Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Wechselrichter zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Straßenfahrzeugs,

Ein Fahrzeug mit Elektroantrieb umfasst einen ersten Energiespeicher zur Speicherung von elektrischer Energie für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs. Der erste Energiespeicher liefert einen Strom bei einer relativ hohen ersten Spannung (z.B. bei 300-400V).

Desweiteren umfasst das Fahrzeug typischerweise ein Bord netz, welches bei einer relativ niedrigen zweiten Spannung (z.B. bei 12- 14V) betrieben wird, und weiches dazu verwendet wird, elektrische Verbraucher, wie z.B. ein Infotainmentsystem, etc. mit elektrischer Energie zu versorgen. Die erste Spannung kann als HV (Hochvolt) Spannung und die zweite Spannung als NV (Niedervolt) Spannung bezeichnet werden.

Für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine umfasst das Fahrzeug einen Wechselrichter, insbesondere einen Drehstrom-Wechselrichter, der eingerichtet ist, auf Basis eines DC (Direct Current) Stroms (d.h. eines Gleichstroms) aus dem ersten Energiespeicher einen AC (Alternating

Current) Strom (d.h. einen Wechselstrom), insbesondere einen Drehstrom, zu generieren. Der Wechselrichter umfasst ein oder mehrere Halbbrücken mit Schaltelementen (insbesondere mit Transistoren, wie z.B. IGBTs

(Insulated-Gate Bipolar Transistor), die abwechselnd geschaltet werden.

Das Fahrzeug umfasst eine Ansteuerschaltung, die eingerichtet ist,

Wechselrichter-Steuersignale für die einzelnen Schaltelemente des Wechselrichters bereitzustellen. Die Ansteuerschaltung umfasst dabei Treiber-Schaltungen, die eingerichtet sind, die Wechselrichter-Steuersignale für die einzelnen Schaltelemente (insbesondere die Gate-Signale für IGBTs) zu generieren. Dabei weist ein Wechselrichter-Steuersignal ein erstes Potential (z.B. bei 15V) auf, um ein Schaltelement zu schließen, und ein zweites Potential (z.B. bei -7V) auf, um das Schaltelement zu öffnen. Das erste Potential und das zweite Potential können dabei aus einer

Zwischenkreisspannung generiert werden, die typischerweise zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung liegt (z.B. bei 32V).

Desweiteren umfasst die Ansteuerschaltung meist eine Steuereinheit, die unter anderem eingerichtet ist, ein Bordnetz des Fahrzeugs mit dem

Wechselrichter in einen sicheren Zustand zu überführen (z.B. bei Vorliegen einer Unfallsituation). Die Steuereinheit kann dabei auch

Überwachungsfunktionen durchführen. Dabei soll gewährleistet werden, dass nach Ablauf eines vordefinierten Zeitraums (z.B. von 5 Sekunden) keine Spannungen im Bordnetz mehr vorliegen, die oberhalb einer vordefinierten Berührschweile (z.B. von 60V) liegen.

Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine Kosten-effiziente Ansteuerschaltung bereitzustellen, die eine zuverlässige Überführung des Bordnetzes in einen sicheren Zustand ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen

beschrieben.

Gemäß einem Aspekt wird eine Ansteuerschaltung für einen Wechselrichter, insbesondere für einen Drehstrom-Wechselrichter, beschrieben. Der

Wechselrichter ist eingerichtet, Gleichstrom mit einer ersten Spannung (insbesondere mit einer HV-Spannung) aus einem elektrischen

Energiespeicher (insbesondere aus einem HV-Energiespeicher) in Wechselstrom (insbesondere in einen 3 Phasen-Drehstrom) zu wandeln, mit dem eine elektrische Maschine (z.B. eine Synchronmaschine) eines

Fahrzeugs betrieben wird. Desweiteren ist ein Stütz-Kondensator parallel zu einem Eingang des Wechselrichters angeordnet, um zu gewährleisten, dass am Eingang des Wechselrichters eine stabile Eingangsspannung vorliegt.

