CN112075002A - 放电设备、电单元和放电方法 - Google Patents

放电设备、电单元和放电方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明的用于使电网或电运行的单元(1)主动放电的放电设备(6)包括：放电电路(8)，放电电路具有限流电阻(12)和第一开关(10)，第一开关用于间接通过限流电阻(12)使电网的或电运行的单元(1)的待放电的构件(4)与参考电位(14)连接起来；相对第一开关(10)布置在控制接头侧的限制电路(16)，限制电路用于限制在放电运行中、在第一开关(10)上和/或在限流电阻(12)上出现的变热，其中，限制电路(16)具有NTC电阻(20)，NTC电阻与第一开关(10)和/或限流电阻(12)热联接。

Description

放电设备、电单元和放电方法
技术领域
本发明涉及用于使电网、尤其高压电网或这种电网的电运行的单元主动放电的放电设备。此外，本发明还涉及这种电单元和放电方法。
背景技术
在现代机动车中，除了通常以具有12V的电压值的电压运行的部件以外通常还使用以明显更高的运行电压值运行的部件。尤其在具有全电驱动器或混动驱动器的车辆中，高的运行电压值可以超过100V。在此，大于60V的电压值已经在汽车领域中被称为“高压”。以高压运行的电单元、大多电驱动***(其例如包括发动机、冷却剂或润滑剂泵、空调压缩机等)尤其在此接入在所谓的“高压电网”中。这种高压电网大多也包括至少一个能量存储器(例如电容器)，其相应配属于高压电网的一个或所有电单元。能量存储器例如用于使对于一个电单元或多个电单元所需的运行电压值保持恒定。
然而由于安全原因需要的是，这种高压电网一方面可以被切断，并且另一方尤其可以被放电。当人员可能与相应的高压电网接触或此外可能出现短路时，尤其是这样的情况。这例如在车辆维护或维修中或可能在发生事故时是这样的情况。为了能够实现自动放电，待放电的电单元或至少配属的能量存储器通常可以通过开关和电阻可逆地与参考电位连接。开关或尤其对其控制接头的操控在此通常被设计为，使得开关即使在操控的无法预计的故障的情况下也转移到其导通状态，从而电单元或至少能量存储器被放电。在此问题通常是，在放电时，开关和/或电阻变热，并且在最差的情况下由于在此出现的温度被损坏。
发明内容
本发明的任务是，能够实现对电网或这种电网的电运行的单元进行尽可能安全的放电。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的用于主动放电的放电设备解决。此外，根据本发明，该任务通过具有权利要求9的特征的电运行的单元解决。此外，根据本发明，该任务通过具有权利要求10的特征的放电方法解决。本发明的有利的和部分有创造性的实施方式和改进方案在从属权利要求和随后的描述中说明。
根据本发明的放电设备用于使电网、尤其是高压电网或电运行的单元主动放电，电运行的单元优选是这种高压电网的一部分，或包括这种高压电网。放电设备在此具有放电电路，尤其在放电运行中，高压电网(“车载电网”)的或电运行的单元的待放电的构件通过放电电路与参考电位(优选地电位)连接。放电电路为此具有随后被称为“限流电阻”的电阻和第一开关(随后被称为“放电开关”)。放电开关在此用于间接通过限流电阻尤其是可逆地连接待放电的构件与参考电位。也就是说，放电电路被设计为，使得高压电网或至少电运行的单元(尤其是至少待放电的构件)在闭合的(即接通的或导通接上的)放电开关中、通过限流电阻与参考电位导电连接。此外，放电设备具有相对放电开关布置在控制接头侧的并且优选与放电开关导电连接的限制电路，限制电路用于监控和限制在放电运行中、在放电开关上和/或在限流电阻上出现的变热。限制电路在此具有NTC电阻(也被称为“热导体”)，其电阻值因此在变热的状态中减小。NTC电阻在此与放电开关和/或限流电阻热联接。
NTC电阻优选仅与放电开关热联接。
高压电网、尤其是车辆的高压车载电网在上下文中尤其是理解为(车载)电网，其以具有大于或等于60V的电压值的运行电压运行。
