CN114728591A - 用于使驱动系统的能量存储装置放电的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使电动车辆驱动装置的驱动系统的至少一个能量存储装置放电的电路，该电动车辆驱动装置在车载电气系统中具有电力电子单元，其中，呈致动器形式的单相DC/DC转换器(1)连接在驱动系统的上游，并且DC/DC转换器(1)提供：第一电容器(2)；线圈(3)，该线圈连接在第一电容器(2)的下游；和第一开关(4)，该第一开关用于第一电流电路(5)以及第一电容器(2)、连接在第一电容器(2)的下游的线圈(3)；第二开关(6)，该第二开关连接在线圈(3)的下游；以及第二电容器(7)，该第二电容器连接在用于第二电流电路(8)的第二开关(6)的下游。第一开关(4)和第二开关(6)设计成以交替的方式且相对于彼此不同地切换，使得第一电流电路(5)或第二电流电路(8)闭合，以便使车载电气系统的至少一个能量存储装置在放电过程期间主动地放电。本发明还涉及一种电动车辆驱动装置以及一种用于使电动车辆的驱动系统的至少一个能量存储装置放电的方法。

Description

用于使驱动系统的能量存储装置放电的电路
技术领域
本发明涉及一种用于使电动车辆驱动装置、特别是混合动力电动车辆、插电式混合动力车辆或纯电动车辆中的电动车辆驱动装置的驱动系统的至少一个能量存储装置放电的电路，该电动车辆驱动装置在车载电气系统中具有电力电子单元，其中，呈致动器形式的单相DC/DC转换器连接在驱动系统的上游，并且DC/DC转换器提供：第一电容器；线圈，该线圈连接在第一电容器的下游；和第一开关，该第一开关用于第一电流电路以及第一电容器、连接在第一电容器的下游的线圈；第二开关，该第二开关连接在线圈的下游；以及第二电容器，该第二电容器连接在用于第二电流电路的第二开关的下游。本发明还涉及一种具有该电路的电动车辆驱动装置以及一种用于使电动车辆的驱动系统的至少一个能量存储装置放电的方法。
背景技术
通用的电路在现有技术中充分已知。例如，DE 10 2012 203 778 A1公开了一种用于在机动车辆中控制混合动力传动系的方法，该传动系具有：内燃发动机，该内燃发动机具有曲轴；以及电机，该电机作为马达和发电机进行操作，并且具有操作性地连接至曲轴的转子、操作性地连接至与曲轴相关联的扭振阻尼器的转子、用于与电机以及对应的蓄能器装置交换电能的蓄能器装置。
放电电路因此是已知的，其中，放电经由嵌置在电力电子装置中的主动放电电路提供，这需要另外的部件并且因此需要安装空间，从而导致较高的成本。这具有的缺点是，需要至少一个另外的功率半导体开关以及另外的功率电阻器来将储存的能量转化为热。另外，这样的放电电路需要逻辑控制。
根据相关的安全标准，高压车载电气系统中的DC电压中间电路中的电能必须在2秒的短时间段内放电至对人无伤害的水平/电压水平。这种DC电压中间电路以高于60V DC/直流电压的电压来操作，并且根据安全标准，应当放电至低于60V DC/直流电压。
根据当前状态，根据电压或电池电压的电压范围，这包括从500V至800V DC/直流电压的放电电压。根据现有技术，这种放电经由嵌置在动率电子装置中的主动充电电路来进行，这需要另外的部件并且因此需要安装空间，从而导致较高的成本。如上所述，需要至少一个另外的功率半导体开关以及另外的功率电阻器来将储存的能量转化为热，以及需要用于该电路的逻辑控制器。
这种安全需求通常与全部的电动车辆驱动系统有关，这些电动车辆驱动系统具有始终存在的电容性能量储存装置，其中，能量储存装置是功能性地和/或寄生地存在的。此外，在电池操作式电动车辆驱动系统中，DC/DC转换器连接在驱动转换器的上游以提高效率。这些变压器通常具有根据驱动系统的操作点来跟踪驱动逆变器的中间DC电路电压的任务。
