Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug mit einer Entladeschaltung, die dem Energiespeicher parallelgeschaltet ist.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DE 102016222632 A1 bekannt. Dort wird vor einer Entladung des auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeichers zunächst über einen Timer eine kurze Testentladung durchgeführt und dabei mittels eines Spannungsfallerfassers bzw. eines Rate-Detectors überprüft, ob der Energiespeicher, der hier ein Zwischenkreiskondensator ist, von der Hochvoltbatterie getrennt ist und damit ohne die Gefahr eines zu hohen Stromflusses aus der Hochvoltbatterie entladen werden kann. Erst dann wird, gesteuert über den Spannungsfallerfasser, eine Entladung durchgeführt. Der Timer und der Spannungsfallerfasser können in einem Mikrocontroller realisiert sein, wobei eine Versorgung des Mikrocontrollers über einen Pufferkondensator erfolgen kann, der über einen Linearregler aus dem Energiespeicher geladen wird.

In elektrischen oder hybridelektrischen Fahrzeugen werden zum Transport der elektrischen Energie von einer Hochvoltbatterie zum elektrischen Traktionsmotor oder vom Ladegerät zur Hochvoltbatterie Starkstromleitungen verwendet, an denen eine hohe Gleichspannung mit Werten von einigen hundert Volt anliegen kann. Zur Glättung von Stromspitzen oder zur kurzzeitigen höheren Energielieferung werden dabei an diese Starkstrom- oder Hochvoltleitungen Energiespeicher, zumeist in Form von Zwischenspeicherkondensatoren, angeschlossen, die dann ebenfalls auf die hohe Spannung aufgeladen sind.

Die Hochvoltbatterie ist zumeist über Schalter, oft als Schütze bezeichnet, mit den elektrischen Schaltungen und der Hochvoltleitung verbunden, wobei die Energiespeicher auf der Seite der elektrischen Schaltungen an die Hochvoltleitung angeschlossen sind. Wenn das Fahrzeug eine längere Zeit stillsteht, eine Inspektion oder eine Reparatur durchgeführt wird, oder bei einem Unfall muss der oder die Energiespeicher zumindest unter die Berührungsspannung von 60 Volt entladen werden, so dass Menschen nicht durch die Hochspannung gefährdet werden.

In den U.S. Federal Motor Safety Standards (FMVSS) wird gefordert, dass Kondensatoren an den Hochspannungsleitungen in bestimmten Situationen innerhalb von 5 Sekunden auf unter 60 Volt entladen werden.

Entladeschaltungen benötigen allerdings eine Spannungsversorgung, die jedoch im Falle eines Fahrzeugunfalls unterbrochen sein kann, weil beispielsweise die Kabel der 12-Volt-Fahrzeugbatterie abgerissen sind. Die Verwendung der Hochspannung zur Spannungsversorgung führt zu aufwändigen Isolationsanforderungen bei der Auslegung der Entladeschaltung und erfordert hochspannungsfeste und damit teure Bauteile.

Es ist damit die Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug anzugeben, die im Niederspannungsbereich realisiert werden kann und trotzdem eine unfallsichere Spannungsversorgung hat.

Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug mit einer Entladeschaltung, die dem Energiespeicher parallelgeschaltet ist, mit einem Hilfs-Mikrocontroller zur Ansteuerung der Entladeschaltung, der mit einer geringen Spannung von 3-5 Volt betreibbar ist, mit einer ersten Spannungsversorgungschaltung zur Versorgung des Hilfs-Mikrocontrollers mit der geringen Spannung von 3-5 Volt, die aus einem Pufferkondensator mit einer Spannung von 10-15 Volt gespeist wird, und mit einem Haupt-Mikrocontroller, der ausgebildet ist, den Hilfs-Mikrocontroller zur Ansteuerung der Entladeschaltung anzusteuern, gebildet.

