CN103373296A - 用于车辆的被动高电压dc总线放电电路 - Google Patents

用于车辆的被动高电压dc总线放电电路 Download PDF

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Abstract

一种车辆，其包括可充电能量存储***（RESS）、牵引电动机、牵引功率逆变模块（TPIM）、电力地将RESS连接至TPIM的高电压直流电流（HVDC）总线、跨总线的正和负轨道被连接的被动放电电路，和微处理器。电路包括半导体开关。当微处理器正常运行时，微处理器在第一电压水平下提供输出信号，该输出信号断开开关并阻止HVDC总线的放电；在预先确定的车辆条件中其在默认的第二电压水平下提供输出信号，该输出信号闭合开关，从而给HVDC总线放电。光耦合器可接收输出信号，齐纳二极管可与光耦合器的输出侧电力并联。在不同的实施例中，开关可以是绝缘栅双极晶体管或闸流晶体管。

Description

用于车辆的被动高电压DC总线放电电路
技术领域
本发明涉及一种用于在车辆中使高电压DC总线被动地放电的***和方法。
背景技术
电池电动车辆、增程式电动车辆和混合动力电动车辆以一模式使用牵引电动机将扭矩递送至变速器输入构件，该模式通常称为电动车（EV）模式。为牵引电动机供能所需要的电能被存储在DC电池组中。高电压直流电流（HVDC）总线将电池组连接至其他高电压电部件。在特定时刻要求HVDC总线的放电。例如，在一些车辆中，在钥匙关闭（key-off）事件的经校准的时段中，或当将电池连接至HVDC总线的高电压接触器被断开时，HVDC总线必须被放电至阈值安全状态，例如低于60VDC。用于给HVDC放电的传统途径在部件和/或能耗方面可能并非最优。
发明内容
这里公开了一种车辆，其使用被动放电电路改进了现有的高电压DC（HVDC）放电方法。在特定的实施例中，车辆包括形为可充电能量存储***（RESS）的电池组、牵引电动机、诸如牵引功率逆变模块（TPIM）的高电压部件、HVDC总线、放电电路和微处理器。牵引电动机经由TPIM从RESS吸取存储的电能，并将驱动扭矩输出至马达输出轴。HVDC总线将RESS电力地连接至高电压部件。
放电电路跨HVDC总线的正和负轨道被电力地连接，并包括电阻器和半导体开关。半导体开关仅在预定的车辆事件期间被促动，所述车辆事件例如钥匙关闭事件、软件失效、电气故障或功率控制失效（典型地在12VDC的量级上）。半导体开关可实施为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或替换地实施为闸流晶体管。每当微处理器正常运行时，即不存在预定的车辆事件时，微处理器提供在第一电压水平的输出信号，该输出信号断开半导体开关并由此阻止HVDC总线的放电。在存在预定车辆事件的情况下，微处理器替代地输出默认的第二电压水平，其闭合半导体开关。闭合的开关通过电阻器（例如一组并联或串联地连接的电阻器）为HVDC总线放电。
本放电电路可包括光耦合器，其接收来自微处理器的输出信号。齐纳二极管可与光耦合器的输出侧电力地并联，其中齐纳二极管用作半导体开关处的开关栅极。
还公开了一种用于具有HVDC总线的车辆的被动放电电路。该放电电路包括微处理器和半导体开关，所述半导体开关跨HVDC总线的正和负轨道被连接。当微处理器正常运行时，微处理器提供第一电压水平的输出信号。在这种情况下的输出信号断开半导体开关，并由此阻止HVDC总线的放电。在存在预先确定车辆事件的情况中，微处理器替换地提供在默认的第二电压水平下的输出信号。该输出信号在这种情况下闭合半导体开关，以由此通过放电电路的电阻器为HVDC总线放电。
另外，为如前所述的HVDC总线放电的方法包括，响应于预定的车辆事件，使得RESS从TPIM电力地断开，所述RESS和TPIM二者都经由HVDC总线被连接。该方法包括将来自微处理器的输出信号传送至被跨HVDC总线的正和负轨道连接的放电电路。该放电电路包括半导体开关，其是IGBT或闸流晶体管。该方法进一步包括响应于输出信号而闭合开关，由此通过电阻器为HVDC总线被动地放电。
本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。
附图说明
图1是示例车辆的示意图，该车辆具有这里公开的高电压DC（HVDC）总线和被动放电电路；
