CN106533141A - 通过恒定电流使支持电容器放电 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电装置，有高压电池和多个电使用装置。使用装置与高压电池通过主开关和连接在下游的支持电容器连接。在正常运行中主开关闭合且使用装置按需求由高压电池供电。电装置有连在支持电容器上的放电电路，其有带欧姆放电电阻的放电路径。在正常运行中在电阻中无电流流动。通过断开主开关从正常过渡到特别运行。在过渡时放电路径导电地接通并由此在支持电容器中存储的电能由电阻转成热能。放电电路还有支持电容器高压侧和放电路径之间的电压转换器，其有第一半导体开关，二极管和电感。第一半导体开关为支持电容器的放电被脉冲控制，在放电路径处产生的电输出电压恒定具有额定值，只要在支持电容器处产生的电容器电压在该额定值以上。

Description

通过恒定电流使支持电容器放电

技术领域

本发明从一种电装置出发，

其中，该电装置具有高压电池和多个电的使用装置，

其中，使用装置与所述高压电池通过主开关和连接在下游的支持电容器连接，

其中，在电装置的正常运行中，主开关闭合，从而使用装置根据需求由所述高压电池供应电能，

其中，电装置具有连接在支持电容器上的放电电路，

其中，放电电路具有带有欧姆放电电阻的放电路径，

其中，在正常运行中，在所述放电电阻中没有电流流动，

其中，通过断开主开关，从正常运行过渡到特别运行中，

其中，在过渡时，放电路径被导电地接通并且由此在支持电容器中存储的电能由放电电阻转换成热能。

背景技术

在高压电池的情况中，通常在高压电池后面还连接支持电容器，其能够接收短时的电流峰值。在正常运行中，高压电池通过主开关连接到使用装置上，从而该使用装置通过高压电池供电。在故障的情况中实现了高压电池与使用装置的断开。为了产生电压和接触安全性在此进一步需要的是，支撑电容器也被放电。该放电由此实现，即放电路径被导电地接通并且由此将在支持电容器中存储的电能转换成热能。

在现有技术中，为了使支持电容器进行放电，放电电阻被直接连接在放电电阻上。该放电过程在相对短的时间内(几秒)实现。电流曲线跟随呈指数下降的曲线。在支持电容器放电后，在其能够再次接通高压电池之前，必须等待相对长的时间(大约1分钟)。然而另外的情况可能是，如果高压电池必须再一次与使用装置断开时，电阻被热过载。该电阻不仅必须针对出现的最大电压(多数超过100V)也要针对高的功率峰值来设计。此外，在放电电阻中产生的热量的排导也是困难的，因为放电电阻到冷却体和壳体上的连接仅仅允许通过电绝缘体实现。

发明内容

本发明的目的在于提供可能性，通过该可能性能够克服现有技术中的缺陷。

该目的通过一种电装置实现。

根据本发明，开头所述类型的电装置由此设计，即

放电电路除了放电电阻之外还具有电压转换器，该电压转换器在输入侧与支持电容器的高压侧连接并且在输出侧与放电路径连接，

电压转换器具有第一半导体开关、二极管和电感器，并且

第一半导体开关为了支持电容器的放电而被脉冲地控制，使得在放电路径处产生的电输出电压恒定地具有一个额定值，只要在支持电容器处产生的电容器电压处于额定值之上。

在简单的情况中，电压转换器设计成电不隔离的电压转换器。在这种情况中，放电电阻经过降压变压器与支持电容器的高压侧电连接。已经通过该布线技术上非常简单的设计方案实现的是，即电阻不再必须针对高压电池的全部电压和通过电压与放电电阻值的商确定的电流而设计。更多的是，放电电阻现在还必须根据输出电压的额定值和通过额定值与放电电阻的电阻值的商确定的电流来设计。电压转换器例如可以设计成降压变压器或者设计成截止变压器。其他的设计方案也是可以的。

