CN102983600A - 给用在电动车辆电源系统中的电容器放电的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种主动给主电容器（C_滤波）放电的放电设备（11）和方法；放电支路（13）并联连接到所述主电容器（C_滤波）并且设置有放电晶体管（TD）；控制设备（14）连接到所述放电晶体管（TD）的栅极/基极接头，当需要给所述主电容器（C_滤波）放电时通过将所述放电晶体管（TD）偏置到导通模式来控制所述放电晶体管（TD），并且具有安全电容器（C_安全），其安插在所述放电晶体管（TD）的栅极/基极接头与电源之间，该安全电容当所述放电晶体管（TD）偏置到导通模式时充电，从而保证在所述放电晶体管（TD）的栅极/基极接头处的电压/电流的逐渐下降，以在从所述放电晶体管（TD）导通立即开始起的时间间隔之后将所述晶体管（TD）偏置到隔离状态。

Description

给用在电动车辆电源系统中的电容器放电的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种主动给在电力驱动车辆的电源系统中的电容器放电的放电设备和放电方法。“电力驱动车辆”表示仅具有电力驱动（即，没有其他类型的机械能量源）的车辆或者设置有电力驱动和热驱动的混合动力车辆。

背景技术

为形成混合动力驱动将电力驱动与传统热驱动组合在公路车辆中正变得越来越流行。

电力驱动包括使用三相（通常同步的或者永磁类型的）、可逆旋转电机（即，能够工作为通过汲取电力并且产生机械驱动扭矩的电动马达或工作为通过汲取机械能并且产生电力的发电机），其一方面机械地连接到或者可连接到驱动轮，并且另一方面电连接到与包括工作在高电压（400-600伏的级别）的电化学电池的存储系统交换电力的电子功率转换器。滤波电容器当前紧接于存储系统的下游。滤波电容器安装在电子功率变换器中，并联连接到存储系统的接头，具有高容量并且具有吸收/供应高频电力的功能；换句话说，存储系统供应/吸收交换电力的“平均值”，而滤波电容器供应/吸收交换电力的脉冲变化（这样延长了存储系统的电化学电池的寿命，当电化学电池必须交换瞬态能量时它们快速衰减）。

必要时（例如，在干预的情况下或者在事故的情况下，无论何时在行驶结束时借由启动钥匙使车辆熄火），存储系统借由隔离开关与其余电路电隔离，以保证电力与电路的断开；然而，滤波电容器设置在存储系统的隔离开关的下游，并且通过保持处于充电，它保持电力系统持续很长时间。因此无论何时断开存储系统的隔离开关都需要给滤波电容器放电。如何以被动方式，即借由永久地并联连接到电容器的放电电阻，给电容器放电，或者以主动方式，即通过将放电电阻偏置到导通模式以便产生与电容器并联的借由其耗散电容器电荷的放电支路，是已知的。

被动放电系统是非常安全的，因为它总是在工作（至少直到保证系统的机械完整性），但是替代地它需要很长时间（几分钟的级别）来将电容器的剩余电压带到安全电平，并且由于焦耳效应提供永久的能量耗散。另一方面，主动放电系统可以快速地（在几秒钟内）给电容器放电并且仅当使用它时才耗散能量（因此它具有绝对可忽略的能量耗散），但是另一方面在控制系统出错的情况下它不会被触发，控制系统必须触发放电晶体管。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主动给在电力驱动车辆的电源系统中的电容器放电的放电设备和放电方法。该放电方法和设备没有上面描述的缺陷，同时容易并且低成本地实施。

附图说明

现在将参考示出了非限制性实施例的附图描述本发明，其中：

图1为设置有根据本发明制造的电容器放电设备的电力驱动车辆的电源系统的视图；

图2为在图1中的放电设备的近似电路图；

图3为在图1中的放电设备的详细电路图；以及

图4包含表示当触发电容器放电时在图1中的放电设备的一些量随时间变化的图表。

具体实施方式

在图1中，数字1作为整体表示混合热力/电力驱动车辆的电源系统。

电源系统1包括三相（通常同步的或者永磁类型的）、可逆旋转电机（即，其可以工作为通过汲取电力并且产生机械驱动扭矩的电动马达或工作为通过汲取机械能并且产生电力的发电机），其机械地连接到或者可连接到车辆的驱动轮。

