DE102024114478A1

DE102024114478A1 - High-voltage system for a motor vehicle with passive discharge circuits for voltage balancing of Y-capacitances

Info

Publication number: DE102024114478A1
Application number: DE102024114478.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Hasch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2024-05-23
Filing date: 2024-05-23
Publication date: 2025-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltsystem (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend:
- einen elektrischen Hochvoltenergiespeicher (2) mit speicherseitigen HV-Anschlüssen (5a, 5b),
- ein Hochvoltbordnetz (3) aufweisend bordnetzseitige HV-Anschlüsse (6a, 6b) und eine Kapazitätsanordnung (10) mit zwei Y-Kapazitäten (Cy1, Cy2), welche mit jeweils einem der bordnetzseitigen HV-Anschlüsse (6a, 6b) und einem Massepotential (M) des Hochvoltsystems (1) verbundenen sind,
- eine mit den speicherseitigen und den bordnetzseitigen HV-Anschlüssen (5a, 5b, 6a, 6b) verbundene Schalteinrichtung (4) zum Verschalten des Hochvoltenergiespeichers (2) und des Hochvoltbordnetzes (3), und
- eine zur Spannungssymmetrierung der Y-Kapazitäten (Cy1, Cy2) bei geschlossener Schalteinrichtung (4) ausgelegte Entladevorrichtung (11), welche pro Y-Kapazität (Cy1, Cy2) eine parallel geschaltete passive Entladeschaltung (12a, 12b) mit jeweils zumindest einer Z-Diode (Z) sowie einem seriell geschalteten Symmetrierwiderstand (Rs) aufweist, wobei die Z-Dioden (Z) bezüglich einer Normalpolarität von bei geschlossener Schalteinrichtung (4) an den Y-Kapazitäten (Cy1, Cy2) abfallenden Spannungen (Uy1, Uy2) in Sperrrichtung gepolt sind und wobei die zumindest eine Z-Diode (Z) einer Entladeschaltung (12b) bei schieflastbedingter Überschreitung eines vorbestimmten Grenzwertes der an der zugehörigen Y-Kapazität (Cy1, Cy2) abfallenden Spannung (Uy1, Uy2) zum partiellen Entladen der Y-Kapazität (Cy1, Cy2) mittels des zugehörigen Symmetrierwiderstands (Rs) in einen Durchbruchbereich überführbar ist. The invention relates to a high-voltage system (1) for a motor vehicle, comprising:
- an electrical high-voltage energy storage device (2) with storage-side HV connections (5a, 5b),
- a high-voltage on-board network (3) comprising on-board HV connections (6a, 6b) and a capacitor arrangement (10) with two Y-capacitances (Cy1, Cy2) which are each connected to one of the on-board HV connections (6a, 6b) and to a ground potential (M) of the high-voltage system (1),
- a switching device (4) connected to the storage-side and on-board network-side HV connections (5a, 5b, 6a, 6b) for connecting the high-voltage energy storage device (2) and the high-voltage on-board network (3), and
- a discharge device (11) designed for voltage balancing of the Y-capacitances (Cy1, Cy2) when the switching device (4) is closed, which has a parallel-connected passive discharge circuit (12a, 12b) for each Y-capacitance (Cy1, Cy2) with at least one Zener diode (Z) and a series-connected balancing resistor (Rs), wherein the Zener diodes (Z) are reverse-biased with respect to the normal polarity of the voltages (Uy1, Uy2) dropping across the Y-capacitances (Cy1, Cy2) when the switching device (4) is closed, and wherein the at least one Zener diode (Z) of a discharge circuit (12b) is activated to partially discharge the Y-capacitance when a predetermined limit value of the voltage (Uy1, Uy2) dropping across the associated Y-capacitance (Cy1, Cy2) is exceeded due to an unbalanced load. (Cy1, Cy2) can be converted into a breakdown region by means of the associated symmetry resistor (Rs).

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltsystem für ein Kraftfahrzeug. Das Hochvoltsystem weist einen elektrischen Hochvoltenergiespeicher mit speicherseitigen HV-Anschlüssen und ein Hochvoltbordnetz mit bordnetzseitigen HV-Anschlüssen auf. Das Hochvoltbordnetz weist eine Kapazitätsanordnung mit zwei Y-Kapazitäten auf, welche mit jeweils einem der bordnetzseitigen HV-Anschlüsse und einem Massepotential des Hochvoltsystems verbundenen sind. Ferner weist das Hochvoltsystem eine Schalteinrichtung auf, welche zum Verschalten des Hochvoltenergiespeichers und des Hochvoltbordnetzes mit den speicherseitigen und den bordnetzseitigen HV-Anschlüssen verbunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltsystem.The invention relates to a high-voltage system for a motor vehicle. The high-voltage system comprises an electrical high-voltage energy storage device with high-voltage connections on the storage device side and a high-voltage electrical system with high-voltage connections on the electrical system side. The high-voltage electrical system has a capacitor arrangement with two Y-capacitors, each of which is connected to one of the electrical system-side high-voltage connections and to a ground potential of the high-voltage system. Furthermore, the high-voltage system has a switching device which is connected to the storage device-side and the electrical system-side high-voltage connections for switching the high-voltage energy storage device and the high-voltage electrical system. The invention also relates to a motor vehicle with a high-voltage system.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf Hochvoltsysteme für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge. Solche Hochvoltsysteme weisen üblicherweise einen Hochvoltenergiespeicher auf, welcher zum Versorgen von Hochvoltkomponenten eines Hochvoltbordnetzes des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer elektrischen Antriebsmaschine, ausgebildet ist. Zum Hochvoltbordnetz kann auch ein Ladeanschluss gehören, über welchen der Hochvoltenergiespeicher zum Laden mit einer fahrzeugexternen Ladestation verbunden werden kann. HV-Potential führende HV-Anschlüsse des Hochvoltenergiespeichers sind üblicherweise über eine Schalteinrichtung, welche beispielsweise Schaltschütze aufweisen kann, mit HV-Anschlüssen des Hochvoltbordnetzes verbunden. Über diese Schalteinrichtung kann das Hochvoltbordnetz abgeschaltet geschaltet werden, indem der Hochvoltenergiespeicher, insbesondere galvanisch, von dem Hochvoltbordnetz getrennt wird.The focus here is on high-voltage systems for electrified motor vehicles, such as electric vehicles, hybrid vehicles, and fuel cell vehicles. These high-voltage systems typically include a high-voltage energy storage device designed to supply high-voltage components of the vehicle's high-voltage electrical system, such as an electric motor. The high-voltage electrical system may also include a charging port, allowing the high-voltage energy storage device to be connected to an external charging station. The high-voltage potential-carrying terminals of the high-voltage energy storage device are usually connected to the high-voltage terminals of the electrical system via a switching device, which may include contactors. This switching device allows the high-voltage electrical system to be switched off by galvanically isolating the high-voltage energy storage device from the electrical system.