NTC电阻优选如下地接连，即，在NTC电阻的变热的状态下，因此在NTC电阻的“良好”导通的状态下；其中，大于80、优选大于100、尤其是大于150摄氏度的温度值尤其是理解为变热的状态，直接或间接减小为了接通放电开关所需的控制电压或所需的控制电流。这又导致减小流过放电开关的(放电)电流和/或切断放电电路，后者尤其是通过在没有足够高的控制电压或足够高的控制电流的情况下断开放电开关来实现。
在放电运行中，放电开关和在大多情况下限流电阻由于损耗功率而变热。这会导致两个构件中的至少一个的故障，这又会导致损坏高压电网和/或电运行的单元。由于NTC电阻与放电开关或电流限制电路热联接，所以有利地能够在放电电路的(至少热)过载之前实现监控和尤其是减小引入放电电路中的热。尤其针对高压电网或电运行的单元具有能量存储器、例如电容器作为待放电的构件的情况，即使在尤其是车辆的上级的监控***的故障的情况下也能够实现比较安全的放电运行。
在优选的实施方案中，放电开关尤其是通过功率晶体管、优选通过绝缘栅双极型晶体管(英语：insulated-gate bipolar transistor，简称IGBT)，或通过金属氧化物半导体场效应晶体管(英语：Metal-Oxide-semiconductor-field-effect transistor，简称MOS-FET)构造。放电开关因此尤其是受电压控制的开关。放电开关在此尤其具有集电极或漏极接头、发射极或源极接头和栅极接头，其中，栅极接头是上述的控制接头。进一步优选地，放电开关在此接入高压电网中，使得集电极或漏极接头与高压电网的待放电的部分(构件)或待放电的电运行的单元(至少间接)连结。发射极或源极接头在此优选被引导至参考电位，尤其是在中间接上前述的限流电阻的情况下。在此，(在放电运行中)在限流电阻上下降的电压反作用于在控制接头上存在的控制电压，由此又限制流过放电开关的放电电流。根据限流电阻的选择，尤其可以预调节最大的放电电流。
为了尤其在正常温度以上尽可能实现放电开关中的过比例的电流限制，在本发明的适宜的实施方案中，NTC电阻与放电开关的控制接头接连，并且尤其优选不可分离地以及尤其间接与参考电位接连。在此优选地，NTC电阻此外与“附加电阻”(尤其串联)接连，附加电阻尤其用于预设、尤其是调节温度阈值，从该温度阈值开始，放电电流的限制是有效的。附加电阻优选接在NTC电阻与参考电位之间。通过接连NTC电阻，因此在NTC电阻变热和电导率升高时，尤其只有在通过附加电阻预设的温度阈值以上时才优选(因此过比例地)限制(优选设计为IGBT或MOS-FET的)放电开关的控制接头上的控制电压和因此放电电流。在温度阈值以上(并且因此与附加电阻无关)，尤其根据NTC电阻的温度特性可选地同样过比例地或也线性地进行限制。
在适宜的实施方案中，放电设备、优选限制电路包括尤其可控制的或至少可调节的电压参考件、例如可控制的齐纳二极管，其接在放电开关的控制接头与参考电位之间。此外，NTC电阻除了其上述连至放电开关的控制接头以外尤其以其另外的接头与电压参考件的控制输入端接连。基于电压参考件，有利地可以更好地、尤其精密地和/或以简单的方式设计(配置)限制电路。优选与前述的附加电阻组合的NTC电阻在此提供用于电压参考件的额定值(并且因此也用作温度阈值，从该温度阈值开始执行放电电流的减小)。电压参考件在此优选影响放电开关的控制接头上的控制电压。在NTC电阻变热时，NTC电阻基于其增大的电导率尤其间接借助电压参考件导致放电开关的控制接头上的控制电压的减小。由此又减小流过放电开关的电流(放电电流)，从而放电开关中的损耗功率下降。放电开关的温度因此可以有利地保持在对于放电电路来说不重要的温度范围内，尤其在适当设计NTC电阻、附加电阻等的情况下。如果放电开关冷却，那么NTC电阻由于热联接也冷却。由此，NTC电阻的电导率下降，并且放电开关的控制接头上的控制电压又升高。由此，通过放电开关和限流电阻实现的通常的放电又在完全的或必要时至少(与在更热的NTC电阻中相比)更大的范围内继续。原则上，虽然能够在没有电压参考件的情况下使用NTC电阻。然而在该情况下，NTC电阻必须比较低欧姆地被选择，这又导致NTC电阻的更高的(尤其取决于电流的)自变热。
