CN117730016A - 用于机动车辆的车载电网及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆的车载电网(1)，包括用于提供正电位(H+)和负电位(H‑)的至少一个HV电池(2)和至少一个HV耗电器(3，4)，其中：设置有绝缘监控器(5)，用于监控到与车载电网(1)电气隔离的车辆地(PA)的绝缘电阻(R_{iso_P}，R_{iso_N})；在正电位(H+)和车辆地(PA)之间以及在负电位(H‑)和车辆地(PA)之间分别设置有Y电容(C_{Y_P}，C_{Y_N})；在车载电网(1)中或在车载电网(1)的部件中存在的正电位(H+)和负电位(H‑)之间的电压中心抽头(6)通过欧姆耦合电阻(R_K)连接到车辆地(PA)。

Description

用于机动车辆的车载电网及方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的序言的一种用于机动车辆的车载电网。

背景技术

从DE 10 2019 202 892 A1中已知一种用于机动车辆的车载电网组件，其中，车载电网组件具有高压能量存储器，用于提供第一高压电位和不同于第一高压电位的第二高压电位，从而在第一高压电位和第二高压电位之间可以获得总电压。此外，车载电网组件具有第一高压电位和预定电接地之间的第一绝缘电阻，以及第二高压电位和预定电接地之间的第二绝缘电阻和设计用于监控第一绝缘电阻和第二绝缘电阻的绝缘监控装置。具有电力驱动器的车辆的高压(Hochvolt)车载电网通常至少由具有电池接触器的高压电池和例如脉冲逆变器的高压耗电器/高压负载组成。通常，高压车载电网被实施为IT(法语为“isoléterre”)网络，因此与车辆地完全电气隔离。然而，通过电缆、高压耗电器、电池等中的寄生电阻，在正或负高压电位与车辆地之间产生高阻抗连接，即所谓的绝缘电阻，或上述相应的第一绝缘电阻和第二绝缘电阻。只要这种电阻是高阻抗的，即在兆欧姆范围内，就没有危险。出于安全考虑，使用绝缘监控装置，也称为绝缘监控器，对这种绝缘电阻进行永久监控。如果低于规定的阈值，则可以生成警告，并且根据工作状态，高压车载电网可以通过电池接触器与电池断开，并建立安全状态。除了绝缘电阻外，每个高压车载电网中还存在电容，特别是所谓的接地电容，其位于高压端子和车辆地之间。这些是寄生效应的结果，例如由电缆屏蔽引起的，甚至是故意安装的，以改善EMC(电磁兼容性)行为。根据公式E＝1/2×C×U²，在这些电容C的电容器中，在施加的电压U下储存能量E。如果一个人同时接触高压触点和车辆地，这些电容器会通过身体放电或重新充电，原则上，即如果这些电流太高，可能导致危险。因此，为了将潜在的危险保持在最低限度，不同的标准对电容器中允许的最大储存或更确切地说是有效能量规定了限值。这直接导致最大允许总电容的限制，取决于总高压电压。此外，出于安全考虑，必须假定最坏的情况，并假定最大不平衡高压车载电网，如果对地测量的高压极点的电压几乎等于总高压电压，则存在最大不平衡高压车载电网。除其他外，这可能是由于污物电阻或使用寿命内的泄漏电流造成的。由于上述对最大允许总电容的限制，因此即使在不平衡的车载电网中，即当高压正电位与接地之间以及高压负电位与接地之间的电压不同时，也不存在潜在的危险。除了限制最大允许总电容的缺点外，在这种情况下，即在不平衡的车载电网的情况下，当例如通过直流充电接口将车辆连接到充电桩时，充电桩和车辆对地的正或负电压电位可能是不同的。当连接充电桩时，这可能导致不希望的、未定义的平衡/补偿操作，在最坏的情况下，这可能会阻止充电。

发明内容

本发明的目的是给出一种用于机动车辆的改进车载电网，特别是用于电动机动车辆的改进车载电网。

根据本发明，该目的由权利要求1所述的用于机动车辆的车载电网来实现。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

