CN101888939B - 用于限制接通电流以及用于对直流电压中间电路进行放电的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
描述了用于对高压电网尤其直流电压中间电路进行放电的方法和装置,其中将开关机构用于对高压电网的电容进行放电,这些开关机构位于这些电容与至少一个预充电电阻和高压电池之间并且是具有对能够借助控制装置来通断的开关触点或开关设备或继电器或接触器的可预先给定的布置的开关。对开关设备的操纵是如此进行的,以使得该至少一个预充电电阻同时用于直流电压中间电路的充电和放电。
Description
技术领域
本发明涉及用于对尤其是混合动力车辆或电动公路行驶车辆中的高压电网进行放电的方法和装置。
背景技术
在混合动力车辆或电动车辆中使用大于60V直流电压的电压。这些电压在车辆中被称为高压并且是危险的流过人体的电流的原由。在最简单的情形中,混合动力车辆或电动车辆中的亦被称为直流电压中间电路的高压电网包括电池、具有直流电压中间电路电容器的电压变频器、一个或更多个电机、诸如用电的空气压缩机之类的其他高压负载、以及将所有高压部件彼此连接起来的电缆束。对于其功能而言,电压变频器需要具有足够大的电容的直流电压中间电路电容器。为了在将高压电池与同样与直流电压中间电路电容器相连接的高压电网接通时避免短路电流或者过电流,通过通常位于电池中的预充电电阻来对该直流电压中间电路电容器进行充电。在直流电压中间电路的预充电时间期满之后,闭合实际的主接触器并且跨接该预充电电阻。在例如通过将高压电池与高压电网分开的方式来切断高压***之后,必须对与直流电压中间电路相连接的所有电容进行放电。为此,通常使用单独的放电电路——在最简单的情形中使用永久与中间电路电容器并联的欧姆放电电阻。
由DE 10 2004 057 693 A1公开了一种用于对位于较高电压下的中间电路电容器进行快速放电的装置。在已知的解决方案中使用直流变压器,其中提高低压侧的电压以降低电压峰值。为了降低电压峰值,在电池侧借助开关将电阻连接在直流变压器与接地之间。
发明内容
本发明的任务在于,通过简单且成本低廉的手段来实现对直流电压中间电路中的所有电容进行可靠且快速的放电而同时节省或减小结构空间。
本发明的优点是,在根据本发明的用于对与直流电压中间电路相连接的所有电容进行放电的方法或其对应的装置中使用已存在的通常位于电池中的预充电电阻。由于该预充电电阻是已经存在的,因而不需要附加的放电电路或者可以在设计中显著减少附加的放大电路。
另一优点是,通常如此设计该预充电电阻,以使得可以在非常短的放电时间内进行放电,该放电通常要显著快于在具有单独的放电电路情况下的放电。
通过快速的中间电路放电的可能性,显著降低了例如在碰撞情形中因高压所造成的人员危险。本发明中的放电时间要比现有技术中已知的解决方案的放电时间小得多。
本发明的另一优点是,确保了普遍要求的非常高的车辆可用性。这意味着在混合动力车辆的起动期间,通过中间电路电容的充电,不会出现驾驶员能够感觉到的时间延迟。因此,必须将预充电电阻设计得足够大,以使得中间电路电容的充电过程通常在约100ms内结束。
在切断高压电网时,对高压安全性的要求以及法律的预先规定要求对中间电路进行快速放电,这不仅在正常运行中要得到满足而且有利地尤其是在碰撞情形中也要得到满足。与现有技术中已知的解决方案相比,中间电路电容的放电时间要短10倍。
本发明的特殊优点在于同时将预充电电阻用于中间电路的充电过程和放电过程。为了达成与应当用预充电电阻来实现的放电时间具有相同数量级的放电时间,在现有技术中必须使用附加的单独的电阻,因此根据本发明的解决方案在同时的降低成本方面具有竞争优势。
根据本发明的解决方案的主要应用领域是具有直流电压中间电路并且通过预充电电阻来对存在的蓄能器(中间电路电容、超级电容)进行充电的电动车辆、混合动力车辆和燃料电池车辆。
另一应用领域是电池,特别是用于电动车辆、混合动力车辆和燃料电池车辆的高压电池,因为用于电动车辆、混合动力车辆和燃料电池车辆中的直流电压中间电路的预充电电阻通常位于高压电池壳体内。
附图说明
