CN110603700B - 用于使电容器放电的电气电路、包含该放电电路的电气系统和机动车辆 - Google Patents

用于使电容器放电的电气电路、包含该放电电路的电气系统和机动车辆 Download PDF

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Abstract

一种放电电路(106)，包括：两个接口端子(BA，BB)，电容器(C)连接至所述端子，并且在所述端子之间提供电容器电压(uc)；电气电流消耗电路(108)，其连接在两个接口端子(BA，BB)之间并被设计为消耗电容器(C)的放电电流(i)；以及电气控制电路(110)，用于控制电气电流消耗电路(108)，电气控制电路(110)连接在两个接口端子(BA，BB)之间，以接收电容器电压(uc)。电气控制电路(110)被设计为：当电容器电压(uc)高于预定义阈值时，使电气电流消耗电路(108)去激活，并且当两个接口端子(BA，BB)之间的电容器电压(uc)低于预定义阈值时，激活电气电流消耗电路(108)。电气控制电路(110)还被设计为仅经由两个接口端子(BA，BB)接收电力供应。

Description

用于使电容器放电的电气电路、包含该放电电路的电气系统 和机动车辆
技术领域
本发明涉及一种用于使电容器放电的放电电路(electrical dischargecircuit)，具体地是在电动车辆领域。
背景技术
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。因此，在高压源被断开连接的情况下，电容器放电到电阻器中，以防止当操作者触摸电容器时可能发生的电击。该解决方案的缺点在于，即使在不需要时，即当连接了高压源时，无源放电元件也持续消耗电流。
公开号为US 6204612B1的美国专利描述了一种用于使电容器放电的放电电路，其类型包括：
-两个接口端子，旨在将电容器连接至这两个接口端子，并且旨在在这两个接口端子间提供电容器电压，
-电流消耗电气电路，其连接在两个接口端子之间，并被设计为消耗来自电容器的放电电流，以及
-电气控制电路，其用于控制电流消耗电气电路，该电气控制电路连接在两个接口端子之间，以接收电容器电压。
在该公开中，电流消耗电气电路被设计为由电气控制电路激活，以便在电容器与电源模块断开连接时消耗基本恒定的放电电流。更具体地，电源模块包括导体，该导体被布置为使电气控制电路的受控开关短路，以使电流消耗电路去激活。因此，当电源模块被断开连接时，导体从电气控制开关断开连接，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高压源侧存在机械元件(导体)的缺点。
本发明的目的是提出一种放电电路，其可以至少部分地克服上述缺点。
发明内容
为此，提出了一种上述类型的用于使电容器放电的放电电路，所述电路的特征在于，电气控制电路被设计为：
-当电容器电压高于预定义阈值时，使电流消耗电气电路去激活，并且
-当两个接口端子之间的电容器电压低于预定义阈值时，激活电流消耗电气电路，
并且，电气控制电路被设计为排他地经由两个接口端子被供应电力。
借助于本发明，当电容器电压下降到阈值以下时，电流消耗电气电路被激活，使得不再需要提供外部机械元件来激活电容器的放电。此外，由于电气控制电路排他地经由接口端子被供应电力，其在电容器不再连接到电力供应设备时由电容器供应电力。因此，提高了放电电路的可靠性。
可选地，电流消耗电气电路包括第一晶体管，第一晶体管具有电流输入端子、电流输出端子和控制端子，放电电流旨在通过经由电流输入端子进入并经由电流输出端子离开而流过第一晶体管，并且电气控制电路连接至晶体管的控制端子，并且被设计为通过断开晶体管来使电流消耗电气电路去激活并且通过闭合晶体管来激活电流消耗电气电路。
同样可选地，电流输出端子连接至控制端子，以使第一晶体管稳定。
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控制端子之间的齐纳二极管，以使第一晶体管稳定。
同样可选地，电气控制电路包括：第二晶体管，第二晶体管具有电流输入端子、电流输出端子和控制端子，第二晶体管的电流输入端子连接至第一晶体管的控制端子；以及至少一个齐纳二极管，其连接在第二晶体管的控制端子和两个接口端子中的一个之间。
还提供了一种电气系统，所述系统包括：电容器(C)；根据本发明的用于使电容器放电的放电电路；电力供应设备，其具有两个电力供应端子并且被设计为经由两个电力供应端子供应电力；电力接收设备，其连接至两个接口端子并且被设计为接收由电力供应设备供应的电力。
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(E)高于60V，优选地高于300V。
同样可选地，接口端子中的第一个旨在具有比接口端子中的另一个更高的电势，并且一个或多个齐纳二极管连接在第二晶体管的控制端子和第一接口端子之间。
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：电池和逆变器。
贯穿前述文本中，用于使电容器放电的放电电路可以是无源电路。在电力供应设备不工作时，该放电电路可以排他地经由两个接口端子、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。
还提出了一种包括根据本发明的电气系统的机动车辆。
附图说明
图1是电气系统的电路图，该电气系统包括根据本发明的用于使电容器放电的放电电路。
图2是示出电容器电压和进入放电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如图1所示的放电电路的机动车辆的图。
