beispielsweise bis zum Erreichen eines Spannungsniveaus kleiner als 60 V, erreicht wird. Die Entladezeit kann dabei insbesondere kleiner als eine Sekunde sein und zum Beispiel zwischen 100 ms und 950 ms, bevorzugt zwischen 500 ms und 750 ms, liegen.In this way, in particular, active cooling of the switching elements S i can take place, so that rapid discharging of the
Neben einem Entladen des Energiespeichers 6 über jede der drei Halbbrücken 11, 12, 13 ist es auch möglich, dass die Entladung des Energiespeichers 6 nur über eine der Halbbrücken 11, 12, 13 erfolgt. Dabei kann in Abhängigkeit einer Temperatur eines der Schaltelemente S1 bis S6, insbesondere der Temperatur wenigstens eines Schaltelements Si der aktuell zum Entladen des Energiespeichers 6 verwendeten Halbbrücke, ein Umschalten der jeweils zum Entladen des Energiespeichers 6 verwendeten Halbbrücke 11, 12, 13 erfolgen. Dadurch kann vermieden werden, dass eine zu starke Erwärmung der Schaltelemente Si der aktuell zum Entladen verwendeten Halbbrücke 11, 12, 13 auftritt.In addition to discharging the
Beispielsweise kann zu Beginn des Entladevorgangs des Energiespeichers 6 die erste Halbbrücke 11 zum Entladen verwendet werden, wobei die Schaltelemente S1 und S4 jeweils mit einer Steuerspannung UG,1 bzw. UG,4 zwischen einer Schwellenspannung UG,1,th bzw. UG,4,th und einer maximal zulässigen Einschaltspannung der jeweiligen Schaltelemente S1 bzw. S4 beaufschlagt werden. Bei Erreichen eines vorgegebenen Temperaturgrenzwerts, beispielsweise von 200° C, können die Schaltelemente S1 und S4 abgeschaltet werden, wozu die Steuerspannungen UG,1 und UG,4 auf eine Ausschaltspannung, insbesondere von 0 V oder weniger, beispielsweise von -4 V, gesetzt werden. Gleichzeitig kann eine weitere der Halbbrücken, beispielsweise die zweite Halbbrücke 12, zum Entladen verwendet werden, wozu die Schaltelemente S2 und S5 jeweils mit einer Steuerspannung UG,2 bzw. UG,5 zwischen einer Schwellenspannung UG,2,th bzw. UG,5,th und einer maximalen Einschaltspannung der Schaltelemente S2 und S5 beaufschlagt werden.For example, at the beginning of the discharging process of the
Entsprechend kann bei einer zu starken Erwärmung die zweite Halbbrücke 12 abgeschaltet werden und der Entladevorgang kann über die dritte Halbbrücke 13 fortgesetzt werden. Bei einer zu starken Erwärmung der Schaltelemente S3 und/oder S6 der dritten Halbbrücke 13 kann anschließend wieder eine Entladung über die erste Halbbrücke 11 erfolgen. Durch ein derartiges sukzessives Umschalten bzw. zyklisches Wechseln der jeweils zum Entladen verwendeten Halbbrücke 11, 12, 13 kann die thermisch Belastung der Schaltelemente S1 bis S6 vorteilhaft reduziert werden.Correspondingly, the second half-bridge 12 can be switched off in the event of excessive heating, and the discharging process can be continued via the third half-bridge 13 . If the switching elements S 3 and/or S 6 of the third half-bridge 13 heat up too much, discharge can then take place again via the first half-
Durch das Entladen des Energiespeichers 6 über eine oder mehrere der Halbbrücken 11, 12, 13 der elektrischen Schaltungsanordnung 5 kann vorteilhaft auf den Einsatz gesonderter Entladeschaltungen verzichtet werden. Die Funktion der aktiven Entladung des Energiespeichers 6 kann somit über die als Pulswechselrichter ausgebildete Schaltungsanordnung 5 umgesetzt werden. Insbesondere werden dabei keine gesonderten Entladewiderstände benötigt, wodurch die elektrische Schaltungsanordnung 5 bzw. die elektrische Schaltungseinrichtung 2 robust und kompakt ausgeführt und mit verringertem Montageaufwand hergestellt werden kann. Dies vereinfacht insbesondere den Einsatz der elektrischen Schaltungsanordnung 5 bzw. der elektrischen Schaltungseinrichtung 2 in dem Kraftfahrzeug 1 und reduziert neben den herstell- und Entwicklungskosten auch das Gewicht der Schaltungseinrichtung 2.By discharging the
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