根据图1至图6来描述本发明。在此,图1示出了充电过程和放电过程的原理。图2示出了中间电路放电是如何通过高压电池的正极支路中的预充电电阻来实现的。图3中示出了通过高压电池的负极支路中的预充电电阻来实现中间电路放电的可能性。图4和图5示出了通过高压电池的正极支路或负极支路来实现中间电路放电的其他可能性。图6中示出了根据本发明的另一个实施变型。
在根据图4和图5的实施例中,将以下电路符号用于中间电路放电,在其余的实施例中仅说明了开关设备的常开触点S1到S4。
开关设备,例如具有吸动延迟的主继电器、主接触器;吸动延迟时间通常对应于为直流电压中间电路中的所有电容进行预充电所需要的时间。
开关设备,例如主继电器、主接触器
开关设备,例如预充电继电器、预充电接触器
预充电电阻;通常的设计为RVorladung=30-50Ω,200W
开关设备(继电器、接触器)的常闭触点
开关设备(继电器、接触器)的常开触点
接地
具体实施方式
图1根据本发明的电路或装置说明了充电过程和放电过程的原理。高压电网HN可以通过合适的导线与高压电池HB相连接。在导线中布置了不同的开关机构或开关设备,其中仅分别示出了常开触点S1到S4。借助控制单元SE来实现对这些开关设备的触发或者对常开触点S1到S4的操纵。用CZk,i到CZk,n来表示直流电压中间电路中的电容。可以通过对接触器的适当触发使一个或多个预充电电阻RVorladung经由常开触点S1到S4来与高压电池HB的可预先给的连接端子相连接,其中可以接通一个或多个预充电电阻RVorladung,其中如此布置这些预充电电阻RVorladung,以使得可以实现根据本发明的用于对高压电网进行放电的方法。
在最简单的情形中,通过一个或多个预充电电阻RVorladung来对高压电网的直流电压中间电路中的电容进行充电。对于充电过程而言,使用具有简单的常开触点S1的预充电接触器。对于直流电压中间电路的预充电而言,存在三种变型。在此如图1中所示,预充电接触器连同预充电电阻位于正极支路和/或负极支路中,其中一个预充电电阻位于正极支路中并且一个预充电电阻位于负极支路中也是可行的。
对于放电过程而言,使用同样具有简单的常开触点或开关S4的放电接触器。对于创造性的解决方案而言重要的是,为了对与直流电压中间电路相连接的所有电容进行放电,通过现有的预充电电阻RVorladung并且通过放电接触器的常开触点S4来使这些电容短接并且由此对这些电容进行放电。在此,根据这些变型的种类以不同的方式进行放电。对充电过程或放电过程的控制是由控制单元SE进行的。
其他实施例:图2中示出了实施变型1。此处,中间电路放电是通过高压电池的正极支路中的预充电电阻RVorladung来实现的。在最简单的情形中,通过换向开关S1来对高压电网HN的直流电压中间电路中的电容CZk,i到CZk,n进行充电或放电。将附加的辅助开关S4用于放电。对充电过程或放电过程的控制是由控制单元SE进行的。
充电过程:当附加地闭合主开关S2时,通过开关位置2中的换向开关S1来对高压电网HN的直流电压中间电路中的电容CZk,i到CZk,n进行充电。在对直流电压中间电路中的电容CZk,i到CZk,n进行了充电之后,闭合主开关S3并且跨接预充电电阻。高压电网现在可投入使用并且没有电流I流过预充电电阻,即预充电电阻中的损耗功率Pv=I2*RVorladung为0。
放电过程:如果附加地闭合辅助开关S4,那么在打开了主开关S2和S3之后,通过开关位置1中的换向开关S1来对直流电压中间电路中的电容CZk,i到CZk,n进行放电。辅助开关S4应当避免切换时的短路危险或者用于有针对性地触发对直流电压中间电路中的电容CZk,i到CZk,n所进行的放电(若该切换是必要的)。例如在紧急运行中,如果在高压电池供电停顿之后应当通过电驱动器对高压电网中的高压负载继续供电,那么执行直流电压中间电路放电是没有意义的且是不必要的。
取代通过正极支路中的预充电电阻RVorladung来实现中间电路放电,还可以通过负极支路中的预充电电阻RVorladung进行中间电路放电。图3示出了用于通过高压电池的负极支路中的预充电电阻来实现中间电路放电的电路。
