CN110603699B - 具有用于使电容器放电的电流消耗电路的电气系统、相关的机动车辆和方法 - Google Patents

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Abstract

电气系统(100)包括：‑电容器(C)；‑电力供应设备(102)；‑电力接收设备(104)；‑电流消耗电气电路(108)，其被设计为消耗经由第一接口端子(BA)进入并经由第二接口端子(BB)离开的电流(i)。电气系统(100)被设计为使得当电力供应设备(102)连接到电容器(C)的端子时，电流消耗电气电路(108)消耗放电电流(i)。电流消耗电气电路(108)包括晶体管(Q1)，晶体管(Q1)被布置为使得所消耗的电流(i)经由晶体管(Q1)的电流输入端子(C1)进入并经由晶体管(Q1)的电流输出端子(E1)离开，并且电流输出端子(E1)连接到晶体管(Q1)的控制端子(B1)以使晶体管(Q1)稳定。

Description

具有用于使电容器放电的电流消耗电路的电气系统、相关的 机动车辆和方法
技术领域
本发明涉及电容器的放电，具体地是在电动车辆(electric motor vehicle)领域。
背景技术
公开号为US 6204612B1的美国专利描述了一种电容器，意图将电功率模块连接到该电容器的端子上。另外，它描述了一种包括稳定晶体管的电流消耗电气电路，该稳定晶体管连接到电容器的端子。在该公开中，电流消耗电气电路被设计为被激活以便在功率模块从电容器机械地且电气地断开连接时消耗基本上恒定的放电电流。因此，电流的消耗使电容器放电，从而防止了如果操作者触摸电容器时可能发生的电击。更具体地，功率模块包括导体，该导体被布置为使受控开关短路以便使电流消耗电路无效。因此，当功率模块被断开连接时，导体从受控开关断开连接，从而使得电流消耗电气电路被激活。该解决方案具有需要在功率模块侧上存在机械元件(导体)的缺点。而且，例如在电连接故障的情况下，在功率模块仍机械地就位但从电容器电气地断开连接的时候，该解决方案不允许使电容器放电。
另外，已知的做法是将电阻器连接到由高压源供电的电容器的端子上，以在高压源断开连接的情况下使电容器放电。该解决方案的缺点在于，即使在不需要时，也就是当高压源连接到电容器时，电阻器仍持续消耗大量电流。
本发明的目的是至少部分地克服上述问题。
发明内容
为此，提出一种电气系统，包括：
-具有两个端子的电容器；
-连接到电容器的端子的电力供应设备；
-电力接收设备，其连接到电容器的端子以接收由电力供应设备供应的电力；
-电流消耗电气电路，具有分别连接到电容器的端子的两个接口端子，并且被设计为消耗经由第一接口端子进入且经由第二接口端子离开的电流，
该电气系统被设计为使得当电力供应设备连接到电容器的端子时，电流消耗电气电路消耗电流，
该电气系统的特征在于：电流消耗电气电路包括晶体管，晶体管被布置为使得所消耗的电流经由晶体管的电流输入端子进入并经由晶体管的电流输出端子离开，并且电流输出端子被连接到晶体管的控制端子以使晶体管稳定。
可选地，电流消耗电气电路包括连接在晶体管的电流输出端子和晶体管的控制端子之间的齐纳二极管，以使晶体管稳定。
同样可选地，电流消耗电气电路包括连接在晶体管的控制端子和第一接口端子之间的电阻器。
同样可选地，电流消耗电气电路包括连接在晶体管的电流输入端子和第一接口端子之间的电阻器。
同样可选地，电流消耗电气电路包括连接在电流输出端子和第二接口端子之间的电阻器。
同样可选地，电力供应设备被设计为施加DC电源电压。
同样可选地，DC电源电压高于60V，优选地高于300V。
同样可选地，电力供应设备包括以下之一：电池充电器和电池。
同样可选地，电力接收设备包括以下之一：电池、逆变器和DC到DC转换器。
还提出了根据本发明的电气系统。
贯穿前述文本中，电流消耗电气电路可以是无源电路。在电力供应设备不工作时，该电流消耗电气电路可以专门经由两个接口端子、具体地是通过将被放电的电容器被供应电力。而且，该电气放电电路可以没有任何计算组件，也就是说没有任何被设计为运行计算机程序的组件，诸如微控制器或微处理器。