本发明的用于机动车辆的车载电网包括至少一个用于提供正电位和负电位的高压电池和至少一个高压耗电器/高压负载，其中，设置绝缘监控器，用于监控与车载电网电气隔离的车辆地的绝缘电阻，其中，在正电位和车辆地之间以及在负电位和车辆地之间分别设置有Y电容。根据本发明，在正电位和负电位之间存在于车载电网或车载电网的部件中的电压中心抽头通过欧姆耦合电阻连接到车辆地。例如，绝缘监控器可以被构造为电阻绝缘监控器。

通过本发明的解决方案，电位的分布与对称分布之间的偏差非常小。因此，存储在Y电容中的能量含量/电荷总是非常接近可实现的最小值。因此，在满足有关储存能量/电荷的法律要求的情况下，可以在车载电网中允许更大的Y电容。因此，在高压车载电网的部件中可以实现更便宜和/或更好的EMC滤波。

根据本发明，电压中心抽头位于作为分压器连接的两个电阻之间，或者由电容分压器形成。

根据本发明，耦合电阻被设计为由固定电阻和可变电阻构成的串联电路。

在一个实施方式中，分压器的电阻被设计为串联的高压耗电器或串联的至少两个高压电池的内部电阻。

在一个实施方式中，分压器的电阻与耦合电阻和被构造成电阻绝缘监控器的绝缘监控器的测量电阻相比要小得多。

在一个实施方式中，测量电阻和耦合电阻在超过100kOhm的范围内。

在一个实施方式中，以下列表中的至少一个通过耦合电阻耦合到车辆地：

-用于控制板的高压电源的串联电路，

-半桥和/或H桥的串联电路，

-多电平半桥，

-逆变器的串联电路，

-多电平逆变器，

-具有两个或多个加热元件的串联电路的加热电路，

-电池模块串联电路的连接点的抽头。

在一个替代实施方式中，耦合电阻也可以由固定电阻和/或可变电阻形成。

车载电网可以是机动车辆的一部分，特别是电动机动车辆的一部分。

如果耦合电阻形成为由固定电阻和可变电阻构成的串联电路，则意味着当车辆未连接到直流充电桩时，可以设置高可变电阻，而当车辆连接到直流充电桩时，可以设置低可变电阻。

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明的实施例。

其中：

图1示出了机动车辆的车载电网的示意图，

图2示出了机动车辆的车载电网的实施方式的示意图，

图3示出了机动车辆的车载电网的另一实施方式的示意图，

图4示出了机动车辆的车载电网的另一实施方式的示意图，

图5示出了机动车辆的车载电网的另一实施方式的示意图，

图6示出了机动车辆的车载电网的另一实施方式的示意图，

图7示出了机动车辆的车载电网的另一实施方式的示意图，

图8示出了机动车辆的车载电网的实施方式的模拟结构的示意图，

图9示出了用于表示没有耦合电阻的模拟的模拟结果的示意图；并且

图10示出了用于表示具有耦合电阻的模拟的模拟结果的示意图。

在所有附图中相互对应的部分都用相同的附图标记标示。

具体实施方式

图1是例如电动机动车辆的机动车辆的车载电网/车辆电气系统1的示意图。

例如，车载电网1是高压(Hochvolt)车载电网，并且通常包括至少一个高压电池2和高压耗电器3、4。通常，车载电网1与车辆地PA电气隔离。在正电位H+和车辆地PA之间以及在负电位H和车辆地PA之间，由于寄生效应而存在绝缘电阻R_{iso_P}、R_{iso_N}。出于安全考虑，设置了监控绝缘电阻R_{iso_P}、R_{iso_N}的绝缘监控器5。此外，在正电位H+和车辆地PA之间以及在负电位H和车辆地PA之间分别设置有Y电容C_{Y_P}、C_{Y_N}。

通过使用在车载电网1中或在车载电网1的部件(例如高压耗电器3、4，其在图1中由作为分压器的两个耗电器电阻R_VP和R_VN表示)中存在的电压中心抽头6，可以减小由绝缘监控器5引起的车载电网1中的波动，该绝缘监控器可以特别设计为电阻绝缘监控器。该电压中心抽头6通过欧姆耦合电阻R_K连接到车辆地PA，该欧姆耦合电阻R_K可以包括固定电阻R_F和/或可变电阻R_V。在所示的实施方式中，耦合电阻R_K形成为由固定电阻R_F和可变电阻R_V构成的串联电路。