Die Ansteuerschaltung umfasst einen Gleichspannungswandler (oder DC/DC-Wandler), der eingerichtet ist, Gleichstrom mit der ersten Spannung (direkt aus dem HV-Energiespeicher) in Gleichstrom mit einer

Zwischenkreisspannung (z.B. bei 32V) zu wandeln. Desweiteren umfasst die Ansteuerschaltung eine Treiber-Einheit, die eingerichtet ist, auf Basis des Gleichstroms mit der Zwischenkreisspannung Wechselrichter-Steuersignale für Schaltelemente (insbesondere für IGBTs) des Wechselrichters zu generieren. Die Treiber-Einheit wird somit direkt über den

Gleichspannungswandler mit elektrischer Energie aus dem HV- Energiespeicher versorgt, wodurch eine hohe Effizienz der

Ansteuerschaltung ermöglicht wird. Desweiteren kann durch die direkte Versorgung aus dem HV-Energiespeicher auf eine galvanische Trennung der Versorgung der Treiber-Einheit verzichtet werden.

Die Ansteuerschaltung umfasst weiter eine Entlade-Einheit, die aus dem Gleichstrom mit der Zwischenkreisspannung versorgt wird und die

eingerichtet ist, in Reaktion auf ein Entlade-Steuersignal einen Entlade- Widerstand parallel zu einem Ausgang des Gleichspannungswandlers zu schalten. Zu diesem Zweck kann die Entlade-Einheit einen Entlade-Schalter umfassen, der mit dem Entlade-Steuersignal angesteuert werden kann und der z.B. in Reihe mit dem Entlade-Widerstands parallel zum Ausgang des Gleichspannungswandlers angeordnet ist. Durch Schließen des Entlade- Schalters kann dann der Entlade-Widerstand parallel zum Ausgang des Gleichspannungswandlers geschaltet werden. Desweiteren umfasst die Ansteuerschaftung eine Steuereinheit (und/oder Überwachungseinheit), die ebenfalls aus dem Gleichstrom mit der

Zwischenkreisspannung versorgt wird und die eingerichtet ist, zur Entladung des Stütz-Kondensators ein Entlade-Steuersignal zu generieren, um die Entlade-Einheit zu veranlassen, den Entlade-Widerstand parallel zu dem Ausgang des Gleichspannungswandlers zu schalten. Durch die Versorgung von Entlade-Einheit und Steuereinheit mit der Zwischenkreisspannung kann auf eine galvanische Trennung einer Datenverbindung (für das Entlade- Steuersignal) zwischen Entlade-Einheit und Steuereinheit verzichtet werden, wodurch die Kosten der Ansteuerschaltung reduziert werden.

Insgesamt ermöglicht die Ansteuerschaltung eine aktive Entladung des Stütz-Kondensators über den Gleichspannungswandler (und die dadurch verursachten Wandlerverluste) und über den, auf die

Zwischenkreisspannung ausgelegten, Entlade-Widerstand (und die dadurch verursachten ohmschen Verluste). Dies ermöglicht eine zuverlässige und kostengünstige Überführung des Bordnetzes eines Fahrzeugs in einen sicheren Zustand.

Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu bestimmen, dass der Stütz- Kondensator in einen sicheren Zustand überführt werden soll (z.B. auf Anweisung durch ein Steuergerät außerhalb der Ansteuerschaltung). Die Steuereinheit kann dann in Reaktion auf das Bestimmen das Entlade- Steuersignal generieren, und damit den Stütz-Kondensator aktiv entladen. Außerdem kann die Steuereinheit eingerichtet sein, in Reaktion auf das Bestimmen zu veranlassen, dass die Treiber-Einheit Wechselrichter- Steuersignale generiert, durch die bewirkt wird, dass Wicklungen der elektrischen Maschine kurzgeschlossen werden (und so eine unkontrollierte Einspeisung von elektrischer Energie von der elektrischen Maschine in den HV-Zwischenkreis verhindert wird). Zu diesem Zweck können z.B. die Low- Side Schaltelemente der Halbbrücken des Wechselrichters veranlasst werden, zeitlich in geschlossenen Zustand zu sein. So kann das Bordnetz mit dem Stütz-Kondensator und dem Wechselrichter zuverlässig in einen sicheren Zustand überführt werden.

