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WO2014063876A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum vorladen eines kapazitiven bauelements - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zum vorladen eines kapazitiven bauelements Download PDF

Info

Publication number
WO2014063876A1
WO2014063876A1 PCT/EP2013/069673 EP2013069673W WO2014063876A1 WO 2014063876 A1 WO2014063876 A1 WO 2014063876A1 EP 2013069673 W EP2013069673 W EP 2013069673W WO 2014063876 A1 WO2014063876 A1 WO 2014063876A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
current path
circuit arrangement
voltage source
main current
capacitive component
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/069673
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Chrysanthos Tzivanopoulos
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh, Samsung Sdi Co., Ltd. filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2014063876A1 publication Critical patent/WO2014063876A1/de

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H02J1/102—Parallel operation of dc sources being switching converters
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    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement having a two-voltage source having an electrical energy storage device, in particular a battery pack, a first and a second main current path, one of which is connected to one of the terminals of the voltage source and of which at least the first main current path means a switching device arranged therein can be interrupted, a capacitive component, which is connected via the main current paths electrically connected to the voltage source and a parallel to the switching device in the first main current path connected Vorladestrompfad.
  • the invention further relates to a drive system for a vehicle having such a circuit arrangement and to a method for precharging a capacitive component.
  • the failure can even lead to safety-relevant problems:
  • batteries are used as electrical energy stores in order to protect the wind energy plant in the event of strong wind. blade adjustment to protect against improper operating conditions. If there is a failure, the wind turbine can possibly get into such an inadmissible operating state.
  • the voltage source is connected to its energy storage device in the intermediate circuit (DC voltage intermediate circuit) of an inverter system or an inverter system. This DC link is provided for the constant holding of the DC voltage and for suppressing voltage peaks with a capacitive component, the DC link capacitor.
  • the capacitive component must be preloaded.
  • the battery or the battery pack is connected in the intermediate circuit parallel to the capacitive component.
  • contactors In order to separate the battery or the battery pack in a corresponding vehicle from the vehicle electrical system, typically designed as a circuit breaker switching devices, usually contactors, are provided, which are arranged in each one of the main current paths. When the two contactors are switched on, however, a considerable current would flow into the capacitive component forming the intermediate circuit capacitor. Therefore, a precharging current path connected in parallel to the contactor in the first main current path is provided with a so-called precharge contactor and a protective resistor.
  • the pre-charging contactor and the main contactor mounted on the other pole of the voltage source with the electrical energy storage device, ie in the second main current path, are first switched on.
  • the capacitive component acting as a DC link capacitor is first charged with a limited current.
  • the main contactor is switched on.
  • circuit arrangement according to the invention with the features mentioned in claim 1 the drive system according to the invention with the features mentioned in claim 8 and the method according to the invention with the features mentioned in claim 9 offer the advantage that the charging of the capacitive device can be performed easily, inexpensively and compactly ,
  • the circuit arrangement according to the invention has a down-converter circuit which is connected in the pre-charge current path and via which the capacitive component can be electrically connected to the terminals of the voltage source for its precharging.
  • a down-converter circuit is here an electrical circuit to understand, with a down converter (also referred to as a buck regulator) or buck converter (English “step-down converter” or "buck
  • the switching device arranged in the first main current path is opened capacitive device is then connected via the first main current path to the terminal of the voltage source.
  • the circuit arrangement thus has a DC link, more precisely a DC voltage intermediate circuit, in which the main current paths define the corresponding electrical potentials of the DC link and in which the voltage source is connected to the electrical energy storage device.
  • the capacitive component acts as a DC link capacitor.
  • the voltage source can be realized for example by a voltage network (the on-board voltage network of a vehicle, etc.) with the electrical energy storage device.
  • the down converter circuit comprises an inductive component, a switching element and having a current-transmitting device in one direction only, wherein the inductive component on the side of the capacitive component and the switching element on the side of the energy storage device in Vorladestrompfad are connected in series.
  • the only one-way current-transmitting device is a diode or a semiconductor device having corresponding diode characteristics (for example, an actively switched MOSFET).
  • the course of the pre-charging process is controlled and / or regulated by alternately switching on and off the precharging current path by means of the switching element.
  • the switching element is preferably a transistor, in particular a field effect transistor FET, which is switched on and off for precharging the capacitive component, for example by means of a pulse-width-modulated control voltage.
