Die Erfindung betrifft eine aktive Entladeschaltung für eine Fahrzeug- Entladevorrichtung, zum Entladen eines Fahrzeug-Zwischenkreises.

Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum aktiven Entladen eines Fahrzeug- Zwischenkreises, mit einer aktiven Entladeschaltung für eine Fahrzeug- Entladevorrichtung.

Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, bei welchen im Antriebssystem Spannungen größer als 60 Volt vorgesehen sind, müssen aus Sicherheitsgründen in kurzer Zeit aktiv entladen werden, um eine Gefahr durch gefährliche elektrische Spannungen bei Wartung oder Unfall an Personen zu vermeiden. Hierbei werden die Zwischenkreiskondensatoren in der Leistungselektronik des Fahrzeugs entladen, welche als schnelle Energiespeicher für den Betrieb von Pulswechselrichtern benötigt werden.

Gemäß Stand der Technik werden bei aktiven Entladeschaltungen ein oder mehrere Widerstände verwendet, welche mittels Halbleiterschalter parallel zu einem Zwischenkreiskondensator eingeschaltet werden, um die Zwischenkreiskapazität zu entladen. Beim Entladevorgang ist der Fahrzeugantrieb vom Batteriesystem getrennt, d. h. ein Batterieschütz ist in einem geöffneten Schaltzustand, damit die Zwischenkreiskapazität nicht durch das Batteriesystem nachgeladen werden kann.

Ein Batterieschütz ist ein Schalter zum Schutz der Batterie. Der Schalter kann elektrisch oder mechanisch oder mit einer Kombination hiervon betätigt werden.

Während der Entladung nimmt die Spannung der Zwischenkreiskapazität kontinuierlich ab, bis diese einen unkritischen Wert, z. B. einen Wert kleiner als 60V, erreicht und die Entladeschaltung wieder deaktiviert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte aktive Entladung eines Zwischenkreiselements zur Verfügung zu stellen. Insbesondere sollen bei gleicher Entladezeit das/die Entladeelement(e) kleiner dimensioniert werden können, ohne während eines Entladens zu sehr zu erhitzen, wobei gleichzeitig der Zwischenkreis in jedem Fehlerfall sicher entladen werden soll.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt insbesondere durch eine aktive Entladeschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.

Ein Aspekt betrifft eine aktive Entladeschaltung für eine Fahrzeug-Entladevorrichtung, zum Entladen eines Fahrzeug-Zwischenkreises. Die Entladeschaltung weist auf: einen Anschluss zum Anschließen an zumindest ein Zwischenkreiselement des Fahrzeug- Zwischenkreises; eine zu dem Anschluss parallel geschaltete Schaltungsanordnung mit zumindest einem Entladeelement und zumindest einem Schaltelement, wobei das zumindest eine Schaltelement ausgestaltet ist, in einem geschlossenen Schaltzustand das Entladeelement mit dem Anschluss elektrisch zu kontaktieren und in einem geöffneten Schaltzustand das Entladeelement mit dem Anschluss nicht elektrisch zu kontaktieren; und eine diskrete Entladeschaltung, wobei die diskrete Entladeschaltung ausgestaltet ist, während eines Entladens des zumindest einen Zwischenkreiselements die Schaltzustände bei dem Schaltelement mit Pulsweitenmodulation (PWM) einzustellen.

Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum aktiven Entladen eines Fahrzeug- Zwischenkreises, mit der aktiven Entladeschaltung für eine Fahrzeug- Entladevorrichtung. Hierbei operiert das zumindest eine Schaltelement zwischen zwei Schaltzuständen wie folgt: in einem geschlossenen Schaltzustand kontaktiert es das Entladeelement mit dem Anschluss elektrisch und in einem geöffneten Schaltzustand kontaktiert es das Entladeelement mit dem

Anschluss nicht elektrisch. Die diskrete Entladeschaltung stellt während eines Entladens des zumindest einen Zwischenkreiselements die Schaltzustände bei dem Schaltelement mit Pulsweitenmodulation ein.

Nachfolgend werden eine vorteilige Grundidee der Erfindung und einzelne Aspekte des beanspruchten Gegenstandes der Ausführungsformen erläutert und weiter nachfolgend bevorzugte modifizierte Ausführungsformen beschrieben. Erläuterungen, insbesondere zu Vorteilen und Definitionen von Merkmalen, sind dem Grunde nach beschreibende und bevorzugte, jedoch nicht limitierende Beispiele. Sofern eine Erläuterung limitierend ist, wird dies ausdrücklich erwähnt. Hierbei kann das Verfahren wie nachstehend anhand der aktiven Entladevorrichtung beschrieben aus- und weitergebildet sein.

Eine vorteilige Grundidee ist es also, den Entladevorgang pulsweitenmoduliert zu steuern. Die Pulsweitenmodulation (PWM) wird auch als Pulsbreitenmodulation (PBM), Pulsdauermodulation (PDM), Pulslängenmodulation (PLM) oder Unterschwingungsverfahren bezeichnet. Die PWM ist eine digitale Modulationsart, bei der eine technische Größe, z. B. die elektrische Spannung, zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird bei konstanter Frequenz ein Rechteckimpuls moduliert, dessen Weite, Breite bzw. Länge variiert. Das Verhältnis zwischen Impuls und Pause wird als Tastverhältnis oder Tastgrad bezeichnet. Bei der PWM hat das modulierte Signal eine feste Amplitude. Dafür ist die Impulsdauer abhängig von der Amplitude des Informationssignals. Je positiver das Informationssignal, desto länger dauert der Impuls. Je negativer das Informationssignal, desto kürzer ist der Impuls.