优选的是，电压转换器设计成电隔离的电压转换器。在该种情况中，电压转换器的电感器设计成变压器。放电电阻由此通过变压器与支持电容器的高压侧电隔离。通过该设计方案附加地实现，即电阻与支持电容器的高压侧隔离，从而不会出现电阻与例如电装置的壳体的电绝缘或者该电绝缘可以被至少明确地降低。由此能够极大地改善放电电阻到冷却体或者电装置的壳体上的热耦合。电压转换器例如可以设计成截止变压器、正向变压器或者Sepic变压器。其他的设计方案也是可以的。

以上阐述的电压转换器的设计方案从一开始就对应于通常已知的电路电源件。这不仅适用于电隔离的设计方案而且也适用于电不隔离的设计方案。

在一个特别有利的设计方案中，放电路径具有与放电电阻串联连接的第二半导体开关。在该种情况中，第二半导体开关的控制输出端不仅在正常运行中而且在特别运行中都被提供控制信号。控制信号在正常运行中起到锁止第二半导体开关的作用。控制信号在特别运行时起到这样的作用，即经过放电电阻流动的电流具有通过控制信号确定的值。由此可以实现，即电压转换器持久地也就是不仅在正常运行中而且在特别运行中被运行。在放电路径中的电流在该种情况中通过第二半导体开关的控制信号调节。该设计方案原理上已经能够联系到将电压转换器设计成电不隔离的电压转换器时实现。特别有利的是，该设计方案然后在联系到将电压转换器设计成电隔离的电压转换器时实现。

基于该情况，即在正常运行中在放电路径中的电流通过第二半导体开关的控制信号抑制时，至少一个使用装置能够在正常运行中通过电压转换器提供电能。另外说明的是：放电电路在特别运行中能够连接在电压转换器上，其为了运行至少一个使用装置在正常运行中无论如何都是需要的。放电电路在电压转换器上的连接优选地通过设计成断开器的开关上，其在其能量供给消失时闭合(至少一个)触点并且由此将放电电路连接在电压转换器上。

通常产生这样的要求，在过渡到特别运行中时，在支持电容器上产生的电容器电压在预定的放电时间内被消减。用于特别运行的控制信号能够预先地这样确定，即其不取决于该电压的具体的值而持续地实现。然而，在本发明的该特别优选的设计方案中，在断开主开关时在支持电容器上产生的电容器电压被检测，并且取决于在断开主开关时在支持电容器上产生的电容器电压确定用于特别运行的控制信号。通过该设计方案，对于在高压电池的实际电压在其额定电压之下的情况下，尤其可以降低电阻的热负载。

在向特别运行过渡时，使用装置能够与支持电容器保持连接。然而优选的是，该使用装置在向特别运行过渡时与支持电容器分开。

附图说明

本发明的上面描述的特征，特征和优点以及方式和方法如以实现的那样在联系到对实施例的接下来的描述而变得清晰和明确，这些实施例联系图示来进一步说明。在此在示意性的图示中示出：

图1是电装置，

图2是放电电路的可能的设计方案，

图3是放电电路的另外可能的设计方案，

图4是放电路径的可能的设计方案，

图5是图2的放电电路的修改方案以及

图6是图3的放电电路的修改方案。

具体实施方式

根据图1，通常以标号1标识的电装置具有高压电池2和多个电的使用装置3。电布置1例如可以是电动车辆的电***。高压电池2通常具有三位数电压范围中的运行电压U0，例如直至500V。使用装置3例如可以是变流器单元、用于变流器单元的控制单元和其他用户。

电使用装置3与高压电池2通过主开关4和支持电容器5连接。支持电容器5连接在主开关4的下游。主开关4也就是如果必要的话不仅仅将使用装置3，而且也将支持电容器5与高压电池2断开。通常，主开关4是闭合的。由此，使用装置3根据需求从高压电池2获得电能。该运行状态在接下来称为电装置1的正常运行。在确定的状况中，主开关4是断开的。该运行状态在接下来被称为电装置1的特别运行。当电装置1的使用者通过相应的输入对其进行要求时或者在电装置1内部出现错误时，例如可以假设特别运行。

