CN112313864A - 用于直流链路电容器放电的控制装置和方法、电源转换器及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于借助放电装置（3）使直流链路电容器（2）放电的控制装置（1），所述放电装置包括负载电阻（5）和与所述负载电阻（5）串联的切换组件（6），所述控制装置还包括发生器单元（12）和控制单元（11），所述发生器单元设置为利用经设定工作周期产生用于控制切换组件的脉宽调变驱动信号，所述控制单元设置以在时间平均值内利用流经所述负载电阻（5）的期望放电电流来稳定工作周期。

Description

用于直流链路电容器放电的控制装置和方法、电源转换器及 车辆
技术领域
本发明涉及一种用于借助放电装置使直流链路电容器放电的控制装置，该放电装置包括负载电阻以及与负载电阻串联的切换组件。
此外，本发明涉及电源转换器、车辆以及用于使直流链路电容器放电的方法。
背景技术
直流链路电容器可储存直流电压，举例而言，所述直流电压经由电源转换器被转换为多相交流电流以用于对电动马达供电。当出现放电事件时，例如在包括电源转换器的车辆发生故障或意外的情况下，当电动马达断开时，系统的安全操作目标是使直流链路电容器快速放电到安全电压值（non-hazardous voltage），以确保电气安全。当使用包括负载电阻以及与负载电阻串联的切换组件的放电装置时，切换组件在放电事件发生时被关闭，以将储存于直流链路电容器中的能量转换为热能。
根据德国专利公开号DE102013224884A1，在电压转换器中的这种用于使直流链路电容器放电的装置包括电负载以及放电调节器是已知的。藉由将默认放电电流应用于电力负载中的方式,所述放电调节器被设计用于对直流支撑电容器进行放电。放电调节器包含运算放大器， 运算放大器系以放电电流作为对直流链路电容器进行放电的放电电流,并以此致动(actuate)功率晶体管。
通过这种方式，能实现负载电阻基本稳定的功率消耗。然而，功率晶体管或切换组件被操作在工作区，前述操作特性使得相当大一部分存储的能量在操作中转换成热能。由此可知,负载电阻上均匀的功率消耗的效果是由切换电路上的可变功率消耗来实现的。因此,切换组件必须考虑高功率消耗的条件来进行设计,从而增加了组件设计的复杂度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于使直流链路电容器放电的低复杂度选择方案。
本发明是通过前述类型的控制装置来实现这一目的，该控制装置包括发生器单元以及控制单元，发生器单元设置为利用经设定工作周期产生用于所述切换组件的脉宽调制致动信号，控制单元设置为根据在时间平均值内流经所述负载电阻的期望放电电流来设定工作周期。
本发明系基于仅在切换模式下(switch mode)对切换组件进行操作的设计思考，藉由脉宽调变驱动信号致动切换组件。其中， 流经负载电阻的时脉调控电流(clockedcurrent)系基于工作周期预设的。这种情况下，一方面，在切换组件的功率损失方面，此设计中切换组件优选地被设计来仅仅操作于切换模式，而非工作模式中，另一方面，负载电阻能基于在时间平均值内在其上引起的功率损失来进行设计。
表述“时间平均值（the time average）”在本发明中的意义应被理解为表示跨越脉宽调制致动信号的若干周期的移动平均值（moving average）或加权平均值（weightedaverage）。以此，前述平均的数值于理想状态下仅以脉宽调变的方式用于时脉补偿(compensate for clocking)。在该操作中，致动信号的周期持续时间（period duration）有利地选择为低于负载电阻的热时间常数，如有必要额外地考虑负载电阻处的冷却条件。肇因于所含之热电容等效，负载电阻得对电流引起之热功率消耗进行平均操作。
优选地，控制单元设置为根据负载电阻产生的在所述时间平均值内实质恒定的功率消耗所引起的放电电流来设定工作周期。负载电阻因而仅必须允许对应于常数放电容量的最大功率消耗。相较于流经负载电阻的连续电流，负载电阻因此于进行设计时不需考虑如何应对高能以及偶发的峰值电源或峰值电流的问题。并因此而能选择以更小、更低成本的方案实现。由于负载电阻的热容量，在致动信号的导通时间(on-time)期间的电流能流过而不损坏复杂电阻，因为导通时间持续期比负载电阻的热时常数小。功率消耗能基于储存在直流链路电容器中的最大能量等级以及预定放电时间被确定。
