JP7470109B2 - Ｄｃリンクコンデンサを放電するための装置及び方法、電力変換装置、並びに車両 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＣリンクコンデンサを放電するための装置であって、ＤＣリンクコンデンサと並列に接続され、放電を要求する放電信号の受信時に、制御信号の第１の信号状態の存在下では、制御信号の第２の信号状態の存在下よりも低い電流強度を有する電流を発生させることができる放電装置と、ＤＣリンクコンデンサの両端で低下するコンデンサ電圧を示す電圧信号を発生させることができる電圧検出装置とを備える装置に関する。

さらに、本発明は、電力変換装置、車両、及びＤＣリンクコンデンサの放電方法に関するものである。

高出力の電気駆動車両は、一般的に、高電圧電池などの直流電圧源から供給される高電圧車両電気システムを有している。高電圧車両電気システムに接続されている高電圧部品、特に電力変換装置は、充電されると大きな電気エネルギーを蓄えるＤＣリンクコンデンサを含んでいる。パイロットラインの不通、事故、絶縁不良など、安全に関わる故障が発生した場合、放電時間の遵守が厳しく要求されており、例えば２秒の放電時間が必要とされている。一般的には、故障によって、高電圧車両電気システムの直流電圧源が高電圧部品から適切にガルバニック絶縁されることが、想定されている。

しかし、この単一故障の場合に加えて、例えば直流電圧源と高電圧部品との間を絶縁している装置の制御不良や、この絶縁している装置の機械的接点の「ハンギング」などにより、さらに、直流電圧源のガルバニック絶縁が行われなかったり、遅延して行われたり、放電中に再び解除されたりする二重故障の場合も考慮しなければならない。このような二重故障の場合に、ＤＣリンクコンデンサに並列に接続された放電装置が放電のため制御されると、コンデンサは放電されず、コンデンサを流れる電流はすべて直流電圧源から供給される。その結果、熱による電力損失が発生し、放電装置が破損したり破壊されたりすることがある。したがって、二重故障の際には、熱過負荷に対する十分な保護が必要である。

特許文献１には、電力変換装置に使用される平滑コンデンサのための放電回路が開示されている。放電回路は、コンデンサの電荷を放電する抵抗器と、抵抗器と直列に接続されたスイッチと、コンデンサの端子電圧を測定する測定回路と、スイッチが導通するか閉塞するかを制御する制御回路とを備えている。制御回路は、スイッチを導通状態にして抵抗器を介したコンデンサの放電を開始した後、測定回路で測定したコンデンサの端子電圧が所定の電圧低下特性値を超えたときに、スイッチが閉塞し、抵抗器を介した放電を停止するように動作する。放電を促進するために、抵抗器は、第１の抵抗値を有する第１の抵抗器と，第１の抵抗値よりも小さい第２の抵抗値を有する第２の抵抗器とを含む。スイッチは、第１抵抗器と直列に接続されたスイッチと、第２抵抗器と直列に接続されたスイッチとを含む。制御装置は、第１抵抗器を介してコンデンサの放電を開始する。測定された端子電圧が所定の電圧以下になると、制御装置は、第１の抵抗器に加えて、第２の抵抗器を介してコンデンサの放電を開始する。所定の電圧とは、最大放電電圧と目標放電電圧の平均値である。

欧州特許出願公開第２２８４９８２号明細書

本発明の目的は、ＤＣリンクコンデンサの放電をより強固に実現できるようにすることである。

この課題を解決するために、本発明によれば、上述のタイプの装置において、放電信号の受信時における値が電圧信号に依存するとともに電圧信号に比例して減じられる基準信号を生成するように整えられた信号生成ユニットと、電圧信号を基準信号と比較し、放電信号が受信されているときに第１の信号状態を制御信号に提供し、電圧信号の値が基準信号の値に達し、又は基準信号の値より低下するときに第２の信号状態を制御信号に提供するように設定された比較ユニットとを有する制御装置をさらに備えることが、提案される。

本発明は、放電装置を介して低い電流を初期設定し、電圧信号を、電圧信号を下回る基準信号と比較することのよって、ＤＣリンクコンデンサが実際に放電させられているかを確認し、そうであれば、ＤＣリンクコンデンサを放電するための、より高い電流を設定するという考えに基づいている。ＤＣリンクコンデンサを放電することができない場合、そのことは、電圧信号が、それよりも低い基準信号に到達していない、又はそれより低下していないという事実から結論付けることができ、放電装置を流れる電流は低い電流強度を有するだけであり、それによって、放電装置における熱電力損失を制限することができる。

有利なことに、本発明による装置は、放電信号のトリップとＤＣリンクコンデンサの直流電圧源からの切り離しの失敗とを含む二重故障状態の場合に、放電装置を通る小さな電流のみを供給するので、自己保護機能が本来備わっている。これにより、ＤＣリンクコンデンサの放電性に応じて複数の放電速度を提供することで、装置のロバストな（逆境に強い）動作が可能になる。同時に、従来技術で知られているような複雑なマイクロコントローラベースの電圧低下特性の決定を不要にすることができる。

