專利名稱：主動給使用在電力驅動車輛的電源系統中的電容器放電的放電設備和放電方法
技術領域：
本發明涉及一種主動給在電力驅動車輛的電源系統中的電容器放電的放電設備和放電方法。“電力驅動車輛”表示僅具有電力驅動(即，沒有其他類型的機械能量源)的車輛或者設置有電力驅動和熱力驅動的混合車輛。
背景技術：
電力驅動結合傳統熱力驅動制造混合驅動在公路車 輛中正變得越來越受歡迎。電力驅動包括使用三相(通常同步的或者永磁類型的)、可逆旋轉電機(B卩，能夠工作為通過汲取電力并且產生機械驅動扭矩的電動馬達或工作為通過汲取機械能并且產生電力的發電機)，其一方面機械地連接到或者可連接到驅動輪，并且另一方面電連接到與包括工作在高電壓(400-600伏的級別)的電化電池的存儲系統交換電力的電子電力轉換器。濾波電容器緊接于存儲系統的下游。濾波電容器安裝在電子電力變換器中，并聯連接到存儲系統的端子，具有高容量并且具有吸收/供應高頻電力的功能；換句話說，存儲系統供應/吸收交換電力的“平均值”，而濾波電容器供應/吸收交換電力的脈沖變化(這樣延長了存儲系統的電化電池的壽命，當電化電池必須交換瞬態能量時它們快速衰減)。必要時(例如，在干預的情況下或者在事故的情況下，無論何時在行駛結束時借由啟動鑰匙使車輛熄火)，存儲系統借由隔離開關與其余電路電隔離，以保證電力與電路的斷開；然而，濾波電容器設置在存儲系統的隔離開關的下游，并且通過保持處于充電，它保持電力系統持續很長時間。因此無論何時斷開存儲系統的隔離開關都需要給濾波電容器放電。如何以被動方式，即借由永久地并聯連接到電容器的放電電阻，給電容器放電，或者以主動方式，即通過將放電電阻偏置到導通模式以便產生與電容器并聯的借由其耗散電容器電荷的放電支路，是已知的。被動放電系統是非常安全的，因為它總是在工作(至少直到保證系統的機械完整性)，但是替代地它需要很長時間(幾分鐘的級另Ij)來將電容器的剩余電壓帶到安全電平，并且由于焦耳效應提供永久的能量耗散。另一方面，主動放電系統可以快速地(在幾秒鐘內)給電容器放電并且僅當使用它時才耗散能量(因此它具有絕對可忽略的能量耗散)，但是另一方面在控制系統出錯的情況下它不會被觸發，控制系統必須觸發放電晶體管。
發明內容
本發明的目的在于提供一種主動給在電力驅動車輛的電源系統中的電容器放電的放電設備和放電方法。該放電方法和設備沒有上面描述的缺陷，同時容易并且低成本地實施。
現在將參考表示其中的非限制性實施例的附圖描述本發明，其中
圖I為設置有根據本發明制造的電容器放電設備的電力驅動車輛的電源系統的視圖；圖2為在圖I中的放電設備的近似電路圖；圖3為在圖I中的放電設備的詳細電路圖；以及圖4包含表示當觸發電容器放電時在圖I中的放電設備的一些量的時間進度的圖表。
具體實施例方式在圖I中，數字I作為整體表示混合熱力/電力驅動車輛的電源系統。
電源系統I包括三相(通常同步的或者永磁類型的)、可逆旋轉電機(B卩，其可以工作為通過汲取電力并且產生機械驅動扭矩的電動馬達或工作為通過汲取機械能并且產生電力的發電機)，其機械地連接到或者可連接到車輛的驅動輪。電源系統I包括借由三個電纜4電連接到電機2并且控制電機2的電子電力轉換器3，以及適于存儲電力、包括一組鋰電池(設置有相應電化電池)、并且借由一對電纜6電連接到電子電力轉換器3的高電壓存儲系統5 (通常400-600伏)。高電壓存儲系統5具有存儲/釋放大量能量的功能，該能量在電驅動車輛時與電機2交換。電源系統I包括低電壓存儲系統7 (通常為12伏)，其適于存儲電力并且大體上包括單個鉛電池。