在根据本发明的控制装置中，能特别有利地设置成：控制单元设置为根据电压信息来设定工作周期，电压信息描述跨越所述直流链路电容器的直流链路压降。在该过程中，较大的放电电流，即工作周期较大的致动信号，通常预设有降低的直流链路电压。
根据本发明的第一优先实施例，控制单元包括目标值设定单元，该目标值设定单元设置为根据电压信息来设定放电电流目标值。放电电流目标值优选被选择为利用跨越负载电阻的压降，以及负载电阻功率消耗的二次方被补偿（P=U2/R）。当放电电流目标值对应于负载电阻功率消耗和直流链路电压的商时，放电电流目标值发生优化补偿。
根据直流链路电压的反数（inverse），特别是负值，目标值确定单元能被设置为设定放电电流目标值。负值的使用近似于直流链路电压的倒数值（reciprocal value）形式的反数，这允许相关电路以较简单的电路来实现。换言之，负值反映了直流链路电压的波型曲线。目标值设定单元进一步有利地设置为将放电电流目标值设定为反数和补偿（offset）的和。
根据第二优选实施例，控制单元设置为工作周期被计算为负载电阻的电阻值和负载电阻的期望的功率消耗的乘积与所述直流链路电压的平方值的比值。于此例中，直流链路电压的平方的补偿是通过计算产生的。进一步来说，工作周期能被直接计算出。
本发明的控制装置的实例中能进一步设置成：控制单元设置为根据电流信息来设定工作周期，该电流信息描述流经所述负载电阻的电流的时间平均值。控制装置通过电流信息的设定来调节（conditions）流过负载电阻的时脉调控电流（clocked current）。为实现该目的，控制装置能包括低通单元（low pass unit），低通单元设置为由电流算值（current measurement）来产生电流信息，电流算值描述流过负载电阻的瞬时电流。换言之，低通单元调节被脉宽调制致动信号时脉调控的电流算值。低通单元可以是阻容电路（RCcircuit）、保持组件或另一平滑电路或平均电路。
为了使得放电过程被调节，控制装置能包括控制器，控制器设置为根据相较于放电电流目标值的电流的时间平均值的偏差来设定工作周期。控制器得为具有比例单元（Pbehavior）、比例-积分单元（PI behavior）以及比例-积分-微分单元（PID behavior）的控制器。于此过程中，当放电电流目标值维持相同时，如在时间平均值内流过的电流有下降的趋势，特别是在具有压降的情况下，通常通过相应的较大的工作周期来进行补偿。前述的操作透过将流经负载电阻的电流纳入考虑，因此特别地能控制放电电流在很大程度上独立于负载电阻的电阻值所制造有关的变化。这有利地降低了对于负载电阻的精度要求。
在根据本发明的控制装置的实例中，控制单元优选设计为模拟电路。对于应用于车辆的目的来说，前述揭露的优点在于标准组件能被应用于控制装置的实现，因此使关于汽车安全完整性等级（Automotive Safety Integrity Level，ASIL）的验证的复杂度最小化。在替代性实施例中，控制单元能被设计为微处理器。这特别应用于根据前述第二实施例计算放电电流的时候，于该实施例中，特别地省略了放电电流目标值和电流信息的确定。然而，可以想见，前述计算的应用得以模拟电路的方式加以实现。
本发明额外地涉及电源转换器（power converter），其包括直流链路电容器、放电装置、负载电阻、与负载电阻串联的切换组件以及致动放电装置的根据本发明的控制装置，借助放电装置直流链路电容器能被放电。
本发明进一步涉及车辆，特别是电动车辆或混合动力车辆，该车辆包括用于驱动车辆的电动马达和根据本发明的电源转换器，所述电源转换器设置为向电动马达提供电力。
最后，本发明涉及利用放电装置使直流链路电容器放电的方法，放电装置包括负载电阻以及与负载电阻串联的切换组件，其中，根据经设定工作周期，产生用于所述切换组件的脉宽调制致动信号，以及根据在时间平均值内流经所述负载电阻的放电电流以设定工作周期。
根据本发明的用于控制装置的所有实施例能被类似地应用于根据本发明的电源转换器、根据本发明的车辆以及根据本发明的，以便也能因此实现前述优点。
附图说明
根据下文描述的示例性实施例和附图，本发明的其他优点和细节在下文中变得明显。附图是示意性的。附图中：
图1所示为根据本发明的控制装置的第一示例性实施例的电路图，
图2所示为控制装置的第二示例性实施例的方块示意图，以及，
图3所示为根据本发明的车辆的示例性实施例的方块示意图，该车辆包括根据本发明的示例性实施例的功率转换器。
具体实施方式
