CN117296224A - 放电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使电气网络或电气运行单元(4)放电的放电设备(2)，放电设备具有放电电路(8)，放电电路具有放电电阻(10)和与之串联的常开的第一半导体开关(12)，放电设备还具有用于驱控第一半导体开关(12)的控制器(20)，其中，向控制器(20)发命令，使得在网络或单元(4)的正常运行中不启用放电电路(8)，而在命令缺失时启用放电电路(8)。

Description

放电设备

技术领域

本发明涉及一种用于使电气网络、尤其是高压网络或使这种网络的电气运行单元放电的放电设备或放电设施。本发明还涉及一种具有这种放电设备的电气单元以及一种放电方法。

背景技术

在现代机动车中，通常与以12V(伏特)电压值的电压来运行的部件并联地使用以较高的运行电压值来运行的部件。尤其地，在具有纯电驱动器或具有混合动力驱动器的机动车中，这样高的运行电压可能超过100V。在汽车领域中，超过60V的电压值在此被称为“高压(HV)”。尤其地，以高电压运行的电气驱动系统、通常是电驱动系统(其例如包括牵引马达、冷却剂或润滑剂泵、制冷剂压缩机(空调压缩机)等)在此被接入到所谓的“高压网络”中。这种高压网络通常还包括至少一个能量存储器(例如电容器)，其分别配属于高压网络的一个电气单元或所有电气单元。它例如被用于使一个或多个电气单元所需的运行电压值保持恒定。

然而出于安全原因，必须一方面能够关断这种高压网络，并且另一方面尤其能够使其放电。这尤其是如下情况，即人员可能接触到各自的高压网络，或者例如在车辆维护或车辆修理期间或也在发生车辆事故时可能发生电短路。

为了实现例如作为能量存储器的高压电容器的自动放电，要么可以使用纯被动的电阻式方法要么使用具有控制半导体(半导体开关)的电路作为放电设备(主动放电)。电阻式或被动方法通常具有以下缺点：产生非常高的功耗或者高电压仅在很长一段时间后才降低到安全值。

为了使具有危险的高运行电压的电气单元放电，在故障或错误状况中，即使控制元件失效，也必须尽可能快速且可靠地将电压降低或放电至安全值。然而，为此目的所提供的(被动)放电设备通常在不放电的息止状态下具有高的功率消耗。此外，放电设备通常被确定规格以使得其功率消耗在高残余电压的情况下仍然是可接受的，这导致放电速度随着放电的增加(即残余电压的降低)而减慢。

发明内容

本发明的任务是，给出一种特别合适的放电设备。尤其地，应当可以实现使电气网络或这种电气网络的电气运行单元尽可能安全地放电。此外，应在低功耗的同时实现尽可能高的放电速度。本发明的任务还在于，给出特别合适的电气单元以及特别合适的放电方法。

根据本发明，关于放电设备，该任务利用权利要求1的特征来解决，关于单元，该任务利用权利要求10的特征来解决，关于放电方法，该任务利用权利要求11的特征来解决。有利的设计方案和改进方案是从属权利要求的主题。

如果方法步骤如下所述，则针对放电设备和/或单元的有利设计方案尤其是通过如下方式得到，即，它们被构造成用于实施这些方法步骤中的一个或多个。连词“和/或”在此处和下文中应当被理解为：借助该连词所连接的特征不仅可以共同地构成，而且可以彼此互为替选。

根据本发明的放电设备被设置成用于使电气网络或电气运行单元被动放电，即用于使网络或单元被动放电，以及适合于此且为此目的而设立。网络优选是高压网络。高压网络，尤其是机动车的高压车载电网在此和下文中尤其被理解为在其中处理大于或等于60V的电压的(车载)网络。电气运行单元例如是这种高压网络的部件。例如，该单元被实施为机动车的电气制冷剂压缩机或空调压缩机。

放电设备具有放电电路，经由放电电路，尤其是在放电模式中，网络或电气运行单元的要放电的构件与参考电势(优选是地电势)连接。放电电路在此尤其是与要放电的构件并联。放电电路为此具有下面被称为“限流电阻”或“放电电阻”的(欧姆)电阻作为功率消耗器和下面被称为“放电开关”的第一半导体开关。放电开关在此用于以尤其是可逆的方式将要放电的构件经由放电电阻与参考电势间接连接。换而言之，放电电路被设计成使得高压网络或至少电气运行单元(尤其是至少要放电的构件)在放电开关闭合(即接通或切换成导通)时经由放电电阻以能导电的方式与参考电势连接。

