CN109874353B

CN109874353B - 安全方法、用于实现该安全方法的装置以及混合动力或电动车辆

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Publication number: CN109874353B
Application number: CN201780053119.7A
Authority: CN
Inventors: A·鲁克尔; I·费伦齐; L·罗伊格; C·F·勒斯勒尔
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2037-11-07
Also published as: EP3542437B1; US20190263265A1; WO2018091308A1; CN109874353A; EP3542437A1; DE102016222340A1; US11728672B2

Abstract

本发明涉及一种用于在具有强电流和高电压构件的车辆中、尤其是混合动力或电动车辆中的安全方法、一种实现该安全方法的装置以及一种混合动力或电动车辆。为了提供一种安全方法以及一种用于实现该安全方法的装置以及一种所述类型的车辆，它们尤其是在碰撞时进一步提高安全性，提出附加于将蓄电池(2)与HV中间电路(3)进行物理分离，使所述HV中间电路(3)放电。

Description

安全方法、用于实现该安全方法的装置以及混合动力或电动车辆

技术领域

本发明涉及一种安全方法、一种用于在具有强电流和高电压构件(Hochvoltkomponenten)的车辆中、尤其是混合动力或电动车辆中实现该安全方法的装置，以及一种混合动力或电动车辆。

背景技术

由现有技术已知，在混合动力车辆、氢(能源)车辆和电动车辆中强电流构件和高电压构件(例如换流器、充电器、空调压缩机、电加热器、DC/DC变换器、HV分配器或HV主导线和电缆束)并非没有合适保护措施地设置在这类车辆的碰撞区域中。在没有其它对应措施的情况下所述HV构件的损坏可能导致热事件或火灾、乘员或救援力量与HV电势或电击接触和/或由于与低电压部件或信号车载电网的HV接触导致车辆内部的碰撞、保护或紧急功能失效。所述构件的特殊机械保护设置作为传统防护措施，其中，接受附加的重量并且上述类型的特别关键的构件通常定位在车辆中心或不定位在暴露的区域中。

此外，通过这类车辆碰撞方案，通过明显地限制车辆内部构件的空间布置结构的可能性尽可能地确保HV构件在碰撞情况下未遭到破坏。所述HV构件由车辆结构保护和/或本身与此对应地构造成坚固的并且可机械负载的。

此外，由现有技术已知不同的安全方法，这些安全方法在感应事故时实现电池或蓄电池与其余网络或高电压系统物理分离。设置有接触器或烟火技术元件用于分离高电压系统HVS。根据DE 10 2004 019817A1的教导，用于保护电消耗器的烟火保险装置已经在有危险的干扰时并且在碰撞情况下被用于防止过高的电流并且用于切断电池。IN2013MUM00283 A1提出在水、火进入的情况下或在事故期间通过烟火技术的开关将蓄电池绝缘分离。

此外提出，独立于触发乘员保护系统地切断高电压系统。在此，HV系统和气囊系统的控制装置衔接到不同的逻辑单元上。此外，DE10 2009 039 913A1提出，对于改进切断在车辆中的高电压系统来说提供一种具有所配设的传感器输入端的单独的控制装置。因此，相对于例如由其它优先权设定的安全气囊控制装置提供这种切断原则上的独立性。

发明内容

本发明具有如下目的：提供一种安全方法和一种用于实现该安全方法的装置以及一种所述类型的车辆，它们尤其是在碰撞情况下进一步提高安全性。

按照本发明，所述目的通过一种按照本发明的安全方法以如下方式实现：附加于将蓄电池、燃料电池或电能的其它源与作为用于转换和分配车辆内部电能的器件的HV中间电路进行物理分离，在所述分离之后恰好将所述HV中间电路有针对性地放电。在本发明的范围内，存储器被理解成电能源，所述存储器具有数千瓦小时的总能量含量。电能源例如是宝马i3系的蓄电池组，其具有大约19千瓦小时的总能量含量。