在本发明的适宜的和尤其相对于前述的实施方案备选的实施方案中，限制电路具有第二开关。NTC电阻在此与第二开关的控制接头接连。此外，第二开关被如下地接连，使得在第二开关的完全开通的(即“接通的”)状态下，放电开关的控制接头与参考电位连接。因此在第二开关的完全开通的状态下，具体地针对放电开关构造为IGBT或MOS-FET的情况，在放电开关的控制接头上，控制电压下降为0，或至少下降为很小的值(“开关值”)，从而断开放电开关。在该情况下，放电电路被“去激活”或切断。在可选的变型方案中，NTC电阻也设计为和/或与放电开关或限流电阻热联接，使得在NTC电阻的变热增大时并且在电导率增大时，尤其超过配属的第二控制电压或必要时第二控制电流的为了完全接通第二开关所需的极限值。可选地，极限值也相应(尤其通过选择第二开关)被调整。因此在该情况下，间接借助第二开关减小、尤其切断放电开关的控制接头上的控制电压。由于在完全接通第二开关时断开放电开关，所以放电开关和必要时限流电阻(又)可以冷却到非临界的温度值。基于NTC电阻与放电开关的热联接，NTC电阻因此也冷却，由此，NTC电阻的电导率下降，并且第二开关相应又断开。由此继续电运行的单元或高压电网通过放电开关和限流电阻的通常的放电。在备选的变型方案中，第二开关的运行点和/或尤其放电开关或限流电阻与NTC电阻的热联接适宜地被选择，使得即使在NTC电阻的变热增大时并且因此在电导率增大时，也不超过为了完全接通第二开关所需的极限值，而是尤其仅相应地越来越靠近该极限值。由此，在NTC电阻的变热增大时，第二开关有利地位于部分导通的运行中(尤其具有第二开关的相应增大的电导率)，从而仅部分减小放电开关的控制接头上的控制电压(优选在放电开关的开关值以上)并且因此不完全断开放电开关。
在优选的实施方案中，上述的第二开关通过场效应晶体管、尤其是MOS-FET形成，并且因此尤其是受电压控制的。在该情况下，NTC电阻尤其与场效应晶体管、尤其是MOS-FET的“栅极接头”接连。
在每个前述的实施方式中，在优选的实施方案中，放电设备具有控制电路，控制电路又包括电路器件，以便将放电开关的控制接头可逆地与参考电位接连。控制电路尤其用于将放电开关保持在其断开状态中，并且因此保持高压电网或电运行的单元的通常的运行、尤其是通常的持续运行。
在适宜的实施方案中，电路器件包括另外的(必要时第三)开关、尤其晶体管、优选双极型晶体管。该开关(尤其在集电极侧)与放电开关的控制接头联接。尤其针对限制电路包括第二开关的情况，第三开关优选直接与放电开关的控制接头联接。第三开关在此因此直接用于接连放电开关的控制接头与参考电位。
控制电路优选也包括用于控制电路器件、尤其第三开关的控制器。
优选地，第三开关在每个前述的情况下针对特定的持续运行被接通，从而断开放电开关。在控制电路被切断或故障时，因此在每个情况下断开第三开关，因此放电开关有利地被自动接通，并且开始放电运行。由此能够实现故障安全的和尤其自动开始的放电运行。
根据本发明的电运行的单元优选是车辆的一部分，并且尤其设定用于高压运行。因此，电运行的单元是前述的高压电网的一部分，或构造为这种高压电网本身。根据本发明的电运行的单元在此具有前述的放电设备。电运行的单元例如包括车辆的发动机、空调压缩机、冷却剂或润滑剂泵、水泵、转向驱动器等。电运行的单元在此尤其也包括能量存储器、尤其电容器，其在特定的情况下(例如事故、车辆维修等)优选必须自动放电。
根据本发明的放电方法尤其用于使前述的(高压)电网或前述的电运行的单元主动放电。放电方法在此借助前述的放电设备尤其自动执行。在此，借助放电电路，待放电的构件通过限流电阻和放电开关与参考电位连接。在此，与放电开关和/或限流电阻热联接的NTC电阻变热。由此，流过限流电阻和放电开关的放电电流减小。
根据本发明的电运行的单元和根据本发明的放电方法因此也具有前述的放电设备的优点。
“和/或”关系在此和随后尤其理解为，借助该关系连结的特征可以不仅共同地、而且还相互备选地构造。
附图说明
随后借助附图详细阐述本发明的实施例。其中：
图1以示意性的电路图示出了用于车辆的电运行的单元的放电设备；并且
图2以根据图1的视图示出了放电设备的备选的实施例。