ＤＣリンクコンデンサに給電する電圧源の最大電圧が印加されても、放電装置が損傷することなく動作できるように、制御信号の第１信号状態が存在するときの電流強度を選択することは、好都合である。信号生成ユニット及び／又は比較ユニットが、アナログ回路として設計されているこると、一般的に好ましい。有利なことに、これにより、自動車用途に十分なＡＳＩＬレベルを達成するために多大な労力を必要とする離散時間コントローラが不要になる。比較ユニットは、好ましくは、基準信号を電圧信号と比較するように設定された比較器を有する。電圧検出装置は、ＤＣリンクコンデンサと並列に接続され、そのタップで電圧信号を利用できる分圧器であることが好ましい。電圧検出装置は、特にＤＣリンクコンデンサを放電するために設ける必要はなく、本発明による装置を有するコンバータの他の構成要素のための電圧検出装置によって、電圧信号を利用できるようにすることも可能である。

本発明による装置では、好ましくは、比較ユニットは、電圧信号の値が基準信号の値に達し、又は基準信号の値を超えると、第２の信号状態から第１の信号状態に変化するように設定される。これにより、ＤＣリンクコンデンサが予期せず直流電圧源に再接続され、コンデンサ電圧が急激に上昇した場合に、低いアンペア数の電流に一時的に戻ることができる。

特に好ましくは、信号生成ユニットは、電圧信号が基準信号の値を超えたときに、基準信号の値を、電圧信号の値に比べて減じられた値に、増加させるように設定される。このようにして、基準信号の値を超えた後、特に上述したＤＣリンクコンデンサへの直流電圧源の予期せぬ接続の場合に、例えば、直流電圧源への接続が再び落ちる場合に、ＤＣリンクコンデンサの放電性を再び確認できることが、保証される。

信号生成ユニットは、ＤＣリンクコンデンサが放電されたときに、その値が電圧信号の値よりもゆっくり低下するように、基準信号の電圧カーブをプリセットするように、都合よく設定されている。

本発明による装置では、電圧検出装置が、電圧信号を表す電圧を利用可能にすることができる出力端を有し、信号生成装置が、直列に接続される電圧低減素子及びエネルギー貯蔵素子を有し、電圧低減素子が電圧検出装置の出力端に接続され、電圧検出装置の出力端が比較ユニットの第１の入力端に接続され、電圧低減素子とエネルギー貯蔵素子との間の電位が比較ユニットの第２の入力端に接続されることを、都合よく提供することができる。これにより、信号生成ユニットの回路設計を特に簡単にすることができる。また、好ましくは、比較ユニットの第１の入力端は負の入力端であり、比較ユニットの第２の入力端は正の入力端である。

電圧低減素子は、好ましくは、ダイオードである。ダイオードは、そのアノードを電圧検出装置の出力端に接続し、そのカソードをエネルギー貯蔵素子に接続することができる。ダイオードは、好ましくは、その順方向電圧によって、電圧信号に対する参照信号の値の低減を実現する。さらに、ダイオードは、電圧信号が増加したときに、エネルギー貯蔵素子を、電圧信号と順方向電圧との間の差分値に再充電することを可能にする。あるいは、電圧低減素子が抵抗器であってもよい。また、エネルギー貯蔵素子はＲＣ素子であることが好ましくＲＣ素子のコンデンサ及び抵抗器が、比較ユニットの第２の入力端に並列に接続されてもよい。

放電装置に関して、本発明による装置では、放電装置が、抵抗器ユニット及びトランジスタユニットを備える直列回路を有すると好ましい。この際、抵抗器ユニットの抵抗値が制御信号の関数として変更可能であると好都合である。このようにして、第１の信号状態又は第２の信号状態のときに、異なる電流強度を実現することができる。

原理的には、トランジスタユニットが放電信号の関数として切り替わるように設定されることが可能である。その場合、ＤＣリンクコンデンサの放電時には、電流とコンデンサ電圧が指数関数的に変化する。その結果、ＤＣリンクコンデンサに蓄えられたエネルギーは、本来、抵抗器ユニットで熱に変換される。抵抗器ユニットは、その過程で発生する電力損失に従って、寸法を調整し、及び／又は冷却すべきである。

しかし、トランジスタユニットは、制御信号の関数として制御可能な電流シンクの縦素子を形成することが、好ましい。トランジスタユニットは、放電装置を流れる電流を一定に保つために、このように制御信号の関数として、その有効範囲内で動作させることができる。そして、ＤＣリンクコンデンサが放電されると、コンデンサ電圧は直線的に減少する。電流が指数関数的に減少する放電よりも、実質的に一定の電流で放電することの利点は、放電プロセスの開始時の放電電力が低いことから分かる。この場合、放電電力はトランジスタユニットによって熱にも変換されるので、有利なことに、抵抗器ユニットにおいて、高価な高出力抵抗部品、特にセメント抵抗を省くことができる。

好ましい実施形態によれば、電流シンクは、カソード、アノード、及び基準端子を有する電圧調整器ユニットを備え、カソードはトランジスタユニットの制御端子に接続され、基準端子はトランジスタユニットと抵抗器ユニットとの間の電位に接続される。電圧調整器ユニットは、演算増幅器と、基準電圧源と、アノードとカソードとの間の縦素子としてのトランジスタとを含んでいてもよい。