电源系统1包括借由三个电缆4电连接到电机2并且控制电机2的电子功率转换器3，以及适于存储电力、包括一组锂电池（设置有相应电化学电池）、并且借由一对电缆6电连接到电子功率转换器3的高电压存储系统5（通常400-600伏）。高电压存储系统5具有存储和释放大量能量的功能，能量在电驱动车辆时与电机2交换。

电源系统1包括低电压存储系统7（通常为12伏），其适于存储电力并且大体上包括单个铅蓄电池。低电压存储系统7用来存储小量的电力，其使用来供应车辆以低电压工作的辅助设备。电源系统1包括电子DC/DC转换器8，其借由一对电缆9连接到低电压存储系统7以必要时供应能量到低电压存储系统7从而保持它随时在充电；换句话说，电子DC/DC转换器8从高电压存储系统5获得高电压电力并且将低电压电力转移到低电压系统7。电子DC/DC转换器8也可以是双向类型的以转移电力到低电压存储系统7或者从低电压存储系统7获得电力。

高电压存储系统5设置有隔离开关10，必要时（即，在保持干预的情况下或者在事故的情况下），其自动地断开以将高电压存储系统5与电源系统1的其余部分电隔离。

电源系统1包括滤波电容器C_滤波，其紧接在隔离开关10的下游并联连接到高电压存储系统5的接头（即安插在高电压存储系统5与所有其他电气装置之间），具有较高容量，并且具有吸收/供应高频电力的功能。换句话说，高电压存储系统5供应/吸收交换的电力的“平均值”，而滤波电容器C_滤波供应/吸收交换电力的脉冲变化（这样延长了高电压存储系统5的电化学电池的寿命，当电化学电池必须交换瞬态能量时它们快速衰减）。

电源系统1包括放电设备11，其靠近滤波电容器C_滤波布置，并联连接到滤波电容器C_滤波，并且无论何时断开高电压存储系统5的隔离开关10，具有给滤波电容器C_滤波放电的功能（即将滤波电容器C_滤波的剩余电压快速降低到非危险值，通常是小于50-60伏）。

最后，电源系统1包括控制单元12（通常具有微处理器），其管理整个电源系统1的运行以及其他事务，控制高电压存储系统5的隔离开关10以在必要时断开隔离开关10本身，并且因而无论何时断开隔离开关10控制放电设备11给滤波电容器C_滤波放电。

如图2所示，放电设备11包括放电支路13，其并联连接到滤波电容器C_滤波，并且设置有放电晶体管TD，放电晶体管TD在需要给滤波电容器C_滤波放电时偏置到导通模式；换句话说，放电晶体管TD沿着放电支路13串联设置并且因此工作为断开和闭合放电支路13的开关：当放电晶体管TD偏置到导通模式时，沿着放电支路13具有电连接并且因此包含在滤波电容器C_滤波中的能量可以通过放电支路13被耗散；当替代地隔离放电晶体管TD时，沿着放电支路13不具有电连接并且因此包含在滤波电容器C_滤波中的能量不可以通过放电支路13被耗散。串联布置到放电晶体管TD的耗散电阻R_e也存在于放电支路13中（具体地，它连接在放电晶体管TD的发射极与高电压电路的电接地部之间）；滤波电容器C_滤波的能量可以主要在放电晶体管TD上耗散，或者主要在耗散电阻R_e上耗散，或者通过改变部件的尺寸以任何比例在两者上耗散。

放电设备11包括控制设备14，其连接到放电晶体管TD的栅极/基极接头，并且当需要给滤波电容器C_滤波放电时通过使放电晶体管TD偏置到导通模式来控制放电晶体管TD。换句话说，控制设备14通常将放电晶体管TD的栅极/基极接头连接到高电压电路的电接地部以保持放电晶体管TD被隔离（并且因此保持放电支路13断开），并且控制设备14将放电晶体管TD的栅极/基极接头连接到电源电压（优选地滤波电容器C_滤波的正极接头）以使晶体管TD偏置到导通模式，并且因此当需要给滤波电容器C_{滤 波}放电时闭合放电支路13。