彼此相应的部分在所有附图中始终设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1以示意性的电路图示出了电运行的单元1的高压电网的一部分。电运行的单元1在此包括未详细示出的电机和通过电容器4形成的用于稳定为了运行电机所需的运行电压值的能量存储器作为构件。为了可以在特定的情况下使电容器4放电，电运行的单元1具有放电设备6。放电设备6又具有放电电路8，其与电容器4并联连接。放电电路8具有第一开关(被称为“放电开关10”)和与之串联连接的，即连接至放电开关10的发射极接头11的限流电阻12。放电开关10在此通过IGBT形成。在放电开关10的闭合的或“接通的”开关状态下(因此在“放电运行”中)，电容器4因此通过放电开关10、具体而言是其集电极接头13与参考电位、具体是地电位14接连。因此，在放电运行中，放电电流从电容器4通过放电开关10和限流电阻12流动到地电位14。
在备选的实施例中，放电开关10通过MOS-FET形成。
为了阻止放电开关10由于在放电运行中的放电电流而超过其负载极限地被加热并由此被损坏，放电设备6此外具有限制电路16。限制电路16在此与放电开关10的控制接头18接连。限制电路16具有NTC电阻20，其具体是与控制接头18接连。NTC电阻20此外以未详细示出的方式与放电开关10热联接。例如，NTC电阻20为此布置在放电开关10的壳体上。附加地，限制电路16具有另外的被称为“附加电阻22”的电阻，其与NTC电阻20串联连接，具体是连接在NTC电阻与地电位14之间。此外，限制电路16具有可调节的电压参考件23，其以可控制的齐纳二极管(即具有附加的控制输入端的齐纳二极管)的形式连接在控制接头18与地电位14之间。电压参考件23的控制输入端在此被引导至NTC电阻20与附加电阻22之间。
放电设备6此外具有控制电路24，其用于在电运行的单元1的通常的运行状态中将放电开关10保持在其断开状态中，并且因此阻止电容器4放电。为此，控制电路24包括控制器26和可由控制器26间接或直接操纵的(即可开关的)电路器件(其形式为另外的开关，在此被称为“控制开关30”)。控制开关30通过双极型晶体管(或备选地通过MOS-FET等)形成，其控制接头与控制器26接连。在通常的运行状态中，控制器26闭合控制开关30，由此，放电开关10的控制接头18与地电位14连结，从而断开放电开关10。
在放电运行中，即在断开控制开关30的情况下，在电压参考件23上的电压降是很高的，从而来自电容器4的经由另外的栅极充电电阻32(也被称为“Pull-up”)在控制接头18上存在的电压(之后被称为“控制电压”)超过为了接通放电开关10所需的开关值，并且因此放电开关10被导通。基于流过放电开关10和限流电阻10的放电电流，放电开关和限流电阻变热。由于放电开关10与NTC电阻20的热联接，NTC电阻20也变热。由此，NTC电阻20的电导率升高，由此，在电压参考件23上的电压和因此在放电开关10的控制接头18上的控制电压又下降。由此，流过放电开关10的放电电流被限制，这又导致的是，减小(限制)放电开关10中的损耗功率和因此放电开关的变热。由此尤其构造出对放电开关10的由于放电电流所导致的“放电温度”的调节。
放电设备6此外也具有与电压参考件23并联连接的齐纳二极管33。齐纳二极管阻止了放电开关10的控制接头18上的控制电压在低的温度值的情况下超过对于放电开关10来说允许的最大值。
图2示出了电运行的单元1(具体来说是限制电路16和控制电路24)的备选的实施例。放电电路16的NTC电阻20在该实施例中也与放电开关10热联接。但限制电路16附加地包括一个开关，其在本实施例中构造为场效应晶体管，具体地构造为MOS-FET 34。该MOS-FET34在此连接在放电开关10的控制接头18与地电位14之间。MOS-FET34的用作控制接头的栅极接头36在此连接在NTC电阻20与附加电阻22之间。NTC电阻20此外通过另外的栅极充电电阻38与电容器4接连。如果NTC电阻20在放电运行中变热，那么基于NTC电阻20的电阻值的下降，MOS-FET 34的栅极接头36上的控制电压升高。在达到MOS-FET 34的接通值的情况下，放电开关10的控制接头18与地电位14连接，从而放电开关10又断开，并且因此停止电容器4的放电。如果放电开关10和因此NTC电阻20被足够地冷却，那么MOS-FET34又断开，并且因此放电开关10闭合。