  • the down converter circuit is also connected in the second main current path. It is provided in a further preferred embodiment of the invention that the only in one direction current-permeable component in a node of the Vorladestrompfades between the inductive component is connected to the switching element and in the second main current path between in the capacitive component and the voltage source.
  • a further switching device is arranged in the second main current path, by means of which the second main current path can be interrupted.
  • this circuit arrangement is designed as a converter circuit arrangement and has at least one parallel to the capacitive component connected to the two main current paths converter means. It is provided in particular that the Umrichtereinreichtung is designed as an inverter (inverter), which is connected to a motor and / or regenerative electric machine or at least connectable.
  • the invention further relates to a drive system for a vehicle, in particular motor vehicle, with a purely motorized or with a motor and regenerative electric drive machine and a circuit arrangement mentioned above.
  • a drive system for a vehicle in particular motor vehicle, with a purely motorized or with a motor and regenerative electric drive machine and a circuit arrangement mentioned above.
  • the capacitive component by means of an electrical energy storage device, in particular a battery pack, having a voltage source and a
  • Down converter circuit is precharged.
  • the voltage source, the down converter circuit and the capacitive component are preferably connected in an aforementioned circuit arrangement.
  • the down-converter circuit has an inductive component, a switching element and a component which is current-permeable only in one direction, and the course of the pre-charging process is controlled and / or regulated by alternately connecting and disconnecting a pre-charging current path by means of the switching element ,
  • the switching element is preferably a transistor which is switched on and off, for example, by means of a pulse-width-modulated control voltage. This is generated by means of a corresponding control and / or regulating device.
  • the charging current during pre-charging is regulated in particular by means of a 2-point current regulation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a converter circuit arrangement of a drive system with a down converter circuit for precharging a capacitive component of the circuit arrangement forming a DC link capacitor
  • FIG. 2 shows the current flow in the circuit arrangement of FIG. 1 in a first step of the precharging process for precharging the capacitive component
  • FIG. 3 shows the current flow in the circuit arrangement of FIG. 1 in a second step of the precharging process for precharging the capacitive component
  • Buck converter circuit center and the voltage waveform on a switching element of the buck converter (below) over the precharge time during pre-charging of the capacitive device.
  • 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement 10 designed as a converter circuit arrangement.
  • This circuit arrangement has a DC intermediate circuit 12 with a capacitive component 14 acting as intermediate circuit capacitor (with capacitance C) and an electrical circuit connected in the intermediate circuit 12 and acting as voltage source 16 Energy storage device 18 on.
  • the voltage source 16 is shown reduced to the energy storage device 18.
  • the voltage source 16 can also be formed, for example, by a voltage network with various components.
  • the intermediate circuit 12 has a first main current path 20 and a second main current path 22.
  • Each of these main current paths 20, 22 is connected to an electrical connection 24, 26 of the voltage source 16 or of the electric energy storage device 18 designed as a battery pack. Furthermore, in each of the two main current paths 20, 22 each designed as a contactor switching device 28, 30 is arranged, by means of which the respective main current path 20, 22 can be interrupted or switched.
  • converter 34 To the two main current paths 20, 22 parallel to the capacitive component 14 as an inverter (inverter) 32 formed converter 34 is connected with its DC output (DC).
  • DC DC output
  • a motor and / or regenerative electric machine 36 is connected.
  • the corresponding AC circuit 38 is a three-phase circuit with three current paths between the
  • the circuit arrangement 10 furthermore has a precharging current path 40 connected in parallel with the switching device 28 in the first main current path 20, in which a down converter circuit (buck converter circuit) 42 is connected, via which the capacitive component 14 also charges for its precharging the voltage source 16 or its energy storage device 18 is electrically connected.
  • the down-converter circuit 42 shown in FIG. 1 in this case has an inductive component 44 (with the inductance L), a switching element 46 in the form of a transistor T and a diode D only in one direction current-permeable device 48.
  • the inductive component 44 is on the side of the capacitive component 14 and the switching element 46 is arranged on the side of the voltage source 16 in the pre-charging current path 40.
  • these two elements 44, 46 are connected in Vorladestrompfad 40 in series.
  • the circuit arrangement 10 shown in FIG. 1 is the converter circuit arrangement of a drive system for a motor vehicle, more specifically for a motor vehicle with electric or hybrid drive.