代替の実施形態によれば、電流シンクは演算増幅器を備え、演算増幅器の出力端がトランジスタユニットの制御端子に接続され、演算増幅器の第１の入力端が、抵抗器ユニットとトランジスタユニットとの間の基準電位に接続され、演算増幅器の第２の入力端の電圧が制御信号に応じて可変である。第１の入力端が演算増幅器の負の入力端であり、第２の入力端部が演算増幅器の正の入力端であることが好適である。第２の入力端の電圧を変化させるために、比較器ユニット、特にその比較器が、下流抵抗を有するオープンコレクタ端子を有し、電流シンクが分圧器に接続された動作電圧を有し、分圧器のタップと比較ユニットの抵抗器が演算増幅器の第２の端子に接続されていることが好ましい。分圧器によって、電流シンクの設定値を事前に設定することができる。

また、好ましくは、装置はフィードバック装置を備え、フィードバック装置により、電流シンクの設定値を電圧信号の関数として制御することができる。すなわち、電流制御のためにコンデンサ電圧のイメージがフィードバックされるので、一定の放電電流の代わりに、コンデンサ電圧の低下に伴って増加する放電電流を提供することができる。このときの放電電力は、一定電流の放電の場合のように直線的に低下するのではなく、放電プロセスの開始時において、より均一である。その結果、放電電力のピーク値を下げることができ、それによって安価な部品を使用することが可能になる。

好ましくは、フィードバック装置は、電圧信号の関数として制御することができ、放電装置の比較器の第２の入力端における電圧を変化させることができる電流シンクを有する。

本発明による装置では、トランジスタユニットが複数のトランジスタを有し、それぞれのトランジスタが制御端子を備え、制御端子によって、トランジスタのさらに２つの端子間の電流を制御することができ、抵抗器の第１の端子が抵抗器ユニット側のそれぞれのさらなる端子に接続され、抵抗器の第２の端子が一緒に接続されていることがさらに好ましい。このようにして、Ｅ＝1/2・Ｃ・Ｕ^２の関係に従ってＤＣリンクコンデンサに、たとえより大量に蓄えられても、トランジスタユニットによって確実に開閉し又は放散させることができる。好都合なことに、この装置は、トランジスタユニットを脱熱する手段を有している。

さらに、本発明は、ＤＣリンクコンデンサと、ＤＣリンクコンデンサを放電するための本発明による装置とを備える、車両用の電力変換装置に関する。電力変換装置は、インバータ、ＤＣ－ＤＣコンバータ、又は能動整流器であってもよい。

本発明はさらに、本発明による少なくとも１つの電力変換装置を備えた車両に関する。典型的には、車両は、直流電圧源、特に高電圧電池を有する高電圧車両電気システムを備える。電力変換装置は、直流電圧源から供給される直流電圧を、少なくとも部分的に車両を駆動する電気機械のための交流電圧に変換するように設定されているインバータとすることができる。電力変換装置は、特に、高電圧車両電気システムをさらなる車両電気システム、特に低電圧車両電気システムに結合するためのＤＣ／ＤＣコンバータとすることができる。電力変換装置は、特に、高電圧電池を充電するための充電装置用の能動整流器とすることができる。車両は、通常、放電信号を受信したときに、直流電圧源を高電圧車両電気システムの他の構成要素から、特に少なくとも１つの電力変換装置から断ち切るように設定された断路装置を有する。

最後に、本発明は、以下のステップを含む、ＤＣリンクコンデンサを放電するための方法に関する。この方法は、ＤＣリンクコンデンサの両端で低下するコンデンサ電圧を示す電圧信号を生成するステップと、放電信号の受信時における値が電圧信号に依存するとともに電圧信号に比例して減じられる基準信号を生成するステップと、電圧信号を基準信号と比較するステップと、電圧信号の値が基準信号の値以下になったときに第２の信号状態を有する制御信号を提供するために、放電信号の受信時に第１の信号状態を有する制御信号を提供するステップと、制御信号の第１の信号状態が存在するときに、制御信号の第２の信号状態が存在するときよりも低い電流強度を有する電流を、ＤＣリンクコンデンサと並列に接続された放電手段を介して発生させるステップと、を備える。

本発明による装置に関するすべての説明は、本発明によるコンバータ、本発明による車両、及び本発明によるプロセスに同様に適用することができるので、上述した利点はこれらによっても達成することができる。

本発明のさらなる詳細及び利点は、以下に説明する実施形態及び図面から明らかになるであろう。これらは模式的な表現及び図示である。

図１は本発明による装置の第１の実施形態の回路図である。 図２に示す装置の異なる動作例における電気的変数の時間曲線を示す。 図３に示す装置の異なる動作例における電気的変数の時間曲線を示す。 図４に示す装置の異なる動作例における電気的変数の時間曲線を示す。 図５は本発明によるデバイスの第２の実施形態の回路図である。 図６は本発明による装置の第３の実施形態の回路図である。 図７は図６に示した装置の動作中の電気的変数の時間特性を示す。 図８は本発明による装置のさらなる実施形態によるトランジスタユニットの回路図である。 図９は本発明によるコンバータの一実施形態を備えた本発明に係る車両の一実施形態の原理図である。

