使中间电路电容器放电的设备和方法、变流器以及车辆

技术领域

本发明涉及一种用于使中间电路电容器放电的设备，包括：与中间电路电容器并联的放电装置，当接收到请求放电的放电信号时，借助该放电装置能够产生电流，该电流在存在控制信号的第一信号状态时的电流强度低于存在控制信号的第二信号状态时的电流强度；以及电压检测装置，借助该电压检测装置能够产生描述在中间电路电容器上下降的电容器电压的电压信号。

本发明还涉及变流器、车辆以及用于使中间电路电容器放电的方法。

背景技术

功率较高的电动车辆通常具有由直流电压源(诸如高压电池)供电的高压车载电网。接驳到高压车载电网的高压组件(尤其是变流器)包括中间电路电容器，该中间电路电容器在充电状态下会存储大量电能。在发生安全相关的故障情况下，诸如测试线中断、事故或绝缘失效，对应当遵守的放电时间提出了严格的要求，例如要求放电时间为2秒。于是通常假设，由于故障情况，发生高压车载电网的直流电压源与高压组件的适时电流断离。

然而，除了这种简单的故障情况外，还须考虑到例如因直流电压源与高压组件之间的断离装置控制不当或该断离装置的机械触点“悬空”而未能发生、仅延迟发生或在放电期间再次忽略直流电压源的电流断离的双重故障情况。如果在这样的双重故障情况下控制与中间电路电容器并联的放电装置进行放电，则它无法使电容器放电，而是完全由直流电压源提供流过电容器的电流。由此产生的热功率损失可能损伤或破坏放电装置。因此，针对双重故障的情况，需要对热过载进行充分的保护。

专利文献EP 2 284 982 A1公开了一种用于功率转换装置中的平滑电容器的放电电路。该放电电路包括从电容器释放电荷的电阻器、与电阻器串联的开关、测量电容器的端电压的测量电路以及控制开关是导通还是截止的控制电路。在它控制开关使之导通并开始通过电阻器使电容器放电之后，当测量电路所测量的电容器的端电压超过事先指定的降压特性时，控制电路控制开关截止并结束通过电阻器的放电。为了加速放电，电阻器包括具有第一电阻值的第一电阻器和具有小于第一电阻值的第二电阻值的第二电阻器。开关包括与第一电阻器串联的开关和与第二电阻器串联的开关。控制装置开始通过第一电阻器使电容器放电。当所测量的端电压已经达到预定电压或更小时，控制装置除了通过第一电阻器之外还通过第二电阻器使电容器放电。预定电压为最大放电电压和目标放电电压的平均值。

发明内容

本发明的目的是，提出一种相对更稳健的使中间电路电容器放电的可行方案。

本发明达成上述目的的解决方案为一种前述类型的设备，该设备进一步包括控制装置，该控制装置具有：信号产生单元，该信号产生单元被配置为产生参考信号，该参考信号的值在接收到放电信号的时刻取决于的电压信号，并与电压信号相比降低；以及比较单元，该比较单元被配置为将电压信号与参考信号进行比较，以当接收到放电信号时为控制信号提供第一信号状态，并且当电压信号的值达到或低过参考信号的值时，为控制信号提供第二信号状态。

本发明是基于以下构思：首先指定低电流流过放电装置，通过将电压信号与低于电压信号的参考信号进行比较，来检查中间电路电容器是否确实被放电，以及若是这种情况，则指定更高的电流以使中间电路电容器放电。如果电压信号未达到或低过与之相比降低的参考信号，由此可以推断出未能使中间电路电容器放电，则流过放电装置的电流仅具有较低的电流强度，从而可限制放电装置中的热功率损失。

有利地，根据本发明的设备具有固有的自我保护，因为它在双重故障情况下仅提供低电流流过放电装置，该双重故障包括触发放电信号和中间电路电容器与直流电压源的错误分离。这样通过提供取决于中间电路电容器放电能力的几种放电速度，就能使设备稳健运行。同时，可以免除如现有技术中已知那样复杂的需微控制器支持的调查降压特性。