在其他实施方式中，电压中心抽头6也可以通过电容分压器形成。

通过使用耦合电阻R_K将电压中心抽头6耦合到车辆地PA，减少了绝缘监控器5对相对于车辆地PA的电位H+、H-的偏移的影响。因此，绝缘监控器5在计算绝缘电阻R_{iso_P}、R_{iso_N}的绝缘值时的功能不受干扰，特别是如果耦合电阻R_K在绝缘监控器5的测量期间其值没有变化。通过电位H+、H-的微小偏移，可以减少存储在车载电网1的Y电容C_{Y_P}、C_{Y_N}中的能量含量。这有利于改善有源的，特别是循环/时钟控制的高压元件的滤波，并适用于具有较高直流系统电压的车辆，例如800V。此外，当耦合具有不同绝缘设计的高压系统时，可以避免设计较弱的高压系统的绝缘过载，例如，当为800V车辆充电时，500V充电桩的绝缘通过电流耦合充电系统得到保护。

绝缘监控器5由于耦合电阻R_K具有明显更短的检测时间，因为重新充电过程发生得更快。

当高压系统具有较低的Y电容C_{Y_P}、C_{Y_N}时，例如当车辆未连接到直流充电桩时，通过使用固定电阻R_F与可变电阻R_V的串联电路，可以允许更高的绝缘。当Y电容C_{Y_P}、C_{Y_N}较高时，例如当车辆连接到直流充电桩时，耦合电阻R_K可以通过其可变电阻R_V减小，并且由绝缘监控器5引起的电位偏移较小。

电压中心抽头6与车辆地PA的欧姆耦合的可能应用示例如下：

-用于控制板的高压电源的串联电路，

-半桥和H桥的串联电路，

-多电平半桥，

-逆变器的串联电路，

-多电平逆变器，

-具有两个或多个加热元件的串联电路的加热电路，

-电池模块串联电路的连接点的抽头。

优选地，与耦合电阻R_K和绝缘监控器5的测量电阻相比，由高压耗电器3、4或高压源组成的串联电路的阻抗要小得多。由于测量电阻R_{mess_p}、R_{mess_n}和耦合电阻R_K可以在几个100kOhm范围内，甚至在MOhm范围内，因此在由高压耗电器3、4或高压源组成的串联电路中，不需要大的功耗来表示显著较小的阻抗。因此，辅助电源也适用于这种应用。对于高压源，应考虑源阻抗和/或内部电阻。这通常在mOhm范围内，因此也满足这一要求。

在下面的附图中，只有一个耦合电阻R_K，而不是由固定电阻R_F和可变电阻R_V构成的串联电路。然而，在任何情况下，也可以设置由固定电阻R_F和可变电阻R_V构成的串联电路。

图2是例如电动机动车辆的机动车辆的车载电网1的实施方式的示意图。根据图2的实施方式与根据图1的实施方式大体一致。然而，电压中心抽头6通过由两个电容C_{x_P}、C_{x_N}组成的电容分压器而不是由耗电器电阻形成。

此外，车载电网1通过具有功率因数校正的整流器8(三电平PFC，例如维也纳整流器)连接到三相交流电压端子7。

图3是例如电动机动车辆的机动车辆的车载电网1的实施方式的示意图。根据图3的实施方式与根据图1的实施方式大体一致。然而，电压中心抽头6通过由两个电容C_{x_P}、C_{x_N}组成的电容分压器而不是由耗电器电阻形成。

此外，车载电网1通过车辆中的三电平直流升压转换器11连接到具有Y电容C_{y_P1}、C_{y_N1}、与车载电网1类似的绝缘电阻R_{iso_P1}、R_{iso_N1}以及具有输出电容C的直流充电桩9，其中，由两个电容C_{x_P}、C_{x_N}构成的电容分压器设置在三电平直流升压转换器11中。此外，车辆地PA通过接地电缆12连接到直流充电桩9中的接地PA'。

图4是例如电动机动车辆的机动车辆的车载电网1的实施方式的示意图。根据图4的实施方式与根据图1的实施方式大体一致。然而，电压中心抽头6通过由两个电容C_{x_P}、C_{x_N}组成的电容分压器而不是由耗电器电阻形成。