Für die pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Schaltelements können beispielsweise Schaltungen verwendet werden welche zwischen zwei Zuständen periodisch umschalten. Das Umschalten sollte ohne eine äußere Anregung realisierbar sein. Zudem sollte die periodisch schaltende Schaltung periodische Entladekurven erzeugen, was beispielsweise unter Verwendung eines Kondensators möglich ist, welcher niederohmig über eine erste Diode entladen und hochohmig über eine zweite Diode aufgeladen wird. Das PWM-angesteuerte Schaltelement ist ausgestaltet, in einem geschlossenen Schaltzustand das Entladeelement mit dem Anschluss des Zwischenkreises elektrisch zu kontaktieren. Der Zwischenkreis, z.B. als Teil eines Fahrzeugs, koppelt als Energiespeicher mehrere elektrische Netze auf einer zwischengeschalteten Strom oder Spannungsebene über Umrichter elektrisch. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug-Zwischenkreis um eine Schaltungsanordnung mit einem Kondensator als Zwischenkreiselement handeln, welche einen Motor mit Energie speist. Der Kondensator kann wiederum durch eine Batterie gespeist werden. Über den Kondensator kann der Motor kurzfristig, z. B. im Fall eines Anfahrens, mit zusätzlicher Energie versorgt werden. Umgekehrt kann der Zwischenkreis mit seiner Schaltungsanordnung während eines Motorbetriebs anfallende Spannungsspitzen, z. B. angefallen durch einen Bremsvorgang, glätten. Bei dem öffneten Schaltzustand ist eine elektrische Kontaktierung aufgehoben oder unterbrochen.

Die bei der Entladung auftretende Leistung kann durch die pulsweitenmodulierende Schaltung gleichmäßig über eine gesamte Entladedauer verteilt werden. Es erfolgt demnach eine lineare Reduktion der Energie im Zwischenkreiskondensator. Hierbei kann mit Vorteil erzielt werden, dass sich das/die Entladeelement(e) bei der Entladeschaltung lediglich halb so viel erwärmen wie bei Entladeschaltungen des Standes der Technik. Für das Entladen können ein oder mehrere Widerstände verwendet werden. Die Widerstände können kleiner ausgestaltet sein als bei Lösungen des Standes der Technik, wodurch die Lösung kostengünstiger ist. In anderen Worten, es kann eine Kosteneinsparung aufgrund einer kleineren Dimensionierung und/oder weniger verwendeten Entladeelementen ermöglicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann bei großen Leistungswiderständen ein kostengünstigeres Modell des/der Entladeelemente verwendet werden.

Bei der Entladeschaltung gemäß Anspruch 1 handelt es sich um eine diskrete Entladeschaltung. In anderen Worten, die Entladeschaltung hat das Attribut „diskret“. Diskret bedeutet, dass die Entladeschaltung diskrete Bauteile aufweist. Diskrete Bauteile sind einzelne Bauteile wie Dioden, Wderstände oder Spulen. Jedenfalls handelt sich bei den Bauteilen der diskreten Entladeschaltung nicht um integrierte Schaltkreise (englisch: integrated Circuit) wie beispielsweise Mikroprozessorchips, welche eine Vielzahl von Transistoren aufweisen können. Es handelt sich demnach bei den Bauteilen von der diskreten Entladeschaltung nicht um Bauteile, welche eine auf einem Halbleiter-Material aufgebrachte elektronische Schaltung aufweisen.

Es erfolgt die Ansteuerung zur Entladung vorteilhafterweise ohne eine aktive Ansteuerung eines Steuerelements, wie z.B. ein Microcontroller. Die erfindungsgemäße diskrete Entladeschaltung hat gegenüber softwarebasierter Entladung den Vorteil, dass es nicht zu einem Ausfall der aktiven Entladung kommen kann, wenn der Mikroprozessor, welcher softwaregesteuert ist, ausfällt. Dies ist wichtig, da die aktive Entladung des Zwischenkreises eine sicherheitsrelevante Funktion zum Schutz von Personen im Fehlerfall ist. Es handelt sich hierbei um eine Hochvolt-Sicherheitsfunktion. Der Begriff „Hochvolt“, kurz: „HV“, bezieht sich auf Systeme, welche mit Wechselspannungen in einem Bereich von 30 V bis 1 kV oder mit Gleichspannungen über 60 V bis 1 ,5 kV betrieben werden. Somit handelt es sich um eine kostengünstig implementierbare Ausgestaltung zur Messung einer Spannung, da beispielsweise HV-Spannungsmesselemente für andere Zwecke bereits am Fahrzeug installiert sein können. Durch die Umsetzung in einer diskreten Schaltung wird zusätzlich zu der Sicherheit die Verfügbarkeit erhöht.

Gemäß einer modifizierten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die diskrete Entladeschaltung ausgestaltet ist, die Schaltzustände bei dem zumindest einen Schaltelement abhängig von einer Zwischenkreisspannung an dem zumindest einen Zwischenkreiselement mit Pulsweitenmodulation einzustellen, wobei die diskrete Entladeschaltung ausgestaltet ist, eine wellenförmige Sägezahnspannung zu erzeugen, mit der Zwischenkreisspannung zu vergleichen, und einen pulsweitenmodulierten (PWM-) Impuls an das Schaltelement auszugeben bis die wellenförmige Sägezahnspannung die Zwischenkreisspannung unterschreitet. Weiterhin umfasst die zuvor beschriebene modifizierte Ausführungsform bevorzugt, dass die Entladeschaltung ausgebildet ist, die wellenförmige Sägezahnspannung mit der Zwischenkreisspannung zu vergleichen und sobald die wellenförmige Sägezahnspannung größer als die Zwischenkreisspannung ist, den PWM-Impuls an das Schaltelement ausgeben. Dann wird der PWM-Impuls an das Schaltelement ausgegeben, bis die wellenförmige Sägezahnspannung die Zwischenkreisspannung unterschreitet.

Anhand der Zwischenkreisspannung kann bemessen werden, wie viel Leistung auf die Leistungsschaltung, insbesondere dessen Entladeelement(e) beaufschlagt würde.

Eine pulsweitenmodulierte Steuerung des/der Schaltelement(s/e) kann eine kostengünstige Lösung zur Steuerung in der Entladeschaltung sein. Die wellenförmige Sägezahnspannung, oder auch als nichtlineare sogenannte "Wellensägezahn"- Spannung bezeichnet, wird für die PWM-Erzeugung anstatt einer gewöhnlichen Vergleichs von Sinus- und Dreieckspannung zur PWM-Erzeugung genutzt. Die wellenförmige Sägezahnspannung ist eine Wechselspannung mit einem Verlauf einer Kippschwingung, die eine periodische und nicht-sinusförmige Schwingung ist.