放电开关在此被实施成常开的，这意味着：在没有驱控信号或放电信号的情况下，放电开关处于断开或切换至不导通的状态。放电开关尤其被实施为MOSFET、IGBT或SiCMOS。

此外，放电设备具有布置在放电电路或放电开关的控制联接端一侧且优选与之以能传导的方式连接的控制器，即控制单元或控制电路，用以进行驱控。

根据本发明，向控制器发命令，使得在网络或单元的正常运行中不启用放电电路，而在命令缺失时启用放电电路。这意味着，如果命令缺失，控制器自动地或自主地将放电开关切换至导通，并且放电电路因此从息止模式转变到放电模式中。由此实现了特别合适的放电设备。尤其地，放电设备在息止状态(正常状态)下具有较低的功率消耗并且在没有驱控装置的情况下持续起效。优选地，在主动放电电路中的放电电流依赖于网络或单元的(在放电时降低的)电压而改变。

控制器在此通常在程序技术和/或电路技术上被设立成用于执行上述的根据本发明的功能。因此，控制器被专门设立成用于检测命令的缺失，并在缺失时启用放电电路或半导体开关。

在能想到的设计方式中，控制器至少在核心中由具有处理器和数据存储器的微控制器形成，在其中用于执行根据本发明的功能的功能性以运行软件(固件)的形式在程序技术上实现，从而在微控制器中实施运行软件时自动执行功能。在本发明的范围内，控制器还可以替选地由不可编程的电子构件，例如专用集成电路(ASIC)形成，在其中以电路技术上的机构实现了功能性。

在优选的实施方案中，控制器具有用于截止信号(“禁止”信号)的截止输入端(“禁止”输入端)。在运行中，控制器监控截止输入端。例如，截止输入端在此由控制器来监控该截止输入端是否定期被接通和关断。用于命令的截止信号，例如作为交变信号，即作为交变电压或作为脉冲信号，由车辆车载电网的上级控制元件(驱控装置)来产生。禁止信号在此例如由主微控制器产生，主微控制器实现了网络的实际器件功能。主微控制器例如是马达控制部、电流监控部或通信部，并且由(例如来自12V车载电网的)低压供应。

在该交变信号被取消或该交变信号被干扰时，根据本发明自行启用放电电路或放电开关。这意味着，如果没有截止信号被馈入到截止输入端，即，如果预期的截止信号没有出现或不同于预期信号，则控制器将放电开关切换至导通，并且放电电路因此从息止模式转变到放电模式中。由此，实现了特别合适的放电设备。

借助截止信号来命令放电设备，使得放电电路在正常运行中被关断。由此，减少了放电设备的持续功耗。在撤销命令的情况下，放电电路是自动起效的。根据本发明，因此给出了如下放电设施，其在息止状态(正常运行)中具有低的功率消耗并且在没有附加的驱控装置的情况下持续起效。由此，可以实现能量存储器在更高电压的情况下的放电时间更短。尤其地，无需用于使放电设备正确工作的软件和处理器功能。

在有利的实施方案中，脉宽调制驱动器(PWM驱动器)，即驱动电路或栅极驱动器，布置在控制器与放电开关的控制输入端之间，用以脉宽调制式驱控放电电阻。由于PWM驱控而使得对负载电阻或放电电阻的性能要求较低。

在适宜的改进方案中，PWM驱动器具有联接至控制器的发射极电路，该发射极电路具有双极型晶体管、接在基极与控制器之间的基极串联电阻以及集电极电阻，该集电极电阻在发射极侧引导至参考电势并且在集电极侧引导至具有两个互补的第二半导体开关的输出级。在此，发射极电路在基极侧驱控优选被实施为双极型晶体管的第二半导体开关。第二半导体开关在此被实施为NPN晶体管和PNP晶体管。通过互补的输出级实现了针对放电开关的驱控电流的电流放大，使得可以实现时钟式放电模式的快速变换。