如图3所示，控制设备14包括控制晶体管TC，其由控制单元12控制并且必须隔离（即，它必须为“off”或者处于非导通状态）来允许放电晶体管TD导通。换句话说，控制晶体管TC连接到放电晶体管TD的栅极/基极接头以便放电晶体管TD仅在隔离控制晶体管TC时偏置到导通模式。具体地，控制单元12的输出借由包括两个连接电阻R₁和R₂的分压器连接到放电晶体管TD的栅极/基极接头；从而，控制晶体管TC由控制单元12控制，其通常将控制晶体管TC保持在导通状态中，并且当需要给滤波电容器C_滤波放电时将控制晶体管TC从导通状态偏置到隔离状态。

根据优选实施例，保证在控制单元12和控制晶体管TC设置在其中的低电压支路(通常5伏)与放电晶体管TD和滤波电容器C_滤波设置在其中的高电压支路之间的电隔离的光电晶体管OT安插在控制晶体管TC与放电晶体管TD之间。换句话说，控制设备14包括连接在控制晶体管TC与放电晶体管TD之间以提供电隔离的光电晶体管OT。光电晶体管OT的控制光电二极管串联连接到控制晶体管TC，并且具体地控制光电二极管的正极借由极化电阻R_LED连接到电源，而控制光电二极管的负极连接到控制晶体管TC的集电极（控制晶体管TC的发射极连接到低电压电路的电接地部，并且与高电压电路的电接地部电隔离）。

放电晶体管TD的栅极/基极接头借由连接电阻R_up连接到滤波电容器C_滤波的正极接头并且借由连接电阻R_down连接到高电压电路的电接地部；两个电阻R_up和R_down限定分压器，其施加滤波电容器C_滤波的整个电压的一部分到放电晶体管TD的栅极/基极接头。

当控制晶体管TC偏置到导通模式时，控制设备14（即光电晶体管OT）将放电晶体管TD的栅极/基极接头连接到高电压电路的电接地部；从而，当控制晶体管TC偏置到导通模式时，放电晶体管TD的栅极/基极接头与高电压电路的电接地部等电位，并且因此强制隔离放电晶体管TD。

根据优选实施例，控制设备14包括安全电容器C_安全，其安插在放电晶体管TD的栅极/基极接头与滤波电容器C_滤波的正极接头之间；具体地，安全电容器C_安全串联连接到连接电阻R_up，并且相对于放电晶体管TD的栅极/基极接头设置在连接电阻R_up的下游。此外，安全电容器C_安全也安插在放电晶体管TD的栅极/基极接头与控制设备14之间（即光电晶体管OT）。简要地，光电晶体管OT的发射极直接连接到高电压电路的电接地部，而光电晶体管OT的集电极连接到设置在连接电阻R_up与安全电容器C_安全之间的点A（即，控制设备14的第一接头连接在连接电阻R_up与安全电容器C_安全之间，控制设备14的第二接头连接到高电压电路的电接地部）；并且，放电晶体管TD的栅极/基极接头直接连接到设置在安全电容器C_安全与连接电阻R_down之间的点B。

如下面更详细解释的，当放电晶体管TD处于导通状态时给安全电容器C_安全充电，从而保证在放电晶体管TD的栅极/基极接头处的电压/电流的逐渐下降，直到在从开始给安全电容器C_安全充电的瞬间（即，从放电晶体管TD开始导通的瞬间）起的某个时间周期之后将放电晶体管TD带到隔离状态。

根据优选实施例，放电设备11还包括放电电阻R_D，其永久地并联连接到滤波电容器C_滤波以保证滤波电容器C_滤波的被动放电。放电电阻R_D的作用是（极其）非常重要的，即，当放电设备11完全失效时放电电阻R_D也允许（非常慢地）给滤波电容器C_滤波放电。