发明内容
因此，本发明的目的是消除从现有技术已知的缺点，并且特别地，提供一种成本有效并且需要较少的安装空间的电路。特别地，本发明的目的是以最小的努力通过单相DC/DC转换器来在驱动系统中实现放电。
该目的实现的原因在于，将第一开关和第二开关设计成以交替的方式且相对于彼此不同地切换，使得第一电流电路或第二电流电路闭合，以便使车载电气系统的至少一个能量存储装置在放电过程期间主动地放电。
换言之，车载电器系统中的整个能量存储装置的主动放电通过巧妙地使存在的能量存储装置再充电来实现。这种能量存储装置的反向充电通过第一开关和第二开关的交替的闭合和打开来实现。换言之，电力电子装置的DC电压中间电路或车载电气系统中的电容通过上游单相DC/DC转换器以降压-升压拓扑或升压拓扑在驱动系统中主动地放电。应当注意的是，第一电容器和第二电容器各自表示待放电的能量存储装置。
进一步有利的实施方式通过从属权利要求来要求保护并且在下面更详细地说明。
此外，优选的是，将第一开关和第二开关设计成基于预定的时间间隔在第一电流电路与第二电流电路之间进行强制切换。特别优选的是，第一电流电路通过使第一开关闭合而闭合的预定时间间隔与第二电流电路通过使第二开关闭合而闭合的预定时间间隔至少大致对应。这具有的优点是，电路在第一电流电路与第二电流电路之间周期性地切换。换言之，这意味着第一开关相对于第二开关偏移地、周期性地切换。
在此还有利的是，电路以使得单独地/自动地连续进行切换或者直至达到小于60V的期望电压或者不再期望进行放电的方式来设计。
还有利的是，放电过程以使得第一开关闭合且第二开关打开或者第二开关闭合且第一开关打开的方式提供。换言之，这意味着一旦放电过程已经开始，则两个开关中的一个开关始终处于打开位置，并且两个开关中的另一个开关闭合。
还有利的是，第一电流电路限定放电过程的第一状态，在第一状态中，第一电容器在第一开关闭合且第二开关打开时经由线圈来放电。特别有利的是，第二电流电路限定放电过程的第二状态，在第二状态中，第二电容器在第二开关闭合且第二开关打开时经由线圈和第一电容器来放电。这意味着所使用的两个开关位置仅提供第一状态与第二状态之间的切换。因此，作为第一能量存储装置的第一电容器始终与作为第二能量存储装置的第二电容器交替地放电。
在这种情况下，还有利的是，在第一电流电路和第二电流电路两者中对第一电容器、第二电容器、线圈、第一开关以及第二开关的欧姆电阻进行专门地定制以将储存在相应的电流电路中的能量转化为热并且将其作为热散发出去。在此的优点是，针对放电过程或放电功能不需要/不必使用另外的部件。因此，可以节省另外的成本和安装空间。这种节省主要与昂贵的功率电阻器以及另外的半导体开关有关。
此外，有利的是，DC/DC转换器的所有电力部件都为水冷却的。因此，热行为在电容器或能量存储装置的主动放电期间始终是非临界的。在使用功率电阻器时，情况并非如此。换言之，由于存在水冷却，所以不存在DC/DC转换器的所有电力部件将由于能量转化为热而过热的风险。因此，电能通过第一电容器、第二电容器、线圈以及第一开关和第二开关的欧姆电阻而作为热被消散。
电路中优选地集成有软件例程。借助于这种集成的软件例程，可以在第一电流电路与第二电流电路之间进行切换。这具有的优点是，可以容易地调节用于在这两个开关位置之间进行切换的预定时间间隔。另外，可以使用DC/DC转换器的电力部件以及DC/DC转换器的控制部件、比如栅极驱动器、微型处理器和电流传感器，使得不需要另外的部件。此外，已经证明有利的是，软件例程设计成例如用于使相应的第一开关或第二开关自动地打开和闭合。
