CN102666180B - 用于使高压电网中的储能器放电的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于使高压电网（1）、尤其是汽车中的直流电压中间电路中的储能器（C）、尤其是中间电路电容器放电的方法和设备，其中与储能器（C）并联连接第一放电电阻（R1），并且当储能器（C）上的电压低于预定阈值时第二放电电阻（R2）自动与第一放电电阻（R1）并联连接。

Description

用于使高压电网中的储能器放电的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于使高压电网、尤其是汽车中的直流电压中间电路中的储能器、尤其是中间电路电容器放电的方法和设备。

背景技术

在具有电气驱动或燃料电池驱动的混合机动车或汽车中通常采用可能达到几百伏特的电压。大于60伏特的电压在此称为“高压”。由于人员安全的原因，汽车中的高压车载电网必须能被断开并且能在预定的时间间隔内放电。为此目的，已知的高压车载电网包括有源和/或无源的放电设备。在具有电气驱动或燃料电池驱动（通常也称为直流电压中间电路）的混合机动车或汽车中的高压电网在最简单的情况下包括电池形式的能源、具有直流电压中间电路电容器的电压逆变器、一个或多个电机以及其它高压耗电器，所述电压逆变器用作对耗电器的运行电压进行稳定的缓冲电容器。在例如可能通过在维护工作的范围中除去相应的插塞连接或者也通过事故引起的高压电网与能源的分离之后，连接到高压电网或直流电压中间电路的所有储能器必须被放电。在此，例如中间电路电容器的电容或例如由旋转的发动机构成的电容可以用作储能器。在此，常见的无源放电设备，也就是即使在所有供电导线和控制导线都被除去的情况下也保证功能的放电设备，在最简单的情况下设置与中间电路电容器永久并联连接的欧姆放电电阻。

由DE102004057693A1已知一种用于使电容器、尤其是中间电路电容器快速放电的设备，其中该电容器经由反相换流器与电机连接并且经由直流电压转换器与另一电荷存储器、尤其是电池连接。在此，该直流电压转换器包括在相应控制该直流电压转换器时引起电容器的快速放电的装置。尤其是在电池侧为了接收待减少的电功率借助开关为该直流电压转换器接入电阻。

由DE102007047713A1已知一种用于使可经由至少一个电阻与能源连接的高压电网、尤其是直流电压中间电路放电的方法，其中所述至少一个电阻作为共同的电阻既用于直流电压中间电路的中间电路电容的充电或预充电过程又用于其放电过程。

另一种由DE102008010978A1已知的用于使电网或电器件放电的设备包括可通断的电阻，该设备设置，所述可通断的电阻包括热耦合的PTC电阻和开关，并且该开关的控制端与电网电压连接。

发明内容

本发明实现了一种用于使高压电网、尤其是汽车中的直流电压中间电路中的储能器、尤其是中间电路电容器放电的方法，其中与储能器并联连接第一放电电阻，并且当储能器上的电压低于预定阈值时，第二放电电阻自动与第一放电电阻并联连接。

本发明还实现了一种用于使高压电网、尤其是汽车中的直流电压中间电路中的储能器、尤其是中间电路电容器放电的设备，具有与储能器并联连接并且包括第一放电电阻的第一放电支路，以及包括与第一放电支路并联连接并且包括由开关装置和第二放电电阻构成的串联电路的第二放电支路。在此，开关装置的控制端连接到储能器，使得当储能器上的电压低于预定阈值时该开关装置自动闭合。

与高压电压电网的储能器永久并联连接的放电电阻在正常运行期间也消耗以热的形式输出到环境的功率。为了在放电电阻上避免可能损坏该放电电阻的温度，需要为该放电电阻设置大的结构形式和/或通过多个器件来实现放电电阻，以便使损耗功率分布到更大的面积上。设置与高压电网的储能器永久并联连接的第一放电电阻以及可接入的第二放电电阻，允许在高压电网正常运行期间也消耗功率的第一放电电阻的尺寸被确定为，使得损耗功率以及由此所辐射出的热在正常运行期间被显著降低。尽管如此，借助以合适的方式确定尺寸并且在合适的时间接入的第二放电电阻，仍然可以在预定的时间间隔内实现使高压电网中存储的能量的放电。

根据本发明方法的一种实施方式，所述阈值被规定为小于高压电网的最小运行电压。通过这种方式可以确保第二放电电阻仅在储能器上的电压低于最小运行电压时才接入。由此通过第二放电电阻的电流在时间上受到强烈的限制并且在汽车的正常运行期间仅在汽车停止和启动时才出现。由于该时间上受到限制的负荷，损耗功率以及由此第二放电电阻上的热形成被显著降低，这例如允许使用具有更小的结构形式的电阻和/或放弃用于减少热的费事的措施。

