CN103347727B - 用于使高压电网中的蓄能器放电的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使高压电网（3）中的蓄能器（C）放电的设备和方法，所述蓄能器（C）尤其是中间回路电容器，所述高压电网（3）尤其是机动车中的直流电压中间回路，其具有：连接在高压电网（3）下游的直流电压变换器（5）；连接在直流电压变换器（5）下游的低压电网（4）；连接在直流电压变换器（5）下游的并且与低压电网（4）并联的能量供应网（7），用于给直流电压变换器（5）的控制电路（9）供给能量；以及第一可控开关元件（S），所述第一可控开关元件（S）被连接在直流电压变换器（5）与低压电网（4）之间的连接线路中并且通过所述第一可控开关元件（S）在低压电网（4）受干扰时能够将直流电压变换器（5）和能量供应网（7）与低压电网（4）分离。在此，能量供应网（7）通过第一电器件（10；20）与直流电压变换器（5）连接，所述第一电器件（10；20）阻止电流从能量供应网（7）回流到直流电压变换器（5）中。

Description

用于使高压电网中的蓄能器放电的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于使高压电网中的蓄能器、尤其是中间回路电容器放电的设备和方法，所述高压电网尤其是机动车中的直流电压中间回路。

背景技术

在具有电气驱动装置或者燃料电池驱动装置的混合动力车辆或者机动车中通常使用可能为数百伏特的电压。大于60伏特的电压在此被称作“高压”。出于人员安全的原因，在机动车中的高压车载电网必须能够被关断并且在预给定的时间区间之内能够被放电。为此目的，公知的高压车载电网包括有源和/或无源放电设备。具有电气驱动装置或者燃料电池驱动装置（常常也称作直流中间回路）的混合动力车辆或者机动车中的高压车载电网在最简单的情况下包括电池形式的能量源、带有直流电压中间回路电容器的电压变流器（Spannungsumrichter），该直流电压中间回路电容器用作用于使电负载的运行电压稳定的缓冲电容器、一个或多个电机以及其他高压负载。在高压电网与能量源分离（该分离例如通过在维护工作的范围中除去相对应的插塞连接或者也可能由于事故引起）之后，所有蓄能器必须被放电（应急快速放电），这些蓄能器被连接到高压电网或者直流电压中间回路上。在此，电容、譬如中间回路电容器或者例如旋转的发动机也可以用作蓄能器。常见的无源放电设备（也就是即使所有供给线路和控制线路都废除也保证其功能的放电设备）在此在最简单的情况下设置欧姆放电电阻，该欧姆放电电阻持久地与中间回路电容器并联。

从DE 10 2007 047 713 A1中公知了一种用于使高压电网、尤其是直流电压中间回路放电的方法，该直流电压中间回路可以与能量源通过至少一个电阻连接，其中所述至少一个电阻作为共同的电阻不仅被用于直流电压中间回路的中间回路电容的充电或者预充电过程而且被用于直流电压中间回路的中间回路电容的放电过程。

从DE 10 2008 010 978 A1中公知的另一用于使电网或者电器件放电的（包括可开关的电阻的）设备设置，可开关的电阻包括热耦合的PTC电阻和开关，并且开关的控制端子与电网电压相连接。

从DE 10 2004 057 693 A1中公知了一种用于使电容器快速放电的设备，该电容器尤其是中间回路电容器，其中电容器通过逆变器与电机连接并且通过直流电压变换器与另一电荷存储器、尤其是车载电网电池相连接。在此，直流电压变换器包括如下装置，所述装置在相对应地激励（Ansteuerung）直流电压变换器的情况下引起电容器快速放电。尤其是，直流电压变换器在电池侧借助开关被接入有电阻，用于接收要降低的电功率。

发明内容

本发明提出了一种用于使高压电网中的蓄能器、尤其是中间回路电容器放电的设备，高压电网尤其是机动车中的直流电压中间回路，该设备具有连接在高压电网下游的直流电压变换器、连接在直流电压变换器下游的低压电网、连接在直流电压变换器下游的并且与低压电网并联的用于给直流电压变换器的控制电路供给能量的能量供应网和第一可控开关元件，该第一可控开关元件被连接在直流电压变换器与低压电网之间的连接线路中并且通过第一可控开关元件在低压电网受干扰时可以将直流电压变换器和能量供应网与低压电网分离。