与此对应地，根据本发明的保护装置设置有：分离装置，用于将作为电能存储器的蓄电池或燃料电池或电能的其它源与HV中间电路进行物理分离，其中，在蓄电池分离的情况下HV中间电路与放电装置连接。

因此，本发明基于如下认识：一方面单纯地分离蓄电池或电能源并且另一方面单纯地分离高电压中间电路是不够的，因为在高电压中间电路中存在太多电负荷构件和/或通过电动机在发电机式的运行状态中电能又可被供应到高电压中间电路中。存储在中间电路中并且尤其是存储在换流器的区域中的能量在没有在先放电的情况下可在短路情况中变得关键，因为在车辆车身由事故导致的变形过程中伴随有高电压中间电路的组成部分受损尤其是不能排除在车辆中由于电击或火导致的风险。因此，按照本发明通过使高电压中间电路有针对性地放电提出一种广泛的并且非常有效的对应措施。

因而，在本发明的一优实施方式中，HV中间电路之间的正电势与负电势通过放电装置相互连接。在本发明的一特别有利的实施方式中，所述放电装置以高电流固定放电电阻的形式构造，该放电电阻对于快速放电来说具有仅非常小的电阻值。

在本发明的一种扩展方案中，所述放电装置导电地或连接地设置在HV中间电路之间的正电势与负电势(HV+、HV-)之间尤其是在换流器的区域中。

优选地，所述分离装置实施成保险装置、半导体元件或高电流开关。然而特别优选地，分离装置以烟火技术触发式保险装置的形式实施。这种保险装置在较短时间内作为例如以接触器结构形式的高电流开关引起物理分离。

特别优选地，在按照本发明的安全方法的一种扩展方案中，在预备步骤中，在将蓄电池与HV中间电路并且尤其是与作为HV中间电路的组成部分的换流器进行物理分离之前将存储在电动机/发电机单元的磁场中的能量通过HV中间电路输送到蓄电池中。

此外，在使用永久励磁同步电机作为电动机/发电机单元的情况中，在本发明的一种扩展方案中设置主动短路，通过该主动短路防止转换成电能的机械能的反馈。与此对应地，该主动短路设置在HV中间电路的配设给电动机/发电机单元的区域中。

附图说明

下文参照各实施例借助附图详细阐述按照本发明的实施方式的其它特征和优点。其中示意性地：

图1：示出在混合动力或电动车辆中电能量供应的基本结构的方框电路图；

图2：示出根据图1的装置的较详细的示图；

图3：用三个示例性瞬间示图示出在标准事故场景的过程中变形的时间进展，其具有在已知方法以及按照本发明方法的一种实施方式中的配设的方法步骤，以及

图4：示出用于根据相应电动机的类型进行切断的流程图。

具体实施方式

在不同的附图上相同的附图标记总是用于相同的元件。在此，在没有限制的情况下接下来仅考虑在具有包括蓄电池的电能量供应的车辆中的使用。

图1示出在由现有技术已知的混合动力或电动车辆1中电能量供应的基本结构的方框电路图。在这方面，在粗略简化的示图中，电池或蓄电池2通过高电压电势HV+、HV-或相应的接口连接到高电压中间电路3上并且通过所述高电压中间电路与电驱动电动机4或发电机连接。快速示出作为一般能量供应方的蓄电池2以及通过再利用获得制动能的存储器的作用，而高电压中间电路3的作用明显较复杂。高电压中间电路3提供多于仅一个在蓄电池2与电动机/发电机单元4之间的连接环节。高电压中间电路3的任务是多样化的，特别是因为高电压中间电路必须正确操控任何运行方式的电动机/发电机单元4并且必须将整个车辆中的电能根据成套设备的不同要求进行分配并且监控。此外，在使用电流激励式同步电机SSM的情况下也必须通过高电压中间电路3提供用于电流激励式同步电机SSM的转子的励磁电流E_SSM，而电动机/发电机单元4的定子通过供应线路V提供电能。