本发明的附加或另外的方面设置的是，控制器借助分压器检测网络的电压(网络电压)或施加在单元或构件上的(运行)电压。换而言之，控制器与(高伏特)电压测量部耦联，以便监控放电过程期间电压的时间曲线。

在优选的改进方案中，放电电流(进而放电过程或放电模式)依赖于在放电时电压降低而改变。为此，依赖于控制器检测到的电压来控制放电开关的脉宽调制式驱控的脉宽。

在一个能想到的构造方案中，由控制器驱控的电压调节器或电平转换器(LevelShifter)在此接在控制器与PWM驱动器之间，电压调节器或电平转换器依赖于当前的电压调设PWM驱控的脉宽。优选地，放电设备自行控制，使得在放电时不超过预定的最大功耗。

在适宜的实施方案中，通过随着网络或单元的电压降低而增大脉宽的方式来控制PWM驱控。这意味着，通过使由开关元件(放电开关)控制的(放电)电阻加载来实现放电，开关元件的脉宽随着运行电压的降低而增加。优选地，当前电压与脉宽之间的关系被设定或确定规格为使得在每个(运行)电压的情况下平均地实现放电电阻中相同的功率。

在一个合适的设计方案中，放电电路具有与放电电阻和放电开关串联的电阻，其中，在截止信号缺失时，由控制器监控电阻的输出电压。在由于截止信号缺失而启用放电期间，测量电阻上的输出电压，以便确认放电电路的正确工作。由此，可以在运行中通过控制器确保功能。因此，放电设备包含输出信号，利用该输出信号可以根据控制元件的要求来检查放电设备的功能。由此，进一步改善了放电设备的安全性和可靠性。

根据本发明的电气运行单元优选是机动车的一部分并且尤其是被设立成用于高压运行。因此，电气运行单元是上述高压网络的一部分或者其本身构成这样的高压网络。根据本发明的电气运行单元例如是机动车的电气制冷剂压缩机，其中，高压网络尤其是马达电子器件的中间回路，并且其中，要放电的构件或要放电的部件例如是中间回路电容器。单元在此具有上述的放电设备。关于放电设备列举的优点和设计方案也可以转移到该单元上，并且反之亦然。

根据本发明的放电方法用于使上述的电气(高压)网络或上述的电气运行单元放电。优选被动的放电方法借助上述的放电设备自动或自主地执行。在此，当没有截止信号馈入到控制器的截止输入端时，将放电开关切换成导通。由此，要放电的构件经由放电电路以高放电速度并且因此在特别短的时间内放电。

同时，通过放电方法减少了放电设备的持续功耗。换而言之，在快速被动放电时实现了损耗减少。

附图说明

下面参考附图更详细阐述本发明的实施例。其中：

图1示出了用于电气运行单元的放电设备的示意性电路图；

图2以框图示出了放电设备；并且

图3以时间-电压示意图示出了放电设备的放电过程。

在所有附图中，相应的部件和参量始终具有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中以示意性且简化的示图示出放电设备2。放电设备2是电气运行单元4的在图2中局部示出的高压网络的一部分。单元4例如被实施为机动车空调机组的电气制冷剂驱动器。在此，单元4包括作为构件的未详细示出的电动马达以及由电容器6形成的能量存储器，能量存储器用于使运行电动马达所需的运行电压值稳定。

为了根据需要使电容器6放电，电气运行单元4具有放电设备2。放电设备2又具有放电电路8，该放电电路与要放电的电容器6并联。

在此，放电电路8具有由放电电阻10、半导体开关12以及电阻13组成的串联电路。以下将半导体开关12称为放电开关12。放电开关12在此被实施为常开的MOSFET，其在漏极侧被引导至放电电阻10并且在源极侧被引导至联接到参考电势14(例如高伏特负极或地电势)的电阻13。放电电阻10的第二联接端与单元1的运行电压(例如高伏特正极)16接触。参考电势14和运行电压16在附图中仅示例性配设有附图标记。

放电开关12在栅极侧联接至脉宽调制驱动器(PWM驱动器)18，脉宽调制驱动器又由作为动态信号探测器的控制器20来驱控。控制器20例如被实施为微控制器，并且在下文中也被称为微控制器。在微控制器20和PWM驱动器18之间存在由微控制器20驱控的针对低功率的电压调节器22或电平转换器(Level Shifter)，该电压调节器或电平转换器依赖于当前的运行电压16提供用于放电开关12的PWM驱控的脉宽。为了检测运行电压16，设置有(高伏特)电压测量部24，其与控制器20和/或电压调节器22耦联。