Beim Vergleich mit der gemessenen Zwischenkreisspannung wird das benötigte PWM-Muster erzeugt. Hierbei ist ein Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation bei einer höheren Zwischenkreisspannung niedriger als ein Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation bei einer niedrigeren Zwischenkreisspannung. Ein Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation definiert ein Verhältnis zwischen einer Ein- und einer Ausschaltdauer des Schaltelements. Somit kann vorteilhafterweise bei noch höheren Spannungen an einem Zwischenkreiselement, wie z. B. einer Zwischenkreiskapazität, das Entladeelement mit gegenüber bekannten Lösungen weniger Leistung beaufschlagt werden und mit fortschreitender Entladedauer und damit einhergehender abfallender Spannung an der Zwischenkreiskapazität das Entladeelement mit gegenüber bekannten Lösungen vergleichsweise mehr Leistung beaufschlagt werden. Insgesamt kann sich hierdurch eine über die Entladedauer gut gleichverteilte Beaufschlagung des/der Entladeelement(s/e) mit Leistung aus dem/den Zwischenkreiselement(en) ergeben.

Mit diesem PWM-Muster wird eine Gleichverteilung der Energie über den Entladezeitraum am Entladewiderstand gewährleistet. Dadurch stellt sich eine deutlich niedrigere Temperaturbelastung am Widerstand ein gegenüber dem Stand der Technik. Eine weitergebildete Ausführungsform kann sein, dass die wellenförmige Sägezahnspannung einen Verlauf einer Kippschwingung aufweist, wobei die Kippschwingung periodisch von einem Ausgangswert instantan auf einen Maximalwert ansteigt und anschließend in Form einer e-Funktion auf den Ausgangswert absinkt. In anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die diskrete Entladeschaltung ausgestaltet ist, die wellenförmige Sägezahnspannung mit einem Verlauf einer Kippschwingung zu erzeugen, wobei die Kippschwingung periodisch von einem Ausgangswert instantan auf einen Maximalwert ansteigt und anschließend in Form einer e-Funktion auf den Ausgangswert absinkt. Hierbei kann das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation derart eingestellt werden, dass während des Entladens eine Temperaturerhöhung an dem zumindest einen Entladeelement sich wie eine von einer Entladezeit abhängige Sättigungsfunktion verhält. Die vorteilhafte Sägezahnspannung bevorzugt in besonders vorteilhafter Weise, dass ein PWM-Muster erzeugt wird, welches eine besonders optimale Gleichverteilung der Energie über den Entladezeitraum gewährleistet.

Gemäß einer modifizierten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die diskrete Entladeschaltung mehrere in Reihe geschaltete Teilschaltkreise aufweist, von denen ein erster Teilschaltkreis ein astabiler Multivibrator ist, und von denen ein nach dem ersten Teilschaltkreis nachgeschalteter zweiter Teilschaltkreis ein Ladeschaltkreis zum Laden und Entladen eines Kondensators ist, wobei der Multivibrator ausgestaltet ist, als Ausgangssignal Spannungsimpulse auszugeben, und wobei der zweite Teilschaltkreis ausgestaltet ist, als Ausgangssignal die wellenförmige Sägezahnspannung mit periodischen Entladekurven auszugeben.

Ein astabiler Multivibrator wird auch als astabile Kippstufe bezeichnet. Astabile Kippstufen bestehen aus zwei elektronischen Schaltern, die wechselseitig so verbunden sind, dass eine Mitkopplung entsteht, die die beiden Schalter in gegensätzliche Zustände bringt. Hierbei ist einer der Schalter geschlossen, während der andere Schalter geöffnet ist. Durch Zeitglieder wird die jeweilige elektrische Spannung, die die Mitkopplung bewirkt hat, abgebaut. Nach einer Verzögerung wechselt der Ausgangszustand. Anschließend wechselt der Ausgangszustand nach einer weiteren Verzögerungszeit erneut. Der Wechsel zwischen den beiden Zuständen erfolgt periodisch. Eine Frequenz des Wechsels zwischen den beiden Zuständen ergibt sich aus den Verzögerungszeiten.

Der Ladeschaltkreis weist beispielsweise mindestens zwei Dioden auf sowie einen Kondensator. Der Kondensator wird niederohmig über eine erste Diode des Ladeschaltkreises entladen und hochohmig über eine zweite Diode des Ladeschaltkreises aufgeladen. Optional können weitere Module zum Einstellen einer Steilheit der Ladekurve verwendet werden. Bereits mit dem Kondensator des Ladeschaltkreises kann jedoch eine Steilheit der Ladekurve eingestellt werden. Optional können ein oder mehrere Widerstände vorgesehen sein, welche in Reihe mit der Diode geschaltet ist/sind, die den Kondensator entlädt.

Die zuvor beschriebene modifizierte Ausführungsform bevorteilt eine sehr kostengünstige Ausgestaltung der Entladeschaltung mit Komponenten, welche gut verfügbar sind.

Eine weitergebildete Ausführungsform kann sein, dass der astabile Multivibrator ausgestaltet ist, Spannungsimpulse mit einer einstellbaren Frequenz zu erzeugen. Die Spannungsimpulse sind bevorzugt derart, dass ein in dem zweiten Teilschaltkreis verwendeter Kondensator schnell geladen wird. Weiter wird bevorzugt über einen Kondensator, welcher mit einem Wderstand in Reihe geschaltet ist, die Frequenz des astabilen Multivibrators eingestellt. Die zuvor beschriebene weitergebildete Ausführungsform bevorteilt ebenfalls eine sehr kostengünstige Ausgestaltung der Entladeschaltung mit Komponenten, welche gut verfügbar sind.

