CN112928905A - 预充电开关和功率供应布置及负载连接直流电压源的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及给直流电路(7)的电容器(C)充电的预充电开关布置(1)，具有预充电电阻器(RV)和预充电开关(SV)。本发明还涉及电负载的功率供应布置(5)和将负载连接至高直流电压源(B)的方法。为了提供预充电开关布置，通过预充电开关布置电容器可被充电，电容器的充电状态可被检测并且其确保最大可能水平的可靠性，根据本发明规定预充电电阻器至少间接连接至设备(3)用于检测横跨电阻器的电压(UV)。对于功率供应布置，具有根据本发明的预充电开关布置，与可控制开关元件(S1、S2)并联连接。对于上述方法，负载取决于横跨预充电电阻器的电压被连接至高直流电压源，预充电电阻器被布置在高直流电压源和负载之间。

Description

预充电开关和功率供应布置及负载连接直流电压源的方法
本申请是申请号为201580010987.8、申请日为2015年2月26日、发明名称为“预充电开关布置、功率供应布置和用于将负载连接至高直流电压源的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于给直流电路的电容器充电的预充电开关布置，其具有预充电电阻器和预充电开关。本发明还涉及用于电负载的功率供应布置，所述负载是在输入侧的电容器，具有将高电压源连接至电容器的供应电流电路(supply current circuit)并具有两个可控制开关元件，所述两个可控制开关元件每一个布置在电容器的极和高电压源之间。本发明还涉及用于将负载连接至高直流电压源的方法。
背景技术
用于直流电路的预充电开关布置是已知的。其被特别地用于高电压直流电路中，在所述高电压直流电路中，负载旨在被连接至电源。特别在直流电路中，其中负载是在输入侧的电容器。惯常的应用包括，例如，车辆的电驱动或混合驱动中的“电池断开单元(BDU)”。这样的驱动通常具有高电压电池，所述高电压电池连接至车载网络，特别地连接至逆变器，用于将所需的交流电流或三相电流电压提供给驱动单元。为了安全的原因，这样的设备具有两个可控制开关元件，对于每个极有一个。这些开关元件可以例如是接触器或继电器。
如果，在这样的直流电路中，直流源直接连接至未充电的电容器，则短路电流可短暂地流过且可导致部件的损坏。为了这个目的，电容器在其被完全连接至直流电压源之前被预充电。为此，预充电开关布置并联连接于所述两个可控制开关元件中的一个。为了给电容器预充电，另一可控制开关元件和预充电开关然后被闭合。电容器器由此通过预充电电阻器的方式被充电。如果电容器已经到达所需的充电状态，则与预充电开关布置并联连接的可控制开关元件也闭合且负载被连接至直流电压源。预充电开关可然后被再次断开。
为了监视电容器的充电状态，通常分接(tap)并评估横跨断开的可控制开关元件的电容器的电压。此电压可提供关于电容器的充电状态的信息。此类型的电压测量需要将高电压线路从电子控制系统复杂的隔离，所述电子控制系统可存在并且其评估电压、并且产生控制信号用于切换可控制开关元件。另外，可控制开关元件的所述两个侧部之间的电流阻断因此不以可靠的方式被确保。在已知的现有技术中，辅助继电器经常被用于电流阻断。此解决方案使得预充电开关布置复杂且成本高。
发明内容
因此本发明的目的是：提供预充电开关布置、功率供应布置和用于将负载连接至高直流电压源的方法，其可以可靠地检测电容器的充电状态、确保高的可靠性水平并且附加地使得至少所述预充电开关布置是紧凑结构。
根据本发明，用于预充电开关布置的目标通过以下实现，预充电电阻器至少间接连接至用于检测横跨预充电电阻器的电压的设备。对于功率供应布置，根据本发明的目标通过以下实现，根据本发明的预充电开关布置与所述两个可控制开关元件中的一个并联连接。对于介绍中提到的用于将负载连接至高直流电压源的方法，根据本发明的目标通过以下实现，负载根据横跨预充电电阻器的电压被连接至高直流电压源，所述预充电电阻器被布置在高直流电压源和负载之间。