図１は、ＤＣリンクコンデンサ２を放電するための装置１の第１の実施形態の回路図である。

ＤＣリンクコンデンサ２は、装置１の第１の端子３及び第２の端子４に接続されており、第１の端子３に接続され高電位を有する装置１の第１のライン５と、第２の端子４に接続され低電位を有する装置１の第２のライン６との間に、ＤＣリンクコンデンサ２の両端で低下するコンデンサ電圧７が存在するようになっている。

装置１は、ＤＣリンクコンデンサ２と並列に接続された放電装置８を備える。放電装置８は、放電を要求する放電信号９が装置１の第３の入力端１０で受信されたときに、放電装置８を介して電流Ｉを発生させることができる。この電流は、放電装置８の入力端１２に制御信号１１の第１の信号状態が存在するときには、制御信号１１の第２の信号状態が存在するときよりも低い電流強度を有する。

また、装置１は、電圧検出装置１３を備える。電圧検出装置１３は、コンデンサ電圧７を示す電圧信号１４を出力端１５に生成することができる。電圧検出装置１３は、２つの抵抗素子１６ａ，１６ｂを備えた分圧器として設計されている。出力端１５を形成する分圧器のタップ１７には、電圧信号１４を表す電圧１８が印加される。

装置１は、制御装置１９をさらに備える。制御装置１９は、制御装置１９の入力端２１に印加される電圧信号１４の関数として、制御信号１１を、出力端２０において放電装置８に提供することができる。この目的のために、制御装置１９は、信号生成ユニット２２と比較ユニット２３とを備えている。

信号生成ユニット２２は、放電信号９の受信時における値が電圧信号１４に依存するとともに電圧信号１４に比例して減じられる基準信号２４を生成するように整えられている。比較ユニット２３は、電圧信号１４を基準信号２４と比較し、制御信号１１に第２の信号状態を提供し、電圧信号１４の値が基準信号２４の値に達したとき、又は基準信号２４の値よりも落ちたとき、制御信号１１に第１の信号状態を提供するように整えられている。さらに、比較ユニット２３は、電圧信号１４の値が再び基準信号２４の値に達し、又は基準信号２４の値を超えると、制御信号１１を第２の信号状態から第１の信号状態に変更するように適応させられている。

この目的のために、比較ユニット２３は、その負の入力端が比較ユニット２３の第１の入力端２７に対応し、その正の入力端が比較ユニット２３の第２の入力端２８に対応する比較器２５を有する。比較器２５は、動作電圧２６によって動作させることができる。電圧信号１４は、比較ユニット２３の第１の入力端２７に存在し、電圧検出装置１３が第１の入力端２７に接続されている。基準信号２４は、比較ユニット２３の第２の入力端２８に存在し、信号生成ユニット２２の出力端２９が、本実施形態例では直接、比較ユニット２３の第２の入力端２８に接続されている。

信号生成ユニット２２は、電圧信号１４が基準信号２４の値を超えたときに、基準信号２４の値を、電圧信号１４に関連して減じられた値に、増加させるように整えられている。さらに、信号生成ユニット２２は、ＤＣリンクコンデンサ２が放電されたときに、基準信号２４の値が電圧信号１４の値よりもゆっくり低下するように、基準信号２４の電圧波形を予め設定するように、適応させられている。

この目的のために、信号生成ユニット２２は、ダイオードによって実現される電圧低減素子３０と、本実施例では抵抗器３２とコンデンサ３３とからＲＣ素子として形成されているエネルギー貯蔵素子３１とを備えている。また、信号発生ユニット２２は、電圧検出装置１３の出力端１５に接続された入力端３４を有している。内部的には、電圧低減素子３０は、ダイオードのアノードを入力端３４に接続し、ダイオードのカソードをエネルギー貯蔵素子３１に接続することで、入力端３４に接続されている。電圧低減素子３０は、ダイオードの順方向電圧による電圧１８を、エネルギー貯蔵素子３１に印加する電圧３５まで低減する。定常状態では、コンデンサ３３はこのようにしてこの値まで充電される。

ＤＣリンクコンデンサ２が放電されると、コンデンサ電圧７、ひいては電圧信号１４を表す電圧１８は、コンデンサ３３が抵抗器３２を介して放電するよりも速く低下する。この目的のために、基準信号２４が電圧信号１４よりもゆっくり減少するように、抵抗器３２の抵抗値とコンデンサ３３の容量値が選択される。

したがって、ＤＣリンクコンデンサ２及びコンデンサ３３が定常的に充電されているときには電圧信号１４の値が基準信号２４の値よりも大きいため、放電信号の受信前及び受信時に、比較ユニット２３の出力端３７も形成する比較器の出力端３６には、第１の信号状態が存在する。放電信号９の受信後にＤＣリンクコンデンサ２が放電されると、電圧信号１４の値は、基準信号２４の値に到達して基準信号２４の値よりも低下するまで、減少する。その結果、比較ユニット２３は、出力端３７に第２の信号状態を出力する。コンデンサ電圧７が上昇すると、ダイオード３０を介してエネルギー貯蔵素子３１が再充電され、比較ユニット２３において電圧状態が反転し、出力端３７に再び第１の信号状態が存在する。