下面参考图3和在图4中的时间图表描述放电设备11的运行。

在正常运行情况下（在图4中，包括在时间T₀和瞬间T₁之间），控制晶体管TC处于导通状态（“ON”）中，从而电流流过光电晶体管OT的控制光电二极管（其串联连接到控制晶体管TC），并且因此光电晶体管OT也处于导通状态中；当光电晶体管OT处于导通状态中时，点A连接到高电压电路的电接地部（通过在导通状态中的光电晶体管OT），从而在安全电容器C_安全的接头处的电压V_A-B为0（因为点A连接到高电压电路的电接地部），并且放电晶体管TD的栅极/基极接头的电压V_B-GND也为0（也因为点A连接到高电压电路的电接地部）。当放电晶体管TD的栅极/基极接头的电压V_B-GND为0时，必须隔离放电晶体管TD(“OFF”)并且因此放电支路13断开。

正好在时间瞬间T₁之前断开隔离开关10，并且因此需要快速给滤波电容器C_滤波放电；因而，在时间瞬间T₁，控制单元12取消来自控制晶体管TC的栅极/基极接头的信号，从而使控制晶体管TC自身偏置到非导通状态（“OFF”）；在时间瞬间T₁，取消流过光电晶体管OT的控制光电二极管的电流（由于控制晶体管TC断开），并且光电晶体管OT停止导通，从而点A与高电压电路的电接地部隔离。在时间瞬间T₁，点A与高电压电路的电接地部隔离，并且因此点B（即，放电晶体管TD的栅极/基极接头）处于最大电压V_MAX（其值与由两个连接电阻R_up和R_down形成的分压器的下降比例相关），而安全电容器C_安全开始充电（即，在安全电容器C_安全的接头处的电压V_A-B开始上升）。

由于安全电容器C_安全的逐渐充电，在安全电容器C_安全的接头处的电压V_A-B指数地增加，并且在放电晶体管TD的栅极/基极接头处的电压V_B-GND以互补方式下降。在时间瞬间T₁与时间瞬间T₂之间，在放电晶体管TD的栅极/基极接头处的电压V_B-GND逐渐并且指数地下降在最大电压V_MAX与最小电压V_MIN之间，然而其足够将放电晶体管TD保持在导通状态中；在时间瞬间T₂之后，在放电晶体管TD的栅极/基极接头处的电压V_B-GND下降到最小电压V_MIN以下，并且因此放电晶体管TD停止导通以及返回隔离状态（“OFF”）。换句话说，在时间瞬间T₂，在安全电容器C_安全的接头处的电压V_A-B到达阈值V_TH，以便在放电晶体管TD的栅极/基极接头处的电压V_B-GND等于最小电压V_MIN，在最小电压V_MIN以下放电晶体管TD停止导通以及返回隔离状态（“OFF”）。

安全电容器C_安全起到在放电晶体管TD自身触发起的预定时间间隔（几秒钟的级别）之后自动关闭放电晶体管TD的“定时器”的功能；即，一旦放电晶体管TD偏置到导通模式中，它保持导通预定时间间隔，在该时间间隔的末尾安全电容器C_安全的功能保证放电晶体管TD的自动关闭。安全电容器C_安全的这个功能非常重要，因为它当隔离开关10还没有断开就触发放电晶体管TD时，允许保护放电支路13（以及尤其是放电晶体管TD）不会过热。换句话说，错误会使得隔离开关10还没有断开就将放电晶体管TD偏置到导通模式：在这种情况下，高电压存储系统5的所有能量，比存储在滤波电容器C_滤波中的能量高很多，都会放电到放电支路13内，并且会因此快速导致放电晶体管TD和/或耗散电阻R_e的熔化。替代地，由于安全电容器C_安全的作用，放电晶体管TD在所有情况下在预定时间间隔之后断开，并且它因此防止在放电支路13中耗散比实际耗散容量更高的能量。