优选的是，电路设计并构造成在优选地500ms之后将至少一个能量存储装置放电到低于50V，但是至少在小于2秒内放电至低于60V。这具有的优点是，容易地满足在2秒内将至少一个能量存储装置放电至低于60V的安装标准。
此外，本发明涉及一种电动车辆驱动装置，特别是用于混合动力电动车辆、插电式混合动力车辆或纯电动车辆的电动车辆驱动装置，在该电动车辆驱动装置中包括根据前述方面中的任一方面所述的电路。
此外，本发明涉及一种用于使电动车辆驱动装置、特别是混合动力电动车辆、插电式混合动力车辆或纯电动车辆中的电动车辆驱动装置的驱动系统的至少一个能量存储装置放电的方法，该电动车辆驱动装置中在车载电气系统中具有电力电子单元，其中，呈致动器形式的单相DC/DC转换器连接在驱动系统的上游，并且DC/DC转换器提供：第一电容器；线圈，该线圈连接在第一电容器的下游；和第一开关，该第一开关用于第一电流电路以及第一电容器、连接在第一电容器的下游的线圈；第二开关，该第二开关连接在线圈的下游；以及第二电容器，该第二电容器连接在用于第二电流电路的第二开关的下游，其中，第一开关和第二开关设计成以交替的方式且相对于彼此不同地切换，使得第一电流电路或第二电流电路闭合以便使车载电气系统的至少一个能量存储装置在放电过程期间主动地放电。
附图说明
在下文中，现在参照附图对本发明进行更详细的说明。
在附图中：
图1示出了单相DC/DC转换器的电路图，
图2示出了根据主动放电过程的第一状态的单相DC/DC转换器的电路图，
图3示出了根据主动放电过程的第二状态的单相DC/DC转换器的电路图，
图4示出了用以表示在整个主动放电过程期间随时间变化的电压曲线和电流曲线的图，以及
图5示出了图4中的截面A的放大表示的图。
这些附图在本质上仅是示意性的，并且仅用于理解本发明。相同的元件设置有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了用于使在车载电气系统中具有电力电子装置的电动车辆驱动装置的驱动系统的至少一个能量存储装置放电的单相DC/DC转换器1的电路图。单相DC/DC转换器1作为致动器连接在驱动系统的上游。图1示出的是，DC/DC转换器1具有第一电容器2、连接在第一电容器2的下游的线圈3以及用于第一电流电路5(在图2中示出)的第一开关4。此外，DC/DC转换器1具有第一电容器2、位于第一电容器2的下游的线圈3、位于线圈3的下游的第二开关6以及位于用于第二电流电路8(在图3中示出)的第二开关6的下游的第二电容器7。在图1中，第一开关4和第二开关6示出为处于打开位置。
图2示出了根据主动放电过程的第一状态10(在图5中示出)的图1的单相DC/DC转换器1的电路图。在第一状态10中，第一开关4闭合并且第二开关6处于打开位置。由第一开关4闭合的第一电流电路5使得第一电容器2能够经由连接在下游的线圈3来放电。因此，在此忽略第二电容器7。
图3示出了根据主动放电过程的第二状态11(在图5中示出)的图1的单相DC/DC转换器1的电路图。在第二状态11下，第二开关6闭合并且第一开关4处于打开位置。由第二开关6闭合的第二电流电路8使得第二电容器7能够经由线圈3和第一电容器2来放电。
图4示出了用于表示在整个主动放电过程期间随时间变化的电压曲线和电流曲线的图。图4包括与电压有关的上图以及与电流有关的下图。以毫秒计的时间绘制在x轴上并且在0s至600ms的范围内。以伏特计的、在-46V与+489V之间的范围内的电压绘制在上图中的y轴上，并且以安培计的、在-200A与+200A之间的范围内的电流绘制在下图中的y轴上。
图4中的上面的图示出了第一电容器2中的电压曲线UC1以及第二电容器7中的电压曲线UC2。在此可以看出的是，来自第一电容器2的电压UC1和来自第二电容器7中的电压UC2在500ms之后已经低于50V。之后参照图5对此进行更详细的描述。