放電装置８は、抵抗器ユニット３８とトランジスタユニット３９との直列回路とを備え、トランジスタユニット３９の第１の端子４０が第１のライン５に接続され、トランジスタユニット３９の第２の端子４１が抵抗器ユニット３８に接続されている。本実施形態では、トランジスタユニット３９は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）によって形成されている。

抵抗器ユニット３８の抵抗値は、制御信号１１の関数として変更することができる。この目的のために、抵抗器ユニット３８は、第１の抵抗素子４２ａと、これに並列に接続された、第２の抵抗素子４２ｂ、及び、ここでは例示的に絶縁ゲート付き電界効果トランジスタの形をしたスイッチング素子４３からなる直列回路とを備える。スイッチング素子４３の制御端子４４は、放電装置８の入力端１２を形成している。したがって、スイッチング素子４３は、制御信号１１の信号状態の関数として、第２の抵抗素子４２ｂを第１の抵抗素子４２ａと並列に切り替え、その結果、抵抗器ユニット３８の抵抗値は、スイッチング素子４３が閉塞されているときよりも低くなる。

トランジスタユニット３９は、さらに、電流シンク４５の縦素子を形成する。この目的のために、電流シンク４５は、ＴＬ４３１タイプのデバイスによって実装された電圧調整ユニット４６を備えている。この目的のために、電圧調整ユニット４６のカソード４７は、トランジスタユニット３９の制御端子４８に接続されている。電圧調整ユニット４６の基準端子４９は、トランジスタユニット３９と抵抗器ユニット３８との間の電位に接続されている。電圧調整ユニット４６のアノード５０は、第２のライン６に接続されている。トランジスタユニット３９の制御端子４８は、さらに、抵抗器５１を介して装置１の動作電圧５２に接続されている。

放電装置８の入力端１２に第１の信号状態が与えられている場合、スイッチング素子４３は、抵抗器ユニット３８の抵抗値が高くなるようにブロックし、そのため、電圧調整ユニット４６は、放電装置８を流れる電流Ｉを低い値に調整する。一方、第２の信号状態が入力端１２に印加されると、抵抗器ユニット３８の抵抗値が低くなり、電圧調整ユニット４６は放電装置８を流れる電流Ｉを高い値に調整する。

装置１は、起動装置５３をさらに備え、その入力端５４が装置１の入力端１０を形成している。起動装置５３は、トランジスタ回路５５を備え、このトランジスタ回路５５は、入力端１０にハイレベルが与えられているとき、トランジスタユニット３９の制御端子４８をライン６の接地電位に切り替え、トランジスタユニット３９が閉塞し、電流Ｉが発生しないように整えられている。一方、入力端１０に、ローレベルを表する放電信号９が与えられている場合には、制御信号１１に応じて、トランジスタ回路５５が閉塞し、充電電流Ｉが流れる。

図２は、装置１の第１の動作例における電気的変動の時間経過を示しており、上段の図は電圧信号１４の経過と基準信号２４の経過を示し、下段の図はトランジスタユニット３９と抵抗器ユニット３８で変換されるコンデンサ電圧７、電流Ｉとその結果としての放電電力５６の経過を示している。

図２は、装置１の以下の例示的な構成に基づいている。ＤＣリンクコンデンサ２：３７０μＦ、抵抗器１６ａ：８９.７ｋΩ、抵抗器１６ｂ：４１５Ω、電圧低減素子３０：ダイオード１Ｎ４１４８、抵抗器３２：１.５ＭΩ、コンデンサ３３：１０μＦ、比較器２５：コンパレータＬＭ２９０３、動作電圧２６：５Ｖ、抵抗器４２ａ：９４Ω、抵抗器４２ｂ：６.６Ω、電源電圧５２：１５Ｖである。

時刻ｔ_０の前に、ＤＣリンクコンデンサ２は９００Ｖの電圧で定常的に充電されている。時刻ｔ_０において、装置１は、ＤＣリンクコンデンサ２の放電を要求する放電信号９を受信する。その結果、電流Ｉが流れ始め、放電装置８の入力端１２に制御信号１１の第１の信号状態が存在するので、約４０ｍＡの小さな放電電流Ｉのみが放電装置８に流れる。時刻ｔ_１において、電圧信号１４の値が基準信号２４の値よりも低下するので、制御信号１１の第２の信号状態が入力端１２に与えられ、電流Ｉは約４００ｍＡの値に急激に増加し、ＤＣリンクコンデンサ２が完全に放電される時刻ｔ_２まで実質的に一定のままである。

その結果、比較ユニット２３は、ＤＣリンクコンデンサ２が放電しているかどうか、すなわち、電圧信号１４が基準信号２４よりも速く低下しているかどうかを確認するために、低い電流強度を利用する。そうである場合にのみ、電流Ｉのより高い電流強度が、使用可能になる。時刻ｔ_０とｔ_１の間、すなわち第１の信号状態が与えられているときには、電流強度は、損傷することなく永久的に放電装置８に導くことができるようにも選択される。このとき、時刻ｔ_１とｔ_２の間のほぼ１０倍の電流強度は、ＤＣリンクコンデンサ２が放電可能であること、すなわち電圧源がＤＣリンクコンデンサ２に接続されていないことが保証されているときにのみ、解放される。注意すべきは、異なる、特に低いコンデンサ電圧７であっても、電圧低減素子３０のため、基準信号２４は常に電圧信号１４よりも小さく規定されるので、先に述べた放電可能性のチェックは、ＤＣリンクコンデンサ２の動作用に典型的なコンデンサ電圧７の広い範囲の値において保証されることである。