还提出了一种使具有两个端子的电容器放电的方法，包括：
-当将电力供应设备连接到电容器的端子以施加横跨电容器的端子的电源电压时，具有分别连接到电容器的端子的两个接口端子的电流消耗电气电路消耗经由第一接口端子进入并经由第二接口端子离开的电流。
-当电力供应设备不再工作以不再限制横跨电容器的端子存在的电容器电压时，电流消耗电气电路消耗电流以使电容器放电，
该方法的特征在于：在先前步骤中使用的电流消耗电气电路包括晶体管，该晶体管被布置为使得所消耗的电流经由晶体管的电流输入端子进入并经由晶体管的电流输出端子离开，并且晶体管的电流输出端子连接到晶体管的控制端子，以使晶体管稳定。
在本发明的一个特定实施例中，在上述放电方法的步骤中使用的电流消耗电气电路还包括连接在晶体管的电流输出端子和晶体管的控制端子之间的齐纳二极管，以使晶体管稳定。
在本发明的另一特定实施例中，在上述放电方法的步骤中使用的电流消耗电气电路还包括连接在晶体管的电流输入端子和第一接口端子之间的电阻器。
附图说明
图1是根据本发明的电气系统的电路图，该电气系统包括用于使电容器放电的电流消耗电气电路。
图2是示出电容器电压和进入电流消耗电气电路的电流随时间的变化的时序图。
图3是示出包括至少一个诸如图1所示的电气系统的机动车辆的图。
具体实施方式
现在将参照图1描述实现本发明的电气系统100。
电气系统100首先包括具有两个电力供应端子BC、BD的电力供应设备102，设计横跨这两个电力供应端子来供应电源电压E。例如，电源电压E基本恒定。此外，在所描述的示例中，电力供应端子BD连接到电气系统100的电气接地，并且意图使电力供应端子BC处于+E V的正电势。
电气系统100还包括电力接收设备104，电力接收设备104连接在电力供应端子BC、BD之间，并且被设计为接收由电力供应设备102供应的电力。
电气系统100还包括电容器C，电容器C具有分别连接到电力供应端子BC、BD的两个端子BE、BF，并且例如被设计为使电源电压E平滑。电容器C具有等于电力供应设备102工作时的电源电压E的、横跨其端子BE、BF的电容器电压uC。
电气系统100还包括电流消耗电气电路108，电流消耗电气电路108具有分别连接到电容器C的端子BE、BF的两个接口端子BA、BB，以接收电容器电压uC。电流消耗电气电路108被设计为消耗经由第一接口端子BA进入并经由第二接口端子BB离开的电流。
在电力供应设备102不工作时，例如在其断开连接时，电流消耗电气电路108尤其旨在使电容器C放电。例如在图1中，当将电力供应端子BC、BD连接到接口端子BA、BB的连接之一损坏时，发生这种情况。
电流消耗电气电路108包括晶体管Q1，晶体管Q1具有电流输入端子C1、电流输出端子E1和控制端子B1。在所描述的示例中，晶体管Q1是双极晶体管，其具有分别对应于电流输入端子C1、电流输出端子E1和控制端子B1的集电极、发射极和基极。晶体管Q1的断开或闭合状态由存在于控制端子B1和电流输出端子E1之间的控制电压V1限定。另外，电流i通过经由电流输入端子C1进入并经由电流输出端子E1离开而流过晶体管Q1。
在所描述的示例中，电流消耗电气电路108还包括连接在电流输入端子C1和接口端子BA之间的电阻器R1。
在所描述的示例中，电流消耗电气电路108还包括连接在电流输出端子E1与接口端子BB之间的电阻器R2。
在所描述的示例中，电流消耗电气电路108还包括连接在控制端子B1和接口端子BA之间的电阻器R4。
在所描述的示例中，电流消耗电气电路108还包括连接在控制端子B1和接口端子BB之间的齐纳二极管D1。
因此，晶体管Q1的电流输出端子E1通过电阻器R2和齐纳二极管D1连接到晶体管Q1的控制端子B1，以使晶体管Q1稳定。
现在将参照图2描述电气系统100的操作。
最初，电力供应设备102是工作的并且供应电源电压E，在所描述的示例中电源电压E的值为500V。通常，电源电压E是“高电压”，这意味着在汽车领域，其具有大于60V、优选地大于300V的值。
因此，电容器C以电源电压E充电，使得电容器电压uC等于电源电压E。