Es kann vorgesehen sein, dass ein nach dem zweiten Teilschaltkreis nachgeschalteter dritter Teilschaltkreis ein nichtinvertierender Verstärker ist. Der nichtinvertierende Verstärker hat den Vorteil, dass die erzeugte Sägezahnspannung auf ein Niveau des Messsignals angeglichen wird. Somit muss mit Vorteil nicht das Messsignal modifiziert werden, wodurch man auch beispielsweise im Messsignal enthaltene Störsignale nicht verstärkt. Gemäß einer modifizierten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die aktive Entladeschaltung ein Messelement zum Messen der Zwischenkreisspannung an dem Zwischenkreiselement und zum Ausgeben eines Zwischenkreisspannung- Messsignals an die diskrete Entladeschaltung aufweist, wobei ein nach dem zweiten Teilschaltkreis oder nach dem dritten Teilschaltkreis nachgeschalteter vierter Teilschaltkreis ein Vergleichsschaltkreis ist, wobei der Vergleichsschaltkreis ausgebildet ist, die wellenförmige Sägezahnspannung mit dem Zwischenkreisspannung-Messsignal zu vergleichen und sobald die Sägezahnspannung größer als das Zwischenkreisspannung-Messsignal ist, einen PWM-Impuls an das Schaltelement auszugeben. Durch diese modifizierte Ausführungsform kann mit Vorteil eine Länge einer Hochzeit des PWM-Signals, welches an den Schalter ausgegeben wird, in Abhängigkeit einer Zwischenkreisspannung verlängert werden. Insbesondere ist der Vergleichsschaltkreis ausgestaltet, die Hochzeit des PWM-Impulses bzw. des PWM- Signals antiproportional zu der Zwischenkreisspannung einzustellen. Somit erfolgt eine längere Entladung pro PWM-Puls bei niedrigeren Zwischenkreisspannungswerten, was wiederum bevorteilt, dass sich der/die Entladewiderstand/-widerstände weniger erwärmen.

Weiterhin umfasst die zuvor beschriebene modifizierte Ausführungsform bevorzugt, dass der Vergleichsschaltkreis der diskreten Entladeschaltung ausgestaltet ist, die wellenförmige Sägezahnspannung mit dem Zwischenkreisspannung-Messsignal zu vergleichen, und einen PWM- Impuls an das Schaltelement auszugeben, sobald die Sägezahnspannung größer als das Zwischenkreisspannung-Messsignal ist und bis die wellenförmige Sägezahnspannung das Zwischenkreisspannung-Messsignal unterschreitet.

Beispielsweise kann das Messelement zum Messen einer Hochvolt- (HV-) Spannung an dem Zwischenkreiselement und zum Ausgeben eines HV-Messsignals der Zwischenkreisspannung an die Steuereinheit ausgestaltet sein. Diese Ausführungsform kann kostengünstig implementierbar zur Messung einer Spannung sein, da beispielsweise HV-Spannungsmesselemente für andere Zwecke bereits am Fahrzeug installiert sein können. Es kann vorgesehen sein, dass die aktive Entladeschaltung zusätzlich zu der diskreten Ladeschaltung eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit ausgestaltet ist, während des Entladens des zumindest einen Zwischenkreiselements die Schaltzustände bei dem zumindest einen Schaltelement abhängig von der Zwischenkreisspannung an dem zumindest einen Zwischenkreiselement mit Pulsweitenmodulation einzustellen. Die Steuereinheit wäre in diesem Fall bevorzugt ausgestaltet ein PWM-Signal an das Schaltelement in ähnlicher Form wie die diskrete Entladeschaltung auszugeben. In diesem Fall läge eine redundante Ausgestaltung vor.

Gemäß einer modifizierten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der erste Teilschaltkreis ausgestaltet ist, eine Rechteckspannung mit einer Hochzeit und einer Tiefzeit an den zweiten Teilschaltkreis auszugeben, wobei der erste Teilschaltkreis eine an einen Anschlusspunkt einer Spannungsquelle des ersten Teilschaltkreises anschließende Kapazität und einen mit der Kapazität in Reihe geschalteten Widerstand aufweist, und wobei die Kapazität und der Widerstand derart ausgestaltet und geschaltet sind, dass die Hochzeit ein Zeitintervall in einem Bereich von 1/6 bis 1/8 eines Zeitintervalls der Tiefzeit umfasst. Somit wird mit Vorteil als Ausgangssignal des ersten Teilschaltkreises ein Signal ausgegeben, welches sich in nachgeschalteten Teilschaltkreisen sehr flexibel in der Tiefzeit modifizieren lässt.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der zweite Teilschaltkreis zwei Widerstände, eine in Sperrrichtung geschaltete Diode, eine in Durchlassrichtung geschaltete Diode und einen Kondensator aufweist, wobei jeweils ein Widerstand und eine Diode in einer Reihenschaltung geschaltet sind und beide Reihenschaltungen aus Widerstand und Diode parallel geschaltet sind, und wobei der der in Sperrrichtung geschalteten Diode vorgeschaltete Widerstand und der Kondensator ausgestaltet sind, eine Steilheit der jeweiligen Entladekurve des als wellenförmige Sägezahnspannung ausgestalteten Ausgangssignals einzustellen. Dies ist eine einfache und kostengünstige Ausgestaltung aus gut verfügbaren Bauteilen. Zudem ist die Schaltung aufgrund der wenigen Bauteile wenig wartungsintensiv. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

Fig. 1 : eine Anordnung mit einer aktiven Entladeschaltung gemäß Stand der Technik;

Fig. 2: eine Anordnung mit einer aktiven Entladeschaltung mit einer PWM-Signale ausgebenden Steuereinheit;

Fig. 3: eine vereinfacht dargestellte Anordnung mit einer aktiven Entladeschaltung mit einem diskreten Entladeschaltkreis zum Ausgeben von PWM-Signalen;

Fig. 4: ein zeitlicher Verlauf für eine wellenförmige Sägezahnspannung, eine Zwischenkreisspannung und für ein PWM-Signal;

Fig. 5: eine Anordnung einer aktiven Entladeschaltung mit einem diskreten Entladeschaltkreis zum Ausgeben von PWM-Signalen;

Fig. 6: ein zeitlicher Verlauf einer Energie eines Zwischenkreiselements und einer Zwischenkreisspannung bei der Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 7: ein zeitlicher Verlauf einer Energie eines Zwischenkreiselements und einer

Zwischenkreisspannung bei den Anordnungen gemäß den Figuren 2 bis 3 und

5;

Fig. 8: ein zeitlicher Verlauf einer Temperatur, angezeigt in Spannungswerten, bei der Anordnung gemäß Fig. 1; und

Fig. 9: ein zeitlicher Verlauf einer Temperatur, angezeigt in Spannungswerten, bei den Anordnungen gemäß den Figuren 2 bis 3 und 5. Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit einer aktiven Entladeschaltung gemäß Stand der Technik. Die Anordnung umfasst eine aktive Entladeschaltung 1 für eine Fahrzeug- Entladevorrichtung zum Entladen eines Fahrzeug-Zwischenkreises 2.