低電壓存儲系統7用來存儲小量的電力，其使用來供應車輛以低電壓工作的輔助設備。電源系統I包括電子DC/DC轉換器8，其借由一對電纜9連接到低電壓存儲系統7以必要時供應能量到低電壓存儲系統7從而保持它隨時在充電；換句話說，電子DC/DC轉換器8從高電壓存儲系統5獲得高電壓電力并且將低電壓電力轉移到低電壓系統7。電子DC/DC轉換器8也可以是雙向類型的以轉移電力到低電壓存儲系統7或者從低電壓存儲系統7獲得電力。高電壓存儲系統5設置有隔離開關10，必要時(B卩，在保持干預的情況下或者在事故的情況下)，其自動地斷開以將高電壓存儲系統5與電源系統I的其余部分電隔離。電源系統I包括濾波電容器Ciss，其緊接在隔離開關10的下游并聯連接到高電壓存儲系統5的端子(即插入在高電壓存儲系統5與所有其他電氣裝置之間)，具有較高容量，并且具有吸收/供應高頻電力的功能。換句話說，高電壓存儲系統5供應/吸收交換電力的“平均值”，而濾波電容器Ciss供應/吸收交換電力的脈沖變化(這樣延長了高電壓存儲系統5的電化電池的壽命，當電化電池必須交換瞬態能量時它們快速衰減)。電源系統I包括放電設備11，其靠近濾波電容器Ciss布置，并聯連接到濾波電容器Ci ，并且無論何時斷開高電壓存儲系統5的隔離開關10，具有給濾波電容器Ciss放電的功能(即將濾波電容器Ciss的剩余電壓快速降低到非危險值，通常是小于50-60伏)。最后，電源系統I包括控制單元12 (通常具有微處理器)，其管理整個電源系統I的操作以及其他事務，控制高電壓存儲系統5的隔離開關10以在必要時斷開隔離開關10本身，并且因而無論何時斷開隔離開關10都控制放電設備11給濾波電容器Ciss放電。如圖2所示，放電設備11包括放電支路13，其并聯連接到濾波電容器Ciss,并且設置有放電晶體管TD，放電晶體管TD在需求給濾波電容器C J 放電時偏置到導通模式；換句話說，放電晶體管TD沿著放電支路13串聯設置并且因此工作為斷開和閉合放電支路13的開關當放電晶體管TD偏置到導通模式時，沿著放電支路13具有電連接并且因此包含在濾波電容器Ciss中的能量可以通過放電支路13被耗散；當替代地隔離放電晶體管TD時，沿著放電支路13不具有電連接并且因此包含在濾波電容器Ciss中的能量不可以通過放電支路13被耗散。串聯布置到放電晶體管TD的耗散電阻Re也存在于放電支路13中(具體地，它連接在放電晶體管TD的射極與高電壓電路的電源地(electric ground)之間)；濾波電容器(^ 的能量可以主要在放電晶體管TD是耗散，或者主要在耗散電阻R6是耗散，或者通過改變部件的尺寸以任何比例在兩者是耗散。放電設備11包括控制設備14，其連接到放電晶體管TD的柵極/基極端子，并且當需要給濾波電容器Ciss放電時通過使放電晶體管TD偏置到導通模式來控制放電晶體管TD。換句話說，控制設備14通常將放電晶體管TD的柵極/基極端子連接到高電壓電路的電源地以保持放電晶體管TD被隔離(并且因此保持放電支路13斷開)，并且控制設備14將放電晶體管TD的柵極/基極端子連接到電源電壓(優選地濾波電容器Ciss的正極端子)以使晶體管TD偏置到導通模式，并且因此當需要給濾波電容器Ciss放電時閉合放電支路13。