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。电力供应设备102被设计为通过在两个电力供应端子BC、BD之间施加电源电压E来经由两个电源端子BC、BD供应电力。例如，电源电压E基本上是恒定的。此外，在所描述的示例中，端子BD连接到电气系统100的电气接地，并且旨在使端子BC相对于端子BD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连接在电力供应端子BC、BD之间，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、在其端子之间的电容器电压uC。
电气系统100还包括用于使电容器C放电的放电电路106，放电电路具体地旨在当电力供应设备102不工作时(例如，当其断开连接时)使电容器C放电。
放电电路106首先包括连接到电容器C的端子的两个接口端子BA、BB，以接收电容器电压uC。
放电电路106还包括连接在接口端子BA、BB之间的电流消耗电气电路108。
在所描述的示例中，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。
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还包括在控制端子B1和电流输入端子C1之间彼此串联连接的两个电阻器R3、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B之间的齐纳二极管D1，以使晶体管Q1稳定。
放电电路106还包括用于控制电流消耗电气电路108的电气控制电路110。电气控制电路110连接在两个接口端子BA、BB之间。
在所描述的示例中，电气控制电路110包括晶体管Q2，晶体管Q2具有电流输入端子C2、电流输出端子E2和控制端子B2。在所描述的示例中，晶体管Q2是双极晶体管，其具有分别对应于电流输入端子C2、电流输出端子E2和控制端子B2的集电极、发射极和基极。晶体管Q2的断开或闭合状态由控制端子B2和电流输出端子E2之间的控制电压V2限定。
在所描述的示例中，电流输出端子E2连接至接口端子BB。
在所描述的示例中，电气控制电路110还包括连接在控制端子B2和电流输出端子E2之间的电阻器R5。控制端子B2和电流输出端子E2之间经由电阻器R5的连接还使得可以使晶体管Q2稳定。
在所描述的示例中，电气控制电路110还包括电阻器R6和至少一个齐纳二极管D3、D2，它们在控制端子B2和控制端子C1之间彼此串联连接。齐纳二极管D3、D2具有等于齐纳二极管D3、D2的各个击穿电压之和的联合击穿电压。
在所描述的示例中，电气控制电路110还包括电阻器R1。因此，电气控制电路110接收电容器电压uC，该电容器电压uC具体地施加在电阻器R1，齐纳二极管D3、D2以及电阻器R5和R6的端子之间。
而且，电阻器R1、R2、R3、R4、R5和R6中的至少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。
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是工作的并且在其电力供应端子BC、BD之间施加电源电压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。
该电容器电压uC被电气控制电路110接收，使得电阻器R1，齐纳二极管D3、D2和电阻器R5、R6的端子之间的电压等于电源电压E。
现在，选择齐纳二极管D3、D2的联合击穿电压低于电源电压E，使得齐纳二极管D3、D2允许第一泄漏电流流过，所述泄漏电流穿过电阻器R1、R6和R5从端子BA流到端子BB。
由于泄漏电流if流过电阻器R5，因此控制电压V2是非零的，使得晶体管Q2保持在闭合(导通)状态。
因此，晶体管Q2使电阻器R3和齐纳二极管D1短路，使得控制电压V1基本为零。
因此，晶体管Q1保持在断开(截止)状态，使得电流消耗电气电路108去激活并且放电电流i基本上为零。
而且，由于晶体管Q2闭合(导通)，因此第二泄漏电流if'穿过电阻R4从接口端子A流到接口端子B。
因此，经由接口端子BA进入的电流iC等于泄露电流if、if'的总和。
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，电容器C既放电到电阻器R1、R5和R6以及齐纳二极管D3、D2中，又放电到电阻器R4中，使得电容器电压uC减小。
由于晶体管Q2是稳定的，泄漏电流if'基本上是恒定的(实际上略有减小)，这使得电容器C能够相当迅速地放电。
在时间t1处，电压uC变得等于齐纳二极管D3、D2的联合击穿电压，其因此转变为截止状态。
因此，流过电阻器R5的泄漏电流if变为零，使得控制电压V2变为零，并且晶体管Q2转变为断开(截止)状态。
因此，控制端子B1经由电阻器R1、R4和R3接收泄漏电流if'，并且控制电压V1变为非零的。因此，晶体管Q1转变为闭合(导通)状态，使得电流消耗电气电路108被激活并且非零放电电流i经由晶体管Q1从端子BA流向端子BB。放电电流i远远大于泄漏电流if'，使得经由接口端子BA进入的电流iC基本上等于放电电流i。
而且，由于晶体管Q1是稳定的，流过它的放电电流i在时间t0和时间t1之间基本上是恒定的(实际上略有减小)，处于明显高于泄漏电流if'的水平，这使得电容器C能够非常迅速地放电。优选地，选择组件使得电容器C在少于60s(图2中的时间t2)的时间内被放电到低于60V。
根据前述内容，放电电路106是无源电路，并且因此电流消耗电气电路108和电气控制电路110中的每一个是无源电路，这意味着两者：其被设计为当电力供应设备102不工作时排他地经由两个接口端子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，在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供应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2描述的放电电路106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。
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 (14)