Die Entladeschaltung 1 weist auf einen Anschluss zum Anschließen an ein Zwischenkreiselement 3 des Fahrzeug-Zwischenkreises 2, und eine zu dem Anschluss parallel geschaltete Schaltungsanordnung mit einem Entladeelement 5 und einem Schaltelement 6 auf, wobei das Schaltelement 6 ausgestaltet ist, in einem geschlossenen Schaltzustand das Entladeelement 5 mit dem Anschluss elektrisch zu kontaktieren und in einem geöffneten Schaltzustand das Entladeelement 5 mit dem Anschluss nicht elektrisch zu kontaktieren. Die Anordnung umfasst weiterhin ein Batterieschütz 9, welches während des Entladens des Zwischenkreiselements 3 eine Flochvolt-Batterie 10 von dem Zwischenkreiselement 3 trennt. Ein Batterieschütz ist ein Schalter zum Schutz der Batterie. Der Schalter kann elektrisch oder mechanisch oder mit einer Kombination hiervon betätigt werden. Mit einem Schütz sind beispielsweise Schaltvorgänge aus der Ferne über Steuerleitungen mit geringem Leiterquerschnitt möglich. Schütze gibt es für unterschiedliche Montagearten, beispielsweise für Hutschienenmontage, Montageplatte oder in Gehäusen mit Bohrungen zur Einzelmontage.

Weiterhin umfasst die Anordnung eine Steuereinheit 7, welche das Schaltelement 6 mit einem Steuersignal S ansteuert und dieses damit veranlasst, zwischen den beiden vorgenannten Schaltzuständen zu schalten.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einer aktiven Entladeschaltung. Die Anordnung der Fig. 2 umfasst die Elemente der Anordnung der Fig. 1. Das Zwischenkreiselement 3 ist eine Zwischenkreiskapazität, d. h. es verhält sich wie ein Kondensator. Das Schaltelement 6 ist ein Halbleiterschalter. Bei der Anordnung der Fig. 2 ist die Steuereinheit 7 ausgestaltet, während eines Entladens des Zwischenkreiselements 3 die Schaltzustände bei dem Schaltelement 6 mit Pulsweitenmodulation (PWM) einzustellen. Die Steuereinheit 7 gibt zu diesem Zweck Steuersignale S an das Schaltelement 6 aus. Die Steuereinheit 7 ist ausgestaltet, ein Tastverhältnis (d) der Pulsweitenmodulation gemäß folgendem Verhältnis einzustellen d= R Pmax/V(t) ² .

In anderen Worten ist die Steuereinheit 7 ausgestaltet, das Tastverhältnis (d) der Pulsweitenmodulation abhängig von einem Entladewiderstandswert (R) des Entladeelements 5, einer maximalen Leistung (Pmax) des Zwischenkreiselements 3 und der Zwischenkreisspannung (V(t)) einzustellen. Hierbei ist die maximale Leistung (Pmax) des Zwischenkreiselements 3 gemäß folgenden Verhältnis definiert

Pmax ⁼ Emax/tE ⁼ (0,5 C Vmax ² )/tE, wobei C eine Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreiselements 3 ist, V _maX eine maximale Zwischenkreisspannung des Zwischenkreiselements 3 ist, E _max eine maximale Energie des Zwischenkreiselements ist, und t eine maximale Entladezeit des Zwischenkreiselements 3 ist.

Zusätzlich zu den Elementen und Einheiten der Anordnung der Fig. 1 weist die Anordnung der Fig. 2 ein Messelement 8 auf. Das Messelement 8 ist zum Messen einer Hochvolt- (HV-) Spannung an dem Zwischenkreiselement 3 und zum Ausgeben eines HV-Messsignals M der Zwischenkreisspannung V(t) (siehe Figuren 7 und 9) an die Steuereinheit 7 ausgestaltet.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit einer aktiven Entladeschaltung 1 mit einem Modul 7A, welches den diskreten Entladeschaltkreis 7a (siehe Fig. 4) aufweist. Die Anordnung ist vereinfacht dargestellt und dient zur Veranschaulichung von Schnittstellen. Das Modul 7A der Fig. 3 weist die diskrete Entladeschaltung 7a auf, welche ein PWM-Signal erzeugt. Parallel zu der diskreten Entladeschaltung 7a erzeugt eine Steuereinheit des Moduls 7B ein Entladesignal. Die Steuereinheit kann die Steuereinheit 7 des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 sein. Die Steuereinheit kann die diskrete Entladeschaltung 7a ansteuern, so dass die diskrete Entladeschaltung 7a ein PWM- Signal ausgibt. Die diskrete Entladeschaltung 7a ist dabei ausgestaltet, das Tastverhältnis d der Pulsweitenmodulation nach demselben Verhältnis einzustellen wie die Steuereinheit 7 der Ausführungsform der Fig. 2.

Zur Ansteuerung der diskreten Entladeschaltung 7a erzeugt die Steuereinheit der Fig. 3 ein Entladesignal. Die diskrete Entladeschaltung 7a ist so ausgestaltet, dass sie im Fall, dass die Steuereinheit ausfällt, permanent aktiv ist. In anderen Worten, wenn die Steuereinheit ausfällt, so gibt die diskrete Entladeschaltung 7a, ohne dass eine Ansteuerung der Steuereinheit notwendig ist, ein PWM-Signal an das Modul 12 aus.