在事故时根据现有技术仅设定将蓄电池2与高电压中间电路3分离。因此，应该防止在由事故导致发生的车辆1损坏以及变形的过程中蓄电池导电地例如与车身构件等接触。这导致高的电流流动伴随着火险，并且也可能导致对车辆乘员的电击。

按照本发明现在认识到，将蓄电池2与高电压或HV中间电路3单纯电绝缘地分离基本上出于以下原因是不够的：

1.所述高电压中间电路3包括大量的电构件，通过这些电构件能够存储高的电压。此外，通过所述电压，由于由事故导致的变形在将蓄电池2分离之后损坏也可能引起较高的电流流动或电击。

2.由于事故，存储在电动机/发电机单元4中的机械能M不直接被导出。相反地，通过持续的转子转速而存在的机械能M以发电机方式被转换成电能E并且供应给高电压中间电路3。

即使实现一种具有碰撞传感装置和将HV系统与蓄电池2快速分离的系统，HV系统总是仍将能量E存储在HV中间电路3中，例如换流器的电容器中。中间电路中的所述能量E足够大，以至于对低电压或信号车载电网构成短路风险。此外，HV构件即使在发生事故的情况下也不允许被破坏，由此可能触发尤其对乘员而言的进一步危险。由所述条件导出的碰撞可靠的构造和布置结构需要许多结构空间、费用并且由于一种防护部(Panzerung)也需要相应附加的重量。车辆结构或构件必须实施成较坚固的，或构件必须集成在车辆中较安全的位置上。最后，在车身部件由事故导致发生的变形过程中将电系统相对缓慢地切断可能导致短路，由于所述短路例如碰撞后的安全功能可能受到影响或停止运转。热事件或HV接触同样不能被排除。

因此，以在图1中仅示意性示出的方式，至少单极地、将蓄电池2和高电压中间电路3电分离部被接上高电压中间电路3的放电部，如在图1中通过电阻R_e象征表示的那样。在本实施例中，所述电阻R_e设置作为分离装置5的一部分并且设计用于能够在短的时间间隔上承受高电流流动，以便因此在将蓄电池2分离之后保证高电压中间电路3限定的并且有效的放电。

图2示出根据图1的装置的较详细的示图。由此，示出HV中间电路3的宽的分支，所述HV中间电路通过功率电子器件6与在换流器中的IGBT或MOSFET元件连接到电动机/发电机单元4上，并且通过按照本发明的分离装置5与蓄电池2连接。在此，在HV中间电路3的并行支路7中示例性地设置有带有充电插座LD的充电器8、DC/DC变换器、电制冷剂压缩机10以及电加热器11。因此，相应地电能E暂存在不同的消耗器中，如在图2中通过电容器上的电压箭头或闪电示出，所述电压箭头或闪电描述HV中间电路3的有危险的剩余电荷。

根据本发明的切断过程划分成不同的相继序列，参见图3。在状态I中障碍物H与车辆1的外壳第一次接触。首先，通过传感装置12生成用于碰撞识别的相应信号S。在此，采用根据现有技术的装置和方法并且在此例如使用行人防护装置的传感装置或用于碰撞探测的另外的传感器，这些传感器现在也为了切断HV系统而较早地识别碰撞。车辆特定优化的传感器方案能够实现缩短时间间隔直到碰撞识别。

用于碰撞识别的信号S由传感器12供应给碰撞控制装置13并且在那里被处理用于接下来控制子过程。因而，在使用电流激励式同步电机SSM时首先随着将能量导回到蓄电池2中去激励磁场，步骤E_ESM，然后例如通过开关14分离蓄电池2，并且最后通过开关15借助高电流放电电阻R_e使高电压中间电路3放电。在使用永久励磁同步电机PSM的情况下可连续地维持主动短路AKS，至少只要动能M可通过电动机/发电机单元4作为电能被转换供应到HV中间电路3中。由于在电动机/发电机单元4中设置有电流激励式同步电机SSM或永久励磁同步电机PSM，图3中相应的区块对应地作为替代方案二者划成虚线示出。但基本上所述方法在这两种情况或变型方案中同时结束。