图1所示为用于通过放电装置3使直流链路电容器2放电的控制装置1的第一例示例性实施例的电路图。
具体来说，直流链路电容器2由直流电压源4供给电力，并能与电源逆变器（powerinverter）的电源单元并联，以将瞬时电流的波形平滑化（smooth）。当放电事件出现时，放电装置3具有于2秒内使直流支撑电容2两端的跨压低于60伏特的性能。为实现此目的，放电装置3包括负载电阻5以及与负载电阻5串联的切换组件6，举例而言，切换组件6采取电子开关的形式，例如绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）或功率金属氧化物半导体场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）。为了放电，借助采取一极或二极（one or two-pole）方式的开关装置7，直流链路电容器2通常与直流电压源4断开连接。
直流链路电容器2的放电过程是由控制装置1所控制的。为实现此目的，放电装置3或切换组件6的控制端8通过致动单元9与控制装置1的输出端10连接。致动单元9利用对切换组件6进行导通或者非导通的方式在输出端10放大致动信号；当切换组件6被导通时，电流19经由负载电阻5使直流链路电容2放电。
控制装置1包括控制单元11以及发生器12，利用经过控制单元11所设定的工作周期，发生器12设置为在输出端10处产生用于切换组件的脉宽调制致动信号。
根据负载电阻产生的在所述时间平均值内实质恒定的功率消耗所引起的放电电流，控制单元11设置为在操作中设定工作周期。这能实现使负载电阻5具有实质恒定的电负载以及热负载。于此同时，切换组件6也仅以导通或阻断模式（blocking mode）操作，因而被操纵于主动（active）或者是放大（amplifying）区域之外。通过这种方式，相较于对流经负载电阻5的电流19的同相控制，切换组件6的功率消耗实现最小化，以便能将其设计为满足显着降低功率的需求。
控制单元11包括目标值设定单元24， 目标值设定单元24设置为根据描述直流电路电压13的电压信息来设定放电电流目标值，直流电路电压13是跨越直流链路电容器两端的压降。为了实现此目的，控制装置1包括第一输入端14，控制装置1通过第一输入端14接收电压信息。在本实施例中，第一输入端14连接到电压检测装置15以用于该目的。于一例示性实施中，该电压检测装置15设计为分压器（voltage divider），该分压器与直流链路电容器2并联，在电压检测装置15的分压点18上，分压器的电阻16和电阻17将直流链路电压13分压为与直流链路电压13成比例的电压。在该过程中，做为实践，电阻组件16能实现为500千欧姆（kΩ）电阻值的电阻，电阻组件17实现为820欧姆（Ω）电阻值的电阻。举例来说，电阻组件16和17分别由一个电阻组件或是多个个互相连接的电阻组件组成。
为了设定电流目标值，目标值设定单元24接收在第一输入端14处提供的电压信息。目标值设定单元24包括运算放大器（operational amplifier）25，运算放大器25使电压信息描述的直流链路电压13反向（invert）， 具体工作方法为，发现直流链路电压13的负值后， 加入一固定补偿值(fixed offset)于所获得的直流链路电压13的反值(inverse)上。为实现前述目的，运算放大器25的负输入端与两电阻26以及27连接，且运算放大器25的正输入端与定压源（constant voltage source）28连接，以利用上述的组合构成一反向放大器（inverting amplifier）。例如，电阻26以及电阻27均具有20千欧姆电阻值。这种情况下，直流链路电容2的放电系透过下述方法被实现:以对负载电阻5上功率消耗的平方关系(quadratic dependence) 很大程度上的补偿，来选择流经负载电阻5的电流19。
控制单元11进一步被设置为根据描述流经负载电阻5的电流19的时间平均值（time average）的电流信息来设定工作周期。为了设定电流信息，控制装置1经由第二输入端20接收电流算值，控制装置1与电流检测装置21连接，电流检测装置21与放电装置3串联。在本实施例中，电流检测装置21由分流电阻（shunt resistor）22形成。由于电流测量值描述了通过切换组件6的开关实现电流19的时脉调控，例如采取阻容电路（RC 电路，RCcircuit）形式的低通单元23连接于第二输入端20的下游。上述电路系根据与电流19的权重平均或是电流19的瞬时位移(short-term moving)成比例的电流信息来调控电流算值。