  • the electric machine 36 shown in FIG. 1 is an electric drive machine of this motor vehicle, which can be used purely by motor or motor and generator.
  • the energy storage device 18 is a traction battery (a
  • Tratechnischsakkumulator of the vehicle and the voltage source 16 is the corresponding (high voltage) electrical system of the vehicle.
  • the precharging of the capacitive component 14 takes place when the switching device 28 of the first main current path 20 is open by alternately connecting and disconnecting the precharging current path 40 by means of the switching element 46.
  • FIG. 2 shows the situation with the switching element 46 closed (T on: a precharging current path 40 connected). This results in a current flow along the following circuit 52: energy storage device 18 - connection 26 - second
  • FIG. 3 shows the situation when the switching element 46 is open (T off: precharging current path 40 switched off).
  • FIG. 4 shows the current and voltage curves occurring during the charging process of the capacitive component 14.
  • FIG. 4 shows the voltage curve U_C at the capacitive component 14, in the middle the current characteristic I_L at the inductive component 44 and at the bottom the voltage characteristic U_T at the switching element 46 of the buck converter 40 over time t during pre-charging of the capacitive device 14.
  • a current control method is a 2-point current control.
  • the current is measured by the inductive component 44 and the switching element 46 is turned on until a maximum value is reached. Then, the switching element 46 turns off until a minimum value is reached. The switching element 46 is turned on again and the current increases again until its maximum value is reached. Then, the switching element 46 turns off again, the current value decreases until the minimum value is reached. This cycle is repeated until the desired voltage at the capacitive component 14, ie the DC link capacitor, is reached (see FIG. 4).

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (10) mit einer zwei Anschlüsse (24, 26) aufweisenden Spannungsquelle (16), die eine elektrische Energiespeichereinrichtung (18), insbesondere ein Batteriepack, aufweist,einem ersten und einem zweiten Hauptstrompfad (20, 22), von denen je einer an einen der Anschlüsse (24, 26) der Spannungsquelle(16) angeschlossen ist und von denen zumindest der erste Hauptstrompfad (20) mittels einer darin angeordneten Schalteinrichtung (28) unterbrechbar ist, einem kapazitiven Bauelement (14), das über die Hauptstrompfade (20, 22) elektrisch an die Spannungsquelle (16) angeschlossen ist und einem parallel zu der Schalteinrichtung (28) im ersten Hauptstrompfad (20) geschalteten Vorladestrompfad (40). Es ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung weiterhin eine im Vorladestrompfad (40) verschaltete Abwärtswandlerschaltung (42) aufweist, über die das kapazitive Bauelement (14) zu dessen Vorladen ebenfalls mit den Anschlüssen (22, 24) der Spannungsquelle (16) elektrisch verbindbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer solchen Schaltungsanordnung (10) und ein Verfahren zum Vorladen eines kapazitiven Bauelements (14).

Description

Beschreibung
Titel
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Vorladen eines kapazitiven Bauelements
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer zwei Anschlüsse aufweisenden Spannungsquelle, die eine elektrische Energiespeichereinrichtung, insbesondere ein Batteriepack, aufweist, einem ersten und einem zweiten Hauptstrompfad, von denen je einer an einen der Anschlüsse der Spannungsquelle angeschlossen ist und von denen zumindest der erste Hauptstrompfad mittels einer darin angeordneten Schalteinrichtung unterbrechbar ist, einem kapazitiven Bauelement, das über die Hauptstrom pfade elektrisch an die Spannungsquelle angeschlossen ist und einem parallel zu der Schalteinrichtung im ersten Hauptstrompfad geschalteten Vorladestrompfad. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer derartigen Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Vorladen eines kapazitiven Bauelements.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie zum Beispiel bei Windenenergieanlagen (WEA), als auch in Fahrzeugen, zum Beispiel in Elektro- und Hybridfahrzeugen, vermehrt neue elektrische Energiespeichereinrichtungen, insbesondere Batterien beziehungsweise Batteriepacks, als Spannungsquellen zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall eines Energiespeichers der Einrichtung, also zum Beispiel einer Batterie oder einer Batteriezelle des Batteriepacks, zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann. So führt zum Beispiel bei einem Elekt- rofahrzeug ein Ausfall der Traktionsbatterie zu einem sogenannten
„Liegenbleiber". Der Ausfall kann sogar zu sicherheitsrelevanten Problemen führen. So werden bei Windenergieanlagen Batterien als elektrische Energiespeicher eingesetzt, um bei starkem Wind die Windenergieanlage durch eine Rotor- blattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen. Kommt es zu einem Ausfall, so kann die Windenergieanlage unter Umständen in einen solchen unzulässigen Betriebszustand geraten. Oftmals ist die Spannungsquelle mit ihrer Energiespeichereinrichtung im Zwischenkreis (Gleichspannungszwischenkreis) eines Wechselrichtersystems oder eines Umrichtersystems verschaltet. Dieser Zwischenkreis ist zum konstanten Halten der Gleichspannung und zum Unterdrücken von Spannungsspitzen mit einem kapazitiven Bauelement, dem Zwischenkreiskondensator, versehen.
