CN104167909A - 用于优化使用在中间电路中的电容的方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于优化使用在中间电路中的电容的电路以及方法，该中间电路具有用于连接电容的高压侧的连接端和接地侧的连接端。设置有用于获取在该电路的第一部分中的电压的变化的获取单元以及平衡单元。在此平衡单元被设置为，通过将电能馈入到接地侧的连接端中至少部分地平衡该变化。对此该平衡单元包括模拟放大器和数字放大器，其中该模拟放大器的输出端用于为数字放大器提供输入量。

Description

用于优化使用在中间电路中的电容的方法和电路

技术领域

本发明涉及一种用于优化使用在中间电路中的电容的方法以及电路。本发明在此尤其涉及用于车辆的电源电路的中间电路，在该中间电路中能够在蓄能器和发动机侧的逆变器之间出现电压纹波。

背景技术

越来越多的私人交通的电气化导致了，在电可驱动的车辆中出现明显更高的电压(400V或者更大的范围)并且其是待处理的，就像其直到几年前出现在车辆车载电路中一样。在(大多是电化学的)蓄能器中实现作为直流电压的能量的存储时，通常采用逆变器(直流电压-交流电压变换器)，以为电动马达(或者发电机)提供(三相)交流电压或者将交流电压从(发电机供电的)电动机中转送到电化学蓄能器中。通过通常包括开关转换器的逆变器，在车载电路电压上以交流电压的形式施加干扰量，其能够导致车载电路故障以及电磁兼容性的问题。为了抑制由逆变器产生的干扰量，通常在蓄能器和逆变器之间设置所谓的中间电路电容，其在靠近提高的电压时吸收能量，且因此为电压峰值“加弹簧”，且在电压下降的情形下释放电能，且因此“支撑”车载电路。在图1中示出了这种系统。蓄电能200通过所谓的接触器201、202与逆变器203连接。逆变器203的输入端和蓄电池200与中间电路电容C0并联连接。逆变器203将高压直流电压转变成三相交流电压，该三相交流电压被提供给电动机204。中间电路电容器C0的任务是，抑制由逆变器在逆变器的直流电压侧引起的交流电压部分。在轿车驱动技术领域这种电容器通常具有0.5到1.5mF的电容量且由于需要超过400V的抗电强度而非常大且昂贵。

此外根据图2已知一种用于提供预定义的输入阻抗的有源电路，其中第一运算放大器301和第二运算放大器302与分压器连接，该分压器由阻抗Z1、Z2、Z3、Z4和Z5组成，提供了预定义的输入阻抗Zin＝(Z1×Z2×Z3)/(Z2×Z4)。因为图2中所示的电路的工作原理和工作方式对本领域技术人员是已知的，因此对此不再深入。

一种用于减小可用的电容器的途径在于，在消除电压纹波时提供用于动态支持电容器的电路。其设置为，在与高压直流电压车载电路中的平均电压相比更小的电压的情况下向高压直流电压车载电路中馈入电能并且相反地在与高压直流电压车载电路中的平均电压相比更高的电压的情况下从高压直流电压车载电路中引出电能。对于电能主动引入到高压车辆电路或者从高压车辆电路中主动引出目前还没有已知的解决高效率和在其提高时的动态缺陷之间的冲突的方案。

发明内容

前述需求根据本发明通过具有用于优化使用在中间电路中的电容的特征的电路以及具有用于优化使用在中间电路中的电容的的特征的方法来满足。相应地该电路尤其能够用作车辆的电源电路的中间电路。其有利于在中间电路中的电容的优化应用，如其例如存在于可电驱动的交通工具中。依据本发明的电路包括用于连接电容的至少一个高压侧的连接端和接地端的连接端。该电容在此设置并布置为降低干扰性的交流电压信号(“电压纹波”)，例如其由于逆变器中的切换操作能够在电化学的蓄能器和电可驱动的车辆的逆变器之间的直流电压侧出现。当接地侧的连接端朝向较低的电势布置时，其中在接地侧的连接端和电接地端之间还能够设置其他的元件，高压侧的连接端在此与电的高压直流电压电连接。此外依据本发明的电路包括用于获取电路的第一部分的电压的变化的获取单元。电路的第一部分在此，同高压侧的连接端一样，被分配给高压直流电压。换言之该获取单元能够从电路的第一部分取出电信号，据此其能够获取直流电压上的电压纹波。此外依据本发明的电路包括平衡单元，其被设置为，通过将电能馈入到接地侧的连接端中并且因此馈入电容中，以至少部分地平衡该变化。这能够例如通过电流实现，该电流响应获取单元的信号通过平衡单元经过接地侧的连接端流入电容中。在此根据本发明该平衡单元包括模拟放大器和数字放大器，其中，该模拟放大器的输出端用于为数字放大器提供输入量。该模拟放大器在此能够例如通过一个或者多个晶体管以及连续的控制量实现。与此相对该数字放大器能够通过切换过程使其输出量适应输入量。该数字放大器的一个示例为D类放大器。通过依据本发明的作为放大前级的模拟放大器的装置对于数字放大器出现混合放大器，该混合放大器结合快速模拟输出级(虽然其具有更高的损耗)的优点和数字放大器的效率优势。