在从正常运行向特别运行过渡时，支持电容器5首先具有高压电池2的实际运行电压U0作为电容器电压UK。使用装置3由此首先处于该电压下。该电压出于接触安全性的原因必须快速和可靠地消减。为此目的，电装置1具有放电电路6，其连接在支持电容器5上。放电电路6具有带有欧姆电阻8的放电路径7。

在正常运行中(也许在正常运行开始的短的间空间例外)，在放电电阻8中没有电流流动。然而，当通过主开关4的断开而从正常运行过渡到特别运行中时，放电路径7被导电地接通。在支持电容器5上存储的电荷(电荷在其自身方面对电容器电压产生作用)由此通过放电电阻8得以消减。在支持电容器5中存储的电能由此由放电电阻8转换成热能。

根据图2和3，放电电路除了放电电阻8之外还具有电压转换器9。该电压转换器9在输入侧与支持电容器5的高压侧连接。在输出侧，电压转换器9与放电电路7连接。电压转换器9相应于在图2和3中示出的图示具有第一半导体开关10、二极管13和电感器11。通常，电压转化器9还具有在输出侧的电容器14。第一半导体开关10-只要应该使支持电容器5放电-为了使支持电容器5放电而由控制电路12脉冲地控制。控制电路12通常是电压转换器9的组成部分。该脉冲控制是这样的，即在放电电路7上产生的电压转换器9的输出电压U1恒定地具有一个额定值。这只要在支持电容器5上产生的电容器电压UK位于该额定值之上就适用于。额定值的数值可以例如(相对低)为高压电池2的(名义上的)运行电压U0的2-25％或者(绝对的)为10-120V。

在根据图2的电压转换器9的设计方案中，电压转换器9设计成电不隔离的电压转换器。放电电阻8因此通过电压转换器9与支持电容器5的高压侧电连接。

根据图2，电压转换器9设计成降压变压器。然而，其可以可替换地设计成截止变压器。在该种情况中，电感器11和二极管13的布置相对于在图2中的图示进行交换。其他的设计方案也是可以的。

此外，图2示出了两个可能的设计方案，通过二者能够实现将电压转换器9的输出电压U1保持恒定。一方面，通过电压传感器15能够直接检测到输出电压U1并且提供给控制电路12。另一方面，通过电流传感器16可以检测到经过放电电阻8流动的电流I并且提供给控制电路12。在这两种情况中，控制电路12-例如可以基于脉宽调制-对第一半导体开关10的驱控进行引动(nachführen)，从而将输出电压U1保持在其额定值上。这两个可能性可替换地实现。它们因此在图2中仅虚线地实现。该额定值可以在根据图2的设计方案中示例性地在大约40-80V。然而其也可以是其他的值。

根据图3的电压转换器9的设计方案中，电压转换器9设计成电隔离的电压转换器。电压转换器9的电感器11在该中情况中设计成变压器。通过该变压器，放电电阻8因此与支持电容器5的高压侧电隔离。在根据图3的设计方案中，也存在二极管13和通常还有电容器14。它们因此在图3中一起标出。

类似于图2中的设计方案，在根据图3的设计方案中，电压转换器9的输出电压U1由此保持恒定，即通过电压传感器15直接检测输出电压U1并且提供给控制电路12。可替换的是，通过电流传感器16检测经过放电电阻8流动的电流I并且提供给控制电路12。如在图2中那样，在两种情况中，控制电路12能够对第一半导体开关10的驱控进行引导，从而将输出电压U1保持在其额定值上。在图3中，两种可能性也可替换地实现。它们因此也在图3中仅仅虚线地示出。在根据图3的设计方案中的额定值的数值可以例如为大约12-20V。然而，也可以为另外的值。然而优选地，额定值的数值最大为60V或者甚至在其之下，尤其是最大30V或者甚至在其之下。