适宜地，存在控制信号的第一信号状态时的电流强度选择为使得即使在为中间电路电容器供电的电压源施加最大电压的情况下，放电装置也能无损地运行。一般优选的是，信号产生单元和/或比较单元被构造为模拟电路。有利地，无需时间离散的控制器，而通过这样的控制器只有耗费巨大工作量才能达到满足汽车应用的ASIL等级。比较单元优选地具有比较器，该比较器被配置为将参考信号与电压信号进行比较。电压检测装置适宜地是分压器，其可与中间电路电容器并联，并可在该分压器的抽头处提供电压信号。提供电压检测装置不仅专注于中间电路电容器的放电；还可借助电压检测装置为具有根据本发明的设备的变流器的其他组件提供电压信号。

在根据本发明的设备中，比较单元优选被配置为当电压信号的值达到或超过参考信号的值时，从第二信号状态切换到第一信号状态。当中间电路电容器意外再次连接到直流电压源时，可能会瞬间回归电流强度较低的电流，这会导致电容器电压骤升。

特别优选地，信号产生单元被配置为当电压信号超过参考信号的值时，将参考信号的值增高到某个与电压信号的值相比降低的值。这样就能确保，在超过参考信号的值之后，尤其是在上述直流电压源意外连接到中间电路电容器的情况下，例如当稍后又取消与直流电压源的连接时，可以重新检查中间电路电容器的放电能力。

适宜地，信号产生单元被配置为指定参考信号的电压曲线，使得当中间电路电容器放电时，参考信号的值比电压信号的值降低得更慢。

在根据本发明的设备中，可以有利地规定，电压检测装置具有输出端，在该输出端处能够提供代表电压信号的电压，其中，信号产生装置具有串联的降压元件和蓄能元件，其中，降压元件接驳到电压检测装置的输出端，其中，电压检测装置的输出端接驳到比较单元的第一输入端，且其中，降压元件与蓄能元件之间的电位接驳到比较单元的第二输入端。这样能够特殊简化信号产生单元的电路设计。适宜地，比较单元的第一输入端为负输入端，而比较单元的第二输入端为正输入端。

降压元件优选为二极管。二极管能够以其阳极接驳到电压检测装置的输出端，并以其阴极接驳到蓄能元件。通过二极管的正向电压，优选地使参考信号的值与电压信号相比降低。此外，当电压信号增高时，二极管允许蓄能器再次充电到电压信号与正向电压之间的差值。替选地，降压元件可以是电阻器。蓄能元件优选为RC元件，其中，该RC元件的电容器和电阻器可以并联地接驳到比较单元的第二输入端。

关于放电装置，在根据本发明的设备中优选的是，放电装置具有由电阻单元和晶体管单元组成的串联电路。这里有益的是，电阻单元的电阻值能够根据控制信号而变化。这样，当存在第一信号状态或第二信号状态时，可以实现不同的电流强度。

原则上，晶体管单元可被配置为根据放电信号进行切换。当中间电路电容器放电时，则获得电流和电容器电压的指数曲线。因此，存储在中间电路电容器中的能量在电阻单元中基本上转化为热量。电阻单元的尺寸和/或散热应根据此处产生的功率损耗来确定。

但优选的是，晶体管单元构造被为能够根据控制信号来控制的电流阱的纵向元件。因此，晶体管单元能够根据控制信号在其有源区间中运行，以使流过放电装置的电流保持恒定。然后，当中间电路电容器放电时，电容器电压呈线性下降。可以看出，以基本上恒定的电流进行放电与以呈指数下降的电流曲线进行放电相比的优势在于，在放电过程开始时，放电功率较低。在此情形下，放电功率还通过晶体管单元转化为热量，这样有利地允许省却电阻单元中高成本的高功率电阻零件，尤其是Z电阻器(Zementwiderstaende)。

