CN117458952A - 具有他励同步电机的机动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机动车，该机动车具有他励同步电机和连接至高压电网的、带有至少一个高压电网侧的中间电路电容器的电力电子装置，电力电子装置包括分配给同步电机的变换器和分配给同步电机的用于给同步电机的励磁绕组通电的励磁电路，机动车具有用于冷却电力电子装置的冷却装置，为中间电路电容器分配过有过压保护电路，过压保护电路具有至少一个压敏电阻，该至少一个压敏电阻在其上存在的电压超过电压阈值时变为导电的，至少过压保护电路的至少一个压敏电阻形成具有励磁电路和壳体的励磁模块的一部分，励磁模块与冷却装置的散热体热耦联以冷却励磁模块。

Description

具有他励同步电机的机动车

技术领域

本发明涉及一种机动车，该机动车具有他励同步电机和连接至高压电网的电力电子装置，该电力电子装置具有至少一个高压电网侧的中间电路电容器，该电力电子装置包括分配给同步电机的变换器和分配给同步电机的用于给同步电机的励磁绕组通电的励磁电路，其中，机动车具有用于冷却电力电子装置的冷却装置，并为中间电路电容器分配有过压保护电路，该过压保护电路具有至少一个压敏电阻，该至少一个压敏电阻能在其上存在的电压超过电压阈值时变为导电的。

背景技术

在混合动力电动汽车和纯电动汽车中使用电机，给电机分配相应的电力电子装置或电力电子部件，其连接至车辆侧的高压车载电网(随后简称为高压电网)。电力电子装置例如可以包括驱动变换器、高压DC转换器、车载充电器、空调电动压缩机和/或连接到高压电网的电加热器。高压电网的运行电压通常大于200伏，并且例如可以在350伏到1000伏的范围内。

如果使用他励同步电机，那么在用于同步电机的电力电子装置中为励磁绕组添加另一电路、即励磁电路，通过该励磁电路可以为励磁绕组供电。通常，机动车的励磁绕组是转子的一部分，励磁绕组可以从那里例如通过滑环与励磁电路导电连接。在他励同步电机中，可以放弃转子中的昂贵的磁体。

由于在励磁电路一侧也有显著的功率消耗、例如15kW，因此在现有技术中也已知的是，不仅冷却变换器或其功率模块，而且也冷却励磁电路。

在连接至高压电网的一侧，可以给许多这样的高压部件分配中间电路电容器。这也适用于电力电子装置，在那里，通常给变换器和励磁电路分配至少一个公共的中间电路电容器。为了避免损坏，可以给这样的电容器分配过压保护电路，如果没有另外的能量阱(例如高压电网的电池)可用，那么可以通过该过压保护电路在不危及中间电路电容器的情况下导出多余的电功率。这种过压保护电路通常也被简称为保护电路。

在励磁电路一侧，尤其是在运行模式中出现高电功率、因而出现高电压，在运行模式中，来自励磁绕组的电流、尤其是转子电流应该被反向馈送到高压电网中。在此，尤其是当高压电网的电池不能够存储能量时，可能会出现问题。例如当存在抛负载/负载突降/甩负荷(英语：load dump)时，尤其是当电池接触器断开时，可能会出现这种情况。通过设置过压保护电路，可以防止中间电路电容器的过充电、尤其是在火灾风险下的毁坏。

在现有技术中已知的过压保护电路例如可以包括与中间电路电容器并联的压敏电阻，该压敏电阻在超过特定的电压阈值时变得导电，并提供欧姆负载，通过该欧姆负载使能量在过压保护时被转换为热量。

DE 10 2010 001 626 A1公开了一种用于利用快速去激励实现同步电机的励磁绕组的过压限制的电路布置。在此，设置有与励磁绕组并联的保护电路，该保护电路在快速去激励的情况下不允许电流流过保护电路，并且在至少一个控制电路和励磁绕组之间的至少一个连接线路中断时形成用于电压限制和励磁绕组去激励的电流路径。保护电路可以具有压敏电阻(与电压相关的电阻)。