Prinzipbedingt muss das kapazitive Bauelement dazu vorgeladen sein. Die Batterie oder das Batteriepack ist im Zwischenkreis parallel zu dem kapazitiven Bauelement geschaltet.
Würde der elektrische Energiespeicher ohne Vorladen direkt auf das kapazitive Bauelement geschaltet, so würde kurzfristig ein extrem hoher Strom fließen, bis das kapazitive Bauelement geladen ist, da ein Energiespeicher wie zum Beispiel eine Batterie einen geringen Innenwiderstand aufweist und das als Zwischenkreiskondensator dienende kapazitive Bauelement eine hohe elektrische Kapazität besitzt. Dies würde zu einer extremen Alterung dieser Bauteile und einem frü- hen Ausfall führen. Daher ist es erforderlich, das kapazitive Bauelement durch moderate Bestromung vorzuladen.
Um die Batterie beziehungsweise das Batteriepack bei einem entsprechenden Fahrzeug vom Fahrzeugbordnetz trennen zu können, sind typischerweise zwei als Leistungsschalter ausgebildete Schalteinrichtungen, meist Schütze, vorgesehen, die in je einem der Hauptstrompfade angeordnet sind. Beim Einschalten der beiden Schütze würde jedoch ein erheblicher Strom in das den Zwischenkreis- Kondensator bildende kapazitive Bauelement fließen. Daher ist ein parallel zu dem Schütz im ersten Hauptstrompfad geschalteter Vorladestrompfad mit einem sogenannten Vorladeschütz und mit einem Schutzwiderstand vorgesehen.
Zum Vorladen werden zunächst das Vorladeschütz und das am anderen Pol der Spannungsquelle mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung, also im zweiten Hauptstrompfad, angebrachte Hauptschütz eingeschaltet. Hierdurch wird das als Zwischenkreiskondensator wirkende kapazitive Bauelement zunächst mit einem begrenzten Strom aufgeladen. Sobald die Spannung über dem kapazitiven Bauelement hinreichend groß ist, wird das Hauptschütz eingeschaltet. Nachteilig an dem beschriebenen Verfahren sind die relativ hohen Kosten, der relativ große beanspruchte Bauraum sowie das Gewicht des Vorladeschützes und des den Vorladewiderstand bereitstellenden Bauelements.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen, das erfindungsgemäße Antriebssystem mit den in Anspruch 8 genannten Merkmalen und das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 9 genannten Merkmalen bieten den Vorteil, dass das Aufladen des kapazitiven Bauelements einfach, kostengünstig und platzsparend durchgeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist einen im Vorladestrompfad verschaltete Abwärtswandlerschaltung auf, über die das kapazitive Bauelement zu dessen Vorladen mit den Anschlüssen der Spannungsquelle elektrisch verbindbar ist. Unter einer Abwärtswandlerschaltung ist hier eine elektrische Schaltung zu verstehen, mit der ein Abwärtswandler (auch als Abwärtsregler bezeichnet) oder Tiefsetzsteller (englisch„step-down Converter" oder„buck
Converter") realisiert wird. Dabei kann das zu ladende kapazitive Bauelement als Teil dieser Abwärtswandlerschaltung aufgefasst werden. Das kapazitive Bauelement ist insbesondere ein Kondensator. Während des Vorladeprozesses ist die im ersten Hauptstrompfad angeordnete Schalteinrichtung geöffnet. Diese wird nach Beendigung des Vorladeprozesses geschlossen, sodass das kapazitive Bauelement anschließend über den ersten Hauptstrompfad mit dem Anschluss der Spannungsquelle verbunden ist.