此外，车载电网1连接到H桥13、14的串联电路，例如，车载充电器的LV-DCDC转换器或隔离DCDC转换器。

图5是例如电动机动车辆的机动车辆的车载电网1的实施方式的示意图。

车载电网1包括两个串联的高压电池2.1、2.2或电池串以及高压耗电器3。车载电网1与车辆地PA电气隔离。在正电位H+和车辆地PA之间以及在负电位H和车辆地PA之间，由于寄生效应而存在绝缘电阻R_{iso_P}、R_{iso_N}。出于安全考虑，设置了监控绝缘电阻R_{iso_P}、R_{iso_N}的绝缘监控器5。此外，在正电位H+和车辆地PA之间以及在负电位H和车辆地PA之间分别设置有Y电容C_{Y_P}、C_{Y_N}。高压耗电器3连接在正电位H+和负电位H-之间。

通过使用在车载电网1或车载电网1的部件(例如在图5中串联的高压电池2.1、2.2，其内部电阻因此形成分压器，)中存在的电压中心抽头6，可以减少由车载电网1中的绝缘监控器5引起的车载电网1中的波动。在此，该电压中心抽头6通过欧姆耦合电阻R_K连接到车辆地PA，该欧姆耦合电阻R_K可以包括固定电阻R_F和/或可变电阻R_V。

图6是例如电动机动车辆的机动车辆的车载电网1的实施方式的示意图。根据图6的实施方式与根据图1的实施方式大体一致。然而，电压中心抽头6通过由两个电容C_{x_P}、C_{x_N}组成的电容分压器而不是由耗电器电阻形成。

此外，车载电网1连接到用于电机16的三电平逆变器15。三电平逆变器15可以被构造成例如三电平中性点钳位(NPC)逆变器、T型逆变器或飞行逆变器。

图7是例如电动机动车辆的机动车辆的车载电网1的实施方式的示意图。根据图7的实施方式与根据图1的实施方式大体一致。然而，电压中心抽头6通过由两个电容C_{x_P}、C_{x_N}组成的电容分压器而不是由耗电器电阻形成。

此外，车载电网1连接到用于两个电机16的两个B&桥逆变器17的串联电路。

图8是例如电动机动车辆的机动车辆的车载电网1的实施方式的模拟结构的示意图。根据图8的实施方式与根据图1的实施方式大体一致。此外，绝缘监控器5的两个测量电阻R_{mess_p}、R_{mess_n}可通过各自的开关S1、S2可切换地布置在正电位H+和车辆地PA之间以及在负电位H和车辆地PA之间。此外，还显示了具有Y电容C_{Y_P}、C_{Y_N}的串联电路线路电阻R_L，这些电容在实际器件中不可避免地存在，因此必须在模拟中考虑，即使电阻值非常低，例如0.01Ohm。

使用了以下模拟参数：

R_{iso_p}＝10⁸Ohm

R_{iso_n}＝10⁸Ohm

R_{mess_p}＝R_{mess_n}＝2*10⁶Ohm

频率f＝1/20Hz

电压U＝800V

R_VP＝U*U/1000

R_VN＝U*U/1000

图9示出了开关S1、S2的开关位置U_S1、U_S2、电位H+、H-以及计算出的隔离电阻R_{iso_P}、R_{iso_N}随时间t的示意图，用于不使用耦合电阻R_K的模拟。

由于绝缘良好的高压车载电网1、绝缘监控器5，特别是电阻绝缘监控器，引起电位H+、H-的明显偏移。因此，Y电容C_{Y_P}、C_{Y_N}几乎汲取对应于高压电池2的电压。因此，其能量含量非常高。由于高阻抗电阻，重新充电时间相当慢，并且在本例中，重新充电尚未在绝缘监控器5的循环时间内完成。

图10示出了开关S1、S2的开关位置U_S1、U_S2、电位H+、H-以及计算出的隔离电阻R_{iso_P}、R_{iso_N}随时间t的示意图，用于使用耦合电阻R_K为10⁶Ohm的模拟。