晶体管Q1的控制端子B1通过电阻器R4充电，使得晶体管Q1处于闭合(导通)状态。因此，非零电流i从接口端子BA通过晶体管Q1流到接口端子BB。由于晶体管Q1是稳定的，所以即使在电源电压E发生波动的情况下，电流i也基本恒定，并且在所示示例中其值为5mA。通常，电流i优选地具有大于1mA的值。
在时间t0处，电力供应设备102例如通过与电气系统100的其余部分断开连接而转变为非工作状态。
因此，电流i的消耗导致电容器C放电并且因此电容器电压uC下降。由于晶体管Q1是稳定的，流过它的电流i基本恒定(实际上略有下降)，处于比如果将其放电到简单电阻器中的情况明显更高的水平。具体地，在后一种情况下，电流将在电力供应设备102断开连接之后的第一瞬间呈指数减小，并因此很快减小。因此，由于所消耗的电流i保持在高水平，接近在时间t0之前的水平，电容器电压uC迅速下降。
优选地，选择组件使得电容器C在小于60秒(图2中的时间t1)内放电到小于60V。
由于晶体管Q1是稳定的，可以对电流消耗电气电路108进行标定，以使启动电流i(即，在电力供应设备102工作时的t0之前)较小，无论如何小于使用放电电阻器时。因此，在电气系统100中，在电力供应设备102工作时由电流i的消耗引起的损耗比使用电阻器时更低。
此外，在时间t2处，当电容器电压uC变得太低而无法使晶体管Q1稳定时，电流消耗设备108会“崩溃(collapse)”，即，它不再能够保持电流i基本恒定，并且该电流会非常迅速地减小。由于已经实现了所需的电容器的放电(uC<60V)，因此该崩溃无关紧要。
此外，根据前述内容，将理解的是，电流消耗电气电路108是无源电路，这意味着两者：其被设计为当电力供应设备102不工作时专门经由两个接口端子BA、BB被供应电力，具体地是通过电容器C被供应电力；并且它不包括任何计算组件，也就是说，被设计为运行计算机程序的任何组件，诸如微控制器或微处理器。
现在将参照图3描述电动车辆300。
电动车辆300包括充电器302，充电器302被设计为连接到电网并提供DC电压。
电动车辆300还包括被设计为由充电器302充电的高压电池304。
电动车辆300还包括被插入在充电器302和高压电池304之间的电容器C1。
电动车辆300还包括逆变器306，逆变器306被设计为基于来自高压电池304的DC电压来供应AC电压。
电动车辆300还包括被插入在高压电池304和逆变器306之间的电容器C2。
电动车辆300还包括电动机308，电动机308被设计为由逆变器306供应电力并驱动电动车辆300的车轮。
电动车辆300还包括DC到DC转换器310，该DC到DC转换器310被设计为基于由高压电池304供应的高压来供应低压。
电动车辆300还包括被插入在高压电池304和DC到DC转换器310之间的电容器C3。
电动车辆300还包括被设计为由DC到DC转换器310充电的低压电池312。低压电池312例如用于向电动车辆300的配件供应电力。
参照图1描述的电流消耗电气电路108可以用于电容器C1、C2、C3中的每一个。因此，取决于所涉及的电容器，电力供应设备102因此包括以下之一：充电器302和高压电池304，并且电力接收设备包括以下之一：高压电池304、逆变器306和DC到DC转换器310。
本发明不限于上述实施例，而是由所附权利要求限定。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，可以对其进行修改。
例如，可以省略电阻器R1和R2中的一个或另一个。
另外，齐纳二极管D1可以用电阻器代替。
而且，一个或多个电阻器R1、R2和R4中的每一个优选地是具有随温度改变很小的电阻的电阻器，例如在0℃至150℃之间每摄氏度最多改变1欧姆的100百万分之一。
而且，权利要求中所使用的术语不应被理解为限于上述实施例中的元件，而应被理解为涵盖本领域技术人员能够从其一般知识中推断出的所有等同元件。
具体地，术语“电动车辆”还涵盖包括用于驱动车轮的电动机和内燃机两者的混合动力车辆的情况。

Claims (13)

1.一种电气系统(100)，包括：