电压测量部24例如被实施为具有两个串联的电阻26、28的分压器，这两个电阻一方面联接至运行电压16，并且另一方面联接至参考电势14。电阻26在此联接至参考电压16，并且电阻28联接至参考电势14，其中，在它们之间形成的截取点被引导到微控制器20。因此，分压器24关于电容器4或单元4的要放电的构件有效地起到(被动)放电电阻的作用。例如，分压器24或电阻26、28在此被确定规格而使得电容器6的放电时间为大约30秒。

在微控制器20与电压调节器22之间接地有用于使经调节的电压稳定的电容器30。

PWM驱动器18具有联接至微控制器20的发射极电路，该发射极电路具有被实施为双极型晶体管的半导体开关32、接在基极与微控制器20之间的(基极)串联电阻34以及集电极电阻36，其中，双极型晶体管32在发射极侧被引导到参考电势14。PWM驱动器18还具备带有半桥的输出级，该半桥具有两个互补的半导体开关38、40。半导体开关38、40被实施为双极型晶体管，其中，半导体开关38尤其是NPN双极型晶体管并且半导体开关40尤其是PNP双极型晶体管。

放电开关12的栅极联接端接在半导体开关38的发射极与半导体开关40的集电极之间。半导体开关40的集电极被引导到参考电势14，其中，半导体开关38的集电极和集电极电阻36都联接至电压调节器22的输出端。

半导体开关40的集电极和半导体开关38的集电极还与(供电)电路42耦联。电路42具有电阻44与齐纳二极管46的串联电路，其中，电阻44联接至运行电压并且齐纳二极管46的阳极联接至参考电势14。在此，半导体开关40的集电极和半导体开关38的集电极接在电阻44与齐纳二极管46之间，其中，电容器48与齐纳二极管46并联地接至参考电势14。

在此，齐纳二极管46防止放电开关12的栅极联接端处的PWM(驱控)控制电压超过允许的最大值，其中，电容器48用于对由PWM驱动器18产生的PWM电压进行电压稳定。

下面详细地阐述放电设备2的根据该方法的运行。

在单元4的运行中，所施加的高压或运行电压16使电容器6充电到高的电压水平，在触摸的情况下，该高的电压水平会危及健康或生命。为了根据需要减少风险，必须尽快使电容器6放电。该放电经由放电电路8的负载或放电电阻10来实现，该负载或放电电阻通过快速放电开关12作为消耗器被接入。

为了实现短放电时间但却在持续运行中少产生功耗，放电开关12由微控制器20来驱控，使得放电电路8在正常运行中不起效。为此，微控制器20具有用于截止信号(“禁止”信号)52的截止输入端(“禁止”输入端)50。在馈入或施加截止信号52时，截止输入端50被启用并且随后将放电电路12设置为停止运行。

截止输入端50由微控制器20来监控该截止输入端是否定期被接通和关断。在该交变信号被取消或被干扰的情况下，启用放电电路12。这意味着，微控制器20借助PWM驱动器18使放电开关12切换成导通，并且当没有截止信号52被馈入截止输入端50时，放电电路8因此从息止模式转变到放电模式中。

根据本发明，(PWM)放电信号的脉宽在此通过微控制器20以电压调节器22来控制，这允许在低功耗下通过借助电压测量部24提供当前的电压来快速放电。依赖于当前的运行电压16来控制通过放电电阻10的放电电流的脉宽，使得降低的电压引起由PWM驱动器18产生的放电信号的较大脉宽。

当前的电压与脉宽之间的关系在理想情况下被设定成使得在每个电压的情况下平均地实现放电电阻10中的相同功率。

可以通过截止输入端50来命令放电：在由于截止信号52缺失而启用放电的期间，测量电阻13上的输出电压，以便监控放电电路8的正确工作。

在图3的示意性的时间-电压图中，水平地，即沿着横坐标轴(X轴)标出了时间t，并且沿着竖直的纵坐标轴(Y轴)标出了电压U，例如以千伏为单位(kV)。在图中示出了针对上述放电设备2的放电过程的三条电压曲线54、56和58。