根据本发明设备的一种实施方式，第一放电电阻通过由至少两个电阻构成的串联电路形成。由此第一放电支路包括由至少两个电阻构成的串联电路，其中开关装置的控制端与第一放电支路的电阻之间的中间引出点电连接。于是，第一放电支路的两个电阻用作分压器，可以经由该分压器调节开关装置在第二放电支路中的开关电压。在此，第一放电支路的两个电阻有利地被确定尺寸为，使得只要储能器上的电压下降到高压电网的最小运行电压以下，开关装置就闭合。通过这种方式以很小的电路技术耗费实现了开关装置在储能器上的电压低于预定阈值时自动闭合。

根据本发明设备的另一种实施方式，所述开关装置包括至少一个场效应晶体管，尤其是该开关装置构成为自导通的场效应晶体管。使用自导通场效应晶体管作为开关装置使得可以用特别简单的电路技术实现本发明的设备。

本发明设备的另一种有利实施方式设置，第一放电支路的总电阻具有比第二放电电阻更高的电阻值。第一放电支路的高电阻值确保在高压电网的正常运行中在第一放电电阻上累积的损耗功率以及由此还有电阻上的元件温度都显著降低。如果储能器上的电压下降到低于预定的阈值，则可以并联地接入第二放电电阻，该第二放电电阻具有明显更小的电阻值并由此显著加快使储能器的进一步放电。由于第二放电电阻的仅短时的接入，在该放电电阻上也不会得出过量的、可能导致该放电电阻的损坏并由此需要特别大的结构形式或者需要多个器件来构成的元件温度。

除了无源的放电设备之外，通常还要求附加的有源放电设备。根据本发明设备的另一种实施方式，开关装置的控制端附加地与控制单元连接。通过这种方式，作为无源放电设备的一部分而设置的第二放电支路也可以用于使高压电网的储能器进行有源放电。为此通过所述控制单元简单地向开关装置的控制端施加相应的控制信号。通过使用第二放电支路，不需要其它用于实现有源放电设备的器件。

要说明的是，电阻和放电电阻的概念不仅理解为欧姆电阻，而且还理解为其它具有欧姆分量并且由此适于支持储能器的放电的电器件。

本发明实施方式的其它特征和优点由下面参照附图的描述来给出。

附图说明

图1示出本发明的用于使高压电网的储能器放电的设备的示意图，以及

图2示出本发明的用于使高压电网的储能器放电的设备的具体实施方式的示意图。

具体实施方式

在附图中相同或功能相同的部件分别用相同的附图标记表示。

图1示出用于混合机动车、电动车或燃料电池机动车的高压车载电网的放电电路的简化图。通常也称为直流电压中间电路的高压车载电网1具有中间电路电容器C形式的储能器，该储能器通常作为缓冲电容器用于使连接到高压车载电网1的耗电器的运行电压稳定。在特定的状况下，例如在汽车事故之后或在汽车维护之前，可能导致该高压电网与高压能源的分离，该高压能源在图1中示意性的作为能源U示出。在汽车中的双电压车载电网的情况下，通过能源U提供的中间电路电压例如与通过直流电压转换器准备的、基本上恒定的高伏特电压相应。高压电网与高压能源的分离在图1中通过两个斜线4表示。出于人员安全的原因，在高压电网与高压能源分离的情况下存储在中间电路电容器C中的电荷快速下降。为此目的，设置两个与中间电路电容器C并联连接的放电支路2和3。第一放电支路2在此包括第一放电电阻R1。第二放电支路3包括由开关装置S以及第二放电电阻R2构成的串联电路。

在中间电路电容器C的放电过程开始时，开关装置S首先断开，从而中间电路仅经由第一放电电阻R1放电。如果中间电路电容器C上的电压下降到预定的阈值以下，则开关装置S闭合并且由此第二放电电阻与第一放电电阻R1和中间电路电容器C并联连接。由于该电路装置应当实现中间电路的无源放电，也就是在去掉所有供电导线和控制导线情况下的放电，因此应当确保开关装置S在电容C上的电压低于预定的电压阈值时自动闭合。

这可以例如通过以下方式实现，即第一放电电阻R1通过两个电阻R1a和R1b的串联电路实现（参见图2）。于是两个电阻R1a和R1b形成分压器，借助该分压器可以调节开关装置S的开关电压。

图2示出具有自导通场效应晶体管形式的开关装置S的这种布置。开关装置S的控制端在此与第一放电支路1的电阻R1a和R1b之间的中间引出点M电连接。借助自导通的场效应晶体管，开关装置S在阈值被达到时的自动闭合可以特别简单地实现。但是，当然也可以借助其它开关元件、尤其是其它场效应晶体管来实现开关装置S。从而例如还可以考虑两个自截止场效应晶体管的合适连接。如果电容C上的电压下降，则电阻R1a上的电压降也下降。只要电阻R1a上的电压降下降到低于自导通场效应晶体管S的开关阈值，该场效应晶体管就导通。这又导致第二放电电阻R2与第一放电电阻R1并联连接，也就是在所示出的实施例中与电阻R1a和R1b的串联电路并联连接。通过适当地确定放电电阻R1a、R1b的尺寸，可以实现的是，只要中间电路电容器C上的电压低于预定的阈值，第二放电电阻R2就自动与第一放电电阻R1并联连接。有利地，放电电阻R1a，R1b和R2在此被确定尺寸为，使得该阈值低于高压电网的最小运行电压。通过这种方式确保在正常运行时只有第一放电电阻R1与中间电路电容器C并联连接。在此，第一放电电阻R1被选择为大到使得放电电阻R1上的损耗功率不会引起过量的热形成，从而不需要对放电电阻的结构形式提出特殊的要求或者不需要用于阻止热形成的附加措施。相反，可并联通断的放电电阻R2具有明显更小的电阻，这在并联连接进行之后导致放电过程的明显加快。