Das Modul 12 empfängt das Entladesignal und das PWM-Signal. Wenn beide Signale empfangen wurden oder zumindest das PWM-Signal empfangen wurde, gibt das Modul 12 das PWM-Signal an das Modul 13 weiter. Das Modul 13 weist eine Treiberstufe auf. Die Treiberstufe gibt wiederum an den Flalbleiterschalter 6 das Steuersignal S aus.

Alternativ oder zusätzlich kann bei der Ausführungsform der Fig. 3 die Steuereinheit wie die Steuereinheit 7 des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 ausgeführt sein. In diesem Fall kann die Steuereinheit 7 ein PWM-Signal an das Modul 12 ausgeben und die Entladeschaltung 7a des Moduls 7A kann ein PWM-Signal an das Modul 12 ausgeben. In anderen Worten, es liegt eine redundante Ausführung vor.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung einer aktiven Entladeschaltung 1 mit einem diskreten Entladeschaltkreis 7a. Der diskrete Entladeschaltkreis 7a kann in gleicher Weise wie der diskrete Entladeschaltkreis 7a der Ausführungsform der Fig. 3 schalten.

In der Fig. 5 ist ein Schaltplan mit Teilschaltkreisen 11 A, 11 B, 11 C und 11 D gezeigt. Hierbei ist eine jeweils mögliche Ausführungsform der Teilschaltkreise 11 A bis 11 D dargestellt. Die Teilschaltkreise 11 A bis 11 D erzeugen zusammen eine wellenförmige Sägezahnspannung Usals Ausgangssignal S, welches an den Schalter 6 ausgegeben wird. Die wellenförmige Sägezahnspannung Us weist einen Verlauf einer Kippschwingung auf, wobei die Kippschwingung periodisch von einem Ausgangswert instantan auf einen Maximalwert ansteigt und anschließend in Form einer e-Funktion auf den Ausgangswert absinkt. Die Teilschaltkreise 11 A bis 11 D sind in Reihe geschaltet.

Der Teilschaltkreis 11 A ist ein astabiler Multivibrator, der als Ausgangssignal eine gepulste Spannung ausgibt. Die gepulste Spannung bzw. die Spannungsimpulse erzeugt der astabile Multivibrator mit einer einstellbaren Frequenz. Das Ausgangssignal ist eine Rechteckspannung mit einer Hochzeit und einer Tiefzeit.

Hierbei dienen die Bauteile „erster Widerstand R1“ und „erstes Kapazitätsbauteil C1“ zur Einstellung der Hochzeit des Ausgangssignals. In anderen Worten wird eine Länge der Hochzeit eingestellt. Zudem dienen der zweite Widerstand R2 und das erste Kapazitätsbauteil C1 zur Einstellung einer Tiefzeit des Ausgangssignals.

Das erste Kapazitätsbauteil C1 schließt sich an einem Anschlusspunkt UN einer Spannungsquelle des ersten Teilschaltkreises 11A an. Das erste Kapazitätsbauteil C1 ist demnach mit dem Anschlusspunkt UN der Spannungsquelle in Reihe geschaltet. Der erste Widerstand R1 ist mit dem ersten Kapazitätsbauteil C1 in Reihe geschaltet. Das erste Kapazitätsbauteil C1 und der erste Widerstand R1 sind derart ausgestaltet und geschaltet, dass die Hochzeit ein Zeitintervall in einem Bereich von 1/6 bis 1/8 eines Zeitintervalls der Tiefzeit umfasst.

Bei dem ersten Teilschaltkreis 11 A sind der erste Widerstand R1 und eine zweite Diode D2 in Sperrrichtung in Reihe geschaltet. Weiterhin sind ein zweiter Widerstand R2 und eine erste Diode D1 in Durchlassrichtung in Reihe geschaltet. Die zweite Diode D2 und der erste Widerstand R1 sind wiederum mit der ersten Diode D1 und dem zweiten Widerstand R2 parallel geschaltet. Der erste Widerstand R1 ist im ersten Teilschaltkreis 11 A zum Schutz eines Operationsverstärkers OP1 , OP2 des ersten Teilschaltkreises 11 A vorgesehen. Der erste Teilschaltkreis 11 A weist zwei in Reihe geschaltete Operationsverstärker OPV1 und OPV2 auf. Weiterhin sind noch ein dritter und vierter Widerstand R3 und R4 im ersten Teilschaltkreis 11 A vorgesehen.

Der erste Teilschaltkreis 11 A ist mit dem zweiten Teilschaltkreis 11 B in Reihe geschaltet und der zweite Teilschaltkreis 11 B erhält das Ausgangssignal des ersten Teilschaltkreises 11 A. Der zweite Teilschaltkreis 11 B ist ein Ladeschaltkreis zum Laden und Entladen eines zweiten Kapazitätsbauteils C2, welches ein Kondensator ist. Der zweite Teilschaltkreis 11 B ist ausgestaltet, als Ausgangssignal die wellenförmige Sägezahnspannung Us auszugeben. Der zweite Teilschaltkreis 11 B weist neben dem zweiten Kapazitätsbauteil C2 einen fünften Widerstand R5, einen sechsten Widerstand R6, eine dritte Diode D3, und eine vierte Diode D4 auf.

Der fünfte Widerstand R5 ist mit der dritten Diode D3 in Sperrrichtung in Reihe geschaltet. Der sechste Widerstand R6 ist mit der vierten Diode D4 in Durchlassrichtung in Reihe geschaltet. Der fünfte Widerstand R5 und die dritte Diode D3 und der sechste Widerstand R6 und die vierte Diode D4 sind wiederum parallel geschaltet. Die Parallelschaltung aus Dioden D3, D4 und Widerständen R5, R6 ist wiederum mit dem zweiten Kapazitätsbauteil C2 in Reihe geschaltet. Der das zweite Kapazitätsbauteil C2 repräsentierende Kondensator wird über die zwei Dioden D3, D4 geladen oder entladen. Hierbei wird der Kondensator über die vierte Diode D4 geladen und der Kondensator wird über die dritte Diode D3 entladen. Das Laden erfolgt niederohmig und das Entladen erfolgt hochohmig. Aus dem Entladen und Laden resultiert eine Spannung aus aneinandergereihten Entladekurven. Über den fünften Widerstand R5 und den Kondensator wird eine Steilheit einer jeweiligen Entladekurve des als wellenförmige Sägezahnspannung Us ausgegebenen Ausgangssignals eingestellt.