Das Hochvoltbordnetz weist außerdem Kapazitäten auf, welche entweder bewusst, beispielsweise in Form von Entstörkondensatoren, oder parasitär, beispielsweise konstruktionsbedingt, in das Hochvoltbordnetz eingebracht sind. Eine X-Kapazität ist dabei im geschlossenen Zustand der Schalteinrichtung mit HV-Anschlüssen, also einem Pluspol und einem Minuspol, des Hochvoltenergiespeichers, verbunden. Y-Kapazitäten sind im geschlossenen Zustand der Schalteinrichtung mit jeweils einem der HV-Anschlüsse sowie einem Massepotential, der sogenannten Fahrzeugmasse, verbunden. Die bordnetzseitigen und speicherseitigen HV-Anschlüsse weisen, abgesehen von streng überwachten parasitären Isolationswiderständen und den Y-Kapazitäten, keine elektrische Verbindung zu dem Massepotential auf. Um eine Gefährdung von Personen bei Berührung von bereits nur einem HV-Potential zu verhindern, können die bewusst eingebrachten Y-Kondensatoren so ausgelegt werden, beispielsweise so weit in ihrer Kapazität verringert werden, dass ein Gesamtenergieinhalt der Y-Kapazitäten einen vorbestimmten Schwellwert nicht überschreitet. Dies wirkt sich im Falle von Entstörkondensatoren jedoch negativ auf ein EMV-Verhalten im Hochvoltbordnetz aus. Außerdem muss bei der Auslegung der Y-Kondensatoren eine an den Y-Kondensatoren anliegende und den Energieinhalt beeinflussende Spannung berücksichtig werden. Die Spannungen an den Y-Kondensatoren können jedoch aufgrund der parasitären Isolationswiderstände, insbesondere aufgrund eines sich alterungsbedingt verändernden Verhältnis der Isolationswiderstände und einer möglicherweise damit verbundenen Schieflast im Hochvoltsystem, asymmetrisch sein, sodass der Gesamtenergieinhalt einer der Y-Kapazitäten, je nach Ausprägung der Schieflast, den vorbestimmten Schwellwert überschreiten kann.The high-voltage electrical system also contains capacitances, which are either intentionally introduced, for example in the form of interference suppression capacitors, or parasitically, for example due to the design. An X-capacitor is connected to the HV terminals (positive and negative terminals) of the high-voltage energy storage device when the switching device is closed. Y-capacitors are connected to one of the HV terminals and to a ground potential, the so-called vehicle ground, when the switching device is closed. Apart from strictly monitored parasitic insulation resistances and the Y-capacitors, the HV terminals on the electrical system and the storage device have no electrical connection to the ground potential. To prevent the risk of injury to persons from contact with even a single HV potential, the intentionally introduced Y-capacitors can be designed, for example, by reducing their capacitance to such an extent that the total energy content of the Y-capacitors does not exceed a predetermined threshold. However, in the case of interference suppression capacitors, this negatively impacts EMC performance in the high-voltage electrical system. Furthermore, the voltage across the Y-capacitors, which affects their energy capacity, must be considered when designing the Y-capacitors. However, the voltages across the Y-capacitors can be asymmetrical due to parasitic insulation resistances, particularly due to an aging-related change in the insulation resistance ratio and a potentially associated unbalanced load in the high-voltage system. Therefore, depending on the severity of the unbalanced load, the total energy capacity of one of the Y-capacitors can exceed the predetermined threshold.

Um diese Schieflast zu kompensieren, schlägt die DE 10 2020 006 919 A1 vor, Informationen über eine solche Schieflast zu ermitteln und hierfür eine die Energiemenge der Y-Kapazitäten charakterisierende Kenngröße zu bestimmen. Die Kenngröße kann beispielsweise eine Spannung, ein Spannungsverhältnis, ein Verhältnis von Isolationswiderständen oder dergleichen sein. Im Falle, dass eine Schieflast erkannt wurde, können Maßnahmen eingeleitet werden. Eine solche Maßnahme kann beispielsweise die Symmetrierung der Spannung an den Y-Kapazitäten, beispielsweise über zuschaltbare Widerstände, sein. Das im Stand der Technik gezeigte Verfahren ist dahingehend aufwändig, dass die Spannungssymmetrierung aktiv erfolgt, indem zunächst die Schieflast ermittelt werden muss, um eine geeignete Maßnahme einleiten zu können.To compensate for this imbalance, the DE 10 2020 006 919 A1 The aim is to determine information about such an unbalanced load and, for this purpose, to define a characteristic parameter that characterizes the energy content of the Y-capacitors. This parameter could be, for example, a voltage, a voltage ratio, a ratio of insulation resistances, or the like. If an unbalanced load is detected, corrective measures can be taken. One such measure could be, for example, balancing the voltage across the Y-capacitors, perhaps using switchable resistors. The prior art method is complex in that the voltage balancing is performed actively, as the unbalanced load must first be determined in order to initiate a suitable corrective measure.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Lösung zur Spannungssymmetrierung von Y-Kapazitäten eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.The object of the present invention is to provide a simple, cost-effective and reliable solution for voltage balancing of Y-capacitances of a high-voltage electrical system of a motor vehicle.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Hochvoltsystem sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst.This problem is solved according to the invention by a high-voltage system and a motor vehicle with the features according to the respective independent patent claims.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent patent claims, the description, and the figures.

Ein erfindungsgemäßes Hochvoltsystem für ein Kraftfahrzeug weist einen elektrischen Hochvoltenergiespeicher zum Bereitstellen einer Bordnetzspannung mit speicherseitigen HV-Anschlüssen und ein Hochvoltbordnetz mit bordnetzseitigen HV-Anschlüssen und einer Kapazitätsanordnung auf. Die Kapazitätsanordnung weist zwei Y-Kapazitäten, welche mit jeweils einem der bordnetzseitigen HV-Anschlüsse und einem Massepotential des Hochvoltsystems verbundenen sind, auf. Ferner weist das Hochvoltsystem eine Schalteinrichtung, welche zum Verschalten des Hochvoltenergiespeichers mit dem Hochvoltbordnetz mit den speicherseitigen und den bordnetzseitigen HV-Anschlüssen verbunden ist, auf.A high-voltage system according to the invention for a motor vehicle comprises an electrical high-voltage energy storage device for providing an on-board voltage with storage-side HV connections and a high-voltage on-board network with on-board-side HV connections and a capacitance arrangement. The capacitor arrangement comprises two Y-capacitors, each connected to one of the vehicle's high-voltage (HV) terminals and to the ground potential of the high-voltage system. Furthermore, the high-voltage system includes a switching device for connecting the high-voltage energy storage device to the vehicle's high-voltage (HV) terminals, both on the storage side and on the vehicle's main electrical system.