通过控制电路12对半导体开关10的驱控在根据图3的设计方案的框架中同样电隔离地实现。例如，为此目的在第一半导体开关10和控制电路12之间可以布置光电耦合器。相对对第一半导体开关10的电隔离的驱控来说可替换地或者可选的是，信号从电压传感器15或者从电流传感器16至控制电路12的引导电隔离地实现。

在最简单的情况中，放电路径7仅仅包括放电电阻8(并且当然还有所属的导电的线路)。在优选的、后续联系到图4阐述的设计方案中，放电路径7除了放电电阻8之外还具有第二半导体开关17，其与放电电阻8串联连接。半导体开关17可以例如设计成晶体管，特别设计成电压控制的晶体管(IGBT，MOSFET,…)。在该种情况中，-例如通过操作放大器18-由另外的控制电路19提供控制信号S给第二半导体开关17的控制输入端。因此必要的是，此外在操作放大器18的下游可以连接一个电流放大器。控制信号S不仅在正常运行中而且在特别运行中都被提供给控制输入端。然而控制信号S在正常运行时的值与在特别运行时的值不同。

控制信号S在正常运行中起到锁止第二半导体开关17的作用。在电压控制的半导体开关的情况中，控制信号S可以例如具有0V的值。控制信号S在特别运行时起到这样的作用，即经过放电电阻8流动的电流I具有通过控制信号S确定的值。例如，控制信号S可以在电压控制的半导体开关17的情况中具有确定的电压值Uref。通过将Shunt电阻20连接在第二半导体开关17的下游，电压值Uref联系Shunt电阻20的电阻值确定经过放电电阻8流动的电流I。

上面联系到图4描述的放电路径7的设计方案能够根据图5联系到电压转换器9的设计方案作为电不隔离的电压转换器实现。然而其同样可以根据图6联系到电压转换器9的设计方案作为电隔离的电压转换器实现。图4的设计方案尤其提供了在图5和6中示出的优点，即在正常运行中至少一个使用装置3能够通过电压转换器9供给电能。这尤其在该使用装置3是用于变流器单元的控制电路时是适合的。

在断开主开关4时可以检测在支持电容器5上产生的电容器电压UK并且提供给另外的控制电路19。在该种情况中，根据在该时间点在支持电容器5上产生的电容器电压UK，另外的控制电路19例如可以确定参考电压Uref的值-进而用于特别运行的控制信号S-。

在从正常运行向特别运行过渡时，使用装置3能够与支持电容器5保持连接。可替换的是，相应于在图1中的图示，放电电路7的下游布置有另外的开关21，通过该开关，该使用装置3在从正常运行向特别运行过渡时与支持电容器5分开。开关21在图5和6中并未示出。然而，其也可以在该设计方案中存在。

因此，综上本发明涉及以下内容：

电装置1具有高压电池2和多个电的使用装置3。使用装置3与高压电池2通过主开关4和连接在下游的支持电容器5连接。在正常运行中，主开关4闭合，并且使用装置3根据需求由高压电池2供应电能。电装置1具有连接在支持电容器5上的放电电路6，其具有带有欧姆放电电阻8的放电路径7。在正常运行中，在放电电阻8中没有电流I流动。通过断开主开关4，从正常运行过渡到特别运行中。在过渡时，放电路径7被导电地接通并且由此在支持电容器5中存储的电能由放电电阻8转换成热能。此外，放电电路6在支持电容器5的高压侧和放电电路7之间具有电压转换器9，其具有第一半导体开关10、二极管13和电感器11。第一半导体开关10为了支持电容器5的放电而被脉冲地控制，使得在放电路径7处产生的电输出电压U1恒定地具有一个额定值，只要在支持电容器5处产生的电容器电压UK处于该额定值之上。

