用于在无电位的直流电压电网中的抗无线电干扰的电压转换器的触摸安全性

技术领域

本发明涉及一种电压转换器，其能够例如在电驱动的车辆中使用并且借助一个或者多个电容器抗无线电干扰。

背景技术

通常给电驱动的车辆的动力传动系中的电动马达馈给多相的交流电压。电能在车内通常作为直流电压由电池、燃料电池或者别的能量源提供。多相的交流电压由该直流电压借助换流器（Inverter）产生。为此，用于电动马达的交流电压供应部的相位以快速的时间定时交替地与直流电压源的正极和负极连接。这通过由切换元件组成的组件在换流器中实现。

由于所述时间定时，交流电压被加载以高频干扰，所述高频干扰虽然不妨碍电动马达的运行，但是通过电动马达与车辆接地端的连接耦合到车辆的金属结构中。然后，金属结构能够像发送天线一样起作用并且将干扰发射到周围环境中，这与对电磁可兼容性（EMV）的要求不相符。对干扰进行抑制的可行方案在于，将馈给换流器的直流电压电网通过所谓的Y型电容器与车辆接地端连接。

由于中间电路电压通常是几百伏特，因此对于人而言在触摸时是危险的，因此，在如下方面存在监管方面的规定：即，在该直流电压电网中允许最多电容式地存储多少能量。除此之外，EP 2 763 868 B1提出，在发生特定的事件时、尤其是在发生事故时以受控的方式使中间电路的电容器放电。

发明内容

在本发明的框架中，已开发了一种电压转换器，其用于在直流电压门处的直流电压与交流电压门处的单相的或者多相的交流电压之间进行转换。该转换通过电子切换机构的时间定时进行，交流电压门的每个相位能够通过电子切换机构可选地与直流电压门的正极或者负极连接。直流电压门的正极和/或负极通过至少一个电容器与接地端子连接，该接地端子又能够与外部的接地端、像比如电驱动的车辆的车辆接地端连接。电容器与接地端子之间的连接通过至少一个切换元件来引导。

人们认识到，特别是当在车辆中使用电压转换器时，如果通过切换元件将电容器与车辆接地端分离，就大幅降低存储在电容器中的能量的潜在危险。

如果电容器的极与车辆接地端连接，直流电压电网的无电位性（Potentialfreiheit）就由此被消除。因此，站在地电位上的人只需要还触摸附接有电容器的直流电压电网的极，就闭合电路并且受到电击。如果直流电压门的（进而直流电压电网的）两极分别通过电容器与车辆接地端连接，则无论这些极中的哪个极被触摸都无所谓。

相反，如果电容器与车辆接地端之间的连接被分离，则通常操作车辆并且例如为了给牵引电池充电而在充电端子处进行操作的人不再能够触及电容器的极。只有在忽视提出的警告--该设备即使在脱离车辆的直流电压电网之后仍含有存储的能量--的情况下未经授权地打开电压转换器的壳体的人，才能够与电容器的两个极接触。

因此，以这样的方式关闭的电容器完全排除在可能对于人来说危险的能量水平（Bilanz）以外。这尤其在车辆附接在充电站处的情况中是有利的，因为此时能量也存储在充电线缆和充电站本身中，并且对于危险性的判断而言，重要的是整体上存储的（即存储在车辆、线缆和充电站中的）能量。

初看上去，偏偏剥夺用于像抗无线电干扰这样重要目的的电容器的功能，可能是不合情理的。发明人认识到，只有当电动马达是激活的并且干扰因此能够到达车辆接地端时，才发射从电压转换器施加（aufprägen）到交流电压门上的干扰。但是，这同时是车辆处于运动中并且不能够被车辆外的人触摸的状态。相反，如果车辆静止并且能够被触摸，则电动马达不是激活的，并且不需要抗干扰电容器的作用。

与使电容器放电的情况不同，在借助切换元件断开时不存在高绝缘电阻与低放电电阻之间的目标冲突，并且所述断开与电容器的电容无关地起作用。因此，完全省去对电容的迄今为止的在安全技术方面的限制。因此，也不再存在良好的抗干扰效果（对于其而言，高电容是有利的）与人身保护（对于其而言，低电容更好）之间的目标冲突。能够使用具有更大的、迄今不允许的电容的电容器。除了更好的抗干扰效果之外，与迄今使用的具有较小电容的环形电容器相比，这些电容器有时在所需要的结构空间方面具有明显的优势。