1.一种用于使电容器(C)放电的放电电路(106)，包括：
-两个接口端子(BA，BB)，电容器(C)旨在连接至所述两个接口端子(BA，BB)，并且旨在在所述两个接口端子(BA，BB)之间提供电容器电压(uC)，
-电流消耗电气电路(108)，其连接在所述两个接口端子(BA，BB)之间并被设计为消耗来自所述电容器(C)的放电电流(i)，以及
-电气控制电路(110)，用于控制所述电流消耗电气电路(108)，所述电气控制电路(110)连接在所述两个接口端子(BA，BB)之间，以接收所述电容器电压(uC)，
其特征在于，所述电气控制电路(110)被设计为：
-当所述电容器电压(uC)高于预定义阈值时，使所述电流消耗电气电路(108)去激活，并且
-当所述两个接口端子(BA，BB)之间的所述电容器电压(uC)低于所述预定义阈值时，激活所述电流消耗电气电路(108)，
并且，所述电气控制电路(110)被设计为排他地经由所述两个接口端子(BA，BB)被供应电力。
2.根据权利要求1所述的放电电路(106)，其中，所述电流消耗电气电路(108)包括第一晶体管(Q1)，所述第一晶体管(Q1)具有电流输入端子(C1)、电流输出端子(E1)和控制端子(B1)，所述放电电流(i)旨在通过经由所述电流输入端子(C1)进入并经由所述电流输出端子(E1)离开而流过所述第一晶体管(Q1)，并且其中，所述电气控制电路(110)连接至所述晶体管(Q1)的控制端子(B1)，并且被设计为通过断开所述晶体管(Q1)来使所述电流消耗电气电路(108)去激活并且通过闭合所述晶体管(Q1)来激活所述电流消耗电气电路(108)。
3.根据权利要求2所述的放电电路(106)，其中，所述电流输出端子(E1)连接至所述控制端子(B1)，以使所述第一晶体管(Q1)稳定。
4.根据权利要求3所述的放电电路(106)，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)和所述控制端子(B1)之间的齐纳二极管(D1)，以使所述第一晶体管(Q1)稳定。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的放电电路(106)，其中，所述电气控制电路(110)包括：
-第二晶体管(Q2)，其具有电流输入端子(C2)、电流输出端子(E2)和控制端子(B2)，所述第二晶体管(Q2)的电流输入端子(C2)连接至所述第一晶体管(Q1)的控制端子(B1)，以及
-至少一个齐纳二极管(D3，D2)，其连接在所述第二晶体管(Q2)的控制端子(B2)和两个接口端子(BA，BB)中的一个(BA)之间。
6.根据权利要求1所述的放电电路(106)，所述放电电路是无源电路。
7.一种电气系统(100)，包括：
-电容器(C)，
-根据权利要求1至6中任一项所述的用于使电容器(C)放电的放电电路(106)，
-电力供应设备(102)，其具有两个电力供应端子(BC，BD)，并且被设计为经由所述两个电力供应端子(BC，BD)供应电力，
-电力接收设备(104)，其连接至所述两个接口端子(BA，BB)，并且被设计为接收由所述电力供应设备(102)供应的电力。
8.根据权利要求7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)。
9.根据权利要求8所述的电气系统(100)，其中，所述DC电源电压(E)高于60V。
10.根据权利要求8所述的电气系统(100)，其中，所述DC电源电压(E)高于300V。
11.根据权利要求8-10任一项所述的电气系统(100)，其中，所述放电电路(106)中的电流消耗电气电路(108)包括第一晶体管(Q1)，所述第一晶体管(Q1)具有电流输入端子(C1)、电流输出端子(E1)和控制端子(B1)，所述放电电路(106)中的电气控制电路(110)连接至所述第一晶体管(Q1)的控制端子(B1)，
其中，所述电气控制电路(110)包括：第二晶体管(Q2)和一个或多个齐纳二极管(D2,D3)，所述第二晶体管(Q2)具有电流输入端子(C2)、电流输出端子(E2)和控制端子(B2)，所述第二晶体管(Q2)的电流输入端子(C2)连接至第一晶体管(Q1)的控制端子(B1)，
其中，所述接口端子(BA，BB)中的第一个(BA)旨在具有比所述接口端子(BA，BB)中的另一个(BB)更高的电势，并且其中，所述一个或多个齐纳二极管(D3，D2)连接在所述第二晶体管(Q2)的控制端子(B2)和第一接口端子(BA)之间。
12.根据权利要求7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：电池充电器和电池。
13.根据权利要求7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：电池和逆变器。
14.一种机动车辆(300)，包括根据权利要求7至13中任一项所述的电气系统(100)。
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