根据一优选实施方案，电流阱具有带阴极、阳极和参考端子的调压单元，其中，阴极连接到晶体管单元的控制端子，并且参考端子连接到晶体管单元与电阻单元之间的电位。调压单元可以具有运算放大器、参考电压源以及作为阳极与阴极之间的纵向元件的晶体管。

根据另一实施方案，电流阱具有运算放大器，其中，运算放大器的输出端连接到晶体管单元的控制端子，其中，运算放大器的第一输入端接驳到电阻单元与晶体管之间的参考电位，其中，运算放大器的第二输入端处的电压能够根据控制信号而变化。适宜地，第一输入端为运算放大器的负输入端，而第二输入端为运算放大器的正输入端。为了改变第二输入端处的电压，优选的是，比较单元(尤其是其比较器)具有连接下游的电阻器的集电极开路端子，并且电流阱具有接驳到分压器的运行电压，其中，分压器的抽头和比较单元的电阻器接驳到运算放大器的第二端子。借助分压器能够指定电流阱的额定值。

优选地，所述设备进一步具有反馈装置，借助该反馈装置能够根据电压信号来控制电流阱的所述额定值或某个额定值。由此，代替恒定的放电电流，能够提供随着电容器电压降低而增高的放电电流，因为反馈了电容器电压的图像来进行电流调节。于是，放电功率不会像以恒定电流强度放电时那样呈线性下降，而是从放电过程开始时基本上更均匀地下降。由此，可以降低放电功率的峰值，这样就能使用更具成本效益的零件。

优选地，反馈装置具有电流阱，该电流阱能够根据电压信号来控制，并且借助该电流阱能够改变放电装置的比较器的第二输入端处的电压。

在根据本发明的设备中，进一步优选的是，晶体管单元具有多个晶体管，这些晶体管各自包括控制端子，借助该控制端子能够控制晶体管的另外两个端子之间的电流，其中，电阻器的第一端子接驳到相应电阻单元侧的另外的端子，并且电阻器的第二端子互联。这样，通过晶体管单元也能可靠地切换或消散更多的根据关系式E＝1/2·C·U

另外，本发明涉及一种用于车辆的变流器，该变流器包括中间电路电容器以及根据本发明的用于使中间电路电容器放电的装置。该变流器可以是逆变器、直流变压器或有源整流器。

本发明还涉及一种车辆，该车辆包括至少一个根据本发明的变流器。该车辆通常包括具有直流电压源、尤其是高压电池的高压车载电网。变流器可以是逆变器，该逆变器被配置为将直流电压源所提供的直流电压转换为用于至少部分地驱动车辆的电机的交流电压。变流器可以是直流变压器，尤其是用于将高压车辆车载电网耦合到另外的车载电网，尤其是低压车载电网。变流器可以是有源整流器，尤其是用于使高压电池充电的充电装置的有源整流器。该车辆通常具有断离装置，该断离装置被配置为当接收到放电信号时，将直流电压源从高压车载电网的其他组件、尤其是至少一个变流器断离。

本发明最后涉及一种用于使中间电路电容器放电的方法，该方法包括以下步骤：产生电压信号，该电压信号描述在中间电路电容器上下降的电容器电压；产生参考信号，该参考信号的值在接收到放电信号的时刻取决于电压信号，并与电压信号相比降低；将电压信号与参考信号进行比较；当接收到放电信号时，为控制信号提供第一信号状态，以当电压信号的值达到或低过参考信号的值时，为控制信号提供第二信号状态；以及通过与中间电路电容器并联的放电装置产生电流，该电流在存在控制信号的第一信号状态时的电流强度低于存在控制信号的第二信号状态时的电流强度。

