CN104245396A - 使电路的至少一个电容器放电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使电路(1)的至少一个电容器(2)放电的方法，所述电路(1)还包括：多相旋转电机的电定子绕组(4)，所述绕组(4)包括多个线圈(6)，每个形成定子相且没有至彼此；和切换系统(5)，布置在电容器(2)和电定子绕组(4)之间，且包括多个可控切换单元(10)。根据本发明的方法，线圈(6)被电容器(2)通过切换系统(5)供电，其中，切换单元(10)被控制为使得，单级电流通过电定子绕组(4)。

Description

使电路的至少一个电容器放电的方法
技术领域
本发明涉及电路的至少一个电容器的放电，该电路包括旋转电机的电定子绕组，且特别地安装在混合动力车辆上以驱动车辆。
背景技术
该电容器放电可在充电结束时被电路的电能存储单元的外电网需要，或在一阶段结束时被需要，在该阶段期间，车辆全部或部分地被旋转电机驱动。在以下1997年的标准EN 50178中提到，其中，其可以是有利的以对电容器(一个或多个)放电：
“在功率装置中使用的电子设备”。
该电容器端子上的电压可在电路的从外侧可接近端子上见到，且该电压的存在对于例如马达技工的操作者是危险的。已知是利用放电电阻器(一个或多个)对一个或多个电容器放电，所述放电电阻器连接至电路且专用于放电操作。该方案增加电路的部件数量，且还昂贵。
还已知将电容器(一个或多个)放电到电定子绕组中。该方案当前执行相对复杂，因为放电电流需要被防止产生不期望的马达扭矩。
专利申请用US 2011/0050136教导了如何对电路的电容器放电，电路包括电池和电定子绕组，该绕组的线圈是星形连接的。在放电期间，来自电容器的电流在通过电定子绕组之前跨过附加分支，其包括有助于放电的电阻器。
存在对电路的电容器(一个或多个)的简单、经济和高效放电的需求，该电路包括旋转电机的电定子绕组，所述电路特别地是混合动力或电动车辆的牵引电路。
发明内容
本发明的目的是满足该需求，本发明利用用于使电路的至少一个电容器放电的方法实现该目的，该电路此外包括：
-多相旋转电机的电定子绕组，所述绕组包括多个线圈，每个形成定子相，且没有电互连，
-切换系统，包括多个可控切换单元，
在电定子绕组被电容器经由切换系统供电的方法中，切换单元被控制为使得，电定子绕组被单级电流通过。
上述方法在于，以以下方式控制布置在电容器(一个或多个)和电定子绕组之间的切换系统的电子开关：该或这些电容器(一个或多个)的放电电流被切换系统转换为单极电流。
当电定子绕组包括N个线圈时，单极电流iM0如下限定：
i M 0 = Σ j = 1 N i j N
根据上述方法，切换系统控制使得，当电容器(一个或多个)被放电时，每个线圈被非零电流通过，该电流具有值iM0。在该电容器(一个或多个)的放电期间，每个线圈可仅被单极电流iM0通过。
当切换系统的切换单元根据相同切换周期被控制时，在所述切换周期上，线圈各自被具有相同平均值的其自己的电流通过。
在具有三相u、v和w的电定子绕组的情况下，每个相分别被其自己的电流iu、iv和iw通过，系统控制允许iu、iv和iw全部等于iM0，当切换在切换系统中发生时例外。
根据上述方法，电定子绕组被电流供电，所述电流每个产生旋转场，这些场的组合在电机的空气隙中没有产生总旋转场，从而没有扭矩施加在后者的转子上。
旋转电机可以是电机，其构造为使得，当电定子绕组被单级电流通过时，在每个定子相中感应的电动势是正弦的，且没有包括任何三阶或三阶多次谐波。在该情况下，没有扭矩施加至转子。电容器(一个或多个)可由此被放电，例如以便满足前述EN 50178标准的要求，而没有使转子运动。
替换地，方法可还应用于旋转电机，对于该旋转电机，当定子被单极电流供电时，低扭矩被施加给转子。
电定子绕组的每个线圈可在其端子上具有平均电压值，该平均电压值从一个线圈到另一线圈相等。
线圈没有互连，即，没有电定子绕组的线圈具有直接连接到电定子绕组的另一线圈的端子的端子。“线圈没有电互连”与“线圈是独立的”是同义的。