即使在正常运行中，在汽车启动或停止的范围内也会导致高压电网的供电电压以及由此还有中间电路电容器上的电压下降到低于发电设备的预定阈值的运行状况。从而例如在汽车启动时，也就是在供电电压首次建立的情况下，开关装置S首先闭合并且由此第二放电电阻R2被电流流过。只要电阻R1a上的电压降超过开关装置S的开关阈值，开关装置S就断开，从而在额定运行时只有第一放电支路2中的第一放电电阻R1被施加负荷。由此在该启动过程期间，放电电路形成比其在额定运行时所表示的更大的耗电器。但是，该放电电路总共消耗比典型地连接到高压电网的其它耗电器小数个数量级的功率。由此对于未示出的中央控制电路，该效应在汽车启动时可忽略不计。

在汽车关断时，来自中央控制电子设备的供电电压下降。如果低于开关装置S的开关阈值，则接入的第二放电电阻R2支持在中间电路电容器放电时的集中供能。由于汽车的启动和停止是时间有限的过程，因此第二放电电阻的负荷是有限的。但是尽管如此，该负荷在对第二放电电阻R2进行敷设和确定尺寸时必须被加以考虑。除了所示出的本发明设备用于高压电网的储能器（例如电容）的无源放电之外，还可以使用用于有源放电的电路。为此开关装置S的控制端可以附加地与未示出的控制单元连接，该控制单元可以有源地控制开关装置S，使得第二放电电阻R2可以有源地接入或断开。

在所示出的实施例中，高压电网分别包含电容C形式的仅一个储能器。但是要说明的是，高压电网也可以包括多个储能器，它们在高压电网与高压能源分离的情况下必须全部被放电。这可以通过以下方式实现，即对于每个储能器设置单独的本发明的放电电路。替换于此的，也可以设置用于使高压电网中存在的多个或全部储能器放电的上级放电电路。

Claims (13)

1.用于使汽车中的高压电网（1）中的储能器（C）放电的方法，其中与储能器（C）并联连接第一放电电阻（R1），并且当储能器（C）上的电压在汽车停止和启动期间低于预定阈值时第二放电电阻（R2）自动与第一放电电阻（R1）并联连接。

2.根据权利要求1的方法，其中与第二放电电阻（R2）串联地设置开关装置（S），并且该开关装置（S）的控制端连接到所述储能器（C），使得当储能器（C）上的电压低于预定阈值时所述开关装置（S）自动闭合。

3.根据权利要求1或2之一的方法，其中所述阈值被固定为小于所述高压电网（1）的最小运行电压。

4.根据权利要求1或2的方法，其中，所述方法用于使汽车中的直流电压中间电路中的储能器（C）放电。

5.根据权利要求1或2的方法，其中，所述储能器（C）是中间电路电容器。

6.用于使汽车中的高压电网（1）中的储能器（C）放电的设备，具有

-与储能器（C）并联连接并包括第一放电电阻（R1）的第一放电支路（2），以及

-与第一放电支路（2）并联连接并且包括由开关装置（S）和第二放电电阻（R2）构成的串联电路的第二放电支路（3），

其中所述开关装置（S）的控制端连接到储能器（C），使得当所述储能器（C）上的电压在汽车停止和启动期间低于预定阈值时该开关装置（S）自动闭合。

7.根据权利要求6的设备，其中所述第一放电支路（2）包括由至少两个电阻（R1a，R1b）构成的串联电路，并且所述开关装置（S）的控制端与所述第一放电支路（2）的电阻（R1a，R1b）之间的中间引出点（M）电连接。

8.根据权利要求6或7的设备，其中所述开关装置（S）包括至少一个场效应晶体管。

9.根据权利要求8的设备，其中所述开关装置（S）构成为自导通的场效应晶体管。

10.根据权利要求6或7的设备，其中所述第一放电电阻（R1）具有比第二放电电阻（R2）更高的电阻值。

11.根据权利要求6或7的设备，其中所述开关装置（S）的控制端附加地与控制单元连接。

12.根据权利要求6或7的设备，其中，所述设备用于使汽车中的直流电压中间电路中的储能器（C）放电。

13.根据权利要求6或7的设备，其中，所述储能器（C）是中间电路电容器。