CN102754346A - 用于隔离开关的开关去负荷 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在电车辆领域中使用的用于隔离开关（4）的开关去负荷，其中所述隔离开关（4）必须电气地分离蓄电池与中间电路。为此使用至少一个半导体开关（11）。为了分离电连接，将待切断的电流传导通过所述半导体开关（11）。在这之前或之后在电压形成减小的情况下断开所述隔离开关（4）。

Description

用于隔离开关的开关去负荷

技术领域

本发明涉及一种用于隔离开关的开关去负荷的装置，该隔离开关用于电气地分离电连接，以及一种用于开关去负荷的相关的方法。

背景技术

用于电运行的车辆的行驶机构为了运行一个或多个电动机通常具有蓄电池和变流器。蓄电池提供电功率并且变流器将蓄电池的直流电压转换为合适的交流电压或三相电流。出于安全性的原因，强制规定从变流器的中间电路电气地分离蓄电池的可能性。该分离必须在任何时间都能够进行。

因此在电运行的车辆中采用蓄电池隔离开关（蓄电池保护），该蓄电池隔离开关可以切断最大的蓄电池电流。出现的可能的电流在此相对高，因为在由蓄电池提供的直流电流中没有出现过零点。由此蓄电池隔离开关相对笨重易于故障并且昂贵。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，避免并缓解上面提到的缺陷。特别是应当实现如下的可能性：以较小的结构形式构造蓄电池隔离开关。

上述技术问题通过具有权利要求1的特征的用于隔离开关的开关去负荷的装置来解决。从属权利要求涉及本发明优选的实施方式。

按照本发明用于隔离开关的开关去负荷的装置具有至少一个半导体开关，该隔离开关用于电气地分离电连接。其还被构造为，为了分离电连接使待切断的电流流过半导体开关，从而通过隔离开关在其断开的情况下产生减小的电压形成。

在此存在不同的构造可能性或措施，其中待切断的电流在断开隔离开关之前或之后流过半导体开关。合适地，半导体开关与隔离开关电连接。

优选地通过如下实现可以这样断开隔离开关，即，使得其或者保持完全无电压和无电流或者提供至少一个用于电流的回避路径，该回避路径减小或抑制形成电弧。由此实现降低对隔离开关的要求。其仅须能够确保电气地分离并且传导额定电流。由此能够以较小的结构形式构造隔离开关。

优选地，电流通过半导体开关切断，方法是，如果待切断的电流流过半导体开关，则不导通地切换半导体开关。这可以在隔离开关断开之前或者在隔离开关断开之后实现。

特别优选地在电运行的车辆中使用该装置。隔离开关相应于必然存在的蓄电池隔离开关用于从中间电路电气地分离蓄电池。该装置被用于蓄电池隔离开关的开关去负荷。恰好在此由于有限的安装位置，蓄电池隔离开关的减小的大小产生特别肯定的效果。此外，恰好在那里出现问题，因为在电运行的车辆中使用比常规的运行车辆明显提高的电压，特别是这种高于24V的电压。典型的电压可以高于400V。

按照本发明的实施方式，由机械的去负荷开关和半导体开关组成的串联电路与隔离开关并联地布置。在此合适的是，为了分离电连接首先接通机械开关，随后导通地切换半导体开关并且然后不导通地切换隔离开关。由此实现在没有电压负荷的情况下接通机械的去负荷开关，并且在断开隔离开关的情况下电流可以转到半导体开关和机械的去负荷开关。

此外合适的是，在隔离开关之后首先断开半导体开关，即置于不导通的状态下。最后合适地再次打开机械的去负荷开关。

按照本发明的另一种实施方式，待切断的电流已经在断开隔离开关之前流过半导体开关。为此半导体开关特别与隔离开关串联设置。在该构造中合适的是，为了分离电连接首先不导通地切换半导体开关并且然后断开隔离开关。

优选地，与半导体开关并联地设置用于半导体开关的过电压保护装置。该过电压保护装置用于在半导体开关上的电压限制并且例如捕获由于导线电感在断开蓄电池电流的情况下出现的过电压。

如果隔离开关用于例如从变流器分离电压源，则具有优势的是，该装置包括预充电电路。该预充电电路具有由机械的预充电开关和用于限制电流的预充电电阻组成的串联电路。该预充电电路与隔离开关并联地布置。

按照本发明特别优选的实施方式，半导体开关通过脉动地接通和断开来接管限制电流的功能。由此半导体开关除了开关去负荷以外也可以有效地接管预充电电路的功能。

在特定的应用领域中可以设置与隔离开关串联的第二过电压保护装置。在电车辆中该第二过电压保护装置用于，保护蓄电池防止来自于电动机方向上的过电压。如果变流器发生故障，该过电压例如可以在场削弱运行的情况下出现。