如圖3所示，控制設備14包括控制晶體管TC，其由控制單元12控制并且必須隔離(即，它必須為“off”或者處于非導通狀態)來允許放電晶體管TD導通。換句話說，控制晶體管TC連接到放電晶體管TD的柵極/基極端子以便放電晶體管TD僅在隔離控制晶體管TC時偏置到導通模式。具體地，控制單元12的輸出借由包括兩個連接電阻R1和R2的分壓器連接到放電晶體管TD的柵極/基極端子；從而，控制晶體管TC由控制單元12控制，其通常將控制晶體管TC保持在導通狀態中，并且當需要給濾波電容器Ciss放電時將控制晶體管TC從導通狀態偏置到隔離狀態。根據優選實施例，保證在控制單元12和控制晶體管TC設置在其中的低電壓支路與放電晶體管TD和濾波電容器Ciss設置在其中的高電壓支路之間的電隔離的光電晶體管OT插入在控制晶體管TC與放電晶體管TD之間。換句話說，控制設備14包括連接在控制晶體管TC與放電晶體管TD之間以提供電隔離的光電晶體管0T。光電晶體管OT的控制光電二極管串聯連接到控制晶體管TC，并且具體地控制光電二極管的正極借由極化電阻Rmi連接到電源，而控制光電二極管的負極連接到控制晶體管TC的集電極(控制晶體管TC的射極連接到低電壓電路的電源地，并且與高電壓電路的電源地電隔離)。放電晶體管TD的柵極/基極端子借由連接電阻Rup連接到濾波電容器Ciss的正極端子并且借由連接電阻Rdmtn連接到高電壓電路的電源地；兩個電阻Rup和Rdmtn限定分壓器，其施加濾波電容器Ciss的整個電壓的一部分到放電晶體管TD的柵極/基極端子。當控制晶體管TC偏置到導通模式時，控制設備14 (即光電晶體管0T)將放電晶體管TD的柵極/基極端子連接到高電壓電路的電源地；從而，當控制晶體管TC偏置到導通模式時，放電晶體管TD的柵極/基極端子與高電壓電路的電源地等電位，并且因此強制隔離放電晶體管TD。根據優選實施例，控制設備14包括安全電容器($4，其插入在放電晶體管TD的柵極/基極端子與濾波電容器(^&的正極端子之間；具體地，安全電容器聯連接到連接電阻Rup，并且相對于放電晶體管TD的柵極/基極端子設置在連接電阻Rup的下游。此外，安全電容器也插入在放電晶體管TD的柵極/基極端子與控制設備14之間(即光電晶體管0T)。簡要地，光電晶體管OT的射極直接連接到高電壓電路的電源地，而光電晶體管OT的集電極連接到設置在連接電阻Rup與安全電容器之間的點A (S卩，控制設備14的第一端子連接在連接電阻Rup與安全電容器Ci^之間，控制設備14的第二端子連接到高電壓電路的電源地)；并且，放電晶體管TD的柵極/基極端子直接連接到設置在安全電容器C$全與連接電阻Rdown之間的點B。如下面更詳細解釋的，當放電晶體管TD處于導通狀態時給安全電容器充電，從而保證在放電晶體管TD的柵極/基極端子處的電壓/電流的逐漸下降，直到在從開始給安全電容器充電的瞬間(S卩，從放電晶體管TD開始導通的瞬間)起的某個時間周期之后將放電晶體管TD帶到隔離狀態。根據優選實施例，放電設備11還包括放電電阻RD，其永久地并聯連接到濾波電容 器C Jgs以保證濾波電容器C Jgs的被動放電。放電電阻Rd的作用是(極其)非常重要的，即，當放電設備11完全反向時放電電阻Rd也允許(非常慢地)給濾波電容器C Jgs放電。下面參考圖3和在圖4中的時間圖表描述放電設備11的操作。在正常操作情況下(在圖4中，包括在時間Ttl和瞬間T1之間)，控制晶體管TC處于導通狀態(“0N”)中，從而電流流過光電晶體管OT的控制光電二極管(其串聯連接到控制晶體管TC)，并且因此光電晶體管OT也處于導通狀態中；當光電晶體管OT處于導通狀態中時，點A連接到高電壓電路的電源地(通過在導通狀態中的光電晶體管0T)，從而在安全電容器Ci^的端子處的電壓VA_B為O (因為點A連接到高電壓電路的電源地)，并且放電晶體管TD的柵極/基極端子的電壓Vb.