为了调节工作周期，控制单元11包括控制器29，控制器29设置为根据电流19时间平均值内相对于放电电流目标值的偏差来设定工作周期。在本示例性实施例中，控制器29以比例-积分控制器(PI 控制器, PI control behavior)的形式实现了偏差的确定。为了实现此目的，控制器29包括运算放大器30，运算放大器30在其负输入端设有两个阻抗31、32并在其正输出端被馈送目标值设定单元24的输出信号。图1中的阻抗31、32的应用是纯示例性的。举例来说，阻抗31为20千欧姆，阻抗32由具有100千欧姆电阻值的电阻与具有1纳法（nF）电容值的电容并联形成。于一替代实施例中， 控制器29可替代为一比例控制器(Pcontrol behavior)或是一比例-积分-微分控制器(PID control behavior)。
于另一替代实施例中，目标值设定单元24的输出信号以及电流信息被初始提供给控制器29的减法器单元（未示出），例如，由差分放大器和运算放大器相互连接作为减法器单元，且减法器单元的输出信号被提供至运算放大器30的负输入端。于此过程中，运算放大器30的正输入端连接到地电位。
控制器29的输出信号被提供至发生器单元12。发生器单元12包括比较器33，比较器33具有正输入端以及负输入端，正输入端接收控制器29的输出信号，负输入端连接到信号发生器34。举例来说，信号发生器34产生锯齿或三角电压以用于在输出端10处产生脉宽调制输出信号。
控制装置1额外包括失效单元（deactivation unit）35，根据控制装置1的第三输入端36的失效信号（deactuation signal），通过失效单元35在输出端10的致动信号的输出能够被失效。为实现上述目的，失效单元35包括晶体管电路37。根据失效信号，通过晶体管电路37输出端10经由电阻被切换至地电位以便放电装置3的切换组件6永久性地关断，并且直流电路电容2不发生放电，特别是正常工作（normal operation）期间。当晶体管电路37关断时，致动信号被允许通过输出端10。
于本示例性实施例中，控制单元11和发生器单元12均设计为模拟电路。于另一替代实施中，控制单元11和/或发生器单元12也能被设计为微控制器。
图2示出控制装置1的第二实施例的方块示意图，其对应于上述示例性实施例，除了下面描述的变化，图中相同或相近的组件以相同的附图标记标出。
这里，控制单元11设置为直接根据负载电阻5的电阻值和其期望的功率消耗的乘积与直流链路电压13平方值的比来计算工作周期。为实现此目的，控制单元11包括正交器单元（quadrator unit）38， 正交器单元38基于电压信息对第一输入端14处获得的直流链路电压13进行平方运算。正交器单元38的输出信号被馈送至除法器单元39，除法器单元39从内存单元40接收描述负载电阻5和负载电阻5期望的功率消耗的乘积的信号并将该信号除以正交器单元28的输出信号。然后除法器单元39的输出信号描述了工作周期，该工作周期使得负载电阻5的实质恒定的功率消耗并被馈送至发生器单元12。通过公式进行表达，其中R为电阻值，期望功率消耗为P，而工作周期为D:
Figure 753842DEST_PATH_IMAGE001
为了使工作周期的计算得以简化，于第二实施例中，控制单元11以及发生器单元12设计为微控制器，其中正交器单元38以及除法器单元39通过微控制器以及适当的软件例程加以实现。于一替代实施中，也能能通过合适的模拟计算电路来实现正交器单元38和除法器单元39。
图3所示为包括功率转换器41的示例性实施例的车辆40的示例性实施例的方块示意图。电源供应器41设置为对电动马达（electric motor）42提供电力以致动车辆40。以与图1和2中相同的附图标记来表示相同或相近的组件。
电源转换器41包括直流链路电容器2以及放电装置3，直流链路电容器2能通过放电装置3被放电，电源转换器41还包括根据前述的示例性实施例中任一种的控制装置1，该控制装置1能致动放电装置3。为实现此一目的，直流链路电容器2是由高压电池形式的直流电压源4供电，直流电压源4通过开关装置7连接到功率转换器41的直流电压侧。功率转换器41进一步包括致动单元9、电压检测装置15以及电源检测装置21，出于清楚的目的，此处并不将功率转换器41的组成组件各自标于图3中。