Darüber hinaus umfasst das Hochvoltbordnetz eine zur Spannungssymmetrierung der Y-Kapazitäten bei geschlossener Schalteinrichtung ausgelegte Entladevorrichtung, welche pro Y-Kapazität eine parallel geschaltete passive Entladeschaltung aufweist. Die Entladeschaltungen weisen jeweils zumindest eine Z-Diode sowie einen seriell geschalteten Symmetrierwiderstand auf, wobei die Z-Dioden bezüglich einer Normalpolarität von bei geschlossener Schalteinrichtung an den Y-Kapazitäten abfallenden Spannungen in Sperrrichtung gepolt sind. Die zumindest eine Z-Diode einer Entladeschaltung ist durch schlieflastbedingte Überschreitung eines vorbestimmten Grenzwertes der an der zugehörigen Y-Kapazität abfallenden Spannung zum partiellen Entladen der Y-Kapazität mittels des zugehörigen Symmetrierwiderstands in einen Durchbruchbereich überführbar.Furthermore, the high-voltage electrical system includes a discharge device designed for voltage balancing of the Y-capacitors when the switching device is closed. This device features a passive discharge circuit connected in parallel to each Y-capacitor. Each discharge circuit includes at least one Zener diode and a series-connected balancing resistor. The Zener diodes are reverse-biased with respect to the voltage drop across the Y-capacitors when the switching device is closed. The at least one Zener diode of a discharge circuit can be driven into a breakdown region by the associated balancing resistor when the voltage drop across the corresponding Y-capacitor exceeds a predetermined threshold due to a load load.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Hochvoltsystem. Das Hochvoltsystem kann aber auch für andere, nicht kraftfahrzeugspezifische, Anwendungen verwendet werden. Das Kraftfahrzeug ist ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug und weist den Hochvoltenergiespeicher des Hochvoltsystems als Traktionsbatterie auf. Beispielsweise kann der Hochvoltenergiespeicher eine Bordnetzspannung von zumindest 400 V, insbesondere zumindest 800 V, bereitstellen. Der Hochvoltenergiespeicher weist eine Vielzahl von miteinander verschalteten oder bedarfsgerecht verschaltbaren Energiespeicherzellen auf. Die speicherseitigen Hochvoltanschlüsse, kurz HV-Anschlüsse, bzw. Pole des Hochvoltenergiespeichers führen ein Hochvoltpotential und sind mit der Schalteinrichtung verbunden. Die Schalteinrichtung kann speicherintern oder speicherextern, beispielsweise in einer Relaisbox bzw. Schützbox, angeordnet sein. Die Schalteinrichtung kann HV-Relais bzw. Schaltschütze aufweisen, wobei jeweils ein Schaltschütz mit einem speicherseitigen HV-Anschluss elektrisch verbunden ist. Die Schalteinrichtung kann Teil einer sogenannten Umschaltmatrix sein, bei welcher einzelne Speichereinheiten des Hochvoltenergiespeichers bedarfsgerecht seriell oder parallel verschaltet werden können.The invention also relates to a motor vehicle with a high-voltage system according to the invention. However, the high-voltage system can also be used for other, non-motor vehicle-specific applications. The motor vehicle is an electrified vehicle and has the high-voltage energy storage unit of the high-voltage system as a traction battery. For example, the high-voltage energy storage unit can provide an on-board voltage of at least 400 V, and in particular at least 800 V. The high-voltage energy storage unit has a plurality of interconnected or, if required, connectable energy storage cells. The high-voltage terminals (HV terminals) or poles of the high-voltage energy storage unit carry a high-voltage potential and are connected to the switching device. The switching device can be arranged internally or externally within the storage unit, for example, in a relay box or contactor box. The switching device can have HV relays or contactors, with each contactor being electrically connected to an HV terminal on the storage unit. The switching device can be part of a so-called switching matrix, in which individual storage units of the high-voltage energy storage system can be connected in series or parallel as required.

Das Hochvoltbordnetz weist die bordnetzseitigen HV-Anschlüsse auf, welche über die Schalteinrichtung mit den speicherseitigen HV-Anschlüssen verbunden sind. Im geschlossenen Zustand der Schalteinrichtung liegt das an den speicherseitigen HV-Anschlüssen anliegende Hochvoltpotential auch an den bordnetzseitigen HV-Anschlüssen an. Das Hochvoltbordnetz kann eine Vielzahl von Hochvoltkomponenten, beispielsweise eine Traktionsmaschine und andere Hochvoltverbraucher, sowie einen Ladeanschluss zum Verbinden mit einer fahrzeugexternen Ladestation aufweisen. Außerdem weist das Hochvoltbordnetz die Kapazitätsanordnung mit den zwei Y-Kapazitäten auf. Zusätzlich kann die Kapazitätsanordnung auch eine X-Kapazität aufweisen, welche mit den bordnetzseitigen HV-Anschlüssen verbunden ist. Die Kapazitäten können zumindest teilweise Entstörkondensatoren einer Filtereinrichtung des Hochvoltbordnetzes sein. Auch können die Kapazitäten zumindest teilweise parasitäre, konstruktionsbedingte Kapazitäten des Hochvoltbordnetzes sein. Unter der X-Kapazität können dabei alle, parasitären und nicht parasitären Kapazitäten zusammengefasst sein, welche zwischen die bordnetzseitigen HV-Anschlüsse geschaltet sind und somit keine Verbindung zum Massepotential aufweisen. Unter einer ersten Y-Kapazität können dabei alle, parasitären und nicht parasitären Kapazitäten zusammengefasst sein, welche mit einem ersten, beispielsweise plusseitigen, bordnetzseitigen HV-Anschluss und dem Massepotential verbunden sind. Unter einer zweiten Y-Kapazität können alle, parasitären und nicht parasitären Kapazitäten zusammengefasst sein, welche mit einem zweiten, beispielsweise minusseitigen, bordnetzseitigen HV-Anschluss und dem Massepotential verbunden sind.The high-voltage electrical system has the on-board HV connections, which are connected to the battery-side HV connections via the switching device. When the switching device is closed, the high-voltage potential present at the battery-side HV connections is also present at the on-board HV connections. The high-voltage electrical system can include a variety of high-voltage components, such as a traction motor and other high-voltage consumers, as well as a charging port for connecting to an external charging station. Furthermore, the high-voltage electrical system has a capacitor arrangement with two Y-capacitors. Additionally, the capacitor arrangement can also include an X-capacitor, which is connected to the on-board HV connections. These capacitors can be, at least partially, interference suppression capacitors of a filter system within the high-voltage electrical system. They can also be, at least partially, parasitic, design-related capacitances of the high-voltage electrical system. The X-capacitance can encompass all parasitic and non-parasitic capacitances connected between the vehicle's high-voltage (HV) terminals and thus not connected to ground. A first Y-capacitance can encompass all parasitic and non-parasitic capacitances connected to a first, for example, positive, HV terminal on the vehicle's HV side and ground. A second Y-capacitance can encompass all parasitic and non-parasitic capacitances connected to a second, for example, negative, HV terminal on the vehicle's HV side and ground.

Das Hochvoltsystem weist außerdem, speicherseitig und bordnetzseitig, parasitäre Isolationswiderstände auf, welche hochohmige, elektrische Verbindungen zwischen den HV-Anschlüssen und dem Massepotential ausbilden. Diese Isolationswiderstände können dabei ungleichmäßig altern, sodass sich eine Spannung an den Isolationswiderständen asymmetrisch aufteilt und die Isolationswiderstände somit eine Schieflast ausbilden. Da die Isolationswiderstände parallel zu den Y-Kapazitäten geschaltet sind, kann die Schieflast zu unterschiedlichen Energieinhalten und damit zu einer Spannungsasymmetrie an den Y-Kapazitäten führen. Überschreitet der Energieinhalt zumindest einer der Y-Kapazitäten einen vorbestimmten Schwellwert, so kann es zu einer Gefährdung von Personen beim Berühren eines HV-Potentials kommen.The high-voltage system also exhibits parasitic insulation resistances on both the storage and vehicle electrical systems sides, which form high-resistance electrical connections between the HV terminals and ground potential. These insulation resistances can age unevenly, resulting in an asymmetrical voltage distribution across them and thus creating an unbalanced load. Since the insulation resistances are connected in parallel with the Y-capacitors, this unbalanced load can lead to differing energy levels and consequently a voltage asymmetry across the Y-capacitors. If the energy level of at least one of the Y-capacitors exceeds a predetermined threshold, contact with an HV potential can pose a risk to personnel.