根据优选实施例，当需要给滤波电容器C_滤波放电时，主动控制单元12触发电子DC/DC转换器8，其并联连接到滤波电容器C_滤波并且给低电压存储系统7供电以将能量从滤波电容器C_滤波转移到低电压存储系统7。此外，当需要给滤波电容器C_滤波放电时，控制单元12触发电子功率转换器3，其并联连接到滤波电容器C_滤波并且控制电机2以允许电流通过电电机2循环，电机2不保证产生或吸收驱动扭矩（但是由于在电机的线圈中以及电子功率变换器3中的焦耳效应显然，保证某些电力耗散）。由电子DC/DC转换器8和由并联（即，附接）到放电支路13工作的电子功率变换器3吸收的能量允许基本上加速滤波电容器C_滤波的放电；由此，滤波电容器C_{滤 波}可以被非常快速地（在小于一秒内）放电（即，在滤波电容器C_滤波的接头处的电压可以下降到非危险值以下），尽管使用相对较小的放电晶体管TD（即，不具有高的散热能力）。换句话说，电子DC/DC转换器8和电子功率变换器3的干预有助于给滤波电容器C_滤波放电，并且因此可以使用小性能放电晶体管TD（因此更小并且成本更少），同时保持滤波电容器C_{滤 波}的非常低的放电时间。

值得注意的是，放电设备11就本身而言非常安全，因为为了触发滤波电容器C_滤波的放电，不要求有控制触发（即，开启控制晶体管TC），但是替代地需要控制的取消（即，关闭控制晶体管TC）：因此，在控制单元12出错的情况下（例如，当在与控制单元12及控制晶体管TC的连接中有机械故障的情况下或者在控制晶体管TC的电压中断的情况下，控制单元12的微处理器复位时），放电晶体管TD自动闭合（即，自动偏置到导通模式），从而允许给滤波电容器C_滤波放电。显然，如果有错误的情况，为帮助（加速）滤波电容器C_滤波的放电，电子DC/DC转换器8和电子功率变换器3的干预是不现实的，但是唯一的结果是效率损失（即，滤波电容器C_滤波的放电花费更长时间），并且效果没有损失（即，然而，尽管花费很长时间来给滤波电容器C_滤波放电，即，替代小于1秒，而是几秒的级别）。

基本构思是提供具有“反向”操作的控制设备14：实际上，滤波电容器C_滤波的放电不在触发控制之后产生，而是相反，通过产生撤销控制来持久地撤销滤波电容器C_滤波的放电；当该撤销控制停止（由于控制单元12的选择或者出错之后）时，自动触发滤波电容器C_滤波的放电。并且，将放电晶体管TD保持在导通模式中需要的能量直接来自滤波电容器C_滤波，并且因此一旦已经借由放电支路13触发放电，那么放电本身是“自我保持的”，直到在滤波电容器C_滤波的接头处的剩余电压下降到非常低（即，不危险）的值。

通过触发控制晶体管TC较短的时间，如果滤波电容器C_滤波的放电“第一轮”不（完全）有效，那么控制单元12可以重复不限次数的放电序列（在时间瞬间T₀和T₂之间）；换句话说，控制单元12能够实施一系列的放电序列（称为“多次主动放电”）以在多个步骤中给滤波电容器C_滤波放电。例如，“多次主动放电”可以在隔离开关10卡在闭合结构中时使用，具有间隙性的操作，或者以异常延迟（几秒钟的级别）断开。“多次主动放电”允许保证尝试随着时间推移给滤波电容器C_滤波放电，即使在出错的情况下（例如，在隔离开关10出错的情况下），同时避免在放电支路13中的过热导致的故障。

借由实例，在上面描述中，参考具有集电极、栅极/基极接头和发射极的双极结型晶体管（BJT）；在有利等同实施例中，显然可以使用具有漏极、门极和源极的场效应晶体管（通常具有MOSFET技术）。

上面描述的放电设备11具有多个优点。

首先，上面描述的放电设备11是简单的并且可以低成本地实施，因为它包括较少的元件，这些元件是容易获得并且低成本的。

并且，上面描述的放电设备11确保（自动地）触发滤波电容器C_滤波的放电的可能性，即使在控制单元12中存在故障（例如，由于电压不足源或者微控制器复位）的情况下，在电子系统1中存在故障（例如，连接器的脱离或者保险丝断开）的情况下，以及即使在低电压存储系统7的完全断开的情况下，在这种情况下在车辆上的所有电子控制单元停止工作并且断开。由此，放电设备11大大地简化了在汽车应用中的综合安全分析，因为“反向”分析方法可以实施来取代分析放电设备11在具有所有可能故障的情况下的反应：也就是，只要放电设备11是完整的，那么就会取消在存在有故障情况下自动产生的放电。换句话说，放电设备11是非常强大的，即使在多种故障的情况下。