图2是可用于图1中所示车辆的示例被动电压放电电路的示意图；
图3是可用于图1中所示车辆的替换的被动电压放电电路实施例的示意图；
图4是描述用于从图1中所示车辆的HVDC总线被动地释放电压的方法的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记在若干幅视图中对应相同或相似的部件，图1中示意性显示了示例车辆10。在各种实施例中，车辆10可被配置为电池电动车辆（BEV）、增程式电动车辆（EREV）、混合动力电动车辆（HEV）或任何其他车辆，或具有如下所述的高电压直流电流（HVDC）总线24的其他***。
如本领域所知，上面提到的车辆10的每一个都至少在一些时间仅使用来自高电压可充电能量存储***（RESS）18的电能被供能，这种模式称为电动车或EV模式。RESS18可实施为多电芯式锂离子或其他合适的电池组。根据车辆实施例和/或运行模式，HVDC总线24可承载大约60VDC至450VDC或更高的直流电压。因而，这里使用的术语“高电压”是相对于辅助电压采用的，该辅助电压典型地为12VDC左右。
将HVDC总线24放电至阈值低电压状态，例如低于60VDC，这响应于特定的车辆事件而不时地被要求。这样的事件可包括钥匙关闭事件、诸如短路的电气故障、至混合控制器52的软件的临时失效、和/或其中12VDC辅助功率临时失效的任何其他故障。为了以能量经济的方式提供这样的放电，图1的车辆10包括被动电压放电电路50，该被动电压放电电路被跨HVDC总线24的相应的正和负轨道27和28电力地连接。
如下面参考图2和3所述，每当微处理器55接通并可完全运行时，图1的放电电路50被自动地断开或关闭。微处理器55可以是控制器52的一部分，或可以是分立的装置。在所有实施例中，当微处理器55运行时，微处理器55都提供在第一水平（例如5VDC）的输出信号（箭头11）。类似地，当微处理器55不运行时（这发生在上述的事件期间），放电电路50被接通或连通。在这种情况中，以第二水平（例如0VDC）提供输出信号（箭头11）。这些输出状态可以分别被逻辑表示为二进制的1和0值。
图1的控制器52可包括一个或多个数字计算机，该数字计算机的每个都具有一个或多个微处理器55以及所需要的存储器，例如只读存储器（ROM）、随机访问存储器（RAM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）。控制器52还可包括高速时钟、模拟-数字转换（A/D）电路、数字-模拟转换（D/A）电路、和任何所需的输入/输出（I/O）电路和装置、以及信号调节和缓冲电子设备。可以用任何所需的逻辑为控制器52编程，用于执行本方法100，下面参考图4描述了其一个示例。
图1的车辆10可包括至少一个多相牵引电动机16。牵引电动机16可经由电机输出轴17将电机输出扭矩（箭头40）提供至变速器14的输入构件15。RESS18被连接至至少一个高电压部件，例如牵引功率逆变模块（TPIM）20。当牵引电动机16是多相AC机时，RESS18经由TPIM20通过交流（AC）总线22将电能提供至牵引电动机16。反过来，该实施例的TPIM20经由HVDC总线24电力地连接至RESS18。
当图1的车辆10被配置为HEV时，可使用内燃发动机12经由曲轴13选择性地产生发动机扭矩（箭头42）。曲轴13可使用输入离合器23选择性地连接至变速器14的输入构件15。变速器14的输出构件19最终将变速器输出扭矩传送至驱动轴21，并由此至一组道路轮25。
可通过控制器52断开接触器30，以选择性地将RESS18从TPIM20断开连接。TPIM20反过来被配置为将来自牵引电动机16的AC功率转换为适用于存储在RESS18中的DC功率，反之亦然。如本领域已知的，DC-DC功率转换器（未示出），也称之为辅助电源模块，可被用来将DC功率的水平提高或降低至适用于各种DC供能的车辆***（例如12VDC辅助电源***、辅助电池等）的水平。
可以使用各种主动放电方式来为电压放电。两种示例方式是，使用脉冲宽度调制以调制跨放电电阻器的电压水平，和使用被动电阻器，其被连续地跨高电压总线的轨道连接，以连续地为功率放电。相对于这些有源切换和连续放电方式，图1所示的本放电电路50可以具有减少硬件部件和/或降低相关能量损失的优点。下面将参考图2和3描述两个用于放电电路50的示例性实施例。