电压曲线54以虚线示出并且具有平行于时间轴t的恒定的水平走向。电压曲线54在此对应于电容器6的安全放电电压，即运行安全的电压水平，其例如为60V。

电压曲线56示出了传统的RC放电，即经由欧姆电阻使电容器放电，其中，而以点划线示出的电压曲线58示出了根据本发明的电容器6以恒定功率进行的受PWM控制的放电。从图3中可以比较清楚地看出，利用根据本发明的放电设备2比利用传统的RC放电明显更快地达到安全的电压水平54。

本发明不限于上述实施例。而是本领域技术人员也可以在不偏离本发明的主题的情况下从中推导出本发明的其他变型方案。尤其地，在不偏离本发明的主题的情况下，所有结合实施例描述的单独特征也可以以其他方式彼此组合。

附图标记列表

2 放电设备

4 单元

6 电容器

8 放电电路

10 放电电阻

12 半导体开关/放电开关

13 电阻

14 参考电势

16 运行电压

18 脉宽调制驱动器

20 微控制器

22 电压调节器

24 电压测量部/分压器

26 电阻

28 电阻

30 电容器

32 半导体开关/双极型晶体管

34 串联电阻

36 集电极电阻

38 半导体开关/双极型晶体管

40 半导体开关/双极型晶体管

42 电路

44 电阻

46 齐纳二极管

48 电容器

50 截止输入端

52 截止信号

54 电压曲线

56 电压曲线

58 电压曲线

U 电压

t 时间

Claims (11)

1.用于使电气网络或电气运行单元(4)放电的放电设备(2)，所述放电设备具有

-放电电路(8)，所述放电电路具有放电电阻(10)和与之串联的常开的第一半导体开关(12)，和

-用于驱控所述第一半导体开关(12)的控制器(20)，

-其中，向所述控制器(20)发命令，使得在所述网络或所述单元(4)的正常运行中不启用所述放电电路(8)，而在命令缺失时启用所述放电电路(8)。

2.根据权利要求1所述的放电设备(2)，

其特征在于，

-所述控制器(20)具有用于作为命令的截止信号(52)的截止输入端(50)，并且

-当没有截止信号(52)施加在所述截止输入端(50)上时，所述控制器(20)将所述第一半导体开关(12)切换成导通。

3.根据权利要求1或2所述的放电设备(2)，

其特征在于，

在所述控制器(20)与所述第一半导体开关(12)的控制输入端之间布置有用于脉宽调制式驱控所述第一半导体开关(12)的脉宽调制驱动器(18)。

4.根据权利要求3所述的放电设备(2)，

其特征在于，

所述脉宽调制驱动器(18)具有联接至所述控制器(20)的发射极电路，所述发射极电路驱控具有两个互补的第二半导体开关(38、40)的输出级。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的放电设备(2)，

其特征在于，

所述控制器(20)借助分压器(24)检测所述网络的电压或所述单元(4)的电压。

6.根据权利要求5所述的放电设备(2)，

其特征在于，

所述第一半导体开关(12)的脉宽调制式驱控的脉宽依赖于所述网络或所述单元(4)的当前电压来控制。

7.根据权利要求6所述的放电设备(2)，

其特征在于，

在所述控制器(20)与脉宽调制驱动器(18)之间接有电压调节器(22)，所述电压调节器依赖于所述网络或所述单元(4)的当前电压来调设脉宽调制式驱控的脉宽。

8.根据权利要求6或7所述的放电设备(2)，

其特征在于，

通过随着所述网络或所述单元(4)的电压降低而增大脉宽的方式来控制脉宽调制式驱控。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的放电设备(2)，

其特征在于，

所述放电电路(8)具有与所述放电电阻(10)和所述第一半导体开关(12)串联的电阻(13)，其中，在命令缺失时，由所述控制器(20)监控所述电阻(13)的输出电压。

10.电气运行单元(4)，尤其是机动车的电气制冷剂压缩机，所述电气运行单元具有根据权利要求1至9中任一项所述的放电设备(2)。

11.用于借助根据权利要求1至9中任一项所述的放电设备(2)使电气网络或电气运行单元(4)放电的放电方法，其中，当没有截止信号(50)馈入到截止输入端(52)时，将第一半导体开关(12)切换成导通。