Um diese schieflastbedingte Spannungsasymmetrie an den Y-Kapazitäten zu kompensieren, weist das Hochvoltbordnetz die Entladevorrichtung auf. Die Entladevorrichtung ist zur passiven Spannungssymmetrierung ausgebildet und benötigt keine sensorbasierte Erkennung der Schieflast sowie kein bewusstes Ansteuern der Entladeschaltungen. Eine erste Entladeschaltung der Entladevorrichtung ist dabei mit dem ersten bordnetzseitigen HV-Anschluss sowie dem Massepotential verbunden. Eine zweite Entladeschaltung ist mit dem zweiten bordnetzseitigen HV-Anschluss und dem Massepotential verbunden. Die Entladeschaltungen sind somit parallel zu jeweils einer Y-Kapazität geschaltet.To compensate for this unbalanced load-induced voltage asymmetry at the Y-capacitances, the high-voltage electrical system features a discharge device. This discharge device is designed for passive voltage balancing and requires neither sensor-based detection of the unbalanced load nor conscious activation of the discharge circuits. A first discharge circuit of the discharge pre The first discharge circuit is connected to the first high-voltage (HV) terminal on the vehicle's electrical system and to ground. A second discharge circuit is connected to the second high-voltage (HV) terminal on the vehicle's electrical system and to ground. The discharge circuits are thus connected in parallel to a Y-capacitor each.

Die Entladeschaltungen weisen die jeweils eine Serienschaltung aus zumindest einer Z-Diode sowie einem Symmetrierwiderstand auf. Die zumindest eine Z-Diode einer Entladeschaltung ist derart angeordnet, dass sie bei Normalpolarität der Spannung an der zugehörigen Y-Kapazität in Sperrrichtung gepolt ist. Die Normalpolarität der Spannungen an den Y-Kapazitäten entspricht der Polarität der Spannungen an den Y-Kapazitäten im Normalbetrieb des Hochvoltsystems bei geschlossener Schalteinrichtung. Z-Dioden können dauerhaft in Sperrrichtung im Durchbruchbetrieb betrieben werden. Ab einer bestimmten Sperrspannung, der sogenannten Durchbruchspannung, nimmt der Strom durch die Z-Diode schlagartig zu und die Z-Diode geht vom Sperrbetrieb in den Durchbruchbetrieb über. In Flussrichtung befindet sich die Z-Diode im Durchlassbetrieb und arbeitet wie eine herkömmliche Diode. Die Z-Dioden sind vorzugsweise als ZenerDioden oder Avalanche-Dioden ausgebildet. Unter der Durchbruchspannung der zumindest einen Z-Diode ist hier die Durchbruchspannung der zugehörigen Entladeschaltung zu verstehen. Im Falle, dass jede Entladeschaltung nur eine Z-Diode aufweist, entspricht die Durchbruchspannung der Entladeschaltung der Durchbruchspannung der zugehörigen Z-Diode. Im Falle, dass jede Entladeschaltung eine Kaskade aus zumindest zwei Z-Dioden aufweist, entspricht die Durchbruchspannung der Entladeschaltung der Summe der Durchbruchspannungen der zur Kaskade gehörigen Z-Dioden. Durch die Kaskadierung mehrerer Z-Dioden kann die Durchbruchspannung der zugehörigen Entladeschaltung somit erhöht werden.The discharge circuits each feature a series connection consisting of at least one Zener diode and a balancing resistor. The at least one Zener diode in a discharge circuit is arranged such that it is reverse-biased when the voltage across the associated Y-capacitor is normal polarity. The normal polarity of the voltages across the Y-capacitors corresponds to the polarity of the voltages across the Y-capacitors during normal operation of the high-voltage system with the switching device closed. Zener diodes can be operated continuously in reverse bias in breakdown mode. Above a certain reverse voltage, the so-called breakdown voltage, the current through the Zener diode increases abruptly, and the Zener diode transitions from reverse bias to breakdown mode. In forward bias, the Zener diode is in forward bias and operates like a conventional diode. The Zener diodes are preferably designed as Zener diodes or avalanche diodes. The breakdown voltage of the at least one Zener diode is understood here to be the breakdown voltage of the associated discharge circuit. If each discharge circuit contains only one Zener diode, the breakdown voltage of the discharge circuit corresponds to the breakdown voltage of that Zener diode. If each discharge circuit contains a cascade of at least two Zener diodes, the breakdown voltage of the discharge circuit corresponds to the sum of the breakdown voltages of the Zener diodes in the cascade. Therefore, cascading multiple Zener diodes can increase the breakdown voltage of the corresponding discharge circuit.

Im Falle, dass die Spannungen an den Y-Kapazitäten symmetrisch sind oder höchstens eine vorbestimmte Abweichung aufweisen, befinden sich die zugehörigen Z-Dioden im nicht-leitenden Sperrbetrieb. Die Entladeschaltungen sind somit inaktiv. Sobald die Spannung an einer Y-Kapazität schieflastbedingt den vorbestimmten Grenzwert überschreitet, welcher der Durchbruchspannung der parallel geschalteten Entladeschaltung, also der parallel geschalteten Z-Diode oder Kaskade, entspricht, wird die Z-Diode bzw. die Kaskade in den Durchbruchbetrieb überführt. Bei Überschreitung des Grenzwertes einer Y-Kapazität wird die zugehörige Entladeschaltung somit aktiviert. Hierdurch wird ein Entladepfad über den zugehörigen Symmetrierwiderstand bereitgestellt, über welchen der Energieinhalt und damit die Spannung der Y-Kapazität verringert werden. Sobald die Spannung an der Y-Kapazität den Grenzwert wieder unterschreitet, geht die Z-Diode wieder in den Sperrbetrieb über. Die Entladeschaltungen sind wieder inaktiv.If the voltages across the Y-capacitors are symmetrical or exhibit only a predetermined deviation, the associated Zener diodes are in non-conducting reverse bias mode. The discharge circuits are therefore inactive. As soon as the voltage across a Y-capacitor exceeds the predetermined threshold due to an unbalanced load. This threshold corresponds to the breakdown voltage of the parallel-connected discharge circuit (i.e., the parallel Zener diode or cascade), the Zener diode or cascade is switched to breakdown mode. When the threshold of a Y-capacitor is exceeded, the associated discharge circuit is activated. This provides a discharge path via the associated balancing resistor, reducing the energy stored and thus the voltage of the Y-capacitor. As soon as the voltage across the Y-capacitor falls below the threshold again, the Zener diode returns to reverse bias. The discharge circuits are then inactive.