本发明提供以下优势，待检测的电压可以在预充电电阻器处分接而不在可控制开关元件中的一个处被分接。当预充电开关断开时，在结束预充电操作之后，至少用于检测电压的所述连接部不再与车载功率供应网络和高电压源之间的电流承载电路中的电容器结合。由于待测量的电压不在所述可控制开关元件中的一个的全部两个侧部处分接，所以当开关元件断开时可控制开关元件的两个侧部每一个完全地电流阻断。辅助继电器的使用可因此被省去。另一优势在于在预充电电阻器处可分接与在可控制开关元件(其并联连接)处相同的电压。本发明因此允许电容器的充电以及电压的检测(以确定电容器的充电状态)可被更加可靠地执行，而对从关于电子控制系统的高电压电路的复杂隔离的需求可减少。
根据本发明的解决方案可通过各种实施例的方式被进一步改善，所述各种实施例每一个是本身有利的并且可彼此自由组合。这些实施例和与其相关联的优势在以下讨论。
预充电开关可以特别地是接触器或继电器。这些部件是已知的并且可以被具有高可靠性水平地用于切换高电压或电流。
为了减小在预充电电阻器处分接的电压，用于检测横跨预充电电阻器的电压的设备可具有第一分压器，所述第一分压器在输入侧处连接至预充电电阻器。分压器可然后提供与横跨预充电电阻器的电压成比例的电压。这可以是特别有利的，以保护设备不受检测过高电压的损害。第一分压器可具有连接在预充电电阻器的全部两个端部处的两个输入。
预充电开关布置可具有恰好两个高电压连接部，第一分压器的输入、预充电电阻器和预充电开关的全部两个连接部布置在共同的线路段上、在所述高电压连接部之间。由此可实现特别紧凑的预充电开关布置，其可附加地以特别简单的方式被整合在现有的高直流电路中。
用于检测横跨预充电电阻器的电压的设备可具有比较元件用于将在预充电电阻器处分接的电压与来自直流电压源的参考电压比较。此电压在下面被称为预充电电压。以此方式，可以用简单的方式确定在预充电电阻器处的电压以及因此电容器的充电状态是否对应预期值。比较元件可以特别地是比较器。当使用分压器时，第一分压器的输出可被连接至比较器的反相输入。为了阻止不正确的切换并且引入切换迟滞，比较器可由施密特触发器(Schmitt trigger)形成。
用于参考电压的直流电压源可以是直流电压转换器。直流电压转换器可以在输入侧被来自预充电开关布置外侧的低电压源供能。直流转换器可被使用以提供足够高的直流电压，在预充电电阻器处分接的或由第一分压器提供的电压可以与该足够高的直流电压比较。从预充电开关布置的外侧供能是特别有利的，因为直流电压转换器可然后提供从高电压侧电流阻断的电压。
为了限定用于比较元件的参考电压，直流电压源可以通过第二分压器连接至比较元件。当使用比较器时，第二分压器的输出可被连接至比较器的反相输入。
为了实现特别简单的构造，预充电开关的控制输入可被连接至直流电压转换器的输入。预充电开关的控制输入可以特别地给接触器或继电器的线圈供能。这样的布置使得预充电开关布置能够具有最低可能数量的低电压连接部。由于使用了共同的输入用于预充电开关的控制输入以及用于直流电压转换器，所以当预充电开关被切换打开时直流电压转换器恰好被激活。
比较元件可在输出侧处被连接至传输单元的输入。由此可以传输比较元件的信号，其可被用于控制直流电路的可控制开关元件。
当传输单元具有从其输入电流阻断的输出时，这是特别有利的。传输单元的输出可以例如连接至电子控制系统。电流阻断使得电子控制系统可以与高直流电路分离地操作。这可以显著地增加可靠性，例如使用这样的预充电开关布置的车辆的可靠性。
通过传输单元是光耦合器，可实现特别好的电流阻断。
特别紧凑的结构可通过以下实现，传输单元的输出的供应线路连接至直流电压转换器的输入。如果传输单元是例如光耦合器，则例如光耦合器中的光电晶体管(phototransistor)的集电体(collector)可能被连接至相同的正供应线路，所述相同的正供应线路也在输入侧连接至直流电压转换器。光耦合器中的光电晶体管的发射体可然后提供传输单元的信号。这样的结构使得预充电开关布置能够具有总共仅三个连接部，正连接部、负连接部和信号线路。
预充电开关布置可具有共同的参考电位用于比较元件的供应线路、用于直流电压转换器的输出、用于传输单元的输入、用于第一分压器以及第二分压器，所述电位连接至线路，所述线路将预充电电阻器连接至预充电开关。这样的布置使得预充电开关布置能够从高直流电路的线路分离地操作，所述线路承载负高电压电位。由此当其不被使用时预充电开关布置的蠕变电流和功率消耗被阻止。