图4的下面的图示出了线圈3中的电流曲线IL。电流IL描述了在根据第一状态10与第二状态11之间的交替切换的放电过程期间电流在线圈3处的行为。换言之，IL描述了基于第一电流电路5与第二电流电路8之间的切换的电流的曲线。
图5示出了图4中的截面A的放大表示的图。根据图4，在图5中也示出了两个图，与电压有关的上图以及与电流有关的下图。在上图中可以看到两个特征曲线。第一特征曲线描述了电压曲线UC1，并且第二特征曲线描述了电压曲线UC2。
根据上图中的UC1的第一特征曲线描述了根据单相DC/DC转换器1中的第一电容器2的电压的曲线。可以看到开关4和6的交替的闭合和打开。当第一开关4闭合并且第二电容器2根据第一状态10进行放电时，特征曲线UC1的曲线下降。一旦第一开关4打开并且第二开关6闭合，则第二电容器7根据第二状态11进行放电。在该第二状态11下，特征曲线UC1上升。
这两个状态10与11之间的交替切换的概要产生了波形/正弦曲线。峰-谷值12随着时间的推移变得越来越小，直至根据图4在约500ms处曲线仅在从0V至50V的电压范围内移动。
根据上图中的UC2的第二特征描述了根据单相DC/DC转换器1中的第二电容器7的电压的曲线。此处，可以再次看到开关4和6的交替的闭合和打开。当第二开关6闭合并且第二电容器7根据第二状态11进行放电时，特征曲线UC2的曲线下降。一旦第二开关6打开并且第一开关4闭合，则第一电容器2根据第一状态10进行放电。在该第一状态10下，特征曲线UC2上升。
这两个状态10和11的交替切换的概要再次产生了波形/正弦曲线。峰-谷值12随着时间的推移变得越来越小并且整个电压水平下降，使得电压范围在约500ms处在0V与50V之间。
这两个特征曲线UC1和UC2的对比示出的是，特征曲线UC1的峰-谷值12显著大于特征曲线UC2的峰-谷值12。此外，图5的上图示出的是，当曲线UC2上升时，曲线UC1下降，并且反之亦然。这反映了两个状态10与11之间的切换或者第一电容器2和第二电容器7的交替放电。UC1和的峰-谷值12显著大于特征曲线UC2的峰-谷值。对此的背景是，第二电容器7经由第一电容器2和线圈3来放电，并且第一电容器2仅经由线圈3来放电。因此，特征曲线UC1的电压水平明显更高地上升。特征曲线UC2示出为非常平坦的曲线，但是始终处于较高的电压水平。两个特征曲线UC1和UC2的周期持续时间14由第一状态10和第二状态11一起的共同持续时间限定。
特征曲线IL1在下图中示出。在电流曲线IL1中，可以看到的是，当从第一状态10切换至第二状态11时或者从第二状态11切换至第一状态10时，在每种情况下都经过零点15。因此，电流曲线IL1的高点16就时间而言位于第一状态10的中心，并且电流曲线IL1的低点17就时间而言位于第二状态11的中心。幅度13从电流曲线IL1的零线至高点16或低点17来限定并且还随着时间的推移而减小，使得电流曲线随着放电过程的进行而接近零线。
附图标记说明
1 DC/DC转换器 2第一电容器 3线圈 4第一开关 5第一电流电路 6第二开关 7第二电容器 8第二电流电路 9时间间隔 10第一状态 11第二状态 12峰-谷值 13幅度 14周期持续时间 15零点 16高点 17低点。

Claims (10)