Die Schaltungsanordnung weist somit einen Zwischenkreis, genauer gesagt einen Gleichspannungszwischenkreis auf, bei dem die Hauptstrompfade die entsprechenden elektrischen Potentiale des Zwischenkreises definieren und in dem die Spannungsquelle mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung verschaltet ist. Das kapazitive Bauelement wirkt dabei als Zwischenkreiskondensator. Die Spannungsquelle kann beispielsweise durch ein Spannungsnetz (das Bordspannungsnetz eines Fahrzeugs, etc.) mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung realisiert sein.
Mit Vorteil ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Abwärtswandlerschaltung ein induktives Bauelement, ein Schaltelement und ein lediglich in einer Richtung stromdurchlässiges Bauelement aufweist, wobei das induktive Bauelement auf Seiten des kapazitiven Bauelements und das Schaltelement auf Seiten der Energiespeichereinrichtung im Vorladestrompfad in Serienschaltung verschaltet angeordnet sind. Das lediglich in einer Richtung stromdurchlässige Bauelement ist eine Diode oder ein Halbleiterbauelement, das entsprechende Diodeneigenschaften (beispielsweise ein aktiv eingeschalteter MOSFET) aufweist. Der Verlauf des Vorladeprozesses wird durch wechselseitiges Zu- und Abschalten des Vorladestrompfades mittels des Schaltelements gesteuert und/oder geregelt. Das Schaltelement ist bevorzugt ein Transistor, insbe- sondere ein Feldeffekttransistor FET, der zum Vorladen des kapazitiven Bauelements beispielsweise mittels einer pulsweiten-modulierten Steuerspannung ein- und ausgeschaltet wird.
Insbesondere ist die Abwärtswandlerschaltung auch in dem zweiten Hauptstrom- pfad verschaltet. Dabei ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das lediglich in einer Richtung stromdurchlässige Bauelement in einem Knotenpunkt des Vorladestrompfades zwischen dem induktive Bauelement dem Schaltelement und im zweiten Hauptstrompfad zwischen in dem kapazitiven Bauelement und der Spannungsquelle verschaltet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im zweiten Hauptstrompfad eine weitere Schalteinrichtung angeordnet, mittels der der zweite Hauptstrompfad unterbrechbar ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist diese Schaltungsanordnung als Umrichter-Schaltungsanordnung ausgebildet und weist mindestens eine parallel zum kapazitiven Bauelement an die beiden Hauptstrompfade angeschlossene Umrichtereinrichtung auf. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Umrichtereinreichtung als ein Wechselrichter (Inverter) ausgebildet ist, der an eine motorisch und/oder generatorisch nutzbare elektrische Maschine angeschlossen ist oder zumindestens anschließbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer rein motorisch oder mit einer motorisch und generatorisch nutzbaren elektrischen Antriebsmaschine und einer vorstehend genannten Schaltungsanordnung. Bei dem erfindungsgemäßen Vorladeverfahren ist vorgesehen, dass das kapazitive Bauelement mittels einer eine elektrische Energiespeichereinrichtung, insbesondere ein Batteriepack, aufweisenden Spannungsquelle und einer
Abwärtswandlerschaltung vorgeladen wird. Dabei sind die Spannungsquelle, die Abwärtswandlerschaltung und das kapazitive Bauelement bevorzugt in einer vorstehend genannten Schaltungsanordnung verschaltet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abwärtswandlerschaltung ein induktives Bauelement, ein Schaltelement und ein lediglich in einer Richtung stromdurchlässiges Bauelement aufweist und dass der Verlauf des Vorladeprozesses durch wechselseitiges Zu- und Abschalten eines Vorladestrompfades mittels des Schaltelements gesteuert und/oder geregelt wird. Das Schaltelement ist bevorzugt ein Transistor, der beispielsweise mittels einer pulsweiten-modulierten Steuerspannung ein- und ausgeschaltet wird. Diese wird mittels einer entsprechenden Steuer- und/oder Regeleinrichtung generiert. Der Ladestrom beim Vorladen wird insbesondere mittels einer 2-Punkt Stromregelung geregelt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Umrichterschaltungsanordnung eines Antriebssystems mit einer Abwärtswandlerschaltung zum Voraufladen eines einen Zwischenkreiskonden- sator bildenden kapazitiven Bauelements der Schaltungsanordnung,