CN 111 864 698A公开了一种用于同步发电机的转子的过压保护电路。过压保护电路在内部具有用于接通和断开并且因此用于抑制过压峰值的触发电路。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种低成本、低复杂度、可简单实现的、具有他励同步电机的机动车中的中间电路电容器的保护电路可能方案。

为了实现该目的，在开头提到的类型的机动车中根据本发明规定了，至少过压保护电路的至少一个压敏电阻形成具有励磁电路和壳体的励磁模块的一部分，励磁模块与冷却装置的散热体执耦合，以用于冷却励磁模块。

根据本发明提出的是，集成过压保护电路，使得该过压保护电路不仅属于励磁电路，而且至少压敏电阻安装在与冷却连接的励磁模块中，从而实现改进的热输出，因此过压保护电路也得到冷却。多余的电能、尤其是来自励磁绕组的反向电流以热的形式减小，并且输出到散热体，并且因此输出到冷却装置。在此认识到，在励磁绕组一侧可以产生大量电能，电能在设置主动冷却装置、在此具体地设置连接至电力电子装置的主动冷却装置的情况下明显可更容易地控制。通过连接至主动冷却装置并且集成到励磁模块中，过压保护电路可以最小地设计，从而显著降低在成本和复杂性方面的工作量。

根据本发明的设计方案的另一优点是，制造和/或安装工作量可以明显被减少，这是因为由于过压保护电路被集成到励磁模块中，而不再需要配备和/或安装分离的过压保护电路。总***、尤其是包括连接的部件的高压电网的鲁棒性得到提高，因为过压保护功能由电力电子装置承担，该电力电子装置还提供合适的冷却连接。减小了结构空间和结构尺寸。

在此，过压保护电路还满足其相应的保护功能，因为尤其是至少一个中间电路电容器通过并联的过压保护电路来保护。因此，在机动车的所有运行状态下可以确保功能安全要求，其中，尤其通过保护电路，在中间电路电容器处不存在火灾危险。这尤其适用于抛负载的情况，在其中，避免由于至少一个中间电路电容器的过度充电而毁坏电力电子装置。通过使用压敏电阻，过压保护电路设计为，使得其在机动车的正常运行中不影响电力电子装置、尤其是励磁电路和变换器中的功能。然而，如果出现错误情况，那么例如导致来自励磁绕组的电流到至少一个中间电路电容器的反向馈送，并且如果在此在至少一个中间电路电容器处超过通过电压阈值反映的限定临界值，那么过压保护电路被激活并且吸收励磁绕组的反向电流。在励磁电路、尤其是至少一个压敏电阻内，反向电流以热的形式减小并且输出至冷却装置。

换言之，在故障情况下，当中间电路电压超过限定临界值时，压敏电阻变为低欧姆的，并且吸收励磁绕组的反向馈送电流，在压敏电阻上的电压阈值根据临界值被选择。因此，反向电流不再流入至少一个已经完全充电的中间电路电容器中，该中间电路电容器因此没有被毁坏。通过过压保护电路吸收的电能被转换为热量，并且通过散热体输出至冷却***。由此确保了，能量尽可能快速地减小，并且附加地对保护电路进行保护。如果中间电路电压又下降到限定临界值以下，并且因此在至少一个压敏电阻上的电压下降到电压阈值以下，那么压敏电阻又截止，并且电力电子装置在没有故障的情况下返回正常运行中。然而在故障情况下，可设计得明显更细小且更廉价的保护电路、即过压保护电路可以将大量能量转换为热量，热量直接被导出，此外，通过与主动冷却装置的连接明显提高了过压保护电路的鲁棒性。