此外，本发明还提出了一种用于在使用根据本发明的设备的情况下使高压电网中的蓄能器、尤其是中间回路电容器放电的方法，所述高压电网尤其是机动车中的直流电压中间回路，其中在低压电网受干扰时将直流电压变换器和能量供应网与低压电网分离。

根据本发明的设备基于如下基本构思：实现直流电压变换器的控制电路的能量供给，使得当低压电网、例如机动车的12V车载电网例如由于事故而受干扰时，那么也维持该能量供给。该干扰在此例如可以以短路的形式或者也可以以低压电网中的电压降的形式出现。直流电压变换器的控制电路因此即使在低压电网受干扰时也保持有运行能力，并且在需要应急快速放电的情况下也可从要放电的蓄能器、即例如中间回路电容器被馈电，而且由此使蓄能器放电。因此，可以省去昂贵的、附加的应急充电电路。

为了在直流电压变换器的输出上短路的情况下也提高系统安全性，能量供应网可以通过第一电器件与直流电压变换器相连接，该第一电器件阻止电流从能量供应网回流到直流电压变换器。

如果系统重新起动，则这样首先使高压回路放电。为了即使在该系统开动时也能够控制直流电压变换器，所属的控制电路在开动期间须以其他方式被供给能量。根据按照本发明的设备的实施形式，能量供应网因而通过第二电器件与低压电网连接，该第二电器件阻止电流从能量供应网回流到低压电网中。以这种方式，直流电压变换器的控制电路在开动系统期间、即在高压电网的蓄能器的电荷不足时通过低压电网来供给能量。

根据本发明的一种特别简单的实施形式，第一电器件和/或第二电器件被实施为二极管，该第一电器件和/或第二电器件阻止能量回流到直流电压变换器或低压电网中。为了减小在此出现的损耗，可以有利地使用肖特基二极管，因为肖特基二极管具有低的导通电阻。

可替换地，作为第一电器件和/或第二电器件，代替二极管也可以使用可控开关元件，例如晶体管形式的可控开关元件。这些可控开关元件也具有低的导通电阻并且因此有助于损耗减小。

由于将第一可控开关元件布置在直流变换器与低压电网之间的连接线路中，所以该第一可控开关元件可以同时被用作保护极性不倒转的装置（Verpolschutz），该第一可控开关元件用于将低压电网与直流电压变换器和能量供应网隔开。例如在外部起动（Fremdstart）的范围中或者也由以其他方式引起的换相到直流电压变换器的低压侧上会发生反极性。直流变换器虽然可被设计为直至确定的电流大小和在时间上受限地反极保护地被设计，以便但是避免持续损害直流电压变换器，但有意义的是，在直流电压变换器的低压侧上设置保护极性不倒转的装置。在许多系统中，本来就设置有保护极性不倒转的晶体管形式的保护极性不倒转的装置。该保护极性不倒转的装置接着可以在没有附加成本的情况下被用于根据本发明隔开低压电网。

在许多应用中，譬如在混合动力车辆和电动车辆的多电压车载电网中，高压电网通过逆变器、尤其是脉冲逆变器被连接到电机上。在该情况下，有利的是，也从能量供应网中为逆变器的控制电路供给能量。因此，逆变器的控制电路在低压电网受干扰时也保持有运行能力。这一方面具有如下优点：在需要应急快速放电的情况下，该控制电路从待放电的蓄能器、即例如中间回路电容器中被馈电并且由此附加地可以使蓄能器放电。另一方面，有运行能力的控制电路也可以被用于将电机转移到安全运行中，例如以主动短路的形式转移。

根据本发明的另一实施形式，能量供应网也用于为其他电负载供给能量。在该情况下，附加负载的一个或多个在需要的情况下（应急快速放电）也可以被用于使待放电的蓄能器放电。

如果能量供应网通过第三可控开关元件与低压电网连接，则根据按照本发明的方法的一种实施形式设置，第三可控开关元件为了在蓄能器的电荷不足时开动该系统而闭合，其中第三可控开关元件阻止电流从能量供应网回流到低压电网。