図３は、装置１のさらなる動作例におけるコンデンサ電圧７、電流Ｉ、及び放電電力５６の時間特性を示している。ここでは、コンデンサ電圧７は、例えば、直流電圧源が予期せずにＤＣリンクコンデンサ２に接続されたため、時刻ｔ_３において上昇し、直流電圧源が再びＤＣリンクコンデンサ２から切り離されたため、時刻ｔ_４から再び下降する。しかし、時刻ｔ_３において、電流Ｉの電流強度が低い状態で放電が行われており、その結果、時刻ｔ_３において電圧低減素子３０を形成するダイオードを介してエネルギー貯蔵素子３１が充電されているため、時刻ｔ_５までは、増加された電流強度の解放は、行われない。

図４は、装置１のさらなる動作例におけるコンデンサ電圧７、電流Ｉ及び放電電力５６の時間特性を示している。ここでは、時刻ｔ_６において、電流Ｉのより高い電流強度が解除されるが、その後、図３の時刻ｔ_３に類似した時刻ｔ_７において、コンデンサ電圧７が上昇する。時刻ｔ_８からは、図３の時刻ｔ_４と同様に、コンデンサ電圧７は再び低下する。当然ながら、ＤＣリンクコンデンサ２がもはや放電できないことが確定すると、電流強度の高い電流Ｉも直ちに終了する。

図５は、装置１の第２の実施形態の回路図であり、以下に説明する相違点を除いて、図１に示すものに対応する。同一又は同様に動作する構成要素には、同一の参照符号が付されている。

電圧検出装置１３及び信号生成ユニット２２は、第１の実施形態と同一に構成されている。比較ユニット２３は、その出力端と、オープンコレクタの出力端である比較器２５の出力端３６との間に、抵抗器５７を含む。

放電装置８では、抵抗器ユニット３８は、固定の抵抗値を有する抵抗素子４２によって形成されている。また、電圧調整ユニット４６の代わりに、動作電圧５９によって動作可能な演算増幅器５８が設けられている。演算増幅器５８の出力端６０は、トランジスタユニット３９の制御端子４８に接続されている。演算増幅器５８の負の第１の入力端６１は、抵抗器ユニット３８とトランジスタユニット３９との間の基準電位に接続されている。演算増幅器５８の正の第２の入力端６２は、放電装置８の入力端１２を介して、制御装置１９の出力端２０に接続されている。これにより、抵抗器５７を介して演算増幅器５８の基準電圧を変化させて、電流Ｉの電流強度を変化させる。２つの抵抗素子６３ａ，６３ｂが動作電圧５２を分圧して基準電圧を供給し、この基準電圧が電流シンク４５の設定値となり、演算増幅器５８の第２の入力端６２に供給される。

本実施形態では、起動装置５３のトランジスタ回路５５は、他の実施形態にも適用可能な絶縁ゲート電界効果トランジスタに基づいており、演算増幅器５８の第２の入力端６２に接続されている。

図６は、図５に示すものに対応し、さらに、電流シンク４５の設定値を電圧信号１４の関数として制御することができるフィードバック装置６４を有する装置１のさらなる実施形態の回路図である。

フィードバック装置６４は、電圧検出装置１３の出力端１５に接続された入力端６５と、演算増幅器５８の第２の入力端６２に接続された出力６６とを備える。入力側に、フィードバック装置６４は、電圧信号１４を表す電圧１８を減じる分圧器６７を備える。演算増幅器６８、絶縁ゲート電界効果トランジスタ形式のトランジスタ６９、及び抵抗素子７０で形成された電流シンク７１の基準電圧が、分圧器６７のタップ端においてタップできる。ここで、トランジスタ６９と抵抗素子７０との間の電位は、演算増幅器６８の負の第１の入力端７２ａに接続され、分圧器６７のタップ端は演算増幅器６８の正の第２の入力端７２ｂに接続されている。したがって、演算増幅器５８の第２の入力端６２の基準電圧は、ＤＣリンクコンデンサ２に印加される電圧７が減少すると基準電圧が増加するように、コンデンサ電圧７の瞬時値の関数として変更される。

図７は、図２に示した動作例と本質的に同じである、図６に示した装置１の動作例における、コンデンサ電圧７、電流Ｉ、及び放電電力５６の時刻歴を示している。

時刻ｔ_１における電流Ｉは、電流強度が大きいほど放出されることが明らかであり、本質的に一定ではなく、コンデンサ電圧７の低下とともに増加する。したがって、コンデンサ電圧７の経過は、次のように指数関数的なものとなる。

その結果、放電電力５６は、図２から図４において明らかな直線的な減少カーブを回避することができ、抵抗器ユニット３８及びトランジスタユニット３９によって熱に変換されなければならないピーク電力が、格段に小さくなる。したがって、これらの部品には、より高い熱抵抗を持つ安価な部品を使用することができ、及び／又は、冷却の概念をより単純化することができる。