直流链路电容器2使功率转换器41中的电源单元43产生的瞬时电流平滑化。电源单元43将直流电压源4提供的直流电压转换为用于电动马达42的多相（polyphase）电源，于一实施例示中，多相电源尤指是三相或六相的交流电流。电源单元43包括三个或六个半桥电路，前述半桥电路并联连接到直流链路电容器2并且均由串联的两个功率半导体切换组件构成。
控制单元1接收来自车辆40的控制模块44的失效信号。控制模块44设置为确认放电事件，例如意外、绝缘故障（insulation fault）、或是车辆40及/或电动马达42的其他脱机(shut-off)事件。如果出现放电事件，或如果由于其他原因失效信号没有出现，在输入端36处的失效信号的信号状态变化或者失效信号的缺失利用放电装置3触发直流链路电容器2的放电。

Claims (14)

1.一种用于经由放电装置(3)使直流链路电容器(2)放电的控制装置(1)，所述放电装置包括负载电阻(5)和与所述负载电阻(5)串联的切换组件(6)，其特征在于，所述控制装置还包括发生器单元(12)和控制单元，所述发生器单元设置为利用经设定工作周期产生用于控制切换组件(6)的脉宽调变驱动信号，所述控制单元(11)设置以根据在时间平均值内利用流经所述负载电阻(5)的期望放电电流来设定工作周期。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中所述控制单元(11)设置为利用所述放电电流于所述负载电阻(5)上造成的功率消耗来设定工作周期，其中所述功率消耗于所述时间平均值内实值恒定。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其中所述控制单元(11)设置为根据电压信息来设定工作周期，所述电压信息描述跨越所述直流链路电容器(2)的直流链路压降。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其中控制单元(11)包括目标值设定单元(24)，所述目标值设定单元设置为根据所述电压信息来设定放电电流目标值。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其中所述目标值设定单元设置为根据直流链路电压的反数来确定所述放电电流目标值。
6.根据权利要求5所述的控制装置，其中所述目标值设定单元(24)设置为根据所述反数和一补偿的总和来稳定所述放电电流目标值。
7.根据权利要求3所述的控制装置，其中所述控制单元(11)设置为根据所述负载电阻的电阻值和所述负载电阻的期望的功率消耗与所述直流链路电压(13)的平方值的比值以计算工作周期。
8.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其中所述控制单元(11)设置为根据电流信息来设定工作周期，所述电流信息描述流经所述负载电阻(5)的电流(19)的时间平均值。
9.根据权利要求8以及权利要求4至6中任一项所述的控制装置，其中所述控制单元(11)包括控制器(29)，所述控制器设置为根据电流(19)的时间平均值与所述放电电流目标值的对比间产生的偏差来设定工作周期。
10.根据权利要求8或9所述的控制装置，其包括低通单元(23)，所述低通单元设置为根据描述瞬时电流(19)的电流算值来产生电流信息。
11.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置(11)，其中所述控制单元被设计为模拟电路、微处理器及其组合。
12.一种电源转换器(41)，其包括直流链路电容器(2)、放电装置(3)、负载电阻(5)、与负载电阻(5)串联的切换组件(6)以及致动放电装置(3)的根据权利要求1-11中任一项所述的控制装置(1)，借助放电装置直流链路电容器(2)得被放电。
13.一种车辆(40)，其包括用于致动车辆(40)的电动马达(42)和根据权利要求12的电源转换器(41)，所述电源转换器设置以为所述电动马达(42)提供电力。
14. 一种利用放电装置（3）使直流链路电容器（2）放电的方法，所述放电装置包括负载电阻（5）以及与所述负载电阻（5）串联的切换组件（6），所述方法包括下列步骤:
根据经设定工作周期，产生用于所述切换组件的脉宽调制致动信号; 以及
根据在时间平均值内流经所述负载电阻(5)的放电电流以设定工作周期。
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