预充电开关布置专门经由两个高电压连接部被连接至高直流电路是特别有利的。预充电开关布置可经由直流电路的并联连接的可控制开关元件上游和下游的这两个连接部连接。以此方式，当预充电开关断开时，预充电开关布置仅连接至直流电路的高电压源的一个极。当预充电开关断开时，预充电开关布置不受通过高电压源供应的电流的影响。这使得能够实现特别可靠的构造和操作。另外，当预充电开关断开时，不从电池带走静态电流。
至少所述两个分压器、预充电电阻器、预充电开关、比较元件、传输单元和直流电压转换器可形成布置在共同的壳体中的部件组。预充电开关布置的特别紧凑的结构由此是可行的。壳体具有恰好三个低电压连接部和两个高电压连接部是特别有利的，所述三个低电压连接部用于操作直流电压转换器和传输单元的输出，所述两个高电压连接部与电路的可控制开关元件并联连接。
介绍中提到的用于将负载连接至高直流电压源的方法可通过使用根据以上描述的其中一个实施例的预充电开关布置而改善。
为了增加执行本方法时的可靠性，并且保证达到电容器的预期充电状态时的操作安全性(例如，使用本方法的车辆的安全性)，预充电开关可被断开并且预充电开关布置可由此被切换为无电源状态。
下文中，本发明通过举例的方式参考实施例和附图被更详细地解释。根据以上解释，通过举例在实施例中例示的特征组合可以依据特定应用的需求而通过附加特征被补充，所述附加特征根据功率供应布置(根据本发明)和预充电开关布置(根据本发明)的特征。与上述描述类似，当特征的功能在特定应用中不重要时单独特征还可能在描述的实施例中被省略。
附图说明
相同的附图标记总是在附图中用于具有相同功能和/或相同结构的元件。
在附图中：
图1是根据本发明的功率供应布置中的根据本发明的预充电开关布置的示意性电路图；
图2是用于检测横跨电阻器的电压的、根据本发明的设备的结构的示意图；
图3是根据本发明的功率供应布置和根据本发明的预充电开关布置的实施例的电路图。
具体实施方式
根据本发明的设备和方法在以下被描述，其中预充电开关布置和第二可控制开关元件处于例如高电流电路的正侧(positive side)。然而，在设备负侧上的布置以及在根据本发明的设备在负侧(negative side)处的情况下实施所述方法也是可能的。在此情况下，第二可控制开关元件也可位于负侧处，而第一可控制开关元件可以被布置在正侧处。
图1示出了根据本发明的预充电开关布置1，其具有设备3，所述设备3用于检测横跨根据本发明的功率供应布置5中的预充电电阻器RV的电压。功率供应布置5具有直流电路7，其在下文被称为功率供应电路7。功率供应电路7可将负载(在图1中仅例示所述负载的电容器C)连接至高直流电压源B。高直流电压源B可以特别地是高电压电池。功率供应电路7可以被切换至所有的极，即，可控制开关元件S1和S2设置在高直流电压源B的全部两个侧部处。
如果可控制开关元件S1和S2二者都闭合，则电容器C连接至高直流电压源B。预充电开关布置1与可控制开关元件S2并联连接。预充电开关布置1具有预充电电阻器RV和预充电开关SV。预充电电阻器RV和预充电开关SV一起串联布置在线路段9上。
为了检测横跨预充电电阻器RV的电压UV，设备3在预充电电阻器RV的上游和下游连接至线路段9。设备3可附加地连接至线路M，作为在预充电电阻器RV和预充电开关SV之间的线路段9的附加位置处的参考电位M。这参考图3描述。横跨预充电电阻器RV检测到的电压UV可被用于评估电容器C的充电状态。
图2是所述设备3的结构的示意性例示图。在预充电电阻器RV处分接的预充电电压UV被提供至第一分压器11，并且从其转换的测量电压UM被从那里供应至比较元件13。在比较元件13中，测量电压UM被与由直流电压源15产生的参考电压UR比较。直流电压源15可以特别地是直流电压转换器。
比较元件13在输出侧处被连接至传输单元
Figure BDA0002911048730000061
的输入
Figure BDA0002911048730000062
开关信号SS被从比较元件13引导至传输单元
Figure BDA0002911048730000063
的输入
Figure BDA0002911048730000064
传输单元