按照本发明的特别有利的扩展，除了开关去负荷之外半导体开关附加地还接管第二过电压保护装置的功能。在此合适的是，例如将反向阻断IGBT用作半导体开关。该反向阻断IGBT在两个方向上具有足够的截止能力。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选的，但绝不是限制性的实施例作进一步说明。在此示意性示出了特征。附图中：

图1示出了具有蓄电池隔离开关的电路、并联布置的去负荷电路和用于预充电的电路，

图2示出了具有蓄电池隔离开关的电路和并联布置的去负荷电路。

图3示出了具有蓄电池隔离开关的电路、串联布置的去负荷电路和用于预充电的电路，其中去负荷电路的半导体开关防止过电压，

图4示出了具有蓄电池隔离开关的电路、串联布置的去负荷电路和用于预充电的电路，其中去负荷电路的半导体开关借助RC电路防止过电压，

图5示出了具有蓄电池隔离开关的另一种电路和串联布置的去负荷电路，

图6示出了具有蓄电池隔离开关的电路和串联布置的半导体组件，该半导体组件起去负荷电路和蓄电池保护开关作用。

具体实施方式

按照电运行的车辆的第一实施例，图1强烈示意性示出了驱动系统10的结构。公知的是，在电运行的车辆中不采用一个常规电动机而经常采用多个电动机来分开地驱动车辆的车轮。电动机1在附图中代表在电运行的车辆中使用的一个或多个电动机1。电动机1在所示的示例中是永磁激励的同步电动机。

为了运行同步电动机1，设置变流器2。变流器2以公知的方式构造并且在输出侧以合适的方式与电动机1相连。在输入侧变流器2间接地与蓄电池3相连。蓄电池3提供直流电压。由此合适地在变流器2中不设置整流器。这意味着，典型地蓄电池3经由下面描述的中间组件与变流器2的中间电路相连。

在电运行的车辆中由于相对高的中间电路电压，规定蓄电池3可以从变流器2的中间电路中电气地分离。为此在蓄电池3的正接头和变流器2的中间电路之间设置机械的蓄电池隔离开关4。蓄电池隔离开关4被设计为能够负担额定电流并且在打开状态下确保了电气地分离。

按照图1驱动系统10具有与蓄电池隔离开关4并联的预充电电路。预充电电路由机械的预充电开关14和预充电电阻13的串联电路组成。预充电电路在蓄电池隔离开关4接通的时刻使用。在该时刻，放电的中间电路电容起如短路那样的作用。为了限制流过的电流，由此为了接通首先使用预充电电路，直至中间电路充分地预充电。然后才闭合蓄电池隔离开关4，并且再次打开机械的预充电开关14。

同样在与蓄电池隔离开关4并联的电路中并且也在与预充电电路并联的电路中在按照图1的电路中设置用于蓄电池隔离开关4的开关去负荷的组件。该组件由机械的去负荷开关15和IGBT 11的串联电路组成。与IGBT 11并联地布置防止IGBT 11过电压的保护电路，该保护电路包括抑制二极管12。

在利用永磁激励的同步电机电驱动的情况下在变流器2故障的情况下在场削弱运行中会导致必须由蓄电池3挡住的高电压。由此在蓄电池隔离开关4和与之并联连接的其它组件之间设置过电压保护模块5。该过电压保护模块5由IGBT 6和从变流器2到蓄电池3截止地布置的二极管7组成。

如果在按照图1的电路中应当切断蓄电池电流，必要时切断最大蓄电池电流，则执行如下的切换处理。在此假定，接通蓄电池隔离开关4、断开机械的去负荷开关15以及半导体开关11并且同样断开机械的预充电开关14。由此电流流过蓄电池隔离开关4。为了断开，首先接通机械的去负荷开关15。由于断开的半导体开关11这不会引起变化。在下一步骤接通半导体开关11。在随后的步骤打开蓄电池隔离开关4。因为电流现在可以绕道通过去负荷电路，所以在蓄电池隔离开关4上的电压保持很小。由此蓄电池隔离开关4的断开过程是没有问题的。换言之，蓄电池隔离开关4不必被设计为在其实施中用于断开高的最大蓄电池电流。

在下一步骤断开半导体开关11。由此经由半导体开关11形成中间电路电压。在此，仍通过例如蓄电池电缆的导线电感来提高该中间电路电压。在此，可能的过电压在该示例中受到抑制二极管12的限制。结果无电流地断开机械的去负荷开关15。