1.一种电路，所述电路用于使电动车辆驱动装置、特别是混合动力电动车辆、插电式混合动力车辆或纯电动车辆中的电动车辆驱动装置的驱动系统的至少一个能量存储器放电，所述电动车辆驱动装置在车载电气系统中具有电力电子单元，呈致动器形式的单相DC/DC转换器(1)连接在所述驱动系统的上游，并且所述DC/DC转换器(1)提供：第一电容器(2)；线圈(3)，所述线圈连接在所述第一电容器(2)的下游；和第一开关(4)，所述第一开关用于第一电流电路(5)以及所述第一电容器(2)、连接在所述第一电容器(2)的下游的所述线圈(3)；第二开关(6)，所述第二开关连接在所述线圈(3)的下游；以及第二电容器(7)，所述第二电容器连接在用于第二电流电路(8)的所述第二开关(6)的下游，其特征在于，所述第一开关(4)和所述第二开关(6)设计成以交替的方式且相对于彼此不同地切换，使得所述第一电流电路(5)或所述第二电流电路(8)闭合，以便使所述车载电气系统的所述至少一个能量存储装置在放电过程期间主动地放电。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一开关(4)和所述第二开关(6)设计成基于预定的时间间隔(9)在所述第一电流电路(5)与所述第二电流电路(8)之间进行强制切换。
3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述放电过程设置成使得所述第一开关(4)闭合且所述第二开关(6)打开，或者所述第二开关(6)闭合且所述第一开关(4)打开。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的电路，其特征在于，所述第一电流电路(5)限定所述放电过程的第一状态(10)，在所述第一状态中，所述第一电容器(2)在所述第一开关(4)闭合且所述第二开关(6)打开时经由所述线圈(3)放电。
5.根据权利要求1至3中的一项所述的电路，其特征在于，所述第二电流电路(8)限定所述放电过程的第二状态(11)，在所述第二状态中，所述第二电容器(7)在所述第二开关(6)闭合且所述第一开关(4)打开时经由所述线圈(3)和所述第一电容器(2)放电。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的电路，其特征在于，所述第一电容器(2)、所述第二电容器(7)、所述线圈(3)、所述第一开关(4)以及所述第二开关(6)在所述第一电流电路(5)和所述第二电流电路(8)中的欧姆电阻被专门地定制成将储存在相应的电流电路(5、8)中的能量转化成热并且将所述能量作为热散发。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的电路，其特征在于，在所述DC/DC转换器(1)中集成有软件例程。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的电路，其特征在于，所述DC/DC转换器(1)设计成使所述至少一个能量存储装置放电至低于50V。
9.一种电动车辆驱动装置，其特征在于，所述电动车辆驱动装置包括根据前述权利要求中的一项所述的电路。
10.一种用于使电动车辆的驱动系统的至少一个能量存储装置放电的方法，所述电动车辆在车载电气系统中具有电力电子单元，其中，呈致动器形式的单相DC/DC转换器(1)连接在所述驱动系统的上游，并且所述DC/DC转换器(1)提供：第一电容器(2)；线圈(3)，所述线圈连接在所述第一电容器(2)的下游；和第一开关(4)，所述第一开关用于第一电流电路(5)以及所述第一电容器(2)、位于所述第一电容器(2)的下游的所述线圈(3)；第二开关(6)，所述第二开关连接在所述线圈(3)的下游；以及第二电容器(7)，所述第二电容器连接在用于第二电流电路(8)的所述第二开关(6)的下游，所述第一开关(4)和所述第二开关(6)以交替的方式且相对于彼此不同地切换，使得所述第一电流电路(5)或所述第二电流电路(8)闭合，以便使所述车载电气系统的所述至少一个能量存储装置在放电过程期间主动地放电。
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