具体地，在本发明的范围内可以规定，所述至少一个压敏电阻与励磁电路和所述至少一个中间电路电容器并联，尤其是在励磁电路和至少一个中间电路电容器之间。在此，励磁电路和变换器使用相同的至少一个中间电路电容器，该至少一个中间电路电容器例如可以安装在变换器一侧，或者也分离地，尤其是与变换器和励磁电路分开地安装在电力电子装置中。励磁电路还通过相应的电线连接到至少一个中间电路电容器。然而也可想到以下设计方案，在这些设计方案中，至少一个中间电路电容器中的至少一个可以设置在励磁电路一侧。

在本发明的适宜的改进方案中可以规定，过压保护电路具有在压敏电阻支路中串联的至少两个压敏电阻和/或具有并联的至少两个各自带有至少一个压敏电阻的压敏电阻支路。在此，由于不同的原因，使用多个压敏电阻可能是合适的。一方面，压敏电阻并不总是可用的，为了切换到低欧姆状态，压敏电阻的电压阈值精确对应于中间电路电压的期望的、已经提到的、限定临界值。因此可能适宜的是，串联多个压敏电阻，使得由于串联的压敏电阻的电压阈值，总体上针对该压敏电阻支路产生中间电路电压的期望的电压阈值。但是也由于功率损失的原因而可能适宜的是，多个压敏电阻串联和/或并联。通过电阻的这种分布以及转换为热量的部位，也可以使局部输入到散热体中的热量、进而使冷却装置合适地适配于相应的条件，尤其可以避免单个压敏电阻中的单个局部的热点。

为了提供另外的自由度，在至少一个中间电路电容器一侧也可以执行连接方式的适配，以便通过相应的电压降线路，例如在低于限定临界值的电压阈值中提供最佳的利用环境，和/或优化局部的热量输入。多个中间电路电容器例如可以在电容器支路中串联，以便在它们之间提供连接点，这些连接点可以通过电连接线路与压敏电阻之间的连接点连接。因此，中间电路电压尤其可以通过中间电路电容器的电路被划分为适当的部分。在具体的实施例中例如可以规定，沿电力电子装置的至少一个电容器支路，两个中间电路电容器串联，其中，对于具有两个压敏电阻的过压保护电路的至少一个压敏电阻支路，位于电容器支路的中间电路电容器之间的第一连接点和位于压敏电阻支路的压敏电阻之间的第二连接点经由电连接线路连接。在电容器支路中的两个中间电路电容器的电容量相同的情况下，整个中间电路电压的一半分别存在于两个中间电路电容器上，从而使得例如在压敏电阻支路中可以使用相同的压敏电阻，压敏电阻的电压阈值相应是中间电路的限定临界值的一半。

因此，至少一个压敏电阻的至少一个电压阈值可以被选择为，使得在至少一个中间电路电容器处达到中间电路电压的限定临界值时，至少一个压敏电阻切换为导电的。这意味着，为了保护至少一个中间电路电容器的目的，切断至少一个压敏电阻、尤其是多个压敏电阻，从而使得其阈值电压相应遵循中间电路电压的限定临界值。具体地例如可以规定，限定临界值大于800V，尤其是大于850V，和/或被选择为比至少一个中间电路电容器的运行电压高1％至3％，和/或比该运行电压高5V至15V。在高压电网的运行电压或额定电压为860V时，限定临界值例如可以被选择为870V。

对于变换器，例如可以设置B6桥电路，该B6桥电路在其相应的输出端处为有效绕组、尤其是定子绕组提供三个相。关于励磁电路可以规定，该励磁电路设计为具有至少一个半桥的桥电路。在示例性的设计方案中，非对称的全桥电路可以用作励磁电路，如原则上已知地，通过该励磁电路可以提供不同的运行状态。例如可以设置相应的切换位置以用于建立励磁电流、用于减小励磁电流和用于反向馈送。

在本发明的适宜的改进方案中可以规定，变换器的至少一部分(尤其是作为至少一个包括壳体的功率模块)也热连接到散热体以进行冷却。在特别优选的设计方案中，可以为每个相设置功率模块，其中，功率模块例如可以并排布置在散热体上。除了功率模块以外，励磁模块也可以布置在散热体上，以便能够实现具有尽可能最佳的冷却的紧凑的结构方式。