Der dritte Teilschaltkreis 11 C ist dem zweiten Teilschaltkreis 11 B nachgeschaltet. Der dritte Teilschaltkreis 11 C erhält das Ausgangssignal des zweiten Teilschaltkreises 11 B. Der dritte Teilschaltkreis 11 C ist ein nichtinvertierender Verstärker. Der Verstärker ist ausgestaltet, das Ausgangssignal des zweiten Teilschaltkreises 11 B auf ein Niveau der gemessenen Zwischenkreisspannung V(t) einzustellen. Ein solcher Verstärker ist demnach in dem Fall erforderlich, wenn die Zwischenkreisspannung V(t) ein Vielfaches von dem Ausgangssignal des zweiten Teilschaltkreises 11 B ist oder umgekehrt. Vorliegend kann beispielsweise die Zwischenkreisspannung V(t), welche einen Wert von 920 V bis 0 V hat, in einem Bereich von 0 V bis 5 V dargestellt werden. In diesem Bereich müsste dann auch das Ausgangssignal des zweiten Teilschaltkreises 11 B durch den Verstärker eingestellt werden. Der dritte Teilschaltkreis 11 C weist einen siebten Widerstand R7, einen achten Widerstand R8 und einen neunten Widerstand R9 auf. Weiterhin weist der dritte Teilschaltkreis 11 C einen dritten Operationsverstärker OPV3 auf. Über den achten und den neunten Widerstand R8 und R9 wird ein Verstärkungsfaktor eingestellt.

An den dritten Teilschaltkreis 11 C schließt sich ein vierter Teilschaltkreis 11 D an. Der vierte Teilschaltkreis 11 D erhält von dem dritten Teilschaltkreis 11 C das verstärkte Signal derweilenförmigen Sägezahnspannung Us.

Wie bereits in Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, weist die aktive Entladeschaltung 1 ein Messelement 8 auf. Das Messelement 8 ist zum Messen der Zwischenkreisspannung V(t) an dem Zwischenkreiselement 3 und zum Ausgeben eines Zwischenkreisspannung-Messsignals M an die diskrete Entladeschaltung 7a ausgestaltet. Der vierte Teilschaltkreis 11 D ist ein Vergleichsschaltkreis, der ausgebildet ist, die wellenförmige Sägezahnspannung Us mit dem Zwischenkreisspannung-Messsignal M zu vergleichen und sobald die Sägezahnspannung Us größer als das Zwischenkreisspannung-Messsignal M ist, einen PWM-Impuls an das Schaltelement 6 auszugeben. Die beiden Spannungen werden in einem Komparator, welcher der Operationsverstärker OPV4 ist, verglichen. Sobald die Sägezahnspannung Us größer als das Zwischenkreisspannung- Messsignal M ist, zieht der Operationsverstärker OPV4 seinen Ausgang auf die Spannungsquelle Up, welche Teil des vierten Teilschaltkreises 11 D ist. Ansonsten gibt der Operationsverstärker 0 V aus.

Der vierte Teilschaltkreis 11 D umfasst einen zehnten Widerstand R10, einen elften Widerstand R11 und einen zwölften Widerstand R12. Weiterhin umfasst der vierte Teilschaltkreis 11D eine fünfte Diode D5, ein drittes Kapazitätsbauteil C3 und den vierten Operationsverstärker OPV4.

Fig. 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf für eine wellenförmige Sägezahnspannung Us, eine Zwischenkreisspannung V(t) und eines PWM-Signals. Anhand des zeitlichen Verlaufs kann die Vergleichsoperation des Komparators bei dem Vergleich der Sägezahnspannung Us mit der gemessenen Zwischenkreisspannung V(t) nachvollzogen werden. Über den Widerstand R12 (siehe Fig. 5) liegt dann die gemessene Zwischenkreisspannung V(t) an dem Komparator an. Der Komparator erzeugt dann das PWM-Signal S, welches zur Ansteuerung des Schalters 6 (siehe Fig. 3) verwendet wird. Die Länge einer Hochzeit des PWM-Signals S ergibt sich dann aus einem Zeitintervall, innerhalb welches ein Wert der Sägezahnspannung Usüber einem Wert der Zwischenkreisspannung V(t) liegt. Hierbei verlängert sich eine Hochzeit des PWM-Signals S mit abnehmender Zwischenkreisspannung V(t).

Fig. 6 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Energie E eines Zwischenkreiselements 3 und einer Zwischenkreisspannung V(t) (siehe auch Fig. 8) bei der Anordnung gemäß Fig. 1. Auf der x-Achse ist entsprechend die Zeit t für das Entladen des Zwischenkreiselements 3 aufgetragen, auf der linken y-Achse sind Werte der Zwischenkreisspannung V(t) aufgetragen und auf der rechten y-Achse sind Werte der Energie E des Zwischenkreiselements 3 aufgetragen. Die zeitlichen Verläufe beider Werte zeigen einen höchsten Wert zum Beginn des Entladens zu einem Zeitpunkt t=0 und fallen kontinuierlich während eines weiteren Entladens des Zwischenkreiselements 3 ab. Hierbei ist eine Abnahmerate bei der Energie E und der Zwischenkreisspannung V(t) zu Beginn des Entladens am höchsten und nimmt mit fortschreitender Entladedauer ab. Entsprechend tritt zu einem Beginn des Entladens bei einem Zeitpunkt t=0 ein sehr hoher Entladestrom auf, welcher mit einem Fortschreiten des Entladevorgangs kontinuierlich abnimmt. Weiterhin liegt gleichzeitig, während ein hoher Entladestrom auftritt, auch eine hohe Zwischenkreisspannung V(t) an dem Entladeelement 5 an. Beides führt zu einer Erhitzung des Entladeelements 5, was in Bezug auf Fig. 8 näher erläutert ist.