Der Stütz-Kondensator und der Wechselrichter sind typischerweise über zumindest ein Schütz mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das Entlade-Steuersignaf (erst) nachdem das zumindest eine Schütz geöffnet wurde zu generieren. So können das Ziehen eines Entladestroms aus dem Energiespeicher und eine damit verbundene Erwärmung vermieden werden.

Der Gleichspannungswandler kann eingerichtet sein, den Gleichstrom am Ausgang des Gleichspannungswandlers auf einen vordefinierten

Maximalstrom zu begrenzen und/oder zu regeln. So kann eine sichere aktive Entladung gewährleistet werden. Insbesondere kann eine zu starke

Erwärmung von Komponenten des Bordnetzes des Fahrzeugs vermieden werden.

Die Ansteuerschaltung kann ein oder mehrere Daten-Schnittstellen zu ein oder mehreren Komponenten (insbesondere Steuergeräten) außerhalb der Ansteuerschaltung umfassen. Diese Komponenten können aus einem NV- Bordnetz (z.B. aus einem 12/14V Bordnetz) versorgt sein. Die ein oder mehreren Daten-Schnittstellen können zur Sicherung eine galvanische Trennvorrichtung aufweisen. Dabei sind jedoch die Anzahl von Daten- Schnittstellen und die darüber fließende elektrische Energiemenge typischerweise gering, so dass eine galvanische Trennung der Daten- Schnittstellen in Kosten-effektiver Weise bereitgestellt werden kann.

Die Steuereinheit kann in effizienter Weise auf einem programmierbaren integrierten Schaltkreis, insbesondere auf einem Complex Programmable Logic Device, kurz CPLD, implementiert sein. Die Ansteuerschaltung kann weiter einen Linearregler umfassen, der eingerichtet ist, aus dem Gleichstrom mit der Zwischenkreisspannung einen Versorgungsstrom mit einer Versorgungsspannung für die Steuereinheit zu generieren. Die Versorgungsspannung kann dabei z.B. bei 3V oder weniger liegen.

Die Treiber-Einheit kann zumindest eine Transformator-Schaltung umfassen, die eingerichtet ist, aus dem Gleichstrom mit der Zwischenkreisspannung unterschiedliche Potentiale (z.B. +15V und -7V) für zumindest ein

Wechselrichter-Steuersignal zu generieren. Die elektrische Energie für die Wechselrichter-Steuersignale kann somit mittels Transformator-Schaltungen aus dem Gleichstrom mit der Zwischenkreisspannung generiert werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug, das durch eine elektrische Maschine angetrieben wird, beschrieben. Das Bordnetz umfasst einen elektrischen Energiespeicher (z. B. einen Lilonen- Akkumulator), der eingerichtet ist, einen Gleichstrom mit einer ersten

Spannung bereitzustellen. Das Bordnetz umfasst weiter einen

Wechselrichter, der eingerichtet ist, den Gleichstrom mit der ersten

Spannung in einen Wechselstrom zu wandeln, mit dem die elektrische Maschine betrieben wird, sowie einen Stütz-Kondensator, der parallel zu einem Eingang des Wechselrichters angeordnet ist. Außerdem umfasst das Bord netz eine in diesem Dokument beschriebene Ansteuerschaltung für den Wechselrichter.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein

Straßenkraftfahrzeug, z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das das in diesem Dokument beschriebene Bord netz umfasst.

Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen

Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch i Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

Figur 1 beispielhafte Komponenten eines elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs; und

Figur 2 beispielhafte Komponenten einer Ansteuerschaltung für einen

Wechselrichter.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument damit, eine Kosten-effiziente und zuverlässige Ansteuerschaltung für einen

Wechselrichter in einem Fahrzeug bereitzustellen. In diesem

Zusammenhang zeigt Fig. 1 beispielhafte Komponenten eines elektrischen Bordnetzes 100 eines Fahrzeugs mit unterschiedlichen Spannungsebenen. Das Bordnetz 100 umfasst einen elektrischen Energiespeicher 101 , der eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb einer elektrischen

Maschine bereitzustellen. Die elektrische Energie wird mit einer ersten Spannung 1 1 1 (auch als HV-Spannung bezeichnet) bereitgestellt.

Desweiteren umfasst das Bordnetz 100 einen Wechselrichter 103, der eingerichtet ist, aus der gespeicherten Energie einen Wechselstrom, insbesondere einen Drehstrom, zum Betrieb der elektrischen Maschine (nicht dargestellt) zu generieren. Desweiteren umfasst das Bordnetz typischerweise einen Stütz-Kondensator 102 am Eingang des Wechselrichters 103.

Außerdem umfasst das Bordnetz 100 eine Ansteuerschaltung 140, die eingerichtet ist, den Wechselrichter 103 anzusteuern, um den Wechselstrom zu generieren und um den Wechselrichter 103 bzw. das Bordnetz 100 bei Bedarf (z.B. bei einem Unfall) in einen sicheren Zustand zu überführen. Die Ansteuerschaltung 140 umfasst einen DC/DC-Wandier 104, der eingerichtet ist, elektrische Energie mit der ersten Spannung 1 1 1 in elektrische Energie mit einer Zwischenkreisspannung 1 12 zu wandeln. Ein beispielhafter DC/DC- Wandler 104 ist ein Buck-Wandler.

Desweiteren umfasst die Ansteuerschaltung 140 eine Treiber-Einheit 106 mit Treiber-Schaltungen für die einzelnen Schaltelemente des Wechselrichters 103. Die Treiber-Einheit 106 wird dabei mit elektrischer Energie auf der Zwischenkreisspannung 1 12 versorgt, um die Potentiale für die

Wechselrichter-Steuersignale 134 für die Schaitelemente zu generieren. Die Versorgung der Treiber-Einheit 106 erfolgt dabei direkt durch Wandlung der Energie aus dem HV-Energiespeicher 101 mittels des DC/DC-Wandlers 104 (insbesondere ohne eine zwischenzeitliche Wandlung auf eine NV-Spannung von z.B. 12-14V). Dies ist vorteilhaft in Bezug auf eine Energieeffizienz der Ansteuerschaltung 140 und in Bezug auf eine Entlastung eines NV- Wandlers, der elektrische Energie mit der NV-Spannung bereitstellt).

Die Ansteuerschaltung 140 umfasst weiter eine Steuereinheit 107, die eingerichtet ist, das Bord netz 100 bei Bedarf in einen sicheren Zustand zu überführen. Das Bordnetz 100 weist typischerweise Schütze (z.B. Relais) 109 auf, die bei Bedarf geöffnet werden können, um den Energiespeicher

101 vom Bord netz 100 zu trennen. Desweiteren kann die Steuereinheit 107 eingerichtet sein, die Treiber-Einheit 106 zu veranlassen (über ein Treiber- Steuersignal 131 ), alle Low-Side Schaltelemente der Halbbrücken des Wechselrichters 103 zeitgleich zu schließen, um zu bewirken, dass die elektrische Maschine kein Moment mehr erzeugt.

Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit 107 eingerichtet sein, eine aktive Entladung des Wechselrichters 103 und/oder des Stütz-Kondensators 02 zu veranlassen. Zu diesem Zweck kann die Ansteuerschaltung 140 eine Entlade-Einheit 105 umfassen. Die Entlade-Einheit 105 kann einen Entlade- Widerstand aufweisen, der durch einen Entlade-Schalter parallel zum Ausgang des DC/DC-Wandlers 104 geschaltet werden kann. Die

Steuereinheit 107 kann somit die Entlade-Einheit 105 veranlassen (über ein Entlade-Steuersignal 32) den Entlade-Widerstand parallel zu dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 104 zu schalten. Dies führt dazu, dass (bei geöffneten Schützen 109), der Stütz-Kondensator 102 über den DC/DC-Wandler 104 und über den Entlade-Widerstand entladen wird. Dabei bewirken

Wandlerverluste des DC/DC-Wandler 104 und ohmsche Verluste des

Entlade-Widerstands einen Abbau der im Stütz-Kondensator 102

gespeicherten Energie. Desweiteren kann der DC/DC-Wandler 104 zur aktiven Entladung in einem Modus betrieben werden, durch den der Strom durch den DC/DC-Wandler 104 begrenzt wird (insbesondere kann der DC/DC-Wandler 104 in einem sogenannten Current Mode Control betrieben werden). So können Überhöhungen des Entladestroms in effizienter Weise vermieden werden. Desweiteren ist eine Anordnung der Entlade-Einheit 105 am Ausgang des DC/DC-Wandlers 04 vorteilhaft, da so die Verwendung von Entlade-Widerständen ermöglicht wird, die für reduzierte Spannungen ausgelegt sind (und damit Kosten-günstiger sind).

Die Steuereinheit 107 kann z.B. auf einem CPLD (Complex Programmable Logic Device) implementiert sein. Durch die Tatsache, dass die Steuereinheit 107 , die Treiber-Einheit 106 und die Entlade-Einheit 105 aus der

Zwischenkreisspannung 1 12 versorgt werden, ist keine galvanische

Trennung zwischen den einzelnen Einheiten 107, 106, 105 erforderlich.

Desweiteren ist keine galvanische Trennung zwischen Treiber-Einheit 106 und Wechselrichter 103 erforderlich. So können die Kosten für die

Ansteuerschaltung 140 reduziert werden. Eine galvanische Trennung 120 ist ggf. nur für die Übertragung von digitalen Signalen 133 (z.B. über ein Serial Peripheral Interface (SPI)) zu einem externen Prozessor 121 erforderlich (der z.B. aus dem 12/14V-Bordnetz versorgt wird).

Fig. 2 zeigt weitere Details einer beispielhaften Ansteuerschaltung 140.

Insbesondere zeigt Fig. 2 weitere Details einer Treiber-Einheit 106, die eine Vielzahl von Treiber-Schaltungen 201 zur Generierung der Wechselrichter- Steuersignale 134, 203 für die entsprechende Vielzahl von Schaltelementen des Wechselrichters 103 umfasst. Desweiteren umfasst die Treiber-Einheit 106 Transformator-Schaltungen 202, die eingerichtet sind, die erforderlichen Potentiale (z.B. +15V und -7V) aus der Zwischenkreisspannung 1 12 zu erzeugen. Außerdem zeigt Fig. 2 beispielhaft eine galvanisch entkoppelte Schnittstelle 221 zur Übertragung von digitalen Signalen 133 zwischen einem externen Prozessor 121 und der Steuereinheit 107.

Die in diesem Dokument beschriebene Ansteuerschaltung 140 ist vorteilhaft, da sie keine oder zumindest eine reduzierte Anzahl von galvanisch trennenden Bauelementen erfordert. Desweiteren kann durch die direkte Versorgung aus dem HV-Energiespeicher 101 auf eine (ggf. redundante) Versorgung aus einem NV-Bordnetz verzichtet werden. Außerdem

ermöglicht die beschriebene Anordnung einer Entlade-Einheit 105 in

Kombination mit einem DC/DC-Wandler 104 eine geregelte, d.h. eine kontrollierte und zuverlässige, Entladung des Stütz-Kondensators 102.

Desweiteren können durch die beschriebene Anordnung die Kosten der Ansteuerschaltung 140 reduziert werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.