因此，上述过程在极短的时间内从车辆外壳与障碍物H第一次接触开始直到达到由事故导致的状态II结束。在此，现在继续发生以力和加速度对HV构件加载，这可能导致内部部件相互和/或与车身部件的损坏和短路。在过渡至状态III时，现在发生另外的吸收能量的变形。已知的(在此用St.d.T.(现有技术)标记的)分离过程随着达到所述状态III才结束，而根据所描述实施例已经在大约所述时间间隔一半时分离已经随着使HV中间电路3可靠地放电而结束。

除上述对于现有技术所述继续存在的危险以外，为了能够在车辆的碰撞加载区域中HV构件的布置结构和设计方面实现已知的限制：

-缩短切断序列，参见图3下部，并且

-附加地使HV中间电路放电，这一方面也可在第二个步骤中进行。

为此，重新使用在多个位置上已知的元件，这些元件通过图3中的箭头示出。因此，存在用于将HV构件可靠地集成在碰撞区域中的方案级联。因此，所述方案允许HV构件受损，其中，由此接下来仅HV存储器或蓄电池2或此外所有主动参与放电过程的构件继续被排除，如例如从电动机4到放电装置5的HV连接。

首先，通过使用优化的传感装置方案缩短用于可靠碰撞识别所需的时间。这能够通过附加措施实现，例如安装压力软管以及附加的加速度接收器。此外，在所述示例情况中附加地还包括行人传感装置，在该行人传感装置的下游连接有至少一个另外的延迟传感器来建立可行度测试。通过所发送的信号切断电机的回收利用，使得没有能量再从电动机/发电机单元4被充到HV存储器2中。同时，通过换流器6将电动机/发电机单元4的主动短路AKS被接通，由此电动机/发电机单元4可以不向HV中间电路供应能量。所述HV中间电路是HV-DC电压级，在HV存储器外部的所有HV构件连接在所述电压级上，参见图2。

如果电流激励式同步电机SSM被用作电驱动电动机4，则同时开始其励磁回路的放电，R_SSM。如果在SSM的转子中不再有电流流动，则即使换流器受到破坏以及因此AKS电路失效也不再有能量能够被供应到HV中间电路3中。

在切断回收利用和磁场之后在使用SSM的情况下在电动机/发电机单元4中进行分离高电压中间电路3。在所述范围中，HV存储器或蓄电池2通过合适快速且可靠的电分离元件(例如烟火技术的元件)至少单级地与HV中间电路3分离。这可通过用于分离导电接触的烟火技术的分离元件实现。所述烟火技术的分离元件比接触器打开得明显更快。由此，相对于已知装置明显缩短了所需要的时间。

另外，现在直接在存储器2分离之后放电电阻R_e作为在HV中间电路3的正电势HV+与负电势HV-之间的限定导电的触点被接通。所述触点在HV存储器2分离时才允许被接通。否则HV存储器2短路，这可能导致局部过度加热直到火灾的热事件。因此，必须确保通过碰撞控制装置13将所述两个相继的过程步骤严格地分开。同时，上述全部过程必须非常快地进行。因此，替代烟火技术的保险装置，烟火技术操纵的开关15被用作如下元件，该元件将用于HVS的连接分开并且同时建立与放电电阻R_e的连接。因此，中间电路的放电通过在HV+与HV-之间被接通的放电电阻R_e进行。所述放电电阻R_e尽可能小地定尺寸以便快速地实现放电，但足够大使得能维持中间电路的载流能力。