Figure BDA0002911048730000065
具有从输入
Figure BDA0002911048730000066
电流阻断的输出
Figure BDA0002911048730000067
传输单元
Figure BDA0002911048730000068
的输出
Figure BDA0002911048730000069
将开关信号S’s传输至设备3的外侧。开关信号S’s可被用于开关所述可控制开关元件S2。开关信号S’s可被直接引导或经由合适的评估或电子控制系统引导至可控制开关元件S2的控制输入。控制输入可以，例如，邻接于构造为接触器或继电器的开关元件S2的线圈。
用于将负载或其电容器C连接至高直流电压源B(例如，连接至在功率供应电路7的正侧的第二可控制开关元件S2和预充电开关布置1)的、根据本发明的方法在下文参考图1和2描述。
起初，所有的开关元件S1、S2和SV是断开的。在电容器C处没有电压。在第一步骤中，可控制开关元件S1被闭合。面向开关元件S1的电容器C的侧部然后被连接至高直流电压源B的一极。
为了给电容器C预充电，预充电开关SV现在被闭合。同时，设备3被提供电压。通过闭合预充电开关SV，电容器C经由预充电电阻器RV连接至高直流电压源B。经由预充电电阻器RV，充电电流现在流动通过电容器C，其由此被充电。在充电操作期间，横跨预充电电阻器RV的电压UV被从设备3分接。电压UV用作建立电容器C的充电状态。
在充电操作的开始，高直流电压源B的全电压被横跨预充电电阻器RV施加，且预充电电压UV和测量电压UM大于参考电压UR。参考电压UR根据电容器C的期望的充电状态被调整。横跨电阻器RV的电压随着电容器C的充电状态增加而减小。一旦比较元件13中的电压UM低于参考电压UR，则比较元件将开关信号SS传输至传输单元
Figure BDA0002911048730000071
传输单元
Figure BDA0002911048730000072
将开关信号SS直接或间接地引导至可控制开关元件S2的控制输入。可控制开关元件S2由此被闭合，由此功率供应电路7闭合。负载或其电容器C然后在所有极处被连接至高直流电压源B。如果可控制开关元件S2被闭合，则预充电开关SV可被断开。因为电路然后在线路段9上被中断，所以电流不能再流动通过预充电开关布置1。
图3示出了在根据本发明的功率供应布置5中的、根据本发明的预充电开关布置1的实施例的电路图。电路图遵照根据本发明的布置和设备1、3和5的结构，所述结构参考图1和2描述。
预充电开关布置1仅通过两个高电压连接部17和19连接至功率供应电路7的高电压电位。如以上已经描述的，通过断开预充电开关SV，预充电开关布置1被切换入无电源状态。
根据本发明的预充电开关布置1的结构基于预充电电阻器RV在下文被描述。横跨预充电电阻器RV，预充电电压UV被使用第一分压器11分接。第一分压器11由电阻器R1和R2形成。预充电电压UV与电容器C处的充电电压不完全相同。然而，预充电电压UV可被用于确定电容器C的充电状态。第一分压器11提供测量电压UM，其被供应至比较器13的反相输入。
比较器13(其用作比较元件13)具有供应连接部(supply connections)V+、V-。负供应连接部V-邻接设备3的线路M。线路M连接至分压器11和预充电开关SV之间的线路段9。在线路M和比较器13的反相输入之间，齐纳二极管(Zener diode)ZD1和与其并联的电容器C2被连接，其将电压限制至合适的水平。电压依赖于比较器13，所述比较器13以特定于部件的方式使用。为了不损害比较器13的功能，齐纳电压的值必须高于非反相输入处的参考电压。齐纳二极管ZD1用作保护反相比较器输入。电容器2用作稳定反相输入。
附加的电阻器R3可被连接在分压器11和比较器13的反相输入之间。
参考电压UR被施加在比较器13的非反相输入处。参考电压UR通过直流电压源15提供。直流电压源15可以是直流电压转换器21的输出15。直流电压转换器21的负输出15被连接至线路M。
在直流电压转换器21的正输出和线路M之间，电容器C3可被连接。电容器C3可用于稳定直流电压转换器21的输出电压。直流电压转换器21的正输出被连接至比较器13的正供应连接部V+。