附图说明

本发明的另外的优点和细节由随后描述的实施例并且借助附图得到。在此：

图1示出了根据本发明的机动车的原理图，

图2示出了散热体和与之热连接的模块的视图，

图3示出了电力电子装置的第一实施例的电路图，

图4示出了电力电子装置的第二实施例的电路图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的机动车1、当前是电动车的原理图。电动车1在此处未详细示出的动力传动系中包括电机，该电机设计为他励同步电机2。他励同步电机2也用作用于机动车1的电动机。他励同步电机包括具有励磁绕组的转子和具有定子绕组的定子(在图1中未示出)，其中，为三个相中的每个设置一个定子绕组。

他励同步电机2通过电力电子装置3连接至机动车1的高压电网4。电力电子装置3包括励磁电路5和变换器6，励磁绕组通过励磁电路与高压电网5连接，定子绕组通过变换器与高压电网4连接。

高压电网4具有比机动车1的在此未示出的低压电网更高的电压。高压电网4的运行电压例如可以处于200V以上、尤其是350V至1000V的范围内，其中，高压电网是直流电压电网。高压电网4由电池7供电。在高压电网4中也可以设置并连接另外的高压部件或电网部件、例如设置在低压电网和高压电网之间的直流变压器、用于电池7的车载充电器、空调电动压缩机和/或电加热器。

电力电子装置3包括具有至少一个中间电路电容器的中间电路，其中，这种存储电能的中间电路电容器也可以设置在并联的其他的部件中。给中间电路配设有过压保护电路8。

机动车1还包括冷却装置9，该冷却装置包括在冷却回路中循环的冷却流体并且用于冷却变换器6和励磁电路5。机动车1内的不同的部件的运行可以借助控制装置10来控制。

图2示例性示出了冷却装置9的散热体11，该散热体当前以未详细示出的方式具有至少一个通道和/或至少一个空心空间，其由冷却回路中的冷却流体流过。除了用于每个相的一起形成变换器6的功率模块12以外，励磁模块13也固定在散热体11上并且与之热连接以进行冷却，在励磁模块中，在壳体中布置有励磁电路5和过压保护电路8。励磁电路5和过压保护电路8借助散热体11冷却。

功率模块12也可以具有包围相应的电力电子部件(尤其是包括半导体开关)的壳体。当前还示出了功率模块12至高压电网4的功率接头14和通向用于各个相的定子绕组的功率接头15以及相应的操控接头16。在励磁模块13中，为了清楚期间没有示出这些接头。

图3示出了在第一实施方式中的电力电子装置3和附近的部件的电路图。可看到在上部区域中的设计为B6桥电路的变换器6和在下部区域中的设计为非对称的全桥的励磁电路5。还示出了相关的、相应的、通向他励同步电机2的接头。

对于中间电路，当前示例性示出了两个中间电路电容器17，变换器6和励磁电路5与中间电路电容器并联。

图3还示出了电池7和其相应的电池接触器18。在抛负载(“load dump”)的情况下，接触器18断开，从而中间电路电容器17形成高压电网4中的主要的剩余的能量阱。在这种或其他的情况下，如果存在励磁电流从同步电机2的励磁绕组经由励磁电路5的反向馈送，那么即将发生中间电路电容器17的过度充电、损坏或甚至毁坏、甚至可能会发生火灾。由于该原因，电力电子装置3当前还包括上述的过压保护电路8。过压保护电路在本实施例中具有与中间电路电容器17和励磁电路5并联的压敏电阻19。如上所述，至少压敏电阻19、当前整个过压保护电路8安装在励磁模块13中，从而使得在故障情况下，当压敏电阻19切换为导电的，并且例如来自励磁绕组的反向电流的剩余的能量转换为热量时，该热量被输出到散热体11。因此，过压保护电路8、尤其是压敏电阻19可以设计为很小的。