在加载HV构件的时刻，现在HV中间电路3放电。但电机或电动机/发电机单元4由于车辆移动的连续性并且保持动能M进一步旋转。由此，动能或旋转能量进一步被转换成电能E并且被引入到HV中间电路3中。在永久励磁同步电机PSM中，所述状态维持直到车辆停止。而在电流激励式同步电机SSM中，所述状态仅维持直到转子励磁被电动地切断。通过碰撞控制装置13采用如下按照图4的流程图的措施。就借助传感装置12的信号识别碰撞而言，另一种方式根据相应的驱动技术来区分。在永久励磁同步电机PSM的情况中，在功率电子器件6中主动短路AKS被接通。在将HV中间电路3与蓄电池2分离之后，放电电阻R_e在HV中间电路3的电势HV+与HV-之间的分离位置上被接通。通过放电电阻R_e，所述能量E立即在HV中间电路3中短路并且因此信号车载电网可能未受到干扰或仅最小地受到干扰。在电流激励式同步电机SSM作为电动机/发电机单元4的电机的情况中，所述电流激励式同步电机首先被去励磁或构造其磁场并且存储在其中的能量被输送到高电压存储器或蓄电池2中。因此，首先将HV中间电路3与蓄电池2分离，并且接下来放电电阻R_e在HV中间电路3的电势HV+与HV-之间的分离位置上被接通。

如果在HV中间电路3与信号总线之间存在导电接触，则信号总线的所述分支虽然被停用，因为它对此没有发送信息，但信号总线的其它分支可不受干扰地实施碰撞后的功能并且例如进行紧急呼叫(eCall)。短路的信号导线虽然与HV中间电路有接触，但由于放电电路防止所供应的能量跳跃到在信号总线控制装置的另一区域上。因此，设置一种附加的安全级，如果在中间电路中仍有一些能量，则所述安全级主动介入。

异步电机(ASM)在所述安全方案的上下文中如SSM那样表现。仅在SSM中附加地执行转子的去励磁。因此，按照本发明的方案可被用于所有类型的电机单元。

通过上述用于实现安全方法的装置，相对于已知方案实现接下来总结的优点：

-HV构件，如充电器8、DC-DC变换器9、换流器、HV线缆、HV分配器、空调压缩机10、电加热器11、电动机/发电机单元4允许在碰撞中受到破坏，因为由于上述系统由此不再构成电气危险。在车辆1内部坚固的设计和/或受保护的定位不再是强制需要的。

所述措施有利地实现

-较少的结构空间

-较少的重量

-较有利的费用

-构件本身必要时可吸收变形能量。

仅仅对于确保在电动机/发电机单元4与放电电路或分离装置5之间的导电连接的构件必须也在碰撞事件中可靠地保持所述导电功能。

-广泛地获得所有在车辆1中设定的碰撞后的措施，其中，可靠地防止碰撞后的功能可能的失效。

-使由于短路可能点燃的风险最小化。

-乘员在与带有＞60V的引导电压的构件接触之前可靠地受到保护。

附图标记列表

1 电动车辆

2 蓄电池/HV存储器

3 高电压或者说HV中间电路

4 电动驱动电动机或发电机/电动机/发电机单元

5 分离装置

6 功率电子器件

7 HV中间电路3的并行支线

8 充电器

9 DC/DC变换器

10 电制冷剂压缩机

11 电加热器

12 传感装置

13 碰撞控制装置

14 在蓄电池2的一个极上的接触器

15 在蓄电池2的第二极上的烟火技术开关

AKS 主动短路(在PSM的情况下)

E 电能

E_SSM 在SSM的情况下用于转子的励磁电流

R_SSM SSM的去励磁

H 障碍物

HV+/HV- 高电压电势

LD 充电插座

M 电动机/动力总成系统的机械能

PSM 永久励磁同步电机

R_e 放电电阻

S 用于由碰撞控制装置13进行碰撞识别的信号

SSM 电流激励式同步电机

V 用于电动机/发电机单元4的供应线路

V_SSM 在使用SSM的情况下用于电流激励的连接

Claims

1.用于在具有强电流和高电压构件的车辆中使用的安全方法，

在该方法中蓄电池(2)被用作电能的存储器并且车辆(1)内部的电能通过HV中间电路(3)被转换和/或分配，所述蓄电池通过HV中间电路(3)与电动机/发电机单元(4)连接，