参考电压UR通过第二分压器23提供，所述第二分压器23由电阻器R4和R5形成且其被连接在线路M和直流电压转换器21的正输出之间。第二分压器23的输出被经由电阻器R6连接至比较器13的非反相输入。电容器C1被连接在线路M和比较器13的非反相输入和电阻器R6之间，且用作稳定比较器13的非反相输入。
比较器的输出可被经由电阻器R7连接至非反相输入。切换滞后可由此被产生，由此可阻止不正确的切换的发生。比较器13可以与电阻器R7和R6一起组成施密特触发器(Schmitt trigger)。
比较器13的输出可经由电阻器R8连接至传输单元
Figure BDA0002911048730000081
的输入
Figure BDA0002911048730000082
在示出的实施例中，传输单元
Figure BDA0002911048730000083
是光耦合器
Figure BDA0002911048730000084
且输入
Figure BDA0002911048730000085
是发光二极管
Figure BDA0002911048730000086
发光二极管
Figure BDA0002911048730000087
产生的光信号可被光电晶体管(phototransistor)
Figure BDA0002911048730000088
(其构成传输单元
Figure BDA0002911048730000089
的输出
Figure BDA00029110487300000810
)接收并且可被转换为电信号S’s。此信号S’s可被用于控制可控制开关元件S2。
光电晶体管
Figure BDA00029110487300000811
可被连接至低电压设备25。低电压设备25可属于电子控制系统(未示出)。低电压设备25可以具有正连接部、负连接部和信号线路。光电晶体管
Figure BDA00029110487300000812
可被连接至正线路并连接至低电压设备25的信号线路。在输入侧，直流电压转换器21可也连接至低电压设备25。直流电压转换器21可被连接至低电压设备25的正和负连接部且由此保持其操作电压。
在特别有利的实施例中，直流电压转换器21的输入26可被连接至预充电开关SV的控制输入29。低电压设备25的相同操作电压可然后被用于操作直流电压转换器21和控制输入29(例如，预充电开关SV的线圈)二者。
根据本发明的预充电开关布置1的特别紧凑的实施例仅具有两个高电压连接部17、19和三个到低电压设备25的连接部。低电压设备25优选地在预充电开关布置1的外侧。预充电开关布置1不在任何位置以导电方式连接至功率供应电路7的负支路(branch)27。
预充电开关布置1的元件优选地形成可被容纳在共同的壳体(未示出)中的部件组31。
附图标记列表
1 预充电开关布置
3 设备
5 电压供应布置
7 直流电路
9 线路段
11 第一电压导体
13 比较元件/比较器
15 直流电压源
17 高电压连接部
19 高电压连接部
21 直流电压转换器
23 第二分压器
25 低电压设备
26 直流电压转换器的输入
27 功率供应电路的负支路
29 控制输入
31 部件组
B 高直流电压源
C 电容器
C1 电容器
C2 电容器
C3 电容器
M 参考电位
RV 预充电电阻器
R1 电阻器
R2 电阻器
R3 电阻器
R4 电阻器
R5 电阻器
R6 电阻器
R7 电阻器
R8 电阻器
S1、S2 开关元件
SS 开关信号
SV 预充电开关
UM 测量电压
UR 参考电压
UV 预充电电压
Figure BDA0002911048730000111
传输单元/光耦合器
Figure BDA0002911048730000112
传输单元的输出
Figure BDA0002911048730000113
传输单元的输入/发光二极管
V+、V- 供应连接部
ZD1 齐纳二极管。

Claims (11)