定子可以是三相的，在该情况下，电定子绕组由三个线圈形成。
当电定子绕组是三相的时，电定子电路的线圈可既不是星形连接的，也不是多边形连接的，即三角形构造。
切换单元可控制为使得，在每个为电绕组的其中一个线圈供电的电流的总和的切换单元的切换周期上的平均值等于预限定非零值。在三相情况下，每个通过其中一个定子线圈的三个电流的总和等于所述预限定值。换句话说，切换系统控制可在切换周期上调节单极电流的平均值至大约给定非零值。
所述预限定值可根据在方法执行之前要从电容器电枢之间的聚集电荷(按库伦计)获得的期望电容器放电百分比而被选择，该电荷还在以下称为“初始电荷”。该方法允许例如电容器被放电初始电荷的至少80％。
所述平均值的预限定值还可选择为使得，放电方法具有的时长小于或等于临界值，从而满足给定的约束。
在本发明的一个示例性实施例中，切换系统包括多个并联安装的臂，每个臂包括被中点分开的两个可控切换单元，每个线圈布置在专用于所述线圈的两个臂的中点之间，且电容器与所述臂并联安装。
电路可包括电能存储单元，电容器安装在电能存储单元和切换系统之间。
电容器可仅经由切换系统连接至电定子绕组，特别是仅经由并联安装的臂。
在放电期间，来自电容器的电流可直接在切换系统和电定子绕组中流动。放电可由此不涉及在附加电阻器中流动的该电流。“直接”在此是指“没有通过电导体之外的电部件”。
电路可包括DC/DC电压转换器，其布置在电能存储单元和切换系统之间。
电容器可布置在电能存储单元和DC/DC电压转换器之间，或切换系统和DC/DC电压转换器之间。替换地，电路可包括：
-电容器，布置在电能存储单元和DC/DC电压转换器之间，和
-电容器，布置在切换系统和DC/DC电压转换器之间，
和
当该方法被执行时，这些电容器的一个和/或另一个可被放电。
电能存储单元可以是一个电池、超级电容器或者电池或超级电容器构成的任何组件。其例如涉及与串联电池并联的多个分支。电能存储单元可具有60V至400V之间的名义电压，特别是200V至400V之间。
电路可包括连接器，该连接器适于连接至电网的互补连接器，以为电能存储单元充电，连接器至少包括多个触点，其每个具有一个自由的端部和连接至线圈的中间点的另一端部。电网由此经由线圈的中间点为每个线圈供电，特别是线圈的中点。
该类型的电路可同时用于：
-从电能存储单元并经由切换系统为定子线圈供电，切换系统用作逆变器，以导致电机旋转，和
-经由用作感应器的定子线圈和经由用作整流器的切换系统为电能存储单元供电。
切换系统的切换单元的控制和电路的结构可允许电能存储单元被充电，而没有使转子旋转。
电网可传送交流电供电量或直流电供电量的任一个。特别地，切换单元控制可按照在法国于2011年12月21日递交的编号为11 62140的申请所述那样实现。
该类型的电路可还连接至任何类型的电网，即，传送AC电压的多相或单相电网，或传递DC电压或DC电流的电网。
电路特别地被安装在电动车辆或混合动力车辆上，该电动车辆或混合动力车辆即牵引完全或部分仅利用旋转电机实现的车辆。
电容器例如具有100μF至5000μF之间的电容。
旋转电机例如具有3kW和200kW之间的名义功率。
附图说明
通过阅读本发明的非限制性示例实施例和研究附图，可更容易地理解本发明，其中：
-图1示出电路，其包括要被放电的电容器，
-图2示意性地示出车辆，图1的电路可并入到其中，和
-图3示出当根据本发明的方法被执行时，图1和2所示的电定子绕组的每个线圈的专用电压和电流。
具体实施方式
图1示出电路1，其包括要被放电的电容器2。电容器2例如具有100μF至5000μF之间的电容。在方法被执行之前，电容器2的电枢之间聚集的电荷例如在其最大电荷的20％至100％之间，从而例如大于60V的电压可出现在电容器端子上。
电路1此外包括电定子绕组4和切换系统5，该切换系统布置在电容器2和电定子绕组4之间。在所考虑的例子中，定子是三相的，例如是同步电机定子，特别地具有永磁体转子。替换地，定子可包括多于三个相。
在其他替换例中，定子可以是可变磁阻电机定子或同步电机定子。