Durch die Verwendung eines Hilfs-Mikrocontrollers, der von einer geringen Spannung von 3-5 Volt versorgt werden kann, die von der ersten Spannungsversorgungschaltung bereitgestellt wird, kann ein relativ kleiner Pufferkondensator zum Versorgen der ersten Spannungsversorgungschaltung verwendet werden, wobei die Entladeschaltung trotzdem für eine geforderte Zeit von 5 Sekunden, die ausreichen, um die Energiespeicher zu entladen, in Betrieb gehalten werden kann, selbst wenn die eigentliche Spannungsversorgung, nämlich die 12-Volt-Fahrzeugbatterie nicht mehr verbunden ist.

In einer ersten Ausführung ist die Entladeschaltung mit einem Entladewiderstand und einem dazu in Serie geschalteten Entladetransistor gebildet, wobei der Hilfs-Mikrocontroller über eine Treiberschaltung mit der Entladeschaltung verbunden ist.

Dies stellt eine sehr sichere Art der Entladung dar, da die im Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie lediglich über einen Entladewiderstand, der über einen zu diesem in Serie geschalteten Entladetransistor dem Energiespeicher parallelgeschaltet wird, in Wärmeenergie umgewandelt wird, was zumeist ohne Nebenbedingungen problemlos erfolgen kann.

In einer alternativen zweiten Ausführung ist die Entladeschaltung mit einem DC-DC-Wandler gebildet, der ausgangsseitig mit einer Hochspannungsbatterie verbunden ist und mit einer ansteuernden Steuerschaltung verbunden ist, die mit dem Hilfs-Mikrocontroller verbunden ist.

Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die im Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie nicht lediglich in Wärme umzusetzen, sondern in die Hochvoltbatterie zurück zu speichern.

Da unter bestimmten Umständen jedoch Bedingungen herrschen können, unter denen eine ausreichend schnelle Entladung durch Rekuperation nicht möglich ist, kann in vorteilhafter weise die Entladeschaltung außerdem mit einem Entladewiderstand und einem dazu in Serie geschalteten Entladetransistor gebildet sein, die dem DC-DC-Wandler parallelgeschaltet sind.

Hierdurch kann dann in jedem Fall eine sichere Entladung vorgenommen werden, allerdings, ohne die Energie zurück zu gewinnen.

Um den Pufferkondensator zur Versorgung des Hilfs-Mikrocontrollers zu laden, kann dieser in vorteilhafter Weise mit einer zweiten Spannungsversorgungsschaltung verbunden sein, die zum Betrieb mit der Dauerplus-Spannungs-Klemme (der sogenannten Klemme 30) im elektrischen Bordspannungsnetz des Kraftfahrzeugs verbunden ist.

Der Pufferkondensator wird dadurch aus dem elektrischen Bordspannungsnetz des Kraftfahrzeugs geladen, wobei bei auch nach einem Unfall intakten Kabeln der Hilfs-Mikrocontroller auch aus dem Bordspannungsnetz direkt versorgt werden kann.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist das hohe Potential der Hochspannung mit einer Überwachungsschaltung verbunden, die mit dem Hilfs-Mikrocontroller und über eine galvanisch entkoppelte Leitung mit dem Haupt-Mikrocontroller verbunden ist.

Hiermit kann der Entladestrom sowohl vom Hilfs-Mikrocontroller als auch vom Haupt-Mikrocontroller überwacht werden.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Schaltungsanordnung ist auch die Ansteuerleitung zwischen dem Haupt-Mikrocontroller und dem Hilfs-Mikrocontroller galvanisch entkoppelt. Dabei werden in einer Ausbildung Optokoppler verwendet.