有关根据本发明的设备的所有陈述皆可类似地转移给根据本发明的变流器、根据本发明的车辆和根据本发明的方法，使得它们也能获得上述优势。

附图说明

结合附图并参照下述实施例获得本发明的更多细节和优势。这些附图为示意图，图中：

图1示出根据本发明的设备的第一实施例的电路图；

图2至图4分别示出图1所示的设备在不同运行情况下的电量的时间曲线；

图5示出根据本发明的设备的第二实施例的电路图；

图6示出根据本发明的设备的第三实施例的电路图；

图7示出图6所示的设备在运行期间的电量的时间曲线；

图8示出根据本发明的设备的其他实施例的晶体管单元的电路图；以及

图9示出根据本发明的车辆的实施例与根据本发明的变流器的实施例的原理图。

具体实施方式

图1是用于使中间电路电容器2放电的设备1的第一实施例的电路图。

中间电路电容器2接驳到设备1的第一端子3和第二端子4，使得在连接到第一端子3的具有设备1的高电位的第一线路5与连接到第二端子4的具有设备1的低电位的第二线路6之间，施加跨中间电路电容器2下降的电容器电压7。

设备1包括与中间电路电容器2并联的放电装置8，当在设备1的第三输入端10处接收到请求放电的放电信号9时，借助该放电装置8能够产生流过放电装置8的电流I。该电流在放电装置8的输入端12处存在控制信号11的第一信号状态时的电流强度低于存在控制信号11的第二信号状态时的电流强度。

设备1进一步包括电压检测装置13，借助该电压检测装置13能够在输出端15处产生描述电容器电压7的电压信号14。在当前情况下，电压检测装置13被构造为具有两个电阻元件16a、16b的分压器。在形成输出端15的分压器的抽头17处施加代表电压信号14的电压18。

设备1进一步包括控制装置19，借助该控制装置19，能够根据控制装置19的输入端21处存在的电压信号14而在输出端20处向放电装置8提供控制信号11。为此，控制装置19包括信号产生单元22和比较单元23。

信号产生单元22被配置为产生参考信号24，该参考信号的值取决于电压信号14，并在接收到放电信号9的时刻与该电压信号14相比降低。比较单元23被配置为将电压信号14与参考信号24进行比较，并且为控制信号11提供第一信号状态，且当电压信号14的值达到或低过参考信号24的值时，为控制信号11提供第二信号状态。比较单元23被进一步配置为当电压信号14的值重新达到或超过参考信号24的值时，从第二信号状态切换到第一信号状态。

为此，比较单元23具有比较器25，其负输入端对应于比较单元23的输入端27，且其正输入端对应于比较单元23的第二输入端28。比较器25可借助运行电压26来运行。通过将电压检测装置13接驳到第一输入端27，在比较单元23的第一输入端27处施加电压信号14。在比较单元23的第二输入端28处施加参考信号24，在本实施例中，这是通过将信号产生装置22的输出端29例如直接接驳到比较单元23的第二输入端28。

信号产生单元22被配置为当电压信号14超过参考信号24的值时，将参考信号的值增高到某个与电压信号14相比较低的值。另外，信号产生单元22被配置为指定参考信号24的电压曲线，使得当中间电路电容器2放电时，参考信号24的值比电压信号14的值降低得更慢。

为此，信号产生装置22包括由二极管实现的降压元件30和蓄能元件31，在当前情况下，该蓄能元件31被构造为由电阻器32和电容器33组成的RC元件。信号产生装置22具有输入端34，该输入端34接驳到电压检测装置13的输出端15。在内部，通过二极管的阳极连接到输入端34，且二极管的阴极连接到蓄能元件31，降压元件30连接到输入端34。降压元件30关于二极管的正向电压将电压18降低到施加于蓄能元件31的电压35。因此，在静态下将电容器33充电到该值。

如果中间电路电容器2放电，则电容器电压7下降，且代表电压信号14的电压18因此下降得比电容器33经由电阻器32放电更快。为此，选择电阻器32的电阻值和电容器33的电容值，使得参考信号24比电压信号14下降得更慢。

因此，当中间电路电容器2和电容器33静态充电时，在接收到放电信号之前和期间，在比较器的输出端36(其也形成比较单元23的输出端37)处赋予第一信号状态，因为电压信号14的值大于参考信号24的值。如果中间电路电容器2在接收到放电信号9之后放电，则电压信号14的值下降，直到其达到参考信号24的值并下降到其之下。结果，比较单元23在输出端37处输出第二信号状态。当电容器电压7增高时，蓄能元件31经由二极管30再次充电，使得比较单元23处的电压比反转并再次在输出端37处赋予第一信号状态。