本发明具有许多优点。尤其是在放电电阻8中下降的热功率在时间上是恒定的。此外，放电电阻8不必针对高压电池2的全部运行电压而设计。尤其是，放电电阻8也必须对于持续运行来说仅仅根据电压转换器9的输出电压来设计。必需的放电时间可以通过放电电路6的设计根据需求有针对性地调节。放电电阻8到冷却体或者在壳体上的热连接是可能的。基于无论如何用于对至少一个使用装置3进行能量供给的电压转换器9的应用，不需要附加的组件。通过在过压时和在低压时断开电压转换器9，放电电路6自身保护。

尽管本发明在细节上通过优选的实施例进一步描述和说明，但是本发明并不通过公开的实例来限制并且本领域技术人员能够由此推导出另外的变体方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电装置(1)，

其中，所述电装置具有高压电池(2)和多个电的使用装置(3)，

其中，电的所述使用装置(3)与所述高压电池(2)通过主开关(4)和连接在下游的支持电容器(5)连接，

其中，在所述电装置的正常运行中，所述主开关(4)闭合，从而所述使用装置(3)根据需求由所述高压电池(2)供应电能，

其中，所述电装置(1)具有连接在所述支持电容器(5)上的放电电路(6)，

其中，所述放电电路(6)具有带有欧姆放电电阻(8)的放电路径(7)，

其中，在所述正常运行中，在所述放电电阻(8)中没有电流(I)流动，

其中，通过断开所述主开关(4)，从所述正常运行过渡到特别运行中，

其中，在过渡时，所述放电路径(7)被导电地接通并且由此在所述支持电容器(5)中存储的电能由所述放电电阻(8)转换成热能，

其特征在于，

所述放电电路(6)除了所述放电电阻(8)之外还具有电压转换器(9)，所述电压转换器在输入侧与所述支持电容器(5)的高压侧连接并且在输出侧与所述放电路径(7)连接，

所述电压转换器(9)具有第一半导体开关(10)、二极管(13)和电感器(11)并且

所述第一半导体开关(10)为了所述支持电容器(5)的放电而被脉冲地控制，使得在所述放电路径(7)处产生的电输出电压(U1)恒定地具有一个额定值，只要在所述支持电容器(5)处产生的电容器电压(UK)处于所述额定值之上。

2.根据权利要求1所述的电装置，其特征在于，所述电压转换器(9)设计成电不隔离的电压转换器，并且所述放电电阻(8)通过降压变压器与所述支持电容器(5)的所述高压侧电连接。

3.根据权利要求1所述的电装置，其特征在于，所述电压转换器(8)设计成电隔离的电压转换器，并且所述电压转换器(9)的电感器(11)设计成变压器，从而所述放电电阻(8)通过所述变压器与所述支持电容器(5)的所述高压侧电隔离。

4.根据权利要求1、2或3所述的电装置，其特征在于，

所述放电路径(7)具有与所述放电电阻(8)串联连接的第二半导体开关(17)，

不仅在正常运行中而且在特别运行中都向所述第二半导体开关(17)的控制输出端提供控制信号(S)，

所述控制信号(S)在正常运行中起到锁止所述第二半导体开关(17)的作用，并且

所述控制信号(S)在特别运行时起作用，即通过所述放电电阻(8)流动的电流(I)具有通过所述控制信号(S)确定的值。

5.根据权利要求4所述的电装置，其特征在于，所述使用装置(3)中的至少一个在正常运行中通过所述电压转换器(9)供应电能。

6.根据权利要求4或5所述的电装置，其特征在于，在断开所述主开关(4)时检测在所述支持电容器(5)上产生的电容器电压(UK)，并且取决于在断开所述主开关(4)时在所述支持电容器(5)上产生的所述电容器电压(UK)确定用于所述特别运行的所述控制信号(S)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电装置，其特征在于，在向所述特别运行过渡时，所述使用装置(3)与所述支持电容器(5)分开。