Hierdurch kann eine gute Entkopplung zwischen dem Niederspannungsbereich, in dem der Haupt-Mikrocontroller weitere Aufgaben erfüllen muss und dem Hochspannungsbereich, mit dem der Hilfs-Mikrocontroller in Verbindung ist, erzielt werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Entladeschaltung mit einem weiteren DC-DC-Wandler gebildet sein, der ausgangsseitig mit einer Niederspannungsbatterie (der Klemme 30) verbunden ist und mit einer weiteren ansteuernden Steuerschaltung verbunden ist, die mit dem Hilfs-Mikrocontroller verbunden ist.

Damit kann die im Energiespeicher gespeicherte Energie nicht nur in die Hochspannungsbatterie, sondern auch in die Niederspannungsbatterie rekuperiert werden.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Schaltungsanordnung ist der Entladetransistor ein IGBT (insulated gate bipolar transistor), der mit einer ansteuernden Treiberschaltung verbunden ist, die mit der zweiten Spannungsversorgungsschaltung verbunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung mit einer

Entladeschaltung mit einem Entladewiderstand und einem dazu in Serie geschalteten Entladetransistor, und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung mit einem DC-DC-Wandler, der ausgangsseitig mit einer Hochspannungsbatterie verbunden ist.

Die Figur 1 zeigt in schematischer Weise einen Energiespeicher ES, der zwischen zwei Hochvoltleitungen verschaltet ist, die ein hohes Potential HV_DC+ bzw. ein niederes Potential HV_DC- haben. Der Energiespeicher ES kann dabei mit einem oder auch einer Mehrzahl von Kondensatoren gebildet sein, die entweder als Glättungskondensatoren für Strom- und Spannungsspitzen dienen oder auch im Bedarfsfall einen höheren Laststrom zur Unterstützung der Hochvoltbatterie, mit der sie über nicht dargestellte Schutzschalter verbunden sind, zu ermöglichen.

Zur Entladung des Energiespeichers ES ist diesem im dargestellten Ausführungsbeispiel der Figur 1 die Serienschaltung aus einem Entladewiderstand RD und einem Entladetransistor TD, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als IGBT (insulated gate bipolar transistor) mit Substratdiode ausgebildet ist, parallelgeschaltet. Der Entladetransistor TD wird von einer Treiberschaltung TS angesteuert, die einerseits aus einer beispielsweise 12 Volt Quelle versorgt wird und andererseits an das niedere Potential HV_DC- angeschlossen ist. Die Treiberschaltung TS wird ihrerseits von einem Hilfs-Mikrocontroller MC1 angesteuert, der seinerseits von einem Haupt-Mikrocontroller MC2 angesteuert wird, um ein Entladen des Energiespeichers ES herbeizuführen.

Der Hilfs-Mikrocontroller MC1 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Spannungsversorgung mit einem niederen Spannungswert von 5 Volt versorgt und liegt mit seinem Bezugspotentialanschluss ebenfalls auf dem niederen Potential HV_DC- der Hochvoltleitung, da er galvanisch mit dem Hochvoltteil verbunden ist. Die Ansteuerung des Hilfs-Mikrocontrollers MC1 durch den Haupt-Mikrocontroller MC2 erfolgt über einen Optokoppler und ist folglich galvanisch entkoppelt, um den Haupt-Mikrocontroller MC2 vom Hochvoltteil der Schaltungsanordnung zu isolieren. Der Spannungspegel am Verbindungspunkt des Entladetransistors TD mit dem Entladewiderstand RD wird über eine Überwachungsschaltung direkt an den Hilfs-Mikrocontroller MC1 geführt und außerdem über einen galvanisch entkoppelten Optokoppler dem Haupt-Mikrocontroller MC2 zugeführt, um das Ein- und Ausschalten des Entladetransistors TD überwachen zu können.

In erfindungsgemäßer Weise wird die Versorgungsspannung von 5 Volt für den Hilfs-Mikrocontroller MC1 von einer ersten Spannungsversorgungsschaltung SV1 bereitgestellt, die ihrerseits von einer zweiten Spannungsversorgungsschaltung SV2 mit einer Spannung von 12 Volt versorgt wird, die in erfindungsgemäßer Weise über einen Pufferkondensator C_puffer gestützt wird, um die geforderten 5 Sekunden der Versorgungsspannung für den Hilfs-Mikrocontroller MC1 bereitstellen zu können.