也為O (也因為點A連接到高電壓電路的電源地)。當放電晶體管TD的柵極/基極端子的電壓Vb.為O時，必須隔離(”0FF”)放電晶體管TD并且因此放電支路13斷開。正好在時間瞬間T1之前斷開隔離開關10，并且因此需要快速給濾波電容器C濾波放電；因而，在時間瞬間T1，控制單元12取消來自控制晶體管TC的柵極/基極端子的信號，從而使控制晶體管TC自身偏置到非導通狀態(“OFF”)；在時間瞬間T1，取消流過光電晶體管OT的控制光電二極管的電流(由于控制晶體管TC斷開)，并且光電晶體管OT停止導通，從而點A與高電壓電路的電源地隔離。在時間瞬間T1,點A與高電壓電路的電源地隔離，并且因此點B (即，放電晶體管TD的柵極/基極端子)處于最大電壓Vmax (其值與由兩個連接電阻Rup和Rdram形成的分壓器的下降比例相關)，而安全電容器Cm開始充電(B卩，在安全電容器
的端子處的電壓VA_B開始上升)。由于安全電容器C#的逐漸充電，在安全電容器的端子處的電壓VA_B指數地增加，并且在放電晶體管TD的柵極/基極端子處的電壓VB__以互補方式下降。在時間瞬間T1與時間瞬間T2之間，在放電晶體管TD的柵極/基極端子處的電壓Vb.逐漸并且指數地在最大電壓Vmax與最小電壓Vmin之間下降，然而其足夠將放電晶體管TD保持在導通狀態中；在時間瞬間T2之后，在放電晶體管TD的柵極/基極端子處的電壓VB_eND下降到最小電壓Vmin以下，并且因此放電晶體管TD停止導通以及返回隔離狀態(“OFF”)。換句話說，在時間瞬間T2，在安全電容器Ci^的端子處的電壓VA_B到達閾值VTH，以便在放電晶體管TD的柵極/基極端子處的電壓VB__等于最小電壓VMIN，在最小電壓Vmin以下放電晶體管TD停止導通以及返回隔離狀態(“OFF”)。安全電容器Ci^起到在放電晶體管TD自身觸發起的預定時間間隔(幾秒鐘的級另Ij)之后自動關閉放電晶體管TD的“定時器”的功能；即，一旦放電晶體管TD偏置到導通模式中，它保持導通預定時間間隔，在該時間間隔的末尾安全電容器Ci^的功能保證放電晶體管TD的自動關閉。安全電容器C$全的這個功能非常重要，因為它當隔離開關10還沒有斷開就觸發放電晶體管TD時，允許保護放電支路13 (以及尤其是放電晶體管TD)不會過熱。換句話說，錯誤會使得隔離開關10還沒有斷開就將放電晶體管TD偏置到導通模式在這種情況下，高電壓存儲系統5的所有能量，比存儲在濾波電容器C^ 中的能量高很多，都會放電到放電支路13內，并且會因此快速導致放電晶體管TD和/或耗散電阻Re的熔化。替代地，由于安全電容器的作用，放電晶體管TD在所有情況下在預定時間間隔之后斷開，并且它因此防止在放電支路13中耗散比實際耗散容量更高的能量。根據優選實施例，當需要給濾波電容器(^&放電時，主動控制單元12觸發電子DC/DC轉換器8，其并聯連接到濾波電容器C ^ 并且給低電壓存儲系統7供電以將能量從濾波電容器C _&轉移到低電壓存儲系統7。此外，當需要給濾波電容器C鎌放電時，主動控制單元12觸發電子電力轉換器3，其并聯連接到濾波電容器Ciss并且控制電機2以允許電流通過電電機2循環，電機2不保證產生或吸收驅動扭矩(但是在電機的線圈中以及電子電力變換器3中的焦耳效應顯然決定某些電力耗散)。由電子DC/DC轉換器8和由并聯(即，附接)到放電支路13工作的電子電力變換器3吸收的能量允許基本上加速濾波電容器C Jgs的放·電；由此，濾波電容器C —可以被非常快速地(在小于一秒內)放電(即，在濾波電容器C濾波的端子處的電壓可以下降到非危險值以下)，盡管使用相對較小的放電晶體管TD (S卩，不具有高的散熱能力)。