Die Durchbruchspannung der zumindest einen Z-Diode pro Entladeschaltung entspricht insbesondere zumindest der halben Versorgungsspannung. Vorzugsweise ist die Durchbruchspannung höher als die halbe Versorgungsspannung, um eine dauerhafte Belastung und damit Entladung des Hochvoltenergiespeichers durch die Entladeschaltungen zu vermeiden. Beispielsweise beträgt die Durchbruchspannung einer Entladeschaltung bei einer 800 V-Traktionsbatterie 500 V.The breakdown voltage of the at least one Zener diode per discharge circuit corresponds, in particular, to at least half the supply voltage. Preferably, the breakdown voltage is higher than half the supply voltage to avoid continuous load and thus discharge of the high-voltage energy storage device by the discharge circuits. For example, the breakdown voltage of a discharge circuit for an 800 V traction battery is 500 V.

Besonders bevorzugt weist die Entladevorrichtung einen mit den bordnetzseitigen HV-Anschlüssen verbundenen Entladewiderstand zum Entladen der X-Kapazität der Kapazitätsanordnung auf. Die Entladevorrichtung ist dazu ausgelegt, die, aufgrund von parasitären hochohmigen Verbindungen der bordnetzseitigen HV-Anschlüsse und des Massepotentials mit den speicherseitigen HV-Anschlüssen auch bei geöffneter Schalteinrichtung aufgeladenen, Y-Kapazitäten zu entladen. Hierzu ist die zumindest eine Z-Diode einer Entladeschaltung durch einen Polaritätswechsel der Spannung an der zugehörigen Y-Kapazität, verursacht durch das Aufladen der Y-Kapazitäten und durch die entladewiderstandsbedingte Potentialkopplung der bordnetzseitigen HV-Anschlüsse, zum Entladen der Y-Kapazitäten in Flussrichtung polbar. Die parasitäre Verbindung zwischen den bordnetzseitigen und den speicherseitigen HV-Anschlüssen kann beispielsweise durch Ablagerungen in Form von leitfähigen Partikeln an zumindest einem der Schaltschütze der Schalteinrichtung gebildet werden. Es kann aber auch sein, dass das Hochvoltbordnetz eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Schalteinrichtung aufweist, durch welche die Schalteinrichtung auch im geöffneten Zustand hochohmig überbrückt ist. Die Überwachungseinrichtung ist insbesondere zur Erkennung eines sogenannten Schützklebers, also einer unerwünschten, niederohmigen Verbindung zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und dem Hochvoltbordnetz durch Verschweißen der Schaltkontakte der Schalteinrichtung, ausgebildet. Die Überwachungseinrichtung kann beispielsweise parallel zu den Schaltschützen geschaltete Messwiderstände aufweisen. Durch diese Messwiderstände wird eine dauerhafte hochohmige Verbindung zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und dem Hochvoltbordnetz, auch bei geöffneter Schalteinrichtung, bereitgestellt.The discharge device preferably includes a discharge resistor connected to the vehicle electrical system's high-voltage (HV) terminals for discharging the X-capacitance of the capacitor bank. The discharge device is designed to discharge the Y-capacitances, which remain charged even when the switching device is open due to parasitic high-resistance connections between the vehicle electrical system's HV terminals and the ground potential with the battery's HV terminals. For this purpose, at least one Zener diode in a discharge circuit can be polarized in the forward direction by reversing the voltage across the associated Y-capacitance. This reversal is caused by the charging of the Y-capacitances and by the potential coupling of the vehicle electrical system's HV terminals due to the discharge resistor. The parasitic connection between the vehicle electrical system's and battery's HV terminals can be formed, for example, by deposits of conductive particles on at least one of the contactors of the switching device. However, it is also possible that the high-voltage electrical system has a monitoring device for the switching device, which ensures that the switching device is bridged with high resistance even when open. This monitoring device is specifically designed to detect a so-called "contactor weld," i.e., an unwanted, low-resistance connection between the high-voltage energy storage device and the high-voltage electrical system caused by the switching contacts of the switching device welding together. The monitoring device may, for example, include measuring resistors connected in parallel to the contactors. These measuring resistors provide a permanent high-resistance connection between the high-voltage energy storage device and the high-voltage electrical system, even when the switching device is open.

Die passive Entladevorrichtung ist multifunktional ausgebildet und dient zur Spannungssymmetrierung im Normalbetrieb des Hochvoltbordnetzes bei geschlossener Schalteinrichtung sowie zur Entladung der Kapazitätsanordnung im abgeschalteten Betrieb des Hochvoltbordnetzes bei geöffneter Schalteinrichtung. Zum Entladen der X-Kapazität ist der zumindest eine Entladewiderstand vorgesehen, welcher zwischen die bordnetzseitigen HV-Anschlüsse geschaltet ist und somit parallel zu der X-Kapazität geschaltet ist. Dieser zumindest eine Entladewiderstand entlädt die X-Kapazität nach Öffnen der Schalteinrichtung und verringert somit die an der X-Kapazität anliegende Spannung und damit den Energieinhalt der X-Kapazität. Da der zumindest eine Entladewiderstand dauerhaft mit den bordnetzseitigen HV-Anschlüssen verbunden ist und da ein Widerstandswert des Entladewiderstandes deutlich kleiner ist als ein Widerstandswert der Isolationswiderstände und sich beispielsweise im Kiloohmbereich befindet, existiert eine niederohmige Kopplung zwischen den Hochvoltpotentialen.The passive discharge device is multifunctional and serves for voltage balancing during normal operation of the high-voltage on-board network with the switching device closed, as well as for discharge. Charging of the capacitor arrangement during operation of the high-voltage electrical system with the switching device open. To discharge the X-capacitance, at least one discharge resistor is provided, which is connected between the electrical system's high-voltage terminals and thus in parallel with the X-capacitance. This discharge resistor discharges the X-capacitance after the switching device is opened, thereby reducing the voltage across the X-capacitance and consequently its energy content. Since the discharge resistor is permanently connected to the electrical system's high-voltage terminals, and since its resistance is significantly lower than that of the insulation resistances (e.g., in the kiloohm range), a low-impedance coupling exists between the high-voltage potentials.