因此，在一种有利的构型方案中，电容器具有至少500nF的、优选至少1µF的并且完全特别优选至少10µF的电容。通过待滤波的频率给定待具体选择的电容。

在另一种特别有利的构型方案中，所述电压转换器构造用于，当超过预给定的阈值的加速力或者减速力作用到电压转换器上时，借助切换元件来中断电容器与接地端子之间的连接。这样的加速力或者减速力能够例如在发生事故时起作用。在发生事故之后特别重要的是使得车辆是触摸安全的，以便救援力量在进行救援作业时不受危害。

例如，所述电压转换器能够与加速度传感器耦合并且响应于“高加速度已被记录”来操控切换元件。但是，例如该切换元件本身也能够构造用于，在高加速力的情况下中断电容器与接地端子的连接。为此，能够例如设置在力作用的情况下被破坏的期望断裂部位。因此，即使车辆的控制器或者微控制器不再正常工作，所述连接也必然被中断。

在另一种特别有利的构型方案中，所述电压转换器构造用于，当附接到该电压转换器的交流电压门处的负载被激活时，借助所述切换元件来建立电容器与接地端子之间的连接，并且当该负载被去激活时，再次分离所述连接。如前所述，例如当在车辆中应用电压转换器时，只有当借助该电压转换器来供给的马达激活时，才发射无线电干扰。当马达不是激活的时，车辆静止。现在在这种状态下分离与接地端子的连接，由此每当车辆原则上能够被车辆外的人触摸时，给定最大的触摸安全性。

原则上，任何可逆的电开关都适合用于该可逆的切换，因此例如机电继电器也适合用于该可逆的切换。利用半导体开关能够实现在非常频繁的切换过程的情况下更高的可靠性和耐磨性。因此，在另一种特别有利的构型方案中，所述切换元件包括由至少两个晶体管组成的组件，其中，晶体管包括双极晶体管和/或场效应晶体管，并且其中，晶体管的通过相应的集电极-发射极-路段（Strecke）或者说通过相应的源极-漏极-路段限定的流通方向相互反串行地连接。需要反串行电路，因为集电极-发射极-路段或者说源极-漏极-路段只能够阻挡一个极性的电压，给电容器充电的极性一开始就不固定。

在另一种特别有利的构型方案中，电容器与接地端子之间的连接通过由多个切换元件组成的串联电路来引导。如果切换元件不能够正常工作并且不再能够中断所述连接，则另外的切换元件能够承担该功能。因此，始终一如既往地确保人身保护，使得在一个开关发生故障时例如始终一如既往地允许在充电站处为具有电压转换器的车辆充电。

如果电容器与接地端子之间的连接不再能够被中断并且如果在与充电站连接时最高允许的电容被超过，则出于安全原因必须封锁车辆的充电功能。然后，车辆的行驶里程会受到当前现有的能量储备的限制。

相反，如果一个开关以如下方式失灵，即电容器与接地端子的连接不再能够被建立，则这对于人来说不是有直接危险的，而只是通过电容器实现的抗无线电干扰变得不起作用。该状态也应该尽快被消除，但是该状态不是如此关键，使得需要立刻禁止继续行驶并且要求昂贵的抛锚急救服务。

在另一种特别有利的构型方案中，设置有诊断器件，所述诊断器件构造用于检测至少一个切换元件的正确的功能和/或实际的切换状态。一方面，由于切换元件的与安全相关的功能，能够产生使切换元件能够被诊断的监管义务。另一方面，在电磁可兼容性（EMV）方面，电容器与接地端子之间的连接永久被中断的状态是不期望的。恰恰是当在车辆中使用电压转换器时，车辆在不具有有效的抗无线电干扰的情况下变成很难被定位的（因为其只是偶尔激活并且同时是移动的）宽带无线电干扰源。由于这些干扰不直接对车辆的行驶行为产生影响，因此在无诊断器件的情况下驾驶员最初未注意到该故障，直到联邦网络局测定该车辆为干扰源并且产生对应的后续费用。