在另外的实施例(其电路相应于图2所示的实施例)中，MOS-FET34和NTC电阻20相协调，从而在NTC电阻变热时不达到用于完全接通MOS-FET 34的接通值。更确切的说，MOS-FET 34在该情况下过渡为部分导通的运行，在部分导通的运行中，其电导率(随着NTC电阻的变热的升高)也进一步增大。由此，放电开关10的控制接头18上的控制电压才减小，从而放电开关不完全断开。因此，也可以借助根据图2的开关来限制流过放电开关10的放电电流，这又促成减小(限制)放电开关10中的损耗功率和放电开关的变热。
本发明的主题并不局限于前述的实施例。相反地，本发明的另外的实施方式可以由本领域技术人员从之前的描述推导出。本发明的借助不同的实施例描述的单个特征和本发明的设计变型方案尤其也可以以其他的方式相互组合。
附图标记列表
1 电运行的单元
4 电容器
6 放电设备
8 放电电路
10 放电开关
11 发射极接头
12 限流电阻
13 集电极接头
14 地电位
16 限制电路
18 控制接头
20 NTC电阻
22 附加电阻
23 电压参考件
24 控制电路
26 控制器
30 控制开关
32 栅极充电电阻
33 齐纳二极管
34 MOS-FET
36 栅极接头
38 栅极充电电阻

Claims (10)

1.用于使电网或电运行的单元(1)主动放电的放电设备(6)，其包括：
-放电电路(8)，所述放电电路具有限流电阻(12)和第一开关(10)，所述第一开关用于间接地通过所述限流电阻(12)使电网的或所述电运行的单元(1)的待放电的构件(4)与参考电位(14)连接起来，和
相对所述第一开关(10)布置在控制接头侧的限制电路(16)，所述限制电路用于限制在放电运行中在所述第一开关(10)上和/或在所述限流电阻(12)上出现的变热，其中，所述限制电路(16)具有NTC电阻(20)，所述NTC电阻与所述第一开关(10)和/或所述限流电阻(12)热联接。
2.根据权利要求1所述的放电设备(6)，
其中，所述第一开关(10)通过功率晶体管、尤其是IGBT或MOS-FET形成。
3.根据权利要求1或2所述的放电设备(6)，
其中，所述NTC电阻(20)与所述第一开关(10)的控制接头(18)接连。
4.根据权利要求3所述的放电设备(6)，
其中，所述放电设备具有电压参考件(23)，所述电压参考件接在所述第一开关(10)的控制接头(18)与所述参考电位(14)之间，其中，所述NTC电阻(20)还与所述电压参考件(23)的控制输入端接连。
5.根据权利要求1或2所述的放电设备(6)，
其中，所述限制电路(16)具有第二开关(34)，所述NTC电阻(20)与所述第二开关的控制接头(36)接连，其中，所述第二开关(34)在完全开通的状态下将所述第一开关(10)的控制接头(18)与所述参考电位(14)连接起来。
6.根据权利要求5所述的放电设备(6)，
其中，所述第二开关通过场效应晶体管(34)、尤其是MOS-FET形成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的放电设备(6)，
其中，所述放电设备具有控制电路(24)，所述控制电路具有电路器件(26、30)，以便将所述第一开关(10)的控制接头(18)可逆地与所述参考电位(14)接连起来。
8.根据权利要求7所述的放电设备(6)，
其中，所述电路器件包括第三开关、尤其是晶体管(30)，所述第三开关与所述第一开关(10)的控制接头(18)联接。
9.用于车辆的电运行的单元(1)，其包括根据权利要求1至8中任一项所述的放电设备(6)。
10.用于借助根据权利要求1至8中任一项所述的放电设备(6)使电网或电运行的单元(1)主动放电的放电方法，其中，
借助放电电路(8)使电网的或待放电的电运行单元(1)的待放电的构件(4)通过限流电阻(12)和第一开关(10)与参考电位(14)连接起来，其中，相对于第一开关(10)布置在控制接头侧的限制电路(16)的与第一开关(10)和/或限流电阻(12)热联接的NTC电阻(20)变热，并且其中，流过限流电阻(12)和第一开关(10)的放电电流因此减小。
CN201980013875.6A 2018-02-19 2019-02-18 放电设备、电单元和放电方法 Active CN112075002B (zh)

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