旋转电机可形成旋转电机的一部分，其构造为使得，当定子被单级电流供电时，在每个定子相中感应的电动势是正弦的，且没有包括任何三阶或三阶多次谐波。
在所考虑的例子中，电定子绕组4通过三个线圈6形成,每个线圈限定定子的电相u、v和w的一个。在以下描述中，vu和iu分别表示限定相u的线圈的端子上的电压和通过后者的电流，vv和iv分别表示限定相v的线圈的端子上的电压和通过后者的电流，且vw和iw分别表示限定相w的线圈的端子上的电压和通过后者的电流。
单级电压通过uM0＝(uu+uv+uw)/3限定，单级电流通过iM0＝(iu+iV+iW)/3限定。
在所示例子中，切换系统5包括多个臂8，每个臂并联于电容器2安装。在所示例子中，每个臂8包括两个可控切换单元10。每个切换单元10例如通过可控开关11形成，二极管12逆并联于其安装。开关11可以是晶体管，特别是双极或IGBT场效应晶体管。
包括数字处理器件的中央控制单元13可控制所有晶体管11。
每个臂8包括在两个切换单元10之间的中点16，且在所述的例子中，臂8的每个中点16连接至线圈6的一个的端子。每个线圈6可由此布置在两个单独的臂的两个中点16之间，这两个臂8则形成H点19。每个H点可专用于电定子绕组4的特定线圈6。
如可见，线圈6没有互连。实际上，在图1所示的例子中，每个线圈6的端子直接连接至其他元件，在此至切换单元10，而不是至其他线圈6的端子，与如果电定子绕组4被星形或三角形构造连接的情况相反。
参考图1描述的电路1可并入到车辆20的充电和牵引系统20中，车辆例如是混合动力或全电驱动汽车。
如图2所示，电路1则可包括：
-连接器23，其意图经由电能充电器件25的连接器连接至电网24，和
-电能存储单元30。电能存储单元30可以是一个电池或并联和/或串联的多个电池。
在该例子中，电网24是三相电网，但本发明应用于非三相电网的多相电网，或应用至单相电网。其例如涉及工业电网，该工业电网由操作者管理并在地区、国家或国际规模上铺设。电网例如传递频率等于50Hz或60Hz的电压。
在图2中所示的示例中，连接器23包括四个触点32。三个主触点32每个具有自由端，其意图连接至充电器件25的连接器的互补触点。收集器23的第四触点34连接至车辆1的车体39，且意图连接至电网24的地线。
如可见，每个主触点32可具有连接至线圈6的另一端部。在图2所示的例子中，该端部连接至线圈6的中点35，即，和触点32的连接部将线圈6分为严格相等数量的绕组。
每个线圈6由此分为两个半线圈，当电流从电网24经由切换系统5和线圈6通过到电能存储单元30时，它们被从一半线圈到另一半线圈相反的电流通过。
在所考虑的例子中，电路1还包括DC/DC电压转换器41。电容器2布置在切换系统5和DC/DC转换器41之间，转换器形成它的输入端。电能存储单元30安装在转换器41的输出端。
在所示例子中，转换器41是串联斩波器，其将输出电压输送至电能存储单元30，该输出电压通过输入电压在每个臂8的端子上的降压式(buck)转换获得。以已知的方式，该串联斩波器41包括两个切换单元44，它们与切换系统5的切换单元10相同或不同，且通过中点45分开。单元44可通过控制单元13控制。在所示例子中，这些单元44的每个是可逆的，包括逆并联的可控开关和二极管。感应器47布置在该中点45和电能存储单元30之间。
控制单元13可构造为以以下方式控制切换单元10和44的开关的打开和关闭：
-根据一个操作模式，电能存储单元30通过电网24充电，连接器23连接至电网24，和
-根据不同的操作模式，电能存储单元34为电定子绕组4的线圈6供电，从而产生驱动车辆20的扭矩。
特别地，连接器23和切换单元10和/或44的控制可如在法国于2011年12月21日由本申请人递交的编号为11 62140的申请所披露的那样，其内容在此通过参照而被并入，以允许电能存储单元30由任意类型的电网24供电。