下文阐述本发明的优选的改进。

优选地该数字放大器在此被设置为，将电能馈入到电容的接地侧的连接端中。这发生在获取单元的作用下，该获取单元为平衡单元提供干扰量，响应于接收模拟放大器结合数字放大器产生补偿量并且将其馈入接地侧的连接端中。通过这种方式在中间电路中作为元件设置的电容的优化应用成为了可能，因为该电容被动态增大。

进一步优选地该电路具有第一电流镜和第二电流镜。在此第一电流镜的第一晶体管被设置为，将在模拟放大器的第一输入电压上的模拟放大器的供电电流镜像到第二晶体管上。此外第二电流镜的第三晶体管被设置为，将在模拟放大器的第二输入量上的模拟放大器的供电电流镜像到第四晶体管上。在此该模拟放大器能够包括运算放大器，该运算放大器对称地布置在供电电压+UB或者-UB之间。该模拟放大器的第一或者第二输入量根据运算放大器的输入端上的电压差调节。该晶体管能够被实施为双极型或者是场效应晶体管(例如MOSFET)。该由第二或者第四晶体管镜像的电流有利于平衡单元的输出量。该放大器的模拟实现能够实现关于由获取单元提供的输入量的快速镜像时间。

进一步优选地该第二晶体管和/或第四晶体管能够分别被实施为功率晶体管。通过这种方式增大由模拟放大级可实现的输出量(或者在平衡单元的输出量上的部分)。

进一步优选地该电容的高压侧的连接端能够布置在电路的第一部分和电容的接地侧的连接端之间。通过这种方式由获取单元获取的信号通过该电容从由平衡单元输出的信号解耦。

进一步优选地该获取单元能够包括高通滤波器和/或带通滤波器和/或微控制器。通过这种方式能够通过由获取单元从直流电压高压网络中获取的信号，将干扰量从直流电压中分离并且单独进行处理。通过使用微控制器例如数字滤波是可能的。除此之外能够通过微控制器实现延迟环节、逆变器等，其信号处理的灵活性已经在获取单元内明显提高。

进一步优选地该平衡单元还包括第一存储电容器，该第一存储电容器被设置为，存储来自中间电路用于为平衡单元供电的能够。通过这种方式该平衡单元通过直流电压网络提供电能并且不需要单独供电。

此外该平衡单元优选地包括作为整流器的直流电压-直流电压(DC/DC)转换器以及用于缓冲电能的第二存储电容器。在此第一存储电容器布置在模拟放大器的正的供电连接端和电的接地端之间并且第二存储电容器布置在模拟放大器的负的供电电压连接端和电的接地端之间。为了均衡存储在第一存储电容器和第二存储电容器的电压DC/DC转换器被设置为，使得通过第一存储电容器的电压和通过第二存储器的电压彼此适应。在此能够例如采用所谓的对称型DC/DC转换器。例如在此能够使用利用所谓的反激式拓扑结构的转换器。通过这种方式能够有效避免第一和第二存储电容器之间的不相等的电压分配。

进一步优选地该获取单元或者平衡单元包括逆变器。当涉及到从直流高压网到用于电动机的交流电压的能量转换时逆变器在电能源技术的意义上为将直流电压逆变为交流电压的装置，而当涉及到获取单元或者平衡单元时降低输入信号的单元被理解为“逆变器”。通过这种方式获取单元例如能够将过电压转换成适于降低过电压的信号。这同样适用于设置在平衡单元内的逆变器。