図８は、装置１のさらなる実施形態によるトランジスタユニット３９の回路図であり、既述の実施形態に別のやり方で対応することができる。

トランジスタユニット３９は、並列に接続された複数のトランジスタ７３ａ，７３ｂを有し、各トランジスタは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとして形成されている。この場合、トランジスタユニット３９の制御端子４８には、トランジスタ７３ａ，７３ｂの制御端子７４が共に接続され、第１の端子４０には、トランジスタ７３ａ，７３ｂの第１の端子７５が共に接続されている。また、第２の端子７６は、それぞれ抵抗器７７ａ，７７ｂを介して第２の端子４１に接続されている。このように、トランジスタユニット３９は、単一のトランジスタによって構成されたトランジスタユニットに比べて、ＤＣリンクコンデンサ２から放散されるエネルギー量を多くすることができる。抵抗器７７ａ，７７ｂは、トランジスタ７３ａ，７３ｂに流れる電流をより均等に分配させる。

図９は、高電圧車両電気システム７９を備えた車両７８の一実施形態を示す模式図である。高電圧車両電気システムは、高電圧電池の形態をした直流電圧源８０と、複数の電力変換装置８１，８２，８３を備えている。

電力変換装置８１は、直流電圧源から供給される直流電圧を、車両７８を少なくとも部分的に駆動する電気機械８４用の三相交流電圧に変換するように整えられたインバータである。電力変換装置８２は、車両７８の充電端子８５に供給される交流電圧を、高電圧電池を充電する直流電圧又は電流に変換するための充電装置の能動整流器である。電力変換装置８３は、高電圧車両電源システム７８を、低電圧車両電源システム８６に結合するように整えられたＤＣ－ＤＣコンバータである。各電力変換装置８１，８２，８３は、その高電圧車載ネットワーク側にＤＣリンクコンデンサ２を備えており、そのＤＣリンクコンデンサ２は、既述の実施形態の１つに従って、ＤＣリンクコンデンサ２を放電するための装置１の入力端３，４に接続されている。

直流電圧源８０は、断路装置８７によって、高電圧車両電気システム７９の他の構成要素から絶縁することができる。絶縁装置８７を制御するために、車両７８は制御ユニット８８を有しており、この制御ユニットによって、故障が検出されたときに、車両バス８９を介してデータ通信を利用できるようになっている。データ通信は、直流電圧源８０を高電圧車両電気システム７９の他の構成要素から絶縁するための断路装置８７と、ＤＣリンクコンデンサ２を放電するための電力変換装置８１，８２，８３との両方を制御する。この場合、電力変換装置８１，８２，８３は、データ通信を評価し、データ通信から放電信号９を生成するように設定されている。また、放電信号９は、制御ユニット８８によって電力変換装置８１，８２，８３の装置１に直接、与えることも可能である。この場合、装置１は、断路装置８７による断路が意図した通りに行われない二重故障の場合に対応することができる。

１ 装置
２ ＤＣリンクコンデンサ
７ コンデンサ電圧
８ 放電装置
９ 放電信号
１１ 制御信号
１３ 電圧検出装置
１４ 電圧信号
１５ 出力端
１８ 電圧
１９ 制御装置
２２ 信号生成ユニット
２３ 比較ユニット
２４ 基準信号
２７ 第１の入力端
２８ 第２の入力端
３０ 電圧低減素子
３１ エネルギー貯蔵素子
３８ 抵抗器ユニット
３９ トランジスタユニット
４５ 電流シンク
４６ 電圧調整ユニット
４７ カソード
４８ 制御端子
４９ 基準端子
５０ アノード
５８ 演算増幅器
６０ 出力端
６１ 第１の入力端
６２ 第２の入力端
６４ フィードバック装置
７３ａ，７３ｂ トランジスタ
７４ 制御端子
７５，７６ 端子
７７ａ，７７ｂ 抵抗器
７８ 車両
８１，８２，８３ 電力変換装置
Ｉ 電流

Claims (15)