Die zweite Spannungsversorgungsschaltung SV2 wird ihrerseits von der 12-Volt-Fahrzeugbatterie versorgt und ist an deren Pluspol, dem sog. Dauerplus KL30 und als Klemme 30 bezeichnet, angeschlossen. Sie liegt bezugspotentialmäßig am Minuspol KL31 der Fahrzeugbatterie, welcher als Klemme 31 bezeichnet wird. Das Bezugspotential der ersten Spannungsversorgungsschaltung SV1 und auch des Pufferkondensators C_puffer ist das niedere Potential HV_DC- der Hochvoltleitung, was fordert, dass die zweite Spannungsversorgungsschaltung SV2 intern galvanisch isoliert sein sollte.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltungsanordnung der Figur 1 kann also auch für den Fall, dass das Batteriekabel abgerissen ist und damit an der Klemme 30 (KL30) keine Spannung mehr anliegt, der Hilfs-Mikrocontroller MC1 über die erste Spannungsversorgungsschaltung SV1 zumindest für eine vorgegebene Zeit weiter versorgt werden, da der Pufferkondensator C_puffer ausreichend groß dimensioniert ist, um die dafür erforderliche Energie bereitzustellen.

In der Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt, in der gleiche Schaltungsbestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zur Ausführung der Figur 1 wird hier ein Energiespeicher ES, der zwischen den Hochvoltleitungspotentialen HV_DC+ und HV_DC- angeordnet ist, im Bedarfsfall gesteuert durch den Hilfs-Mikrocontroller MC1 und den Haupt-Mikrocontroller MC2 über einen DC/DC-Wandler DC-DC1 entladen, wobei jedoch in vorteilhafter Weise die im Energiespeicher ES gespeicherte Energie in die Hochvoltbatterie HVBatt zurückgespeichert wird.

Der DC/DC-Wandler DC-DC1 wird dabei von einer Steuerschaltung Con1 in bekannter Weise gesteuert, wobei die Steuerschaltung Con1 vom Hilfs-Mikrocontroller MC1 über ein Ansteuersignal EN_1 angesteuert wird.

In einer Weiterbildung einer solchen alternativen Schaltungsanordnung ist in der Figur 2 ebenfalls angedeutet, dass ein weiterer DC/DC-Wandler DC-DC2 vorgesehen sein kann, über den der Energiespeicher ES in die Niedervoltbatterie NVBatt (welches die übliche 12 Volt Fahrzeugbatterie ist) entladen werden kann.

Der weitere DC/DC-Wandler DC-DC2 wird dabei von einer weiteren Steuerschaltung Con2 gesteuert, welche ihrerseits vom Hilfs-Mikrocontroller MC1 über ein weiteres Ansteuersignal EN_2 angesteuert wird.

Sowohl die Hochvoltbatterie HVbatt als auch die Niedervoltbatterie NVbatt können von der Steuerschaltung Con1 bzw. der weiteren Steuerschaltung Con2 über entsprechende Verbindungen HV_BCN_Sense bzw. LV_BCN_Sense verbunden sein, um den Ladezustand der Batterien den Steuerschaltungen Con1 , Con2 zugänglich zu machen, um davon abhängig eine Entladung in die jeweiligen Batterien steuern zu können.

Nicht dargestellt in der Figur 2 ist eine Weiterbildung der dortigen Schaltungsanordnung durch eine Erweiterung um eine Entladeschaltung gemäß der Figur 1 nämlich die Serienschaltung eines Entladewiderstands und eines Entladetransistors, um in jedem Fall, falls die Batterien nicht als Rückspeichermittel verwendet werden können, eine Entladung des Energiespeichers ES herbeiführen zu können.