放电装置8包括由电阻单元38和晶体管单元39组成的串联电路，其中，晶体管单元39的第一端子40接驳到第一线路5，且晶体管单元39的第二端子41接驳到电阻单元38。在本实施例中，晶体管单元39由绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成。

电阻单元38的电阻值能够根据控制信号11而变化。为此，电阻单元38包括第一电阻元件42a和与之并联的串联电路，该串联电路由第二电阻元件42b和开关元件43组成，这里例如采用绝缘栅场效应晶体管的形式。开关元件43的控制端子44形成放电装置8的输入端12。因此，开关元件43根据控制信号11的信号状态来切换与第一电阻元件42a并联的第二电阻元件42b，由此得出电阻单元38的电阻值低于开关元件43截止时的电阻值。

另外，晶体管单元39构成电流阱45的纵向元件。为此，电流阱45包括由TL431型模组实现的调压单元46。为此，将调压单元46的阴极47接驳到晶体管单元39的控制端子48。调压单元46的参考端子49连接到晶体管单元39与电阻单元38之间的电位。调压单元46的阳极50连接到第二线路6。晶体管单元39的控制端子48还经由电阻器51连接到设备1的运行电压52。

如果在放电装置8的输入端12处赋予第一信号状态，则开关元件43截止，使得电阻单元38的电阻值更高，调压单元46因此将通过放电装置8的电流I调节到低值。相反，如果在输入端12处赋予第二信号状态，则电阻单元38的电阻值更低，使得调压单元46将通过放电装置8的电流I调节到高值。

设备1进一步包括激活装置53，该激活装置53的输入端54形成设备1的输入端10。激活装置53具有晶体管电路55，该晶体管电路55被配置为当在输入端10处施加高电平时，将晶体管单元38的控制端子48切换到线路6的地电位，使得晶体管单元39截止，并且不发生电流I。相反，如果在输入端10处施加低电平所代表的放电信号9，则晶体管电路55截止，并且充电电流I根据控制信号11而流动。

图2示出设备1在第一运行情况下的电量的时间曲线。上图示出电压信号14的曲线图和参考信号24的曲线图，下图示出电容器电压7、电流I和由此所得在晶体管单元39和电阻器38中实施的放电功率56的曲线图。

图2是基于设备1的以下示例性配置。中间电路电容器2：370μF；电阻器16a：89.7kΩ；电阻器16b：415Ω；降压元件30：二极管1N4148；电阻器32：1.5MΩ；电容器33：10μF；比较器25：比较器LM2903；运行电压26：5V；电阻器42a：94Ω；电阻器42b：6.6Ω；电源电压52：15V。

在时刻t

结果，由比较单元23基于低电流强度来检查中间电路电容器2是否在进行放电，即，电压信号14是否比参考信号24下降得更快。只有在此情况下，释放的电流I才具有更大的电流强度。在时刻t

图3示出设备1在另一种运行情况下的电容器电压7、电流I和放电功率56的时间曲线。在此，电容器电压7在时刻t

图4示出设备1在另一种运行情况下的电容器电压7、电流I和放电功率56的时间曲线。在此，在时刻t

图5是设备1的第二实施例的电路图，该设备1对应于图1所示的设备，仅具有下述差别。相同或作用相同的组件标有相同的附图标记。

电压检测装置13和信号产生装置22与第一实施例采用相同的结构。比较单元23在其输出端与比较器25的输出端36(其构造为集电极开路输出端)之间包括电阻器57。

在放电装置8中，电阻单元38由具有固定电阻值的电阻元件42构成。代替调压单元46，设置能够借助运行电压59来运行的运算放大器58。运算放大器58的输出端60接驳到晶体管单元39的控制端子48。运算放大器58的第一负输入端61接驳到电阻单元38与晶体管单元39之间的参考电位。运算放大器58的第二正输入端62经由放电装置8的输入端12连接到控制装置19的输出端20。在此情形下，运算放大器58的参考电压经由电阻器57而变化，以改变电流I的电流强度。两个电阻元件63a和63b分享运行电压52，从而设置参考电压，将该参考电压用作电流阱45的额定值并馈送到运算放大器58的第二输入端62。