Diese niederohmige Kopplung führt im Normalbetrieb des Hochvoltsystems bei geschlossener Schalteinrichtung dazu, dass die an den Y-Kapazitäten anliegenden Spannungen, also die zwischen dem jeweiligen HV-Anschluss und dem Massepotential abfallenden Spannungen, von gleicher Polarität sind. Sobald sich jedoch im geöffneten Zustand der Schalteinrichtung die Y-Kapazitäten aufgrund der parasitären, beispielsweise schützbrückenden, hochohmigen Verbindung zwischen den speicherseitigen HV-Anschlüssen und den bordnetzseitigen HV-Anschlüssen sowie aufgrund der parasitären, isolationswiderstandsbedingten hochohmigen Verbindung zwischen den HV-Anschlüssen und dem Massepotential aufladen, kehrt sich aufgrund der entladewiderstandsbedingten Potentialkopplung die Polarität einer der Spannungen an den Y-Kapazitäten um. Diese Polaritätsumkehr der Spannung an einer der Y-Kapazitäten wird durch die Z-Dioden der Entladevorrichtung genutzt. Sobald sich die Y-Kapazitäten aufladen und die Spannung an einer der Y-Kapazitäten die Potentialumkehr aufgrund der entladewiderstandsbedingten Potentialkopplung erfährt, wird die zumindest eine Z-Diode der parallelgeschalteten Entladeschaltung in Flussrichtung gepolt und entlädt die Y-Kapazitäten. Da die Energiemenge quadratisch mit der Spannung steigt, ist das Reduzieren der Spannung zum Reduzieren der Energiemenge der Y-Kapazität deutlich effizienter als das Reduzieren der Kapazitäten der Y-Kondensatoren. Die Z-Dioden reduzieren hierdurch die Spannungen an den Y-Kapazitäten und damit die in den Y-Kapazitäten gespeicherten Energiemengen.This low-impedance coupling, during normal operation of the high-voltage system with the switching device closed, results in the voltages across the Y-capacitors—that is, the voltages dropping between the respective HV terminal and ground potential—having the same polarity. However, as soon as the Y-capacitors charge in the open state due to the parasitic, for example, contactor-bridging, high-impedance connection between the storage-side HV terminals and the vehicle-side HV terminals, as well as due to the parasitic, insulation-resistance-related high-impedance connection between the HV terminals and ground potential, the polarity of one of the voltages across the Y-capacitors reverses due to the potential coupling caused by the discharge resistance. This polarity reversal of the voltage across one of the Y-capacitors is utilized by the Zener diodes of the discharge device. As soon as the Y-capacitors charge and the voltage across one of them undergoes a potential reversal due to the discharge resistor-induced potential coupling, at least one Zener diode in the parallel discharge circuit is forward-biased and discharges the Y-capacitors. Since the amount of energy increases quadratically with the voltage, reducing the voltage to reduce the energy stored in the Y-capacitors is significantly more efficient than reducing the capacitance of the Y-capacitors. The Zener diodes thereby reduce the voltages across the Y-capacitors and thus the amount of energy stored in them.

Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Hochvoltsystem vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.The embodiments and advantages presented with reference to the high-voltage system according to the invention apply accordingly to the motor vehicle according to the invention.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures, and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description, as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown in the figures alone, are not only usable in the combinations specified, but also in other combinations or on their own.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine beispielhafte Darstellung eines Schaltplans eines Hochvoltsystems eines Kraftfahrzeugs in einem Normalbetrieb;
2. das Hochvoltsystem gemäß 1 in einem Abschaltbetrieb des Hochvoltsystems.

The invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment and the drawings. The drawings show:

1 an exemplary representation of a circuit diagram of a high-voltage system of a motor vehicle in normal operation;
2 . the high-voltage system according to 1 in a shutdown mode of the high-voltage system.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical and functionally equivalent elements are provided with the same reference symbols.

1 und 2 zeigen ein Hochvoltsystem 1 für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Das Hochvoltsystem 1 weist einen elektrischen Hochvoltenergiespeicher 2 sowie ein Hochvoltbordnetz 3 auf. Der Hochvoltenergiespeicher 2 und das Hochvoltbordnetz 3 können über eine Schalteinrichtung 4 verschaltet werden. Dazu sind speicherseitige HV-Anschlüsse 5a, 5b sowie bordnetzseitige HV-Anschlüsse 6a, 6b mit Schaltschützen 7a, 7b der Schalteinrichtung 4 verbunden. In 1 sind die Schaltschütze 7a, 7b geschlossen, sodass der Hochvoltenergiespeicher 2 und das Hochvoltbordnetz 3 elektrisch verbunden sind. Im geschlossenen Zustand der Schalteinrichtung 4 befindet sich das Hochvoltsystem 1 im Normalbetrieb. In 2 sind die Schaltschütze 7a, 7b geöffnet, sodass der Hochvoltenergiespeicher 2 und das Hochvoltbordnetz 3 getrennt sind. Im geöffneten Zustand der Schalteinrichtung befindet sich das Hochvoltsystem 1 im Abschaltbetrieb. Sowohl der Hochvoltenergiespeicher 2 als auch das Hochvoltbordnetz 3 weisen parasitäre Isolationswiderstände 8a, 8b, 9a, 9b auf, welche mit den HV-Anschlüssen 5a, 5b, 6a, 6b sowie einem Massepotential M des Kraftfahrzeugs verbunden sind. Die speicherseitigen Isolationswiderstände 8a, 8b sind mit den jeweiligen speicherseitigen HV-Anschlüssen 5a, 5b und dem Massepotential M verbunden und die bordnetzseitigen Isolationswiderstände 9a, 9b sind mit den jeweiligen bordnetzseitigen HV-Anschlüssen 6a, 6b und dem Massepotential M verbunden. 1 and 2 Figure 1 shows a high-voltage system 1 for an electrically powered vehicle. The high-voltage system 1 comprises a high-voltage electrical energy storage device 2 and a high-voltage electrical system 3. The high-voltage energy storage device 2 and the high-voltage electrical system 3 can be connected via a switching device 4. For this purpose, the high-voltage connections 5a, 5b on the storage device side and the high-voltage connections 6a, 6b on the electrical system side are connected to contactors 7a, 7b of the switching device 4. 1 The contactors 7a and 7b are closed, so that the high-voltage energy storage device 2 and the high-voltage electrical system 3 are electrically connected. When the switching device 4 is closed, the high-voltage system 1 is in normal operation. 2 The contactors 7a and 7b are open, thus disconnecting the high-voltage energy storage system 2 and the high-voltage electrical system 3. With the contactors open, the high-voltage system 1 is in shutdown mode. Both the high-voltage energy storage system 2 and the high-voltage electrical system 3 have parasitic insulation resistances 8a, 8b, 9a, and 9b, which are connected to the HV terminals 5a, 5b, 6a, and 6b, as well as to the vehicle's ground potential M. The storage-side insulation resistances 8a and 8b are connected to the respective storage-side HV terminals 5a and 5b and ground potential M, and the electrical system-side insulation resistances 9a and 9b are connected to the respective electrical system-side HV terminals 6a and 6b and ground potential M.

Das Hochvoltbordnetz 3 weist außerdem eine Kapazitätsanordnung 10 auf, welche eine X-Kapazität Cx und zwei Y-Kapazitäten Cy1, Cy2 aufweist. Die Kapazitäten Cx, Cy1, Cy2 können beispielsweise durch bewusst eingebrachte Kondensatoren und/oder parasitäre Kapazitäten ausgebildet sein. Die X-Kapazität Cx ist mit den bordnetzseitigen HV-Anschlüssen 6a, 6b verbunden. Die erste Y-Kapazität Cy1 ist mit dem ersten bordnetzseitigen, positiven HV-Anschluss 6a sowie mit dem Massepotential M verbunden. Die zweite Y-Kapazität Cy2 ist mit dem zweiten bordnetzseitigen, negativen HV-Anschluss 6b sowie mit dem Massepotential M verbunden. Somit weisen die HV-Anschlüsse 5a, 5b, 6a, 6b über die Isolationswiderstände 8a, 8b, 9a, 9b und die Y-Kapazitäten Cy1, Cy2 eine elektrische Verbindung zum Massepotential M auf.The high-voltage electrical system 3 also has a capacitor arrangement 10, which comprises an X-capacitance Cx and two Y-capacitances Cy1, Cy2. The capacitances Cx, Cy1, Cy2 can be used in This can be achieved, for example, through deliberately introduced capacitors and/or parasitic capacitances. The X-capacitance Cx is connected to the vehicle electrical system's high-voltage (HV) terminals 6a and 6b. The first Y-capacitance Cy1 is connected to the first positive HV terminal 6a on the vehicle electrical system and to ground potential M. The second Y-capacitance Cy2 is connected to the second negative HV terminal 6b on the vehicle electrical system and to ground potential M. Thus, the HV terminals 5a, 5b, 6a, and 6b have an electrical connection to ground potential M via the insulation resistances 8a, 8b, 9a, and 9b, and the Y-capacitances Cy1 and Cy2.