換句話說，電子DC/DC轉換器8和電子電力變換器3的干預有助于給濾波電容器Ciss放電，并且因此可以使用小性能放電晶體管TD (因此更小并且成本更少)，同時保持濾波電容器C_&的非常低的放電時間。值得注意的是，放電設備11就本身而言非常安全，因為為了觸發濾波電容器Ciss的放電，不需要有控制觸發(即，開啟控制晶體管TC)，但是替代地需要控制的取消(S卩，關閉控制晶體管TC):因此，在控制單元12出錯的情況下(例如，當在與控制單元12及控制晶體管TC的連接中有機械故障的情況下或者在控制晶體管TC的電壓中斷的情況下，控制單元12的微處理器復位時)，放電晶體管TD自動閉合(B卩，自動偏置到導通模式)，從而允許給濾波電容器Ciss放電。顯然，如果有錯誤的情況，為幫助(加速)濾波電容器Ciss的放電，電子DC/DC轉換器8和電子電力變換器3的干預是不現實的，但是唯一的結果是效率損失(S卩，濾波電容器Ciss的放電花費更長時間)，并且效果沒有損失(B卩，然而，盡管花費很長時間來給濾波電容器Ciss放電，即，替代小于I秒，而是幾秒的級別)。基本思想是提供具有“反向”操作的控制設備14 :實際上，濾波電容器Ciss的放電不在觸發控制之后產生，而是相反，通常通過產生撤銷控制來穩定地撤銷濾波電容器Ciss的放電；當該撤銷控制停止(由于控制單元12的選擇或者出錯之后)時，自動觸發濾波電容器 ^ 的放電。并且，將放電晶體管TD保持在導通模式中需要的能量直接來自濾波電容器Ciss，并且因此一旦已經借由放電支路13觸發放電，那么放電本身是“自我保持的”直到在濾波電容器Ciss的端子處的剩余電壓下降到非常低(S卩，不危險)的值。通過控制晶體管TC較短的時間，如果濾波電容器Ciss的放電“第一次”不(完全)有效，那么控制單元12可以重復不限次數的放電序列(在時間瞬間Ttl和T2之間)；換句話說，控制單元12能夠實施一系列的放電序列(稱為“多次主動放電”)以在多個步驟中給濾波電容器Ciss放電。例如，“多次主動放電”可以在隔離開關10堵塞在閉合結構中時使用，具有間隙性的操作，或者以異常延遲(幾秒鐘的級別)斷開。“多次主動放電”允許保證嘗試隨著時間推移給濾波電容器Ciss放電，即使在出錯的情況下(例如，在隔離開關10出錯的情況下)，同時避免在放電支路13中的過熱導致的故障。借由實例，在上面描述中，參考具有集電極、柵極/基極端子和射極的雙極結型晶體管(BJT);在有利等同實施例中，顯然可以使用具有漏極、門極和源極的場效應晶體管(通常具有MOSFET技術)。上面描述的放電設備11具 有多個優點。首先，上面描述的放電設備11是簡單的并且可以低成本地實施，因為它包括較少元件，其是容易獲得并且低成本的。并且，上面描述的放電設備11確保(自動地)觸發濾波電容器Ciss的放電的可能性，即使在控制單元12中存在故障(例如，由于缺乏電源或者微控制器復位)的情況下，在電子系統I中存在故障(例如，連接器的脫離或者保險絲斷開)的情況下，以及即使在低電壓存儲系統7的總斷開的情況下，在這種情況下在車輛上的所有電子控制單元停止工作并且斷開。由此，放電設備11大大地簡化了在自動應用中的綜合安全分析，因為“反向”分析方法可以實施來取代分析放電設備11在具有所有可能故障的情況下的反應也就是，只要放電設備11是完整的，那么就會取消在存在有故障情況下自動產生的放電。換句話說，放電設備11是非常強大的，即使在多種故障的情況下。最后，放電設備11具有“固有的”熱保護(即，不受外部元件的干預，而是直接由被動部件保證，并且具體地由安全電容器保證)，因為自動限制在放電支路13中在放電支路13的每個單次觸發時可以耗散的電力量。