图4和图5中示出了实施变型2。此处以受控制的方式通过控制单元SE来接通或断开高压电网。在图4中所示的用于中间电路放电的电路中,通过高压电池HB的正极支路中的预充电电阻来实现放电,而图5示出了用于通过高压电池HB的负极支路中的预充电电阻来实现中间电路放电的电路。
充电过程:通过控制单元SE的接通信号UON来激活接触器K2和K3,即闭合接触器K2和K3的常开触点2.1和3.1而相应地打开常闭触点2.2和3.2。通过控制单元的接通信号UON来激活接触器K1,但是在吸动延迟时间期满之后才接通接触器K1。通过预充电电阻RVorladung来对直流电压中间电路中的电容CZk,i到CZk,n进行充电。在吸动延迟时间期满之后,闭合接触器K1的常开触点1.1而相应地打开K1的常闭触点1.2和1.3。常闭触点1.2的打开导致接触器K3的停用。通过接触器K1的常开触点1.1来跨接预充电电阻RVorladung。高压电网现在可投入使用并且没有电流I流过预充电电阻RVorladung,即预充电电阻RVorladung中的损耗功率Pv=I2*RVorladung为零。
放电过程:通过控制单元的断开信号UOFF来停用接触器K1、K2和K3。通过常闭触点1.3、2.2和3.2来短接用于经由预充电电阻RVorladung来实现对直流电压中间电路中的电容CZk,i到CZk,n进行放电的电路。通过预充电电阻RVorladung来对直流电压中间电路中的电容CZk,i到CZk,n进行放电。
常闭触点1.3、2.2和3.2用于***安全性,以便在因接触器发生故障以及高压电池供电停顿和相应的应急功能(例如,为其他高压负载维持高压电网)的情况下拟制放电。
这些实施例描述了一般的情形。预充电电阻可以但并不必须布置在电池中或者是电池的组成部分。这同样适用于所使用的电气开关和接触器。重要的是,通过这些预充电电阻来对高压电网中的蓄能器或高压电池进行充电。在此非常普遍适用的是,电气接触开关如此闭合电路,以使得预充电电阻与中间电路电容器并联。
图6中示出了根据本发明的没有自己的高压电网的另一个实施变型。此处,高压电池HB可以通过预充电接触器HSvor与预充电电阻RVorladung相连接,并且通过主接触器HS2可以产生高压电池HB与预充电电阻RVorladung同电容CZK之间的连接点之间的连接。其他的主接触器HS1和HS实现了高压电池HB的负极与预充电电阻RVorladung之间的连接。
预充电电阻RVorladung和/或预充电电阻和/或开关或接触器以及必要时控制单元SE可以但并不必须是高压电池HB的组成部分并且例如位于电池壳体内。重要的是,可以通过预充电电阻来对高压电网中的蓄能器进行充电并且还通过相同的预充电电阻快速地对高压电网中的这些蓄能器进行放电。一般情形为,电气接触开关如此闭合电路,以使得预充电电阻与中间电路电容器并联。
在将根据本发明的方法或装置用在电动车辆、混合动力车辆或者燃料电池车辆中时必须注意,必须确保普遍要求的非常高的汽车可用性。这意味着在混合动力车辆的起动期间,通过中间电路电容的充电,不允许出现驾驶员能够感觉到的时间延迟。因此,必须将预充电电阻设计得足够大,以使得中间电路电容的充电过程通常在约100ms内结束。但是,这也实现了通过预充电电阻来对中间电路电容进行快速放电。
在切断高压电网时,对高压安全性的要求以及法律的预先规定要求中间电路的快速放电,这不仅在正常运行中要得到满足而且有利地尤其是在碰撞情形中也要得到满足。与现有技术中已知的、实现1秒钟的放电时间的解决方案相比,通过要被设计得足够大的预充电电阻来实现的中间电路电容快速放电时间要短10倍。
Claims (19)
1.一种用于对构造成直流电压中间电路的高压电网(HN)进行放电的方法,所述高压电网或者所述直流电压中间电路能够通过至少一个电阻(RVorladung)与能量源(HB)相连接,其中,所述至少一个电阻(RVorladung)被用作既用于所述直流电压中间电路的中间电路电容(Czk,n)的充电或预充电过程又用于所述直流电压中间电路的中间电路电容的放电过程的共同电阻,其特征在于,为将所述能量源(HB)与所述中间电路电容(CZk,n)分开而操纵至少一个开关(S1)并且辅助开关(S4)用于触发或者不实施所述直流电压中间电路中的中间电路电容(CZk,n)的放电。