Zum passiven Beeinflussen einer Energiemenge der Kapazitäten Cx, Cy1, Cy2 bei geöffneter und geschlossener Schalteinrichtung 4 weist das Hochvoltsystem 1 eine Entladevorrichtung 11 auf. Die Entladevorrichtung 11 umfasst einen Entladewiderstand Re, welcher parallel zu der X-Kapazität Cx geschaltet ist. Dieser Entladewiderstand Re koppelt außerdem die Potentiale der bordnetzseitigen HV-Anschlüsse 6a, 6b niederohmig. Zum Entladen der Y-Kapazitäten Cy1, Cy2 weist die Entladevorrichtung 11 zwei passive Entladeschaltungen 12a, 12b auf, wobei eine erste Entladeschaltung 12a parallel zu der ersten Y-Kapazität Cy1 geschaltet ist und somit mit dem ersten bordnetzseitigen HV-Anschluss 6a und dem Massepotential M verbunden ist. Eine zweite Entladeschaltung 12b ist parallel zu der zweiten Y-Kapazität Cy2 geschaltet und mit dem zweiten bordnetzseitigen Anschluss 6b und dem Massepotential M verbunden. Außerdem sind in 1 die an den Kapazitäten Cx, Cy1, Cy2 anliegenden Spannungen Ux, Uy1, Uy2 im geschlossenen Zustand der Schalteinrichtung 4 gezeigt. Durch die über den Entladewiderstand Re bereitgestellte Kopplung der bordnetzseitigen HV-Anschlüsse 6a, 6b weisen die an den Y-Kapazitäten Cy1, Cy2 anliegenden Spannungen Uy1, Uy2 die gleiche Polarität auf.To passively influence the energy level of the capacitors Cx, Cy1, Cy2 when the switching device 4 is open and closed, the high-voltage system 1 has a discharge device 11. The discharge device 11 includes a discharge resistor Re, which is connected in parallel to the X capacitor Cx. This discharge resistor Re also couples the potentials of the vehicle's HV terminals 6a, 6b with a low resistance. To discharge the Y capacitors Cy1, Cy2, the discharge device 11 has two passive discharge circuits 12a, 12b, wherein a first discharge circuit 12a is connected in parallel to the first Y capacitor Cy1 and is thus connected to the first vehicle's HV terminal 6a and the ground potential M. A second discharge circuit 12b is connected in parallel to the second Y capacitor Cy2 and is connected to the second vehicle's HV terminal 6b and the ground potential M. Furthermore, in 1 The voltages Ux, Uy1, Uy2 applied to the capacitors Cx, Cy1, Cy2 in the closed state of the switching device 4 are shown. Due to the coupling of the on-board HV connections 6a, 6b provided via the discharge resistor Re, the voltages Uy1, Uy2 applied to the Y capacitors Cy1, Cy2 have the same polarity.

Aufgrund unterschiedlicher Isolationswiderstände 8a, 8b, 9a, 9b kann eine Schieflast im Hochvoltbordnetz 3 entstehen, durch welche die Ladungen und damit die Energieinhalte der Y-Kapazitäten Cy1, Cy2 im geschlossenen Zustand der Schalteinrichtung 4 unterschiedlich sein können. Hierdurch sind die Spannungen Uy1, Uy2 zwar von gleicher Polarität, jedoch asymmetrisch. Wenn durch diese Asymmetrie eine der Spannungen Uy1, Uy2 einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, so kann es zu einer berührgefährlichen Spannung an einem der HV-Potentiale kommen. Um dies zu verhindern, werden die Spannungen Uy1, Uy2 mittels der Entladevorrichtung 11 symmetriert. Hierzu weisen die Entladeschaltungen 12a, 12b hier jeweils eine Z-Diode Z auf, welche bezüglich der Normalpolarität der Spannungen Uy1, Uy2 in Sperrrichtung gepolt sind und deren Durchbruchspannungen so gewählt sind, dass sie dem vorbestimmten Grenzwert der Spannungen Uy1, Uy2 entsprechen. Seriell zu der Z-Diode Z einer Entladeschaltung 12a, 12b ist jeweils ein Symmetrierwiderstand Rs geschaltet. Im Normalbetrieb des Hochvoltsystems 1 bei geschlossener Schalteinrichtung 4 sind die Entladeschaltungen 12a, 12b so lange inaktiv, bis eine der Spannungen Uy1, Uy2 den Grenzwert überschreitet. Dann geht die zugehörige Z-Diode Z in den Durchbruchbetrieb über, sodass über den zugehörigen Symmetrierwiderstand Rs Energie aus der Y-Kapazität Cy1, Cy2 abgebaut wird.Due to differing insulation resistances 8a, 8b, 9a, 9b, an unbalanced load can occur in the high-voltage electrical system 3, which can cause the charges and thus the energy contents of the Y-capacitances Cy1, Cy2 to differ when the switching device 4 is closed. As a result, the voltages Uy1, Uy2 are of the same polarity, but asymmetrical. If, due to this asymmetry, one of the voltages Uy1, Uy2 exceeds a predetermined limit, a dangerously high voltage can occur at one of the HV potentials. To prevent this, the voltages Uy1, Uy2 are balanced by the discharge device 11. For this purpose, discharge circuits 12a and 12b each feature a Zener diode Z, which is reverse-biased with respect to the normal polarity of the voltages Uy1 and Uy2, and whose breakdown voltages are selected to correspond to the predetermined limit value of the voltages Uy1 and Uy2. A balancing resistor Rs is connected in series with the Zener diode Z in each discharge circuit 12a and 12b. During normal operation of the high-voltage system 1 with the switching device 4 closed, the discharge circuits 12a and 12b remain inactive until one of the voltages Uy1 or Uy2 exceeds the limit value. At that point, the corresponding Zener diode Z switches to breakdown mode, so that energy is dissipated from the Y-capacitance Cy1 or Cy2 via the associated balancing resistor Rs.