其特征在于，附加于将所述蓄电池(2)与所述HV中间电路(3)物理分离，使所述HV中间电路(3)通过高电流电阻(R_e)放电，通过传感装置(12)生成用于碰撞识别的相应信号(S)，所述信号供应给碰撞控制装置(13)并且在所述碰撞控制装置上被处理，以用于如下步骤：在预备步骤中在将所述蓄电池(2)与所述HV中间电路(3)进行物理分离之前将存储在电动机/发电机单元(4)的磁场中的能量通过所述HV中间电路(3)输送到所述蓄电池(2)中，直接在蓄电池(2)分离之后，所述高电流电阻作为在HV中间电路(3)的正电势(HV+)与负电势(HV-)之间的限定导电的触点被接通。

2.根据权利要求1所述的安全方法，其特征在于，所述车辆是混合动力车辆、氢能源车辆或电动车辆(1)。

3.根据权利要求1或2所述的安全方法，其特征在于，将包含在HV中间电路中的换流器通过所述高电流电阻(R_e)放电。

4.根据权利要求1或2所述的安全方法，其特征在于，在预备步骤中在将所述蓄电池(2)与作为HV中间电路(3)的组成部分的换流器进行物理分离之前将存储在电动机/发电机单元(4)的磁场中的能量通过所述HV中间电路(3)输送到所述蓄电池(2)中。

5.在具有强电流和高电压构件的车辆中的防护装置，

在所述车辆(1)中设置有蓄电池(2)作为电能的存储器并且设置有HV中间电路(3)作为用于转换和分配所述车辆(1)内部电能的器件，所述蓄电池通过HV中间电路(3)与电动机/发电机单元(4)连接，

其特征在于，设置有用于将所述蓄电池(2)与所述HV中间电路(3)进行物理分离的分离装置(5)，所述HV中间电路(3)通过该分离装置与高电流电阻(R_e)连接，

并且设置有碰撞控制装置，所述碰撞控制装置处理由传感装置(12)生成的用于碰撞识别的信号(S)，以用于如下步骤：在预备步骤中在将所述蓄电池(2)与所述HV中间电路(3)进行物理分离之前将存储在电动机/发电机单元(4)的磁场中的能量通过所述HV中间电路(3)输送到所述蓄电池(2)中，直接在蓄电池(2)分离之后，所述高电流电阻作为在HV中间电路(3)的正电势(HV+)与负电势(HV-)之间的限定导电的触点被接通。

6.根据权利要求5所述的防护装置，其特征在于，所述高电流电阻(R_e)导电地或连接地设置在所述HV中间电路(3)的正电势(HV+)与负电势(HV-)之间。

7.根据权利要求6所述的防护装置，其特征在于，所述高电流电阻(R_e)导电地或连接地设置在换流器的区域中。

8.根据权利要求5至7之一所述的防护装置，其特征在于，所述分离装置(5)实施成保险装置、半导体元件或高电流开关。

9.根据权利要求8所述的防护装置，其特征在于，所述分离装置(5)以烟火技术触发式保险装置的形式实施。

10.根据权利要求5至7之一所述的防护装置，其特征在于，所述碰撞控制装置(13)设置用于协调逐步切断电能量供应。

11.根据权利要求5至7之一所述的防护装置，其特征在于，在所述HV中间电路(3)的配设给具有永久励磁同步电机(PSM)的电动机/发电机单元(4)的区域中设置主动短路(AKS)。

12.根据权利要求5至7之一所述的防护装置，其特征在于，所述车辆是混合动力车辆、氢能源车辆或电动车辆(1)。

13.混合动力或电动车辆，其特征在于，

该混合动力或电动车辆具有用于实现根据权利要求1至4之一所述的安全方法的装置，和/或

该混合动力或电动车辆具有根据权利要求5至12之一所述的防护装置。