也就是在按照图1给出的第一实施例中蓄电池隔离开关4虽然不是无电流地断开，但是对于电流提供低欧姆的回避路径。机械的去负荷开关15与蓄电池隔离开关4一样负责电气地分离蓄电池3与变流器2的中间电路以及负责电流仅对于断开过程经由半导体开关11的路径。机械的去负荷开关15本身在断开半导体开关11之后被无电流地断开。也就是有问题的断开过程从蓄电池隔离开关4转移到半导体开关11。在那里断开过程是没有问题的。优选地，在按照图1的构造中半导体开关11仅在短时处于电流路径中。

为了控制该过程，在按照图1的构造中以及在其它实施例中设置控制装置。该控制装置在第一实施例中控制机械的预充电开关14、机械的去负荷开关15和蓄电池隔离开关4。其还控制半导体开关11。此外，控制装置还控制主管蓄电池3的过电压保护的IGBT 6。对于其合适的是，持续地监视IGBT 6的有效性。该监视同样由控制装置一起驱动。

根据图2对本发明的第二实施例进行描述。在此第二实施例类似于第一实施例地构造。与第一实施例不同，在第二实施例中不设置预充电电路。这意味着，在第二实施例中取消了机械的预充电开关14和预充电电阻13。

在第二实施例中由半导体开关11和机械的去负荷开关15组成的去负荷电路接管预充电电路的工作。为此在控制装置中进行对于去负荷电路的控制，特别是对半导体开关11的控制的调整。在此优选地利用，半导体开关11能够以高频率切换并且由此接管电阻13的功能。在接通蓄电池隔离开关4的时刻，为了限制流过的电流，使用去负荷电路，直至中间电路充分地预充电。为此接通机械的去负荷开关15并且以高频率、例如5kHz的频率来接通和断开半导体开关11。如果中间电路充分地预充电，则闭合蓄电池隔离开关4，断开半导体开关11并且再次打开机械的去负荷开关15。也就是在第二实施例中优选地利用去负荷电路也同时实现预充电电路。

图3示出了按照本发明的第三实施例的构造30。元件电动机1、变流器2、蓄电池3和蓄电池隔离开关4以及用于蓄电池3的过电压保护5以与第一和第二实施例类似地方式实现和布置。在第三实施例中去负荷电路由IGBT 11和与IGBT 11并联布置的抑制二极管12构造。去负荷电路在第三实施例中与蓄电池隔离开关4串联地布置在蓄电池隔离开关4与过电压保护5之间。

此外，在第三实施例中类似于第一实施例地设置预充电电路。预充电电路由机械的预充电开关14和与之串联的预充电电阻13组成。两个元件与蓄电池隔离开关4并联地布置。预充电电路的功能与第一实施例类似。

在第三实施例中为了切断电流首先断开半导体开关11。在此如已经描述的那样由抑制二极管12限制形成的过电压。如在第一或第二实施例中所述的那样，也就是切断电流从蓄电池隔离开关4转移到半导体开关11。在断开半导体开关11之后可以在无电流的状态下打开蓄电池隔离开关4。

在第三实施例中半导体开关11始终位于蓄电池3与变流器2的回路中。换言之，其总是引导流过蓄电池隔离开关4的电流。众所周知地半导体开关11具有比机械开关4、14、15更高的电阻。因此在按照第三实施例的电路中比在按照第一和第二实施例的电路中产生更高的损耗。为此降低电路技术和控制技术的开销，因为与第一实施例的三个机械开关不同在第三实施例中仅设置两个机械开关。

按照图4第四实施例示出了能够怎样替换使用抑制二极管12而构造用于半导体开关11的过电压保护。按照图4，与半导体开关11并联地设置由与半导体开关11并联布置的电阻41和与前面提到的两个元件并联布置的电容器42组成的电路。在另一种构造替换中也可以使用过电压保护，也就是抑制二极管12与RC电路的彼此组合。

当使用按照附图5所示的第五实施例的电路时给出构造以及控制技术开销的另一种简化。元件电动机1、变流器2、蓄电池3和蓄电池隔离开关4以及用于蓄电池3的过电压保护5以与第一和第二实施例类似地方式在第五实施例中实现和布置。

除了提到的元件之外附加地在第五实施例中仅设置由半导体开关11及其过电压保护组成的去负荷电路，在这种情况下过电压保护通过抑制二极管12构造。半导体开关11如在第三和第五实施例中那样与蓄电池隔离开关4串联地布置在蓄电池隔离开关4与用于蓄电池3的过电压保护5之间。