Wenn die Schalteinrichtung 4, wie in 2 gezeigt, geöffnet ist, so kann dennoch eine hochohmige Verbindung 13 zwischen den HV-Anschlüssen 5a, 5b, 6a, 6b, hier über die Schaltschütze 7a, 7b der Schalteinrichtung 4 existieren. Diese kann beispielsweise aufgrund alterungsbedingter Partikelablagerungen an den Schaltschützen 7a, 7b, welche eine Luft- und Kriechstrecke zwischen Schaltkontakten der Schaltschütze 7a, 7b verkürzen, entstehen. Auch kann diese hochohmige Verbindung 13 durch einer hier nicht gezeigten Überwachungseinrichtung bereitgestellt werden, welche Schaltvorgänge der Schaltschütze 7a, 7b überwacht und beispielsweise zur Erkennung einer unerwünschten Kontaktverschweißung der Schaltkontakte der Schaltschütze 7a, 7b ausgebildet ist. Zudem existieren hochohmige Verbindungen 14 zwischen den HV-Anschlüssen 5a, 5b, 6a, 6b und dem Massepotential M aufgrund der Isolationswiderstände 8a, 8b, 9a, 9b. Diese hochohmigen Verbindungen 13, 14 können zu einer Aufladung der Y-Kapazitäten Cy1, Cy2 auch im geöffneten Zustand der Schalteinrichtung 4 führen.If the switching device 4, as in 2 Even if the circuit is shown open, a high-resistance connection 13 can still exist between the HV terminals 5a, 5b, 6a, 6b, here via the contactors 7a, 7b of the switching device 4. This can arise, for example, due to age-related particle deposits on the contactors 7a, 7b, which shorten the air and creepage distance between the switching contacts of the contactors 7a, 7b. This high-resistance connection 13 can also be provided by a monitoring device (not shown here) that monitors the switching operations of the contactors 7a, 7b and is designed, for example, to detect unwanted contact welding of the switching contacts of the contactors 7a, 7b. Furthermore, high-resistance connections 14 exist between the HV terminals 5a, 5b, 6a, 6b and the ground potential M due to the insulation resistances 8a, 8b, 9a, 9b. These high-resistance connections 13, 14 can lead to a charging of the Y-capacitances Cy1, Cy2 even when the switching device 4 is open.

Die durch den Entladewiderstand Re bereitgestellte Kopplung der HV-Anschlüsse 5a, 5b sorgt bei der Aufladung der Y-Kapazitäten dafür, dass eine der Spannungen Uy1, Uy2, hier die Spannung Uy2, eine Potentialumkehr -Uy2 erfährt. Welche der Spannungen Uy1, Uy2 eine Potentialumkehr erfährt, hängt dabei vom Verhältnis der Isolationswiderstände 8a, 8b, 9a, 9b sowie einem Widerstand der hochohmigen Verbindung 13 ab. Diese Potentialumkehr sorgt dafür, dass die Z-Diode Z einer der Entladeschaltungen 12a, 12b, hier die Z-Diode Z der zu der zweiten Y-Kapazität Cy2 parallel geschalteten Entladeschaltung 12b, in Flussrichtung gepolt wird und damit die Spannungen Uy1, Uy2 an den Y-Kapazitäten Cy1, Cy2 abbaut. Die Y-Kapazitäten Cy1, Cy2 werden also durch diejenige Seite entladen, welche die Potentialumkehr erfährt.The coupling of the HV terminals 5a, 5b provided by the discharge resistor Re ensures that, during the charging of the Y-capacitors, one of the voltages Uy1, Uy2, in this case voltage Uy2, undergoes a potential reversal -Uy2. Which of the voltages Uy1, Uy2 undergoes a potential reversal depends on the ratio of the insulation resistances 8a, 8b, 9a, 9b and a resistance of the high-impedance connection 13. This potential reversal causes the Zener diode Z of one of the discharge circuits 12a, 12b, in this case the Zener diode Z of the discharge circuit 12b connected in parallel to the second Y-capacitor Cy2, to be forward-biased, thus reducing the voltages Uy1, Uy2 across the Y-capacitors Cy1, Cy2. The Y-capacities Cy1, Cy2 are therefore discharged through the side that undergoes the potential reversal.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10 2020 006 919 A1 [0004]

Claims

High-voltage system (1) for a motor vehicle, comprising: - an electrical high-voltage energy storage device (2) for providing an on-board voltage, with storage-side HV connections (5a, 5b), - a high-voltage on-board network (3) comprising on-board HV connections (6a, 6b) and a capacitor arrangement (10) with two Y-capacitors (Cy1, Cy2), each connected to one of the on-board HV connections (6a, 6b) and to a ground potential (M) of the high-voltage system (1), - a switching device (4) connected to the storage-side and on-board HV connections (5a, 5b, 6a, 6b) for connecting the high-voltage energy storage device (2) and the high-voltage on-board network (3), and - a voltage balancing device for the Y-capacitors (Cy1, Cy2) when the switching device (4) is closed A discharge device (11) is designed, which has a parallel-connected passive discharge circuit (12a, 12b) for each Y-capacitance (Cy1, Cy2), wherein the discharge circuits (12a, 12b) each have a series connection of at least one Zener diode (Z) and a balancing resistor (Rs), wherein the Zener diodes (Z) are reverse-biased with respect to the normal polarity of the voltages (Uy1, Uy2) dropping across the Y-capacitances (Cy1, Cy2) when the switching device (4) is closed, and wherein the at least one Zener diode (Z) of a discharge circuit (12b) is activated for partial discharge of the Y-capacitance (Cy1, Cy2) by means of the associated resistor when the voltage (Uy1, Uy2) dropping across the associated Y-capacitance (Cy1, Cy2) is exceeded due to an unbalanced load. The symmetry resistance (Rs) can be converted into a breakdown region.

High-voltage system (1) according to Claim 1 , characterized in that a breakdown voltage of the respective Zener diodes (Z) corresponds to at least half the vehicle electrical system voltage.

High-voltage system (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that each discharge circuit (12a, 12b) has a cascade of at least two Zener diodes (Z).

High-voltage system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the capacitors (Cy1, Cy2) are at least partially formed by interference suppression capacitors of a filter device of the high-voltage on-board network (3).

High-voltage system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the capacitances (Cy1, Cy2) are at least partially formed by parasitic capacitances of the high-voltage on-board network (3).

High-voltage system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the discharge device (11) has a discharge resistor (Re) connected to the on-board HV terminals (6a, 6b) for discharging an X-capacitance (Cx) of the capacitance arrangement (10) and is designed to discharge the Y-capacitances (Cy1, Cy2) charged due to parasitic high-resistance connections (13, 14) of the on-board HV terminals (6a, 6b) and the ground potential (M) with the storage-side HV terminals (5a, 5b) even when the switching device (4) is open, by discharging the at least one Zener diode (Z) of a discharge circuit (12b) by means of a polarity reversal of the voltage (Uy2) at the associated Y-capacitance (Cy2), caused by the charging of the Y-capacitances (Cy1, Cy2) and through the discharge resistance-induced potential coupling of the on-board network HV connections (6a, 6b), to discharge the Y-capacitances (Cy1, Cy2) in the flow direction is polarizable.

High-voltage system (1) according to Claim 6 , characterized in that the high-voltage system (1) has a monitoring device for monitoring the switching device (4), by which the switching device (4) is also bridged with high resistance in the open state.

Motor vehicle with a high-voltage electrical system (1) according to one of the preceding claims.