Figur 2 den Stromfluss in der Schaltungsanordnung der Fig. 1 bei einem ersten Schritt des Vorladeprozesses zum Vorladen des kapazitiven Bauelements,
Figur 3 den Stromfluss in der Schaltungsanordnung der Fig. 1 bei einem zweiten Schritt des Vorladeprozesses zum Vorladen des kapazitiven Bauelements und
Figur 4 den Spannungsverlauf am kapazitiven Bauelement (oben), den
Stromverlauf an einem induktiven Bauelement der „
Abwärtswandlerschaltung (Mitte) und den Spannungsverlauf an einem Schaltelement des Abwärtswandlers (unten) über der Vorladezeit beim Vorladen des kapazitiven Bauelements. Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine als Umrichterschaltungsanordnung ausgebildete Schaltungsanordnung 10. Diese Schaltungsanordnung weist einen Gleichspannungszwischenkreis 12 mit einem als Zwi- schenkreiskondensator wirkenden kapazitiven Bauelement 14 (mit Kapazität C) und einer im Zwischenkreis 12 verschalteten und als Spannungsquelle 16 wir- kenden elektrischen Energiespeichereinrichtung 18 auf. Bei der hier gezeigten schematischen Darstellung der Schaltungsanordnung 10 ist die Spannungsquelle 16 auf die Energiespeichereinrichtung 18 reduziert dargestellt. Die Spannungsquelle 16 kann jedoch beispielsweise auch von einem Spannungsnetz mit diversen Komponenten gebildet sein. Der Zwischenkreis 12 weist einen ersten Haupt- strompfad 20 und einen zweiten Hauptstrompfad 22 auf. Jeder dieser Hauptstrompfade 20, 22 ist an einen elektrischen Anschluss 24, 26 der Spannungsquelle 16 beziehungsweise der als Batteriepack ausgebildeten elektrischen Energiespeichereinrichtung 18 angeschlossen. Weiterhin ist in jedem der beiden Hauptstrompfade 20, 22 je eine als Schütz ausgebildete Schalteinrichtung 28, 30 angeordnet, mittels der der jeweilige Hauptstrompfad 20, 22 unterbrochen oder durchgeschaltet werden kann. An die beiden Hauptstrompfade 20, 22 ist parallel zu dem kapazitiven Bauelement 14 eine als Wechselrichter (Inverter) 32 ausgebildete Umrichtereinrichtung 34 mit ihrem Gleichspannungsausgang (DC) angeschlossen. Am Wechselspannungsausgang (AC) der als Wechselrichter 32 aus- gebildeten Umrichtereinrichtung 34 ist eine motorisch und/oder generatorisch nutzbare elektrische Maschine 36 angeschlossen. Der entsprechende Wechselstromkreis 38 ist ein Drehstromkreis mit drei Strompfaden zwischen der
Umrichtereinrichtung 34 und der elektrischen Maschine 36. Die Schaltungsanordnung 10 weist weiterhin einen parallel zu der Schalteinrichtung 28 im ersten Hauptstrompfad 20 geschalteten Vorladestrompfad 40 auf, in dem eine Abwärtswandlerschaltung (Tiefsetzstellerschaltung) 42 verschaltet ist, über die das kapazitive Bauelement 14 zu dessen Vorladen ebenfalls an die Spannungsquelle 16 beziehungsweise deren Energiespeichereinrichtung 18 elektrisch anschließbar ist. Die in Fig. 1 gezeigte Abwärtswandlerschaltung 42 weist dabei ein induktives Bauelement 44 (mit der Induktivität L), ein als Transistor T ausgebildetes Schaltelement 46 und ein als Diode D ausgebildetes lediglich in einer Richtung stromdurchlässiges Bauelement 48 auf. Das induktive Bauelement 44 ist dabei auf Seiten des kapazitiven Bauelements 14 und das Schaltelement 46 ist auf Seiten der Spannungsquelle 16 im Vorladestrompfad 40 angeordnet. Somit sind diese beiden Elemente 44, 46 im Vorladestrompfad 40 in Serie geschaltet. Das lediglich in einer Richtung stromdurchlässige Bauelement
48 ist in einem Knotenpunkt 50 des Vorladestrompfades 40 zwischen dem induktive Bauelement 44 und dem Schaltelement 46 sowie im zweiten Hauptstrompfad 22 zwischen dem kapazitiven Bauelement 14 und der Schalteinrichtung 30 verschaltet.