参考图2，放电电路50可跨图1所示的HVDC总线24的正（+）轨道27和负（-）轨道28而被电力地连接。微处理器55将输出信号（箭头11）提供至光隔离器或光耦合器56。光耦合器56包括光电二极管66和合适的光电检测器，例如晶体管68。光电二极管66被连接在微处理器55和地极26（例如图1所示车辆10的底盘）之间。如本领域熟知的，光耦合器是使用相对短和电绝缘的光传输通道在电路部件（此处为光二极管66和晶体管68）之间传输电信号的电子器件。由此，图2和3的示例光耦合器56经由光电二极管66发射的光波（箭头69）将电信号传送至晶体管68。光耦合器56的输出侧与齐纳二极管58电并联。齐纳二极管58用作放电电路50中的调压器。
半导体开关60包括开关栅极59。开关栅极59处的电压驱动半导体开关60，且由此，齐纳二极管58可被用来在放电电路50被激活时保持半导体开关60闭合。在图2的示例实施例中，半导体开关60是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。半导体开关60的发射极连接至负轨道28，且可被连接至二极管70的阳极61。半导体开关60的集电极被连接至电阻器64，且可被连接至二极管70的阴极63。电阻器62用作限流电阻器，其在特定实施例中可具有比电阻器64的电阻值高大约5至10倍的电阻值。电阻器64应被设定大小，以在校准的时间量内为HV总线24放电。类似地，在所有实施例中，电阻器62的大小应被设定的足够大，以在校准的时间量内导通半导体开关60的栅极。为了达到所要求的电阻水平，电阻器64可以可选地通过彼此串联或并联地连接多个电阻器而形成。
当微处理器55不工作时，图2的半导体开关60处于“默认接通”状态。该默认状态可称为二进制0状态，或替换地称为0VDC状态。在来自光耦合器56的电压（例如5VDC电压）中断之后，通过齐纳二极管58保持该默认状态。当微处理器55不工作时，光耦合器56是未激活的。因此，在开关栅极59和负轨道28之间存在电压降。在开关栅极59处阈电压的存在驱动半导体开关60。电流可由此通过半导体开关60。因此，电压跨电阻器64耗散。
当微处理器55接通并合适地运行并如下文参考图4所解释的，确定不需要图1的HVDC总线24放电时，图2的放电电路50的其他状态发生。在这种情况下，微处理器55在第二水平下提供输出信号（箭头11）至光耦合器56。该状态可称为二进制1状态，或替换地，5VDC状态。当光耦合器56接通时，开关栅极59处的电压是可忽略的。因此，半导体开关60被断开。根据该实施例，输出信号（箭头11）还可以被缓冲或放大，以合适地驱动光耦合器56。而且，尽管在图2中为了阐述的简单性而未示出，在一些实施例中，输出信号（箭头11）可以在光耦合器56之前被限流，例如通过增加电阻器。
使用图2的放电电路50，当需要时自动实现图1的HVDC总线24的被动放电，且在图1的车辆10的正常驱动模式期间自动地关闭。以此方式，可以最小化***损失，同时相对于前述传统主动或被动耗散方法，提高整体燃料经济性。
参考图3，在另一个实施例中，图2的半导体开关60可被替换为闸流晶体管，以提供替代的半导体开关160。如本领域可理解的，闸流晶体管或可控硅整流器（SCR）是具有交替的n型和p型材料的多层式固态装置。这样的装置可被用来控制电流，并由此被用来替代图2的IGBT方法的途径。闸流晶体管包括连接至电阻器64的阴极161、连接至负轨道28的阳极163、以及与上述齐纳二极管58串联的栅极74。
一旦已经通过开关栅极59处的电压接通了图3的半导体开关160，如上参考图2所述，开关160保持锁定在接通状态。与图2中的实施例一样，当微处理器55不运行时，不从光耦合器56提供5VDC电压。当微处理器55不运行时，半导体开关160接通，HVDC总线24中的电压可以跨电阻器64耗散。在该实施例中，微处理器55必须是可运行的，并在接触器30闭合之前发送第一电压至光耦合器56，以阻止放电。在该条件下，齐纳二极管58帮助保持半导体开关160断开。
参考图4并结合图1，用于为图1的HVDC总线24被动放电的方法100开始于步骤102，其中验证车辆点火状态。例如，步骤102可包括针对图1的车辆10验证点火打开/关闭状态，例如通过检测点火开关处的电压水平。