1. ＤＣリンクコンデンサ（２）を放電するための装置（１）であって、
   前記ＤＣリンクコンデンサ（２）と並列に接続され、放電を要求する放電信号（９）の受信時に、制御信号（１１）の第１の信号状態の存在下では、前記制御信号（１１）の第２の信号状態の存在下よりも低い電流強度を有する電流（Ｉ）を発生させることができる放電装置（８）と、
   前記ＤＣリンクコンデンサ（２）の両端で低下するコンデンサ電圧（７）を示す電圧信号（１４）を生成することができる電圧検出装置（１３）と、
   を備える装置において、
   前記放電信号（９）の受信時における値が前記電圧信号（１４）に依存するとともに前記電圧信号（１４）に比例して減じられる基準信号（２４）を生成するように整えられた信号生成ユニット（２２）と、前記電圧信号（１４）を前記基準信号（２４）と比較し、前記放電信号（９）を受信したときに前記第１の信号状態を前記制御信号（１１）に提供し、前記電圧信号（１４）の値が前記基準信号（２４）の値に達し、又は前記基準信号（２４）の値よりも低下するときに前記第２の信号状態を前記制御信号に提供するように整えられた比較ユニット（２３）と、を有する制御装置（１９）を備えることを特徴とする、装置。
2. 前記比較ユニット（２３）は、前記電圧信号（１４）の値が前記基準信号（２４）の値に達し、又はそれを超えるときに、前記第２の信号状態から前記第１の信号状態に変えるように整えられている、請求項１に記載の装置。
3. 前記信号生成ユニット（２２）は、前記電圧信号（１４）が前記基準信号（２４）の値を超えているときに、前記基準信号（２４）の値を、前記電圧信号（１４）の値と比べて減じられた値に、増加させるように整えられている、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記信号生成ユニット（２２）は、前記ＤＣリンクコンデンサ（２）が放電させられるときに、その値が前記電圧信号（１４）の値よりもゆっくり低下するように、前記基準信号（２４）の電圧波形を予め設定するように整えられている、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の装置。
5. 前記電圧検出装置（１３）は、前記電圧信号（１４）を表す電圧（１８）を提供可能である出力端（１５）を有し、
   信号生成ユニット（２２）は、直列に接続された電圧低減素子（３０）及びエネルギー貯蔵素子（３１）を備え、
   前記電圧低減素子（３０）が、前記電圧検出装置（１３）の出力端（１５）に接続され、
   前記電圧検出装置（１３）の出力端（１５）が、前記比較ユニット（２３）の第１の入力端（２７）に接続され、
   前記電圧低減素子（３０）と前記エネルギー貯蔵素子（３１）との間の電位が、前記比較ユニット（２３）の第２の入力端（２８）に接続されている、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の装置。
6. 前記放電装置（８）が、抵抗器ユニット（３８）とトランジスタユニット（３９）の直列回路を備える、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の装置。
7. 前記抵抗器ユニット（３８）の抵抗値が、前記制御信号（１１）に応じて可変である、請求項６に記載の装置。
8. 前記トランジスタユニット（３９）が、前記制御信号（１１）に応じて制御可能な電流シンク（４５）の縦素子を形成する、請求項６又は７に記載の装置。
9. 前記電流シンク（４５）が演算増幅器（５８）を備え、前記演算増幅器（５８）の出力端（６０）がトランジスタユニット（３９）の制御端子（４８）に接続され、前記演算増幅器（５８）の第１の入力端（６１）が、前記抵抗器ユニット（３８）と前記トランジスタユニット（３９）との間の基準電位に接続され、前記演算増幅器（５８）の第２の入力端（６２）の電圧が前記制御信号（１１）に応じて可変である、請求項８に記載の装置。
10. 前記電流シンク（４５）は、カソード（４７）、アノード（５０）及び基準端子（４９）を有する電圧調整ユニット（４６）を備え、前記カソード（４７）は前記トランジスタユニット（３９）の制御端子（４８）に接続され、前記基準端子（４９）は前記トランジスタユニット（３９）と前記抵抗器ユニット（３８）との間の電位に接続されている、請求項８に記載の装置。
11. 前記電流シンク（４５）の設定値を前記電圧信号（１４）に応じて制御することができるフィードバック装置（６４）を、さらに備える、請求項８に記載の装置。
12. 前記トランジスタユニット（３９）は、それぞれ制御端子（７４）を有する複数のトランジスタ（７３ａ，７３ｂ）を備え、前記トランジスタ（７３ａ，７３ｂ）の２つのさらなる端子（７５，７６）間の電流を前記制御端子（７４）によって制御可能であり、抵抗器（７７ａ，７７ｂ）の第１の端子が、抵抗器ユニット側のそれぞれの前記さらなる端子（７６）に接続され、前記抵抗器（７７ａ，７７ｂ）の第２の端子が共に接続されている、請求項６乃至１１のいずれか一つに記載の装置。
13. ＤＣリンクコンデンサ（２）と、前記ＤＣリンクコンデンサ（２）を放電するための、請求項１乃至１２のいずれかに一つに記載の装置（１）とを備える、車両（７８）用の電力変換装置（８１，８２，８３）。
14. 請求項１３に記載の少なくとも１つの電力変換装置（８１，８２，８３）を備える車両（７８）。
15. ＤＣリンクコンデンサ（２）を放電する方法であって、
    前記ＤＣリンクコンデンサ（２）の両端で低下するコンデンサ電圧（７）を示す電圧信号（１４）を生成するステップと、
    放電信号（９）を得るときの値が前記電圧信号（１４）に依存するとともに前記電圧信号（１４）と比べて減じられる基準信号（２４）を生成するステップ、
    前記電圧信号（１４）を前記基準信号（２４）と比較するステップと、
    前記放電信号（９）を受信したときに第１の信号状態を有し、前記電圧信号（１４）の値が前記基準信号（２４）の値以下に低下しているときに第２の信号状態を有する制御信号（１１）を提供するステップと、
    前記ＤＣリンクコンデンサ（２）と並列に接続された放電装置（８）によって、前記制御信号（１１）の前記第１の信号状態が存在するときに、前記制御信号（１１）の前記第２の信号状態が存在するときよりも低い電流強度を有する電流（Ｉ）を生成するステップと、
    を備える方法。

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