在另一种特别有利的构型方案中，至少一个切换元件构造为第一切换位置与第二切换位置之间的切换器（Umschalter）。所述切换元件在第一切换位置中使接地端子或者连接到该切换元件与接地端子之间的另外的切换元件与用于测试电位的电压源连接并且在第二切换位置中使其与电容器连接。所述诊断器件包括用于监控测试电位的器件。然后，能够例如在电压转换器投入使用时和/或反复在运行期间运行测试程序，在该测试程序中，设定现有的切换元件的切换位置的组合并且将对测试电位的测量与预期值进行比较。

替代地或者组合地，在另一种特别有利的构型方案中，所述诊断器件包括与至少一个切换元件的背离接地端子的侧连接的电压源和用于监控在该切换元件的该侧上的电位的器件。该构型方案的前提并非该切换元件是切换器，而是该切换元件也与能够要么连接、要么分离电容器与接地端子之间的连接的切换元件（像比如前述由晶体管组成的组件）一起正常工作。

如前所述，该电压转换器的重要应用是对电驱动的车辆中的电动马达进行供电。因此，本发明还涉及一种用于机动车的电的动力传动系，其具有所说明的电压转换器以及与该电压转换器的交流电压门连接的电动马达。

另外，本发明还涉及一种具有该动力传动系的机动车，其中，电动马达和电压转换器的接地端子与该机动车的共同的接地端连接。通过这种方式，从电压转换器耦合到电动马达中的并且从那边耦合到机动车的接地端中的干扰被抑制。

从电动马达与机动车的接地端连接的点直至电压转换器的接地端子与机动车的接地端连接的点之间的电流路径应该跨越（aufspannen）尽可能小的面积。通过这种方式，明显减小对于干扰的发射而言起作用的天线的长度、进而明显减小该发射的效率。

在另一种有利的构型方案中，所述机动车包括用于给所述动力传动系馈电的能够再充电的电池以及安全装置，该安全装置构造用于，响应于通过电压转换器的诊断器件进行的确定，电容器与电压转换器的接地端子之间的连接由于一个或者多个切换元件的故障不能够被中断，来禁止电池从车辆外部的能量源充电。通过这种方式，有利地避免由于车辆外部的能量源的附接使得整体上电容式存储的能量超过临界值的情况。同时，驾驶员被置于进行修理的强迫性之下，因为在潜在不安全的状态中，只有当电池中当前现有的能量储备足够时，才能够使用车辆。

在另一种有利的构型方案中，所述机动车包括安全装置，该安全装置构造用于，响应于通过电压转换器的诊断器件进行的确定，电容器与电压转换器的接地端子之间的连接由于一个或者多个切换元件的故障不能够被建立，来向驾驶员输出警告并且在预给定的行驶路段或者时间结束之后禁止机动车的重新投入使用，和/或限制电动马达的转速和/或转矩。如前所述，持续被中断的连接不具有严重的危险性，但是导致车辆不再满足在电磁可兼容性（EMV）方面的要求。由于满足这些要求是允许运行车辆的前提并且驾驶员通常对其车辆的在技术方面完好的状态负责，因此，在这种故障情况中也将驾驶员置于进行修理的强迫性之下是适当的。

改进本发明的其他措施在下文中与根据附图对本发明的优选实施例的说明一起更详细地示出。

附图说明

附图示出：

图1示出了动力传动系10中的电压转换器1的示例性示意图，该动力传动系安装在机动车100中；

图2示出了构造为切换器的切换元件6a、6b和配属的诊断器件8的示例性详细示意图；

图3示出了晶体管化的切换元件6a、6b和配属的诊断器件8的示例性详细示意图。

具体实施方式

根据图1，机动车100的动力传动系10中的电压转换器1用于将施加在该电压转换器的直流电压门2处的直流电压转换为三相交流电压，该三相交流电压在该电压转换器的交流电压门3的三个相位3a、3b、3c上输出。给动力传动系10中的电动马达11馈给交流电压。通过未进一步详细示出的电子切换机构4的时间定时进行转换。

由于切换机构4中的时间定时，交流电压被加载以高频干扰。由于电动马达11在点101处与机动车100的接地端110连接，这些干扰耦合到机动车100的金属部件中。这些金属部件用作发射高频干扰的天线。因此，直流电压门2的极T+通过电容器5a与电压转换器1的接地端子7连接。直流电压门2的极T-通过电容器5b与电压转换器1的接地端子7连接。这些连接通过切换元件6来引导。接地端子7在点102处与机动车100的作为外部接地端7a的接地端110连接。