最后，放电设备11具有“固有的”热保护（即，不受外部元件的干预，而是直接由被动部件保证，并且具体地由安全电容器C_安全保证），因为自动限制在放电支路13的每个单次触发时在放电支路13中可以耗散的电力量。

Claims (8)

1.一种用于给电力驱动车辆的电源系统（1）中的主电容器（C_滤波）的主动放电的放电设备（11）；所述放电设备（11）包括：

电路的放电支路（13），该放电支路并联连接到所述主电容器（C_滤波）并且其包括在需要给所述主电容器（C_滤波）放电时应该偏置到导通模式的放电晶体管（TD）；以及

控制设备（14），其连接到所述放电晶体管（TD）的栅极/基极接头，并且当所述主电容器（C_滤波）需要被放电时控制所述放电晶体管（TD）将它偏置到导通模式；

所述放电设备（11）的特征在于，所述控制设备（14）包括安全电容器（C_安全），其安插在所述放电晶体管（TD）的栅极/基极接头与电源之间，并且当所述放电晶体管（TD）处于导通模式时充电，导致在所述放电晶体管（TD）的栅极/基极接头处的电压/电流逐渐下降，直到在所述放电晶体管（TD）已经开始导通电流的瞬间之后的某个时间周期将所述放电晶体管（TD）偏置到非导通状态。

2.如权利要求1所述的放电设备（11），其中，所述安全电容器（C_{安 全}）跨接所述放电晶体管（TD）的栅极/基极接头和所述主电容器（C_滤波）的正极接头。

3.如权利要求1所述的放电设备（11），其中，所述安全电容器（C_{安 全}）通过第一连接电阻（R_up）连接到所述主电容器（C_滤波）的正极接头。

4.如权利要求3所述的放电设备（11），其中，所述放电晶体管（TD）的栅极/基极接头通过与所述第一电阻（R_up）一起限定分压器的第二连接电阻（R_down）连接到高电压电路的电接地部。

5.如权利要求3所述的放电设备（11），其中，所述控制设备（14）的接头之一跨接所述第一连接电阻（R_up）和所述安全电容器（C_安全），并且所述控制设备（14）的另一接头连接到所述高电压电路的电接地部。

6.如权利要求1至5任意一项所述的放电设备（11），其中，当需要给所述主电容器（C_滤波）放电时，控制单元（12）触发电子DC/DC转换器（8），该电子DC/DC转换器并联连接到所述主电容器（C_滤波）并且提供电力给低电压储能系统（7），以便于使能量从所述主电容器（C_滤波）转移到所述低电压储能系统（7）。

7.如权利要求1至5任意一项所述的放电设备（11），其中，当需要给所述主电容器（C_滤波）放电时，控制单元（12）触发电子高电压功率变换器（3），其并联连接到所述主电容器（C_滤波）并且驱动电机（2），以便于使不导致产生或吸收扭矩的电流循环通过所述电机（2）。

8.一种用于给在电力驱动车辆的电源系统（1）中的主电容器（C_滤波）主动放电的放电方法；

所述方法包括当需要给所述主电容器（C_滤波）放电时使放电晶体管（TD）偏置到导通模式，以便在电路中产生放电支路（13）的步骤，在所述主电容器（C_滤波）中累积的能量通过所述放电支路放电；

所述放电方法的特征在于，它包括当所述放电晶体管（TD）处于导通模式时给安全电容器（C_安全）充电的进一步步骤，所述安全电容器（C_安全）安插在所述放电晶体管（TD）的栅极/基极接头与电源之间，以便于导致在所述放电晶体管（TD）的栅极/基极接头处的电压/电流逐渐下降，直到在所述放电晶体管（TD）已经开始导通电流的瞬间之后的某个时间周期将所述放电晶体管（TD）偏置到非导通状态。

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