Fig. 7 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Energie E eines Zwischenkreiselements und einer Zwischenkreisspannung V(t) bei den Anordnungen gemäß den Figuren 2 bis 3 und 5. Auf der x-Achse ist die Zeit t aufgetragen, auf der linken y-Achse sind Werte der Zwischenkreisspannung V(t) aufgetragen und auf der rechten y-Achse sind Werte der Energie E des Zwischenkreiselements 3 aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt t=0 sind die Energie des Zwischenkreiselements 3 und die Zwischenkreisspannung V(t) am höchsten. Entsprechend wird in einem ersten Zeitabschnitt, exemplarisch markiert und versehen mit einem Bezugszeichen I, ein niedrigeres Tastverhältnis gewählt, um das Schaltelement 6 pulsweitenmoduliert anzusteuern. In einem zweiten Zeitabschnitt, exemplarisch markiert und versehen mit einem Bezugszeichen II, wird ein höheres Tastverhältnis gewählt, um das Schaltelement 6 pulsweitenmoduliert anzusteuern. Die Energie E des Zwischenkreiselements 3 nimmt bei den Anordnungen der Figuren 2 bis 3 und 5 größtenteils linear und damit gleichmäßig ab. Die Zwischenkreisspannung V(t) nimmt ebenfalls bei den Anordnungen der Figuren 2 bis 3 und 5 gleichmäßiger ab als bei der Anordnung der Fig. 1.

Fig. 8 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Temperatur T des Entladeelements 5, angezeigt in Spannungswerten, bei der Anordnung gemäß Fig. 1. Entsprechend ist auf der x-Achse eine Zeit t des Entladens aufgetragen und auf der y-Achse Spannungswerte, welche einer Temperatur des Entladeelements 5 entsprechen, welches bei der Anordnung der Fig. 1 verwendet wird. Es ist ersichtlich, dass in einem Zeitfenster zwischen 0,2 s und 0,4 s einer Entladezeit t ein Flöchsttemperaturwert bei dem Entladeelement 5 erreicht wird, welcher im Anschluss mit fortschreitender Entladezeit t abnimmt. Hierbei ist eine Temperaturdifferenz zwischen dem Höchsttemperaturwert und einem niedrigsten Temperaturwert zu Beginn der Entladezeit 93 Kelvin.

Fig. 9 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Temperatur T des Entladeelements 5, angezeigt in Spannungswerten, bei den Anordnungen gemäß den Figuren 2 bis 3 und 5. Entsprechend ist auf der x-Achse eine Zeit t des Entladens aufgetragen und auf der y-Achse Spannungswerte, welche einer Temperatur des Entladeelements 5 entsprechen, welches bei den Anordnungen der Figuren 2 bis 3 und 5 verwendet wird. Es ist ersichtlich, dass in einem Zeitfenster zwischen 1 s und 1 ,8 s einer Entladezeit t ein Höchsttemperaturwert bei dem Entladeelement 5 erreicht wird, welcher im Anschluss mit fortschreitender Entladezeit t abnimmt. Hierbei ist eine Temperaturdifferenz zwischen dem Höchsttemperaturwert und einem niedrigsten Temperaturwert zu Beginn der Entladezeit 43 Kelvin. In einem Zeitraum zwischen 1 ,8 s und 2 s der Entladezeit t nimmt die Temperatur des Entladeelements 5 ab. Die Temperaturerhöhung am Entladeelement 5, welches ein Entladewiderstand ist, ist hiermit wesentlich geringer bei den Anordnungen der Figuren 2 bis 3 und 5 als bei einer Anordnung gemäß der Fig. 1. Bezuqszeichenliste

1 aktive Entladeschaltung

2 Fahrzeug-Zwischenkreis

3 Zwischenkreiselement

5 Entladeelement

6 Schaltelement

7 Steuereinheit

7a diskrete Entladeschaltung

7A Modul zur Erzeugung eines PWM-Signals durch diskrete Entladeschaltung 7B Modul zur Erzeugung eines Entladesignals

8 Messelement

9 Batterieschütz

10 Hochvolt-Batterie 11A erster Teilschaltkreis

11 B zweiter Teilschaltkreis 11 C dritter Teilschaltkreis 11 D vierter Teilschaltkreis

12 Empfang von PWM-Signal und Entladesignal

13 Treiberstufe

I erster Zeitraum der Entladezeit mit einem niedrigen PWM-Tastverhältnis

11 zweiter Zeitraum der Entladezeit mit einem hohen PWM-Tastverhältnis

C Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreiselements C1 erstes Kapazitätsbauteil C2 zweites Kapazitätsbauteil

C3 drittes Kapazitätsbauteil d Tastverhältnis D1 erste Diode D2 zweite Diode D3 dritte Diode D4 vierte Diode

D5 fünfte Diode

E Energie des Zwischenkreiselements

E _max maximale Energie des Zwischenkreiselements

M Messsignal

OPV1 erster Operationsverstärker

OPV2 zweiter Operationsverstärker

OPV3 dritter Operationsverstärker

OPV4 vierter Operationsverstärker

PWM Pulsweitenmodulation

Pmax maximale Leistung des Zwischenkreiselements

R Entladewiderstandswert des Entladeelements

R1 erster Widerstand

R2 zweiter Widerstand

R3 dritter Widerstand

R4 vierter Widerstand

R5 fünfter Widerstand

R6 sechster Widerstand

R7 siebter Widerstand

R8 sechster Widerstand

R9 siebter Widerstand

S Steuersignal t Entladezeit des Zwischenkreiselements t maximale Entladezeit des Zwischenkreiselements

T Temperatur des Entladeelements während des Entladevorgangs

UN Anschlusspunkt einer Spannungsquelle

Us wellenförmige Sägezahnspannung

V _max maximale Spannung des Zwischenkreiselements

V(t) Zwischenkreisspannung