附图说明

本发明的实施形式的其他特征和优点从以下参考所附的附图的描述来得到。

其中：

图1示出了根据本发明的用于使高压电网的蓄能器放电的设备的第一实施形式的示意图，

图2示出了根据本发明的用于使高压电网的蓄能器放电的设备的第二实施形式的示意图，以及

图3示出了根据本发明的用于使高压电网的蓄能器放电的设备的第二实施形式的示意图。

在附图中，相同的或者功能相同的部件分别利用相同的附图标记来表征。

具体实施方式

电机1通过（例如脉冲逆变器形式的）逆变器2与高压电网3（常常也称作直流电压中间回路）连接。高压电网例如可以是混合动力车辆、电动车辆或者燃料电池车辆的高压车载电网。高压电网3具有中间回路电容器C形式的蓄能器，该蓄能器通常被用作缓冲电容器，以便使连接到高压电网3上的负载的运行电压稳定。在高压电网3与低压电网4之间的连接通过直流电压变换器（DC/DC变换器）5来建立。低压电网4包括低压电池6形式的电荷存储器以及示例性地包括负载V。

在确定的情形下，譬如在机动车事故之后或者在机动车维护之前，会发生高压电网3与未示出的高压能量源的分离。出于人员安全原因，在高压电网3与高压能量源分离的情况下，必须快速地降低存储在中间回路电容器C中的电荷。

为此，在直流电压变换器5与低压电网4之间的连接线路中设置有晶体管形式的第一可控开关元件5。由于该晶体管也可以被用于实现保护极性不倒转的装置，所以该晶体管常常也被称作保护极性不倒转的晶体管。与低压电网4并联有能量供应网7。能量供应网7包括缓冲电容器8形式的蓄能器并且用于为控制电路9供给能量，以控制直流电压变换器5。另外的控制电路、譬如逆变器2的控制电路以及其他的未示出的负载也可以被连接到能量供应网7上。

能量供应网7一方面与参考电势连接，该参考电势在所示的实施例中为接地。另一方面，能量供应网7通过第一二极管10与直流电压变换器5的输出端连接，并且通过第二二极管11与低压电网4连接。由此得到电路拓扑结构，其中保护极性不倒转的晶体管形式的第一可控开关元件S被布置在能量供应网的两个连接点A1与A2之间。这两个二极管10和11分别阻止能量从能量供应网7回流到直流电压变换器5中或回流到低压电网4中。

在正常的（也即无干扰的）运行中，保护极性不倒转的晶体管形式的第一可控开关元件S闭合。现在如果高压电网3与高压能量源分离，则中间回路电容器C在低压电网4未受干扰地运行时借助直流电压变换器5放电到低压电网4中。而如果在低压电网4中也出现电压中断或者短路形式的干扰，则保护极性不倒转的晶体管断开并且由此低压电网4与直流电压变换器5并且与能量供应网7分离。中间回路电容器C现在可以通过能量供应网7被放电到控制电路9中并且必要时被放电到连接到能量供应网7的其他控制电路或者负载中。当低压电网的电压在可预给定的时间区间中降低到电压阈值以下时，电压中断形式的干扰在此例如接着可以被诊断。在此，电压阈值也可以根据整个系统的其他运行参数来预给定。

紧接在系统起动之后，中间回路电容器C首先没有被充电。在该情况下，能量供应网7的缓冲电容器8通过第二二极管11从低压电网4中被充电，并且因此控制电路8以及必要时另外的控制电路和负载被供给能量。

图2示出了根据本发明的设备的第二实施形式。该第二实施形式与第一实施形式的不同仅在于，这两个二极管10和11通过例如晶体管形式的第二可控开关元件20或第三可控开关元件21来替换。开关元件20和21也基本上用于阻止能量从能量供应网7回流到直流电压变换器5中或回流到低压电网4中。这两个开关元件20和21就此而言承担类似二极管的功能。但是开关元件20、21具有非常低的导通电阻，这尤其是有助于损耗减小。