在模拟中，可以清楚地看出，与没有耦合电阻R_K的系统相比，电位H+、H-在电压中心抽头6处的波动要小得多。最大电位H+、H-为531V，最小电位H+、H-为269V。因此，Y电容C_{Y_P}、C_{Y_N}中的能量含量显著降低。与绝缘电阻R_{iso_P}、R_{iso_N}相比，耦合电阻R_K相当低，因此可以更快地进行重新充电。因此，绝缘监控器5可以在更短的时间内检测绝缘故障。

附图标记清单

1 车载电网

2 高压电池

2.1、2.2 高压电池

3 高压耗电器

4 高压耗电器

5 绝缘监控器

6 电压中心抽头

7 三相交流电压端子

8 整流器

9 直流充电桩

11 三电平直流升压转换器

12 接地电缆

13 H桥

14 H桥

15 三电平逆变器

16 电机

17 B&桥逆变器

C 输出电容

C_{x_P}、C_{x_N} 电容

C_{Y_P}、C_{Y_N} Y电容

C_{y_P1}、C_{y_N1} Y电容

H+、H- 电位

PA 车辆地

PA‘ 接地

R_F 固定电阻

R_{iso_P}、R_{iso_N} 绝缘电阻

R_K 耦合电阻

R_L 线路电阻

R_{mess_p}、R_{mess_n} 测量电阻

R_V 可变电阻

R_VP、R_VN 耗电器电阻

R_{iso_P1}、R_{iso_N1} 绝缘电阻

S1、2 开关

t 时间

U_S1、U_S2 开关位置

Claims (7)

1.一种用于机动车辆的车载电网(1)，包括至少一个用于提供正电位(H+)和负电位(H-)的高压电池(2)和至少一个高压耗电器(3，4)，其中，设置有绝缘监控器(5)，用于监控到与所述车载电网(1)电气隔离的车辆地(PA)的绝缘电阻(R_{iso_P}，R_{iso_N})，其中，在所述正电位(H+)和所述车辆地(PA)之间以及在所述负电位(H-)和所述车辆地(PA)之间分别设置有Y电容(C_{Y_P}，C_{Y_N})，

其特征在于，

在所述车载电网(1)中或在所述车载电网(1)的部件中存在电压中心抽头(6)，所述电压中心抽头(6)在所述正电位(H+)和所述负电位(H-)之间位于作为分压器而连接的两个电阻之间，或由电容分压器形成并通过欧姆耦合电阻(R_K)连接到所述车辆地(PA)，

其中，所述耦合电阻(R_K)形成为由固定电阻(R_F)和可变电阻(R_V)构成的串联电路。

2.根据权利要求1所述的车载电网，

其特征在于，

所述分压器的电阻形成为串联的高压耗电器(3，4)或串联的至少两个高压电池(2.1，2.2)的内部电阻。

3.根据权利要求2所述的车载电网(1)，

其特征在于，

所述分压器的电阻与所述耦合电阻(R_K)和被构造成电阻绝缘监控器的所述绝缘监控器(5)的测量电阻(R_{mess_p}，R_{mess_n})相比要小得多。

4.根据权利要求3所述的车载电网(1)，

其特征在于，

所述测量电阻(R_{mess_p}，R_{mess_n})和所述耦合电阻(R_K)在超过100kOhm的范围内。

5.根据前述权利要求中任一项所述的车载电网(1)，

其特征在于，以下列表中的至少一个通过所述耦合电阻(R_K)耦合到所述车辆地(PA)：

-用于控制板的高压电源的串联电路，

-半桥和/或H桥的串联电路，

-多电平半桥，

-逆变器的串联电路，

-多电平逆变器，

-具有两个或多个加热元件的串联电路的加热电路，

-电池模块串联电路的连接点的抽头。

6.一种车辆，包括根据前述权利要求中任一项所述的车载电网(1)。

7.一种用于操作根据权利要求6所述的车辆的方法，

其特征在于，

所述耦合电阻(R_K)形成为由所述固定电阻(R_F)和所述可变电阻(R_V)构成的串联电路，当所述车辆未连接到直流充电桩时，设置高可变电阻(R_V)，而当所述车辆连接到直流充电桩时，设置低可变电阻(R_V)。