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述辅助开关(S4)被如此设计,从而在紧急运行中不实施放电。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述紧急运行的特征在于,在所述能量源(HB)供电停顿之后通过电驱动器对高压电网(HN)中的高压负载继续供电。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,对于所述充电或预充电过程而言,所述电阻与所述直流电压中间电路的中间电路电容串联,并且对于所述放电过程而言,所述电阻不再与所述中间电路电容串联而是与所述中间电路电容并联,其中这是通过对至少一个开关(S1)和/或辅助开关(S4)的适当触发来达成的。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,所述至少一个电阻通过能够由控制单元触发的至少一个开关(S1)和/或辅助开关(S4)来选择性地与所述能量源的能够被预先给定的侧面相连接,由此通过相同的电阻根据所述至少一个开关(S1)和/或辅助开关(S4)的开关状态来执行充电或预充电过程或放电过程。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,所述方法被用于对混合动力车辆或电动车辆或燃料电池车辆中的直流电压中间电路进行放电。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,在正常运行中视需要或者在识别出事故时进行所述放电。
8.一种用于对构造成直流电压中间电路的高压电网(HN)进行放电的装置,所述高压电网或者所述直流电压中间电路能够通过至少一个电阻(RVorladung)与能量源(HB)相连接,其中,所述至少一个电阻(RVorladung)既被用于所述直流电压中间电路的中间电路电容(CZk,n)的充电或预充电过程又被用于所述直流电压中间电路的中间电路电容的放电过程,其特征在于,设置了用于将所述能量源(HB)与所述中间电路电容(Czk,n)分开的机构,并且还操纵至少一个开关(S1)并且辅助开关(S4)用于触发或者不实施所述直流电压中间电路中的中间电路电容(Czk,n)的放电。
9.根据权利要求8所述的装置,其特征在于,所述辅助开关(S4)被如此设计,从而在紧急运行中不实施放电。
10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于,所述紧急运行的特征在于,在所述能量源(HB)供电停顿之后通过电驱动器对高压电网(HN)中的高压负载继续供电。
11.根据权利要求8、9或10所述的装置,其特征在于,所述至少一个电阻位于正极支路或者负极支路中并且能够与所述能量源的正极端或负极端相连接。
12.根据权利要求8、9或10所述的装置,其特征在于,一个电阻位于正极支路中并且另一个电阻位于负极支路中并且能够分别与所述能量源的正极端或负极端相连接。
13.根据权利要求11所述的装置,其特征在于,用作能量源的是电池。
14.根据权利要求13所述的装置,其特征在于,所述电池由高压电池构成。
15.根据权利要求13所述的装置,其特征在于,所述电池由具有附加连接的DC/DC转换器的电池或者燃料电池构成。
16.根据权利要求8所述的装置,其特征在于,所述至少一个电阻被如此设计,以使得所述直流电压中间电路的电压在少于1秒内减小到不危险的电压值。
17.根据权利要求16所述的装置,其特征在于,所述至少一个电阻被如此设计,以使得所述直流电压中间电路的电压在0.1秒内减小到不危险的电压值。
18.根据权利要求14所述的装置,其特征在于,所述至少一个电阻和/或所述至少一个开关(S1)和/或辅助开关(S4)是所述高压电池的组成部分。
19.根据权利要求13所述的装置,其特征在于,所述至少一个电阻和/或至少一个开关(S1)和/或辅助开关(S4)被布置在电池壳体的内部。
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