在本实施例中，激活装置53的晶体管电路55是基于绝缘栅场效应晶体管而构成，这也可转移到其他实施例，并连接到运算放大器58的第二输入端62。

图6是设备1的另一实施例的电路图，该设备对应于图5所示的设备，并附加地具有反馈装置64，借助该反馈装置64能够根据电压信号14来控制电流阱45的额定值。

反馈装置64包括连接到电压检测装置13的输出端15的输入端65和连接到运算放大器58的第二输入端62的输出端66。反馈装置64在输入侧具有分压器67，该分压器67降低代表电压信号14的电压18。在分压器67的抽头处能够分接由运算放大器68、绝缘栅场效应晶体管形式的晶体管69和电阻元件70形成的电流阱71的参考电压。在此情形下，晶体管69与电阻元件70之间的电位连接到运算放大器68的第一负输入端72a，而分压器67的抽头连接到运算放大器68的第二正输入端72b。这样，运算放大器58的第二输入端62处的参考电压根据电容器电压7的瞬时值而变化，使得参考电压随着中间电路电容器2处的电压7降低而增高。

图7示出图6所示的设备1在运行情况下(这基本上对应于图2所示的运行情况)的电容器电压7、电流I和放电功率56的时间曲线。

如图所示，电流I在时刻t

如图2至图4所示，所得的放电功率56避免了线性下降的曲线，使得必须通过电阻单元38和晶体管单元39将明显较低的峰值功率转化为热量。与之相应地，这些组件可以使用具有更高热阻且更具成本效益的组件，和/或更易于简化散热概念。

图8是根据设备1的其他实施例的晶体管单元39的电路图，该设备也可以对应于上述实施例。

晶体管单元39具有多个并联的晶体管73a、73b，这些晶体管73a、73b均构造为绝缘栅双极晶体管。在此情形下，晶体管73a、73b的控制端子74与晶体管单元39的控制端子48互联，并且晶体管73a、73b的第一端子75与第一端子40互联。第二端子76各自经由电阻器77a、77b连接到第二端子41。这样，与由单晶体管构成的晶体管单元相比，晶体管单元39能够从中间电路电容器2中消散更多的能量。通过电阻器77a、77b使经过晶体管73a、73b的电流分布更加均匀。

图9是具有高压车载电网79的车辆78的实施例的原理图。高压车载电网包括高压电池形式的直流电压源80和多个变流器81、82、83。

变流器81为逆变器，该逆变器被配置为将直流电压源所提供的直流电压转换为用于至少部分地驱动车辆78的电机84的三相交流电压。变流器82为充电装置的有源整流器，用于将车辆78的充电接口85处所提供的交流电压转换为对高压电池进行充电的直流电压或直流充电电流。变流器83为配置为将高压车载电网78耦合到低压车载电网86的直流变压器。每个变流器81、82、83在其高压车载电网侧的直流电压侧具有中间电路电容器2，该中间电路电容器2接驳到根据上述实施例之一的用于使中间电路电容器2放电的设备1的输入端3、4。

直流电压源80能够借助断离装置87而与高压车载电网79的其他组件断离。为了控制断离装置87，车辆78具有控制仪88，当检测到故障情况时，通过该控制仪88能够经由车辆总线89提供数据报文。该数据报文既控制用于使直流电压源80与高压车载电网79的其他组件断离的断离装置87，也控制用于使中间电路电容器2放电的变流器81、82、83。在此，变流器81、82、83被配置为评估数据报文并根据该数据报文产生放电信号9。替选地，放电信号9也能够直接通过控制仪88馈送到变流器81、82、83的设备1。设备1就允许处理隔离装置87未如预期那样断离的双重故障情况。