根据本发明的另一个方面提出了一种用于优化使用在中间电路中的电容的方法，该方法尤其在车辆的电源电路的中间电路中能够更有利地使用。该中间电路在此包括用于连接电容的高压侧的连接端和的接地侧连接端，以抑制电压纹波。该方法包括获取中间电路中的电压的变化，以及通过将电能馈入到接地侧的连接端中至少部分地平衡该变化的步骤，其中由该变化导出的电信号首先被模拟放大并且然后被数字放大。例如对于通过其能够实施依据本发明的方法的电路前面已经详细描述过，使得也能够结合依据本发明的方法的优点参照该电路。

附图说明

下文参考所附附图详细描述本发明的实施例。其中：

图1示出了一种电驱动车辆的车载电路的原理图；

图2示出了用于实现动态输入阻抗的电路；

图3示出了根据本发明的实施例的用于在中间电路中优化使用电容的电路；

图4示出了平衡单元11的电路，例如其能够在本发明所述的电路中使用；

图5示出了一种平衡单元的替代的实施例的电路，例如其能够在本发明所述的电路中使用；以及

图6示出了说明根据本发明的实施例的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

图3示出了根据本发明的电路100，例如其能够用于平滑在直流电压高压(HV)车载电路中的电压纹波。连接点8与直流电压车载电路的高压电势以及与电容C0的高压侧的连接端相重合。连接点9设置为在接地侧连接在电容C0上，在该电容上连接第一电阻R1。电阻R1另一方面在连接点4上与第二电阻R2连接。另一方面第二电阻R2在连接点5处与第三电阻R3连接。另一方面第三电阻R3在连接点6处与第四电阻R4连接。另一方面第四电阻R4与连接点7连接，该连接点7与电接地端10重合。获取单元C1、R5、12在连接点8上，其被设置为包含电容器C1和临近接地端10连接的第五电阻R5。在电容器C1和第五电阻R5之间连接运算放大器12的第一连接端。运算放大器12的另一输入侧的连接端与连接点4一起连接在第一电阻R1和第二电阻R2之间。在输出侧运算放大器12与连接点5一起连接在第二电阻R2和第三电阻R3之间。作为能够被实施为功率放大器的第二放大器11，其在输入侧分别与第一电阻R1和第二电阻R2之间的连接点4或者与第三电阻R3和第四电阻R4之间的连接点6相连接。在输出侧该运算放大器11与电容C0的接地侧的连接端9连接，它与电容C0一起构成稳压单元1。所示出的电路100被这样地协调，使得由获取单元C1、R5、12获取连接点8上的动态的电压扰动，且通过电阻网络R1、R2、R3、R4将其告知运算放大器11，响应于此该运算放大器11在电容C0的接地侧的连接端9中馈入均衡电压扰动的电流。反之，在高压车载电路上过压时运算放大器11将促使电容C0通过接地侧的连接端9导出能量。根据本发明通过这种方式动态地增强了电容C0的调节范围。另一种观点允许根据本发明使用更小的元件来实现用于得到这种结果的电容C0。

图4示出了作为如图3中所示的平衡单元11的详细视图的电路。所示的平衡单元11的电路具有运算放大器16，该运算放大器16通过第一晶体管T1和第二晶体管T2与电源电压(+UB、-UB)连接。不仅第一晶体管T1而且第二晶体管T2与第三晶体管T3或者第四晶体管T4一起被实施为电流镜。换言之多个晶体管的各个基极相互连接。在运算放大器16的输出端上设置临近接地端10的欧姆电阻R0。因此运算放大器16的输出电流导致电阻R0上的电压降。比较器17在输入端上获取该电压并将其与函数发生器18的三角信号电压进行比较。比较器17的输出信号走向第五晶体管T5和第六晶体管T6，通过它们电感L被额外地馈入平衡单元11的输出端9中。通过这种方式在平衡单元11的输出端9上的输出信号作为模拟的放大器的叠加出现，其输出信号(至少部分地)由数字的放大器修正或者支持。

图5示出了平衡单元11的电路，例如其能够用作根据图3的本发明所述的电路的替代方案。此处运算放大器16通过数字的输出级(例如D类放大器)供给电能，该电能由第一电容器C1和第二电容器C2暂存。在此第一电容器C1布置在电接地端10和运算放大器16的正的供电电压连接端之间。电容器C2布置在电接地端10和运算放大器16的负的供电电压连接端之间。该正的供电电压和负的供电电压进一步通过与第三开关S3串联连接的第三电感L3彼此连接。此外在电接地端10和运算放大器16的正的供电电压连接端之间还设置有由第一电感L1和第一二极管D1(导通方向指向运算放大器16的正的电压连接端)组成的串联电路。在电接地端10和运算放大器16的负的供电电压连接端之间还设置有由第二电感L2和第二二极管D2(截止方向指向运算放大器16的负极电压连接端)组成的串联电路。通过由元件第一二极管D1、第一电感L1、第二二极管D2、第二电感L2、第三电感L3和第三开关S3组成的对称的DC/DC转换器，通过D类放大器导入该电路的电容器C1和C2中的能量被均匀地分配在电容器C1和C2上。在电流流入放大器输出端的情况下，将在没有这个转换器时为电容器C2放电以及为电容器C1充电。代替利用反激式技术的所示的转换器还能够使用其他的DC/DC转换器拓扑结构。