1.一种用于给直流电路(7)的电容器(C)充电的预充电开关布置(1)，具有预充电电阻器(RV)、预充电开关(SV)、直流电压源(15)、和用于检测横跨预充电电阻器(RV)的电压(UV)的设备(3)，其中所述预充电电阻器(RV)至少间接连接至所述用于检测横跨预充电电阻器(RV)的电压(UV)的设备(3)，其中所述用于检测横跨预充电电阻器(RV)的电压(UV)的设备(1)具有比较元件(13)以用于将在预充电电阻器(RV)处分接的电压(UV)与来自所述直流电压源(15)的参考电压(UR)进行比较，其中用于参考电压(UR)的所述直流电压源(15)是直流电压转换器(21)，其中所述预充电开关(SV)的控制输入(29)给所述预充电开关(SV)的线圈供能，所述预充电开关是接触器或继电器，其中所述预充电开关(SV)的控制输入(29)连接至所述直流电压转换器(21)的输入(26)，其中比较元件(13)在输出侧处被连接至传输单元
Figure FDA0002911048720000011
的输入
Figure FDA0002911048720000012
且传输单元
Figure FDA0002911048720000013
具有从其输入
Figure FDA0002911048720000014
电流阻断的输出
Figure FDA0002911048720000015
2.如权利要求1所述的预充电开关布置(1)，其特征在于所述用于检测横跨预充电电阻器(RV)的电压(UV)的设备(3)具有第一分压器(11)，所述第一分压器(11)在输入侧处连接至预充电电阻器(RV)。
3.如权利要求1所述的预充电开关布置(1)，其特征在于直流电压源(15)借助第二分压器(23)连接至比较元件(13)。
4.如权利要求1所述的预充电开关布置(1)，其特征在于传输单元
Figure FDA0002911048720000016
的输出
Figure FDA0002911048720000017
的供应线路连接至直流电压转换器(21)的输入(26)。
5.如权利要求1-4中任一项所述的预充电开关布置(1)，其特征在于比较元件(13)的供应线路、直流电压转换器(21)的输出(15)、传输单元
Figure FDA0002911048720000018
的输入
Figure FDA0002911048720000019
第一分压器(11)以及第二分压器(23)具有共同的参考电位(M)，所述电位连接至将预充电电阻器(RV)连接至预充电开关(SV)的线路(9)。
6.如权利要求1-4中任一项所述的预充电开关布置(1)，其特征在于至少两个分压器(11、23)、预充电电阻器(RV)、预充电开关(SV)、比较元件(13)、传输单元
Figure FDA00029110487200000110
和直流电压转换器(21)形成布置在共同的壳体中的部件组(31)。
7.一种用于电负载的功率供应布置(5)，所述负载是在输入侧的电容器，具有将高直流电压源(B)连接至电容器(C)的直流电路(7)并具有两个可控制开关元件(S1、S2)，所述两个可控制开关元件(S1、S2)每一个布置在电容器(C)的极和高直流电压源(B)之间，其特征在于如权利要求1-6中任一项所述的预充电开关布置(1)与可控制开关元件(S2)并联连接。
8.如权利要求7所述的用于电负载的功率供应布置(5)，其特征在于预充电开关布置(1)仅借助于可控制开关元件(S2)上游和下游的两个高电压连接部(17、19)连接至直流电路(7)。
9.一种用于将负载连接至高直流电压源(B)的方法，其中所述负载根据跨预充电电阻器(RV)的电压(UV)被连接至高直流电压源(B)，所述预充电电阻器(RV)被布置在高直流电压源(B)和负载之间，其特征在于所述方法使用根据权利要求1-6中任一项所述的预充电开关布置(1)和根据权利要求7-8中任一项所述的功率供应布置(5)。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，当达到预期的充电状态时，所述预充电开关(SV)断开、且预充电开关布置(1)由此被切换到无功率状态。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，当达到期望的充电状态时，所述高直流电压源(B)与所述负载(7)之间的电压差足够低，以至于所述可控制开关元件(S2)能够被闭合而不会被巨大的浪涌电流损坏或破坏。
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