Die in der Figur 1 gezeigte Schaltungsanordnung 10 ist die Umrichterschaltungsanordnung eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug, genauer gesagt für ein Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb. Die in Figur 1 gezeigte elektrische Maschine 36 ist eine rein motorisch oder eine motorisch und generatorisch nutzbare elektrischen Antriebsmaschine dieses Kraftfahrzeugs.
Die Energiespeichereinrichtung 18 ist dabei eine Traktionsbatterie (ein
Traktionsakkumulator) des Fahrzeugs und die Spannungsquelle 16 ist das entsprechende (Hochspannungs-)Bordnetz des Fahrzeugs. Das Vorladen des kapazitiven Bauelements 14 erfolgt bei offener Schalteinrichtung 28 des ersten Hauptstrompfades 20 durch wechselseitiges Zu- und Abschalten des Vorladestrompfades 40 mittels des Schaltelements 46. Die Fig. 2 zeigt die Situation bei geschlossenem Schaltelement 46 (T ein: zugeschaltetem Vorladestrompfad 40). Es ergibt sich ein Stromfluss entlang des folgenden Stromkreises 52: Energiespeichereinrichtung 18 - Anschluss 26 - zweiter
Hauptstrompfad 22 - kapazitives Bauelement 14 - Vorladestrompfad 40 mit induktivem Bauelement 44 und Schaltelement 46 - Abschluss 24 - Energiespeichereinrichtung 18. Dabei fällt über dem kapazitiven Bauelement 14 die Spannung U_C und über dem Schaltelement 46 die Spannung U_T ab und über das induktive Bauelement 44 fließt der Strom l_L. Ein Stromfluss über das lediglich in einer Richtung stromdurchlässige Bauelement 48 parallel zu der Serienschaltung aus dem kapazitiven Bauelement 14 und dem induktiven Bauelement 44 erfolgt nicht, da das Bauelement 48 in dieser Stromrichtung sperrt. Die Fig. 3 zeigt die Situation bei offenem Schaltelement 46 (T aus: abgeschaltetem Vorladestrompfad 40). Es ergibt sich ein Stromfluss entlang des folgenden Stromkreises 54: kapazitives Bauelement 14 - induktives Bauelement 44 - ledig- lieh in einer Richtung stromdurchlässige Bauelement 48 - und zurück zum kapazitiven Bauelement 14. Ein Stromfluss über das Schaltelement 46 durch den Vor- ladestrompfad 40 erfolgt nicht, da das Schaltelement 46 offen ist (T aus).
Fig. 4 zeigt die auftretende Strom- und Spannungsverläufe beim Aufladevorgang des kapazitiven Bauelements 14. Dabei zeigt Fig. 4 oben den Spannungsverlauf U_C am kapazitiven Bauelement 14, in der Mitte den Stromverlauf l_L an dem induktiven Bauelement 44 und unten den Spannungsverlauf U_T an dem Schaltelement 46 des Abwärtswandlers 40 über der Zeit t beim Vorladen des kapazitiven Bauelements 14.
Wird das Schaltelement 46 geschlossen (T ein), so fließt ein steigender Strom durch das kapazitive Bauelement 14, das induktive Bauelement 44 und das Schaltelement 46 (siehe Figuren 2 und 4). Öffnet sich das Schaltelement, dann fließt ein abklingender Strom, aufgrund der in dem induktiven Bauelement 44 gespeicherten Energie, durch das induktive Bauelement 44, das lediglich in einer Richtung stromdurchlässige Bauelement 48 und das kapazitive Bauelement (siehe Figuren 3 und 4). Beide Ströme, sowohl der steigende als auch der abklingende, laden das kapazitive Bauelement 14, sodass die über diesem kapazitiven Bauelement abfallende Spannung steigt. Die Energie wird von der Spannungsquelle 16 entnommen, in diesem Fall von der als Hochvoltbatterie ausgebildeten elektrischen Energiespeichereinrichtung 18.