在步骤104中，方法100包括确定步骤102的条件是否真实，在其真实的情况中，方法100进行至步骤105。如果步骤102的条件是错误的，例如，点火关闭，则方法100替换地进行至步骤106。
在步骤105中，控制器52，或特别地，其中的微处理器55，被接通。任何所需的HV接触器30都被闭合。换句话说，RESS18被电力地连接至TPIM20。作为步骤105的一部分，输出信号（箭头11）可以在第一水平下被传送，以断开放电电路50或150，其中第一水平为二进制1或5VDC的信号。方法100继而进行至步骤107。
在步骤106中，可评估其他车辆条件，例如是否发生任何会要求能量耗散的故障，或是否经历12VDC辅助电源的失效。如果存在这些条件中的任何一个，则方法100进行至步骤108。否则，方法100结束，并在步骤102重新开始。
在步骤107中，HVDC总线24被通电。半导体开关60或160的状态阻止HVDC总线24的放电。方法100继而重复步骤102，以确保在步骤102中确定的初始点火状态仍然有效。
在步骤108中，微处理器55被关闭。任何需要的HV接触器30被断开。换句话说，图1的RESS18电力地从TPIM20断开连接。输出信号（箭头11）可以在第二水平下被传送至放电电路50、150，其中第二水平为二进制0或0VDC信号。
在步骤110中，通过如上所述的电阻器62、64以及半导体开关60或160中之一的运行，HVDC总线24被动地放电。继而方法100结束，在步骤102重新开始。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (9)

1.一种车辆，包括：
可充电能量存储***（RESS）；
牵引电动机，其具有输出轴，其中牵引电动机从RESS吸取能量，并将驱动扭矩输出至输出轴，以推进车辆；
高电压部件；
高电压直流电流（HVDC）总线，其电力地将RESS连接至高电压部件，其中HVDC总线包括正轨道和负轨道；
被动放电电路，其电力地跨正和负轨道被连接，其中该电路包括带有开关栅极的半导体开关，和连接至正轨道和半导体开关的放电电阻器；和
处理器，其与被动放电电路电通信；
其中处理器在第一电压水平下提供输出信号，该输出信号当微处理器正常运行时断开开关并阻止HVDC总线跨放电电阻器的放电；和在在默认的第二电压水平下提供输出信号，该输出信号在预定的车辆条件中闭合半导体开关，以从而跨放电电阻器给HVDC总线放电。
2.如权利要求1所述的车辆，其中被动放电电路包括另一个电阻器，该另一个电阻器电力地连接在主动轨道和半导体开关的开关栅极之间。
3.如权利要求1所述的车辆，其中放电电路包括接收微处理器的输出信号的光耦合器。
4.如权利要求1所述的车辆，其中HVDC总线具有至少60VDC的正常的非放电电压范围，放电电路包括电力地连接至光耦合器的输出侧的齐纳二极管。
5.如权利要求1所述的车辆，其中半导体开关是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。
6.如权利要求1所述的车辆，其中半导体开关是闸流晶体管。
7.一种用于为车辆的高电压DC（HVDC）总线放电的方法，所述车辆具有可充电能量存储***（RESS）和电力地连接至RESS的牵引功率逆变模块（TPIM），该方法包括：
响应于预定的车辆事件，通过断开接触器，将RESS从TPIM电力地断开；
响应于所述车辆事件，将0VDC的输出信号传递至跨HVDC总线的正和负轨道连接的放电电路，其中放电电路包括半导体开关，该半导体开关被配置为绝缘栅双极晶体管（IGBT）和闸流晶体管中的一个；和
响应于输出信号而闭合半导体开关，以由此跨放电电路的放电电阻器为HVDC总线被动地放电。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
当预定的车辆事件不再存在时，通过闭合接触器，将RESS电力地连接至TPIM；和
在5VDC的电压水平下将输出信号传送至放电电路，从而断开半导体开关和阻止跨放电电阻器的HVDC总线放电。
9.如权利要求7所述的方法，其中放电电路包括光耦合器，该方法进一步包括：
将微处理器的输出信号传送至光耦合器的输入侧。
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