-电容器(C)，其具有两个端子(BE，BF)；
-电力供应设备(102)，其连接到所述电容器(C)的端子(BE，BF)；
-电力接收设备(104)，其连接到所述电容器(C)的端子(BE，BF)，以接收由所述电力供应设备(102)供应的电力；
-电流消耗电气电路(108)，其具有分别连接到所述电容器(C)的端子(BE，BF)的两个接口端子(BA，BB)，并且被设计为消耗经由第一接口端子(BA)进入并经由第二接口端子(BB)离开的电流(i)，
所述电气系统(100)被设计为当所述电力供应设备(102)连接到所述电容器(C)的端子时，所述电流消耗电气电路(108)消耗所述电流(i)，
所述电气系统(100)的特征在于：所述电流消耗电气电路(108)基于所包括的晶体管(Q1)，所述晶体管(Q1)被布置为使得所消耗的电流(i)经由所述晶体管(Q1)的电流输入端子(C1)进入并经由所述晶体管(Q1)的电流输出端子(E1)离开，并且所述电流输出端子(E1)被连接到所述晶体管(Q1)的控制端子(B)以使所述晶体管(Q1)稳定。
2.根据权利要求1所述的电气系统(100)，其中，所述电流消耗电气电路(108)包括连接在所述晶体管(Q1)的电流输出端子(E1)和所述晶体管(Q1)的控制端子(B1)之间的齐纳二极管(D1)，以使所述晶体管(Q1)稳定。
3.根据权利要求1所述的电气系统(100)，其中，所述电流消耗电气电路(108)包括连接在所述晶体管(Q1)的控制端子(B1)和所述第一接口端子(BA)之间的电阻器(R4)。
4.根据权利要求1所述的电气系统(100)，其中，所述电流消耗电气电路(108)包括连接在所述晶体管(Q1)的电流输入端子(C1)和所述第一接口端子(BA)之间的电阻器(R1)。
5.根据权利要求1所述的电气系统(100)，其中，所述电流消耗电气电路(108)包括连接在所述电流输出端子(E1)和所述第二接口端子(BB)之间的电阻器(R2)。
6.根据权利要求1所述的电气系统(100)，其中，所述电力供应设备(102)被设计为施加DC电源电压(E)。
7.根据权利要求6所述的电气系统(100)，其中，所述DC电源电压(E)高于60V。
8.根据权利要求6所述的电气系统(100)，其中，所述DC电源电压(E)高于300V。
9.根据权利要求1所述的电气系统(100)，其中，所述电力供应设备(102)包括以下之一：电池充电器(302)和电池(304)。
10.根据权利要求1所述的电气系统(100)，其中，所述电力接收设备(104)包括以下之一：电池(304)、逆变器(306)和DC到DC转换器(310)。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的电气系统(100)，其中，所述电流消耗电气电路(108)是无源电路。
12.一种机动车辆(300)，包括根据权利要求1至10中任一项所述的电气系统(100)。
13.一种使具有两个端子(BE，BF)的电容器(C)放电的方法，包括：
-当将电力供应设备(102)连接到电容器(C)的端子(BE，BF)以施加横跨所述电容器(C)的端子的电源电压(E)时，具有分别连接到所述电容器(C)的端子(BE，BF)的两个接口端子(BA，BB)的电流消耗电气电路(108)消耗经由第一接口端子(BA)进入并经由第二接口端子(BB)离开的电流(i)；
-当所述电力供应设备(102)不再工作以不再限制横跨所述电容器(C)的端子之间存在的电容器电压(uC)时，所述电流消耗电气电路(108)消耗所述电流(i)以使所述电容器(C)放电，
所述方法的特征在于：在先前步骤中使用的所述电流消耗电气电路(108)基于所包括的晶体管(Q1)，所述晶体管(Q1)被布置为使得所消耗的电流(i)经由晶体管(Q1)的电流输入端子(C1)进入并经由晶体管(Q1)的电流输出端子(E1)离开，并且所述晶体管(Q1)的电流输出端子(E1)连接到所述晶体管(Q1)的控制端子(B1)，以使所述晶体管(Q1)稳定。
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