Es gibt verschiedene Verfahren zur Regelung des Stromes. Ein Beispiel eines Stromregelverfahrens ist eine 2-Punkt Stromregelung. Hierbei wird der Strom durch das induktive Bauelement 44 gemessen und das Schaltelement 46 wird eingeschaltet bis ein maximaler Wert erreicht wird. Dann schaltet das Schaltelement 46 aus bis ein minimaler Wert erreicht ist. Das Schaltelement 46 wird wieder eingeschaltet und der Strom steigt wieder bis sein maximaler Wert erreicht ist. Dann schaltet das Schaltelement 46 wieder aus, der Stromwert sinkt bis der minimale Wert erreicht ist. Dieser Zyklus wiederholt sich solange, bis die gewünschte Spannung am kapazitiven Bauelement 14, also dem Zwischenkreis- kondensator, erreicht ist (siehe Fig. 4).

Claims

Ansprüche
1 . Schaltungsanordnung (10) mit
- einer zwei Anschlüsse (24, 26) aufweisenden Spannungsquelle (16), die eine elektrische Energiespeichereinrichtung (18), insbesondere ein Batteriepack, aufweist,
- einem ersten und einem zweiten Hauptstrompfad (20, 22), von denen je einer an einen der Anschlüsse (24, 26) der Spannungsquelle (16) angeschlossen ist und von denen zumindest der erste Hauptstrom pfad (20) mittels einer darin angeordneten Schalteinrichtung (28) unterbrechbar ist,
- einem kapazitiven Bauelement (14), das über die Hauptstrompfade (20, 22) elektrisch an die Spannungsquelle (16) angeschlossen ist und
- einem parallel zu der Schalteinrichtung (28) im ersten Hauptstrompfad (20) geschalteten Vorladestrompfad (40),
gekennzeichnet durch eine im Vorladestrompfad (40) verschaltete
Abwärtswandlerschaltung (42), über die das kapazitive Bauelement (14) zu dessen Vorladen ebenfalls mit den Anschlüssen (24, 26) der Spannungsquelle (16) elektrisch verbindbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärtswandlerschaltung (42) ein induktives Bauelement (44), ein Schaltelement (46) und ein lediglich in einer Richtung stromdurchlässiges Bauelement (48) aufweist, wobei das induktive Bauelement (44) auf Seiten des kapazitiven Bauelements (14) und das Schaltelement (46) auf Seiten der Spannungsquelle (16) im Vorladestrompfad (40) in Serienschaltung verschaltet angeordnet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärtswandlerschaltung (42) auch in dem zweiten Hauptstrompfad (22) verschaltet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das lediglich in einer Richtung stromdurchlässige Bauelement (48) in einem Knotenpunkt (50) des Vorladestrompfades (40) zwischen dem induktiven Bau- element (44) und dem Schaltelement (46) sowie im zweiten Hauptstrom pfad (22) zwischen dem kapazitiven Bauelement (14) und der Spannungsquelle (16) verschaltet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Hauptstrompfad (22) eine weitere Schalteinrichtung (30) angeordnet ist, mittels der der zweite Hauptstrompfad (22) unterbrechbar ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Schaltungsanordnung (10) als Umrichter- Schaltungsanordnung ausgebildet ist und mindestens eine parallel zum kapazitiven Bauelement (14) an die beiden Hauptstrompfade (20, 22) angeschlossene Umrichtereinrichtung (34) aufweist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichtereinrichtung (34) als Wechselrichter (32) ausgebildet und an eine motorisch und/oder generatorisch nutzbare elektrische Maschine (36) angeschlossen ist oder zumindestens anschließbar ist.
8. Antriebssystem für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer rein motorisch oder mit einer motorisch und generatorisch nutzbaren elektrischen Antriebsmaschine und einer Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Verfahren zum Vorladen eines kapazitiven Bauelements (14), dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Bauelement (14) mittels einer eine elektrische Energiespeichereinrichtung (18), insbesondere ein Batteriepack, aufweisenden Spannungsquelle (16) und einer Abwärtswandlerschaltung (42) vorgeladen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Abwärtswandlerschaltung (42) ein induktives Bauelement (44), ein Schaltelement (46) und ein lediglich in einer Richtung stromdurchlässiges Bauelement (48) aufweist und dass der Verlauf des Vorladeprozesses durch wechselseitiges Zu- und Abschalten eines Vorladestrompfades (40) mittels des Schaltelements (46) gesteuert und/oder geregelt wird. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom beim Vorladen mittels einer Zweipunkt Stromregelung geregelt wird.
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