在动力传动系10内，也能够汇总在共同的接地电位上的多个电容，该接地电位又与机动车100的接地端110连接。例如当动力传动系10是作为整体集成到机动车100中的闭合的结构组时，这能够特别容易安装到机动车100中。

当切换元件6切换为通路时，高频干扰从车辆接地端110中吸引回到电压转换器1中并且就此而言被短路。通过这种方式，这些干扰射到周围环境中的发射明显被减少。然而，在这种状态下，车辆接地端110与两个电容器5a、5b中的每个电容器的各一个极连接。然后，当在车辆100处进行操作时，只触摸直流电压门2的两个极T+、T-中的一个极，就足以由于存储在电容器5a、5b中的一个电容器中的能量而受到电击。

在此，当电动马达11不是激活的并且不需要通过电容器5a和5b实现的抗无线电干扰时，有利地将切换元件6切换为中断。然后，人不再能够触及两个电容器5a、5b中的每个电容器的分别与切换元件6连接的极，从而使得这些电容器5a、5b的电容不再构成潜在危险。

尤其是当机动车100的牵引电池120从外部充电站200充电时，这一点是重要的，因为充电站200和与机动车100的线缆连接引入另外的电容。

为了监控该安全相关的功能，设置有诊断器件8。能够出现两种类型的故障。

一方面，切换元件6能够被固定保持在切换为通路上的切换位置中，这导致不再能够中断电容器5a、5b与接地端子7之间的连接。尤其是在从充电站200给牵引电池120充电时，会存在电击危险。因此，在这种情况下通过安全装置130禁止充电。车辆100的驾驶员必须将就使用电池120中残留的能量储备并且寻找维修车间。

另一方面，切换元件6能够被固定保持在切换为中断的切换位置中。在这种情况下，车辆100总是触摸安全的，但是缺少抗无线电干扰。因此，在这种情况下通过安全装置135向驾驶员输出警告。如果在预给定的行驶路段或者时间内未消除故障，则禁止车辆100的重新投入使用。因此，在这种故障的情况下，也存在进行修理的强迫性。替代完全禁止车辆100的重新投入使用，也能够仅限制电动马达11的转速和/或转矩，以便车辆100至少还能够靠自己的动力到达维修车间（“跛行回家功能，Limp-home-Funktion”）。

为了减小由于故障而必须禁止充电的概率，在图2所示的实施例中，两个切换元件6a和6b串联连接。切换元件6a、6b在这里构造为继电器。

切换元件6a在其在图2中示出的切换位置中将第二切换元件6b与用于测试电位的电压源81a连接。切换元件6a在其在图2中未示出的切换位置中将第二切换元件6b与电容器5a和5b连接。

切换元件6b在其在图2中示出的切换位置中将接地端子7与用于测试电位的电压源81b连接。切换元件6b在其在图2中未示出的切换位置中将接地端子7与电容器5a和5b连接，其中，该连接还通过切换元件6a来中继（vermitteln）。

诊断器件8除了包括用于测试电位的电压源81a和81b之外附加地还包括用于监控这些测试电位的器件82a、82b，所述器件在该示例中实现为具有串联电阻的模拟数字转换器。切换元件6a和6b的切换状态的四种组合中的每个组合都在名义上导致电压值的明确的组合，所述电压值通过模拟数字转换器82a、82b来记录。通过这种方式，能够测定切换元件6a和6b的实际的切换状态。

在图3所示的实施例中同样设置有由电容器5a、5b与接地端子7之间的两个切换元件6a、6b组成的串联电路。但是，与图2不同地，切换元件6a、6b分别实现为两个MOSFET晶体管的反串行电路。这样的切换元件并非像图2中的继电器一样用作切换器，而是只能够，根据图1中的切换元件6的图示，要么切换为通路要么切换为中断。因此，诊断器件8在这里以不同的方式来组织。在切换元件6a、6b中的每个切换元件的背离接地端子7的侧上，电压源83a、83b分别通过串联电阻馈入测试电压。在那里，通过器件84a、84b分别监控电位。通过这种方式能够确定，在器件84a、84b与接地端子7之间分别是否存在通路。