在此，因此在中间电路电容器17处可以确定中间电路电压的限定临界值，从该临界值开始，必须假定故障情况，并且过压保护电路8应该进入运行。在此，例如可以设置高于运行电压5V至15V的临界值。如果高压电网4例如具有860V直流电压的运行电压(额定电压)，那么可以假定限定临界值为870V。

从电压阈值开始压敏电阻19切换为导电的，该电压阈值与限定临界值相协调，并且可以由于存在仅一个并联的压敏电阻19而被选择为等于限定临界值。

如果要使用其他的压敏电阻19或具有更低电压阈值的压敏电阻，那么也可想到的是，过压保护电路8包括多个可并联和/或串联的压敏电阻19。以该方式，在其他方面也可以实现要通过散热体11导出的热量的更好的局部分布。

图4示出了电力电子装置3的第二实施方式，在其中，两个压敏电阻19在压敏电阻支路20中串联。与之并联地，两个中间电路电容器17也在电容器支路21中串联。分别在压敏电阻19之间以及在中间电路电容器17之间设置连接点22，这两个连接点通过连接线路23连接。以该方式，中间电路电压可以通过电容器支路21的电容器17被划分，并相应施加到压敏电阻19，压敏电阻尤其可以是相同的，并且分别可以具有限定临界值的一半作为电压阈值。当然，也可以考虑并应用于更复杂的设计方案。

Claims (8)

1.一种机动车(1)，该机动车具有他励同步电机(2)和连接至高压电网(4)的电力电子装置(3)，该电力电子装置具有至少一个高压电网侧的中间电路电容器(17)，该电力电子装置包括分配给同步电机(2)的变换器(6)和分配给同步电机(2)的用于给同步电机(2)的励磁绕组通电的励磁电路(5)，其中，机动车(1)具有用于冷却电力电子装置(3)的冷却装置(9)，并为中间电路电容器(17)分配有过压保护电路(8)，该过压保护电路具有至少一个压敏电阻(19)，该至少一个压敏电阻能在其上存在的电压超过电压阈值时变为导电的，其特征在于，至少过压保护电路(8)的所述至少一个压敏电阻(19)形成具有励磁电路(5)和壳体的励磁模块(13)的一部分，该励磁模块与所述冷却装置(9)的散热体(11)热耦合以冷却励磁模块(13)。

2.根据权利要求1所述的机动车(1)，其特征在于，所述至少一个压敏电阻(19)与励磁电路(5)和中间电路电容器(17)并联。

3.根据权利要求1或2所述的机动车(1)，其特征在于，过压保护电路(8)具有在压敏电阻支路(20)中串联的至少两个压敏电阻(19)和/或具有并联的至少两个各自带有至少一个压敏电阻(19)的压敏电阻支路(20)。

4.根据权利要求3所述的机动车(1)，其特征在于，沿电力电子装置(3)的至少一个电容器支路(21)，两个中间电路电容器(17)串联，其中，对于过压保护电路(8)的具有两个压敏电阻(19)的至少一个压敏电阻支路(20)，位于电容器支路(21)的中间电路电容器(17)之间的第一连接点(22)和位于压敏电阻支路(20)的压敏电阻(19)之间的第二连接点(22)经由电连接线路(23)连接。

5.根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，至少一个压敏电阻(19)的至少一个电压值被选择为，使得在至少一个中间电路电容器(17)处达到中间电路电压的限定临界值时，至少一个压敏电阻(19)切换为导电的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，所述限定临界值大于800V，尤其是大于850V；和/或被选择为比至少一个中间电路电容器(17)的运行电压高1％至3％，和/或比该运行电压高5V至15V。

7.根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，励磁电路(5)设计为具有至少一个半桥的桥电路。

8.根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，变换器(6)的至少一部分尤其是作为至少一个包括壳体的功率模块(12)也与散热体(11)热连接以进行冷却。