在第五实施例中去负荷电路除了用于蓄电池隔离开关4的开关去负荷之外还接管预充电电路的功能。对于蓄电池隔离开关4的预充电电路的功能类似于第三和第四实施例地起作用。断开过程仍通过半导体开关11进行并且蓄电池隔离开关4在无电流的状态下断开。

对于预充电的功能，半导体开关11仍被用作限制电流的元件。这一点类似于第二实施例通过足够高频地接通和断开半导体开关11来实现。由此在第五实施例中蓄电池隔离开关4也用于预充电的任务，其还接管在第二实施例中机械的去负荷开关15的任务。

因此在第五实施例中设置唯一的机械开关，即本来存在的蓄电池隔离开关4。但在第五实施例中可以执行用于蓄电池隔离开关4的开关去负荷以及预充电。

图6示出了本发明最后的、第六实施例。元件电动机1、变流器2、蓄电池3和蓄电池隔离开关4以与第一和第二实施例类似地方式在第六实施例中实现和布置。

但在第六实施例中用于蓄电池3的过电压保护5和去负荷电路综合为唯一的电路。在此在第六实施例中与蓄电池隔离开关4串联布置所谓的反向阻断（Reverse Blocking）IGBT 61。与反向阻断IGBT 61并联设置用于其的过电压保护。该过电压保护在第六实施例中由两个反串联连接的抑制二极管62、63组成。

如已经在第五实施例中描述的那样，反向阻断IGBT 61接管用于蓄电池隔离开关4的开关去负荷，方法是，为了切断电流首先断开反向阻断IGBT61，然后能够无电流地断开蓄电池隔离开关4。同样反向阻断IGBT 61接管预充电电路的功能，因为反向阻断IGBT 61也可以以高频率进行切换，以便限制电流。最后反向阻断IGBT 61还接管用于蓄电池3的过电压保护5的功能。为此合适的是，接通反向阻断IGBT 61使得电流能够从蓄电池3流至变流器2，但在任何时候都可以断开，以便截止从电动机1的方向的可能的过电压。为此合适的是，对于反向阻断IGBT 61设置持续的功能监视，如已经对于第一至第五实施例中的过电压保护5所做的那样。

可以理解，在此示出的电路的特定的组件在电运行的车辆的情况下必须多次设置。合适地，例如在使用多个电动机1的情况下对于每个电动机1设置变流器2。同样可以在车辆中设置多个蓄电池3。在附图中提供的其它组件的数量以简单的方式与电动机1、变流器2或蓄电池3的数量相匹配。

Claims (13)

1.一种用于隔离开关的开关去负荷的装置，所述隔离开关用于电气地分离电连接，其中所述装置包括至少一个半导体开关并且被构造为，为了分离电连接使待切断的电流流过所述半导体开关，从而在所述隔离开关上在其断开的情况下产生减小的电压形成。

2.根据权利要求1所述的装置，其中待切断的电流至少在断开所述隔离开关之后流过所述半导体开关。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中由机械的去负荷开关和所述半导体开关组成的串联电路与所述隔离开关并联地布置。

4.根据权利要求3所述的装置，其被构造为为了分离电连接首先接通机械的去负荷开关，随后导通地切换半导体开关并且然后断开所述隔离开关。

5.根据权利要求1所述的装置，其中待切断的电流至少在断开所述隔离开关之前流过所述半导体开关。

6.根据权利要求1、2或5中所述的装置，其中所述半导体开关与所述隔离开关串联连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其被构造为为了分离电连接首先不导通地切换所述半导体开关并且然后断开所述隔离开关。

8.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中与所述半导体开关并联地设置用于所述半导体开关的过电压保护装置。

9.根据上述权利要求中任一项所述的装置，具有预充电电路，所述预充电电路具有由机械的预充电开关和用于限制电流的预充电电阻组成的串联电路，该串联电路与所述隔离开关并联地布置。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其被构造为所述半导体开关通过脉动地接通和断开来接管限制电流的功能。

11.根据上述权利要求中任一项所述的装置，具有与所述隔离开关串联的第二过电压保护装置。

12.根据权利要求6至10中任一项所述的装置，其被构造为除了开关去负荷之外所述半导体开关附加地接管所述第二过电压保护装置的功能。

13.一种电运行的车辆的驱动系统，具有用于在中间电路电压高于24V的情况下从变流器的中间电路电气地分离蓄电池的蓄电池隔离开关以及按照上述权利要求中任一项所述的用于蓄电池隔离开关的开关去负荷的装置。

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