例如，在电能存储单元30由电网24充电结束时，或在一阶段(在该阶段期间，旋转电机驱动车辆20)结束时，可能期望在存在过高电压的端子上使电容器2放电。为此，切换单元20可被控制为使得，电容器2的初始电荷在电定子绕组4中耗散。在图2所示的例子中，切换单元44还被控制为使得，切换能量存储单元30至断开电路。
在该步骤期间，切换单元10被控制为，每个线圈同时被相同值的电流通过，如图3所示。
在图3中，可以看出，电定子绕组4被单级电流供电，且每个线圈6的端子上的电压是相同的。
切换单元10可控制为使得，在每个线圈中的电流的平均值具有预限定非零值I0，该控制确保，当每个定子相中由电容器2放电导致的电动势是正弦的或不包括任何三阶或三阶多次谐波时，不管通过电定子绕组4的电容器2进行的供电，没有扭矩施加至转子。
但是，在定子用单极电流供电的情况下，本发明还可与具有包括三阶谐波或其多次谐波的电动势的旋转电机一起应用，因为由单极电流产生的马达扭矩是低的。
当上述方法执行时，电定子绕组4的电阻器允许电容器2的全部或部分初始电荷的耗散。
例如，在一旦电能存储单元30被充电后，连接器24从充电站25断开，电容器2具有0.4C的初始电荷时。根据本发明的方法可例如在5秒中减小电容器2的电荷至大约50μC，或减小电容器2的端子上的电压至大约60V。
根据另外的例子，上述电荷或电压值可在一秒内从电容器2的相同初始状态获得。本发明不限于刚刚已经描述的示例。
表达方式“包括一个”必须理解为“包括至少一个”，除了特别说明相反时。

Claims (12)

1.一种用于使电路(1)的至少一个电容器(2)放电的方法，该电路还包括：
-多相旋转电机的电定子绕组(4)，所述绕组(4)包括多个线圈(6)，该多个线圈每个形成定子相，所述线圈(6)没有电互连，
-切换系统(5)，包括多个可控切换单元(10)，
在线圈(6)被电容器(2)经由切换系统(5)供电的方法中，切换单元(10)被控制为使得，电定子绕组(4)被单级电流通过。
2.如权利要求1所述的方法，电路(2)的线圈(6)既不是星形连接的，也不是多边形连接的。
3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，定子是三相的。
4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，切换单元(10)控制为使得，在为电绕组(4)的其中一个线圈(6)供电的电流的总和的切换单元(10)的切换周期上的平均值等于预限定非零值。
5.如前述权利要求中的任一项所述的方法，切换系统(5)包括多个并联安装的臂(8)，每个臂包括被中点(16)分开的两个可控切换单元(10)，每个线圈(6)布置在专用于所述线圈(6)的两个臂(8)的中点(16)之间，且电容器(2)与所述臂(8)并联安装。
6.如前述权利要求中的任一项所述的方法，电路(2)此外包括电能存储单元(30)，电容器(2)安装在电能存储单元(30)和切换系统(5)之间。
7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，电路(2)此外包括连接器(23)，该连接器(23)适于连接至电网(24)的互补连接器，以为电能存储单元(30)充电，连接器(23)至少包括多个触点(32)，该多个触点(32)每个具有一个自由的端部和连接至线圈(6)的中间点(35)的另一端部。
8.如权利要求7所述的方法，电网(24)传送交流电供电量或直流电供电量的任一个。
9.如前述权利要求中的任一项所述的方法，电路(2)包括DC/DC电压转换器(41)，该DC/DC电压转换器(41)布置在电容器(2)和电能存储单元(30)之间。
10.如前述权利要求中的任一项所述的方法，电路被安装在电动车辆或混合动力车辆上。
11.如前述权利要求中的任一项所述的方法，电容器(2)仅经由切换系统(5)电连接至电定子绕组(4)。
12.如前述权利要求中的任一项所述的方法，在放电期间，来自电容器(2)的电流在切换系统(5)中和在电定子绕组(4)中流动，而没有通过电导体之外的电部件。
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