图6示出了说明根据本发明的实施例的方法的步骤的流程图。该方法有利于在中间电路中的电容的优化使用并能够优选地用于车辆的电源电路的中间电路中。该中间电路在此包括用于连接电容的高压侧的连接端和接地侧的连接端，以抑制电压纹波。在步骤S100中获取中间电路中的电压的变化。在步骤S200中所获取的信号被滤波。随后在步骤S300中通过将电能馈入到接地侧的连接端中至少部分地平衡该变化，其中，由该变化导出的电信号首先被模拟放大且然后被数字放大。

即使依据本发明的观点和有利的实施方式根据结合所附示图说明的实施例描述，对本领域技术人员来说所述实施例的特征的不脱离本发明的范围的变体和结合仍是可能的，其保护范围由所附权利要求确定。

Claims (11)

1.一种电路，尤其是用于车辆的能量车载电路的中间电路，其用于优化使用在中间电路中的电容(C0)，所述电路包括：

-用于连接电容(C0)的高压侧的连接端(8)和接地侧的连接端(9)；

-用于获取在所述电路的第一部分中的电压的变化的获取单元(C1、R5、12)，以及平衡单元(11)，其中

所述平衡单元(11)被设置为，通过将电能馈入到所述接地侧的连接端(9)中来至少部分地平衡所述变化，并且其中所述平衡单元(11)包括：

-模拟放大器(16)以及

-数字放大器(17、18、T5、T6)，

其中，所述模拟放大器(16)的输出端用于提供所述数字放大器(17、18、T5、T6)的输入量。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述数字放大器(17、18、T5、T6)被设置为，将电能馈入到所述电容(C0)的所述接地侧的连接端(9)中。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述电路还包括第一电流镜(T1、T2)和第二电流镜(T3、T4)，其中，所述第一电流镜(T1、T2)的第一晶体管(T1)被设置为，将在所述模拟放大器(16)的第一输入量中的所述模拟放大器(16)的供电电流镜像到第二晶体管(T2)上，并且所述第二电流镜(T3、T4)的第三晶体管(T3)被设置为，将在所述模拟放大器(16)的第二输入量中的所述模拟放大器(16)的供电电流镜像到第四晶体管(T4)上。

4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述第二晶体管(T2)和所述第四晶体管(T4)为功率晶体管。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述电容(C0)的所述高压侧的连接端(8)布置在所述电路的所述第一部分和所述电容(C0)的所述接地侧的连接端(9)之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中

-所述获取单元(C1、R5、12)包括高通滤波器(C1、R5)和/或微控制器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中

-所述平衡单元(11)还包括第一存储电容器(C1)，其中，所述存储电容器(C1)被设置为，存储来自所述中间电路的能量，用于为所述平衡单元(11)供电。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中

-所述平衡单元(11)还包括DC/DC转换器(19)和用于缓冲电能的第二存储电容器(C2)，其中，所述DC/DC转换器(19)被设置为，使得通过所述第一存储电容器(C1)的电压和通过所述第二存储电容器(C2)的电压彼此匹配，其中，所述存储电容器(C1、C2)尤其布置在所述数字放大器(17、18、T5、T6)的输出端。

9.根据权利要求8所述的电路，其中，所述DC/DC转换器(19)被构造为反激式拓扑结构。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述获取单元(C1、R5、12)或者所述平衡单元(11)包括逆变器。

11.一种用于优化使用在中间电路中的、尤其是在用于车辆的电源电路的中间电路中的电容(C0)的方法，其中，所述中间电路包括：

-用于连接电容(C0)的高压侧的连接端(8)和接地侧的连接端(9)，其中，所述方法包括以下步骤：

-获取(S100)在所述中间电路中的电压的变化；以及

-通过将电能馈入到所述接地侧的连接端(9)中来至少部分地平衡(S200)所述变化，其中

由所述变化导出的电信号首先被模拟放大并且然后被数字放大。