權利要求
1.ー種用于在電カ驅動車輛的電源系統(1)中的主電容器(c濾'波)的主動放電的放電設備(11);所述放電設備(11)包括 電路的放電支路(13)，其并聯連接到所述主電容器(Cj )并且其包括在需求它給所述主電容器(CjSS)放電時應該偏置到導通模式的放電晶體管(TD);以及 控制設備(14)，其連接到所述放電晶體管(TD)的柵極/基極端子，并且當需求它給所述主電容器(( ^)放電時命令所述放電晶體管(TD)將它偏置到導通模式； 所述放電設備(11)的特征在于，它包括控制單元(12)，其在需要給所述主電容器(( &)放電時觸發電子高電壓電力轉換器(3)，該電子高電壓電力轉換器(3)并聯連接到所述主電容器(Cj )并且驅動電機以便于使不導致產生和吸收扭矩的電流循環通過所述電機。
2.如權利要求1所述的放電設備(11)，其中，當需要它給所述主電容器(( ^)放電時，控制單元(12)觸發電子DC/DC轉換器(8)，其并聯連接到所述主電容器(Cj )并且提供電力給低電壓儲能系統，以便于使能量從所述主電容器(Cj )轉移到所述低電壓儲能系統。
3.如權利要求1或2所述的放電設備(11)，并且其包括永久并聯連接到所述主電容器(Cm)的放電電阻(rd)。
4.ー種用于在電カ驅動車輛的電カ系統(1)中的主電容器(C濾'波)的主動放電的放電方法; 所述方法包括當需要它給所述主電容器(Cj^)放電時使放電晶體管(TD)偏置到導通模式以便在電路中產生放電支路(13)的步驟，在所述主電容器(Cj )中累積的能量通過所述放電支路(13)放電； 所述放電方法的特征在于，它包括在需要給所述主電容器(Cj )放電時觸發電子高電壓電カ轉換器(3)的進ー步步驟，該電子高電壓電力轉換器(3)并聯連接到所述主電容器(0*&)并且驅動電機以便于使不導致產生和吸收扭矩的電流循環通過所述電機。
5.如權利要求4所述的方法，并且包括當需要給所述主電容器((_)放電時，觸發電子DC/DC轉換器(8)的進ー步步驟，該電子DC/DC轉換器(8)并聯連接到所述主電容器(( 波)并且提供電カ給低電壓儲能系統(7)，以便于使能量從所述主電容器(Cj )轉移到所述低電壓儲能系統(7)。
全文摘要
一種用于主動給在電力驅動車輛的電源系統(1)中的主電容器(C濾波)放電的放電設備(11)；放電支路(13)并聯連接到所述主電容器(C濾波)并且設置有放電晶體管(TD)；控制設備(14)連接到所述放電晶體管(TD)的柵極/基極端子，并且當需要給所述主電容器(C濾波)放電時通過將它偏置到導通模式來控制所述放電晶體管(TD)；并且當需要給所述主電容器(C濾波)放電時，控制單元(12)觸發提供電力給低電壓儲能系統(7)的電子DC/DC轉換器(3)，并且觸發控制電機(2)來電流循環通過所述電機(2)的電子電力轉換器(3)，所述電流不導致產生和吸收驅動扭矩。
文檔編號H02J7/00GK102957186SQ20121028773
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月13日 優先權日2011年8月12日
發明者里卡爾多·維安西諾, 法比奧·貝爾納迪, 喬瓦尼·朱弗雷 申請人:馬涅蒂-馬瑞利公司