只要在低压电网4中不存在电压中断或者短路形式的干扰，则第一开关元件S（保护极性不倒转的晶体管）和第二开关元件20闭合或接通，而第三开关元件21断开或截止。现在，如果在低压电网4中出现干扰，则类似于第一实施形式，保护极性不倒转的晶体管断开并且以这种方式将低压电网4与直流电压变换器5并且与能量供应网7分离。中间回路电容器C的放电接着以类似于第一实施形式的形式实现。为了在中间回路电容器C放电时开动系统，第二开关元件20可以断开并且第三开关元件21可以闭合，使得能量供应网7的缓冲电容器8又能从低压电网4被充电并且因此能够给控制电路8以及必要时给其他控制电路和负载供给能量。

在直流电压变换器5与能量供应网7之间的连接线路中的电器件、即二极管10或第二可控开关元件20尤其是用于在直流电压变换器5的输出处短路的情况下保护直流电压变换器5。就此而言，不需要并且也可以取消用于中间回路电容器C的纯应急快速放电的器件。图3示出了相对应的第三实施形式。在此，能量供应网7类似于第一实施形式地通过第二二极管11与低压电网4连接。第三实施形式就此而言与在图1中所示的第一实施形式的不同在于，取消第一二极管10。当然，第二二极管11但是也可以在该情况下通过可控开关元件类似于第二实施形式地被替换。

除了所示的实施形式以外，当然也可以考虑其他电路技术的实现方案。最后，决定性的仅是，低压电网4在有干扰的情况下可与能量供应网7并且与直流电压变换器5隔开并且可靠地阻止能量供应网7的能量回流。

Claims (15)

1.一种用于使高压电网（3）中的蓄能器（C）放电的设备，该设备具有：

- 连接在高压电网（3）下游的直流电压变换器（5），

- 连接在直流电压变换器（5）下游的低压电网（4），

- 连接在直流电压变换器（5）下游的并且与低压电网（4）并联的能量供应网（7），用于给直流电压变换器（5）的控制电路（9）供给能量，以及

- 第一可控开关元件（S），所述第一可控开关元件（S）被连接在直流电压变换器（5）与低压电网（4）之间的连接线路中并且通过所述第一可控开关元件（S）在低压电网（4）受干扰时能够将直流电压变换器（5）和能量供应网（7）与低压电网（4）分离。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，能量供应网（7）通过第一电器件（10；20）与直流电压变换器（5）连接，所述第一电器件（10；20）阻止电流从能量供应网（7）回流到直流电压变换器（5）中。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，第一电器件（10；20）被实施为二极管（10）或者被实施为第二可控开关元件（20）。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，第一电器件（10；20）被实施为肖特基二极管。

5.根据权利要求1至4之一所述的设备，其中，能量供应网（7）通过第二电器件（11；21）与低压电网（4）连接，其中所述第二电器件（11；21）阻止电流从能量供应网（7）回流到低压电网（4）中。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，第二电器件（11；21）被实施为二极管（11）或者被实施为第三可控开关元件（21）。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，第二电器件（11；21）被实施为肖特基二极管。

8.根据权利要求1至4之一所述的设备，其中，第一可控开关元件（S）附加地用于保护极性不倒转。

9.根据权利要求1至4之一所述的设备，其中，高压电网（3）通过逆变器（2）被连接到电机（1）上，并且能量供应网（7）用于给逆变器（2）的控制电路供给能量。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，高压电网（3）通过脉冲逆变器被连接到电机（1）上。

11.根据权利要求1至4之一所述的设备，其中，能量供应网（7）用于给其他的电负载供给能量。

12.根据权利要求1至4之一所述的设备，其中，所述蓄能器（C）是中间回路电容器，所述高压电网（3）是机动车中的直流电压中间回路。

13.一种用于在使用根据权利要求1至12之一所述的设备的情况下使高压电网（3）中的蓄能器（C）放电的方法，其中，在低压电网（4）受干扰的情况下，直流电压变换器（5）和能量供应网（7）与低压电网（4）分离。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，能量供应网通过第三可控开关元件（21）与低压电网（4）连接，并且第三可控开关元件（21）为了在蓄能器的电荷不足的情况下开动系统而闭合。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述蓄能器（C）是中间回路电容器，所述高压电网（3）是机动车中的直流电压中间回路。