电能存储器的主动放电的方法、控制装置、电路设备和机动车与流程

本发明涉及一种用于通过电路装置对电能存储装置进行主动放电的方法，该电路装置包括至少一个由两个开关元件构成的半桥，其中，半桥与能量存储器并联连接，并且开关元件分别具有可开关/可切换的部段，其电阻在开关元件的通行模式中可以通过开关元件的控制电压来设置。此外，本发明涉及一种控制装置、一种电路设备和一种机动车。

背景技术：

1、例如在电动或混合动力车辆的牵引网络中的中间电路电容器的情况下，用于电能存储器的主动放电的功能是必须的。在那里，一个或多个中间电路电容器布置在牵引电池和用于运行电机的逆变器之间。这种类型的牵引网络通常实施为高压车载电网，其具有超过60v的电压。在这样的电压中，需要对中间电路电容器的快速且可靠的放电，例如当机动车停止运行时或当存在导致机动车或其车载电网的断开的故障情况时。除了机动车以外，对电能存储器进行放电的需要也可能出现在其他的设备中。

2、引起主动放电的一种已知的可能性是，电阻负载与能量存储器有针对性地并联连接，存储在能量存储器中的能量通过该电阻负载被转换成热量。然而，这种解决方案具有以下缺点，即一方面需要附加的放电电路，并且另一方面对负载的构造有相当大的要求，因为在放电期间出现的电流可能会变得非常大，并且由此在电阻中在短时间内产生的热量必须高效地被导出。

3、对中间电路电容器进行放电的另一种已知的可能性在于，通过逆变器的半桥对中间电路电容器进行放电。为此，通过两个开关建立短暂的短路。通过该短路降低了电压，并且因此也降低了中间电路电容器中的能量。存储在中间电路电容器中的能量在此在半桥中或在形成半桥的两个开关中转化为热量。例如，在de 10 2016 207 373 a1、de 10 2017121 579 a1和de 10 2018 202 661 a1中描述了这种类型的方法。

4、ep 2 475 085 a1描述了一种方法，在该方法中，在中间电路电容器被充电之前降低开关元件的栅极电压，中间电路电容器布置在与包括开关元件的逆变器连接的直流中间电路中。由此，可以减小为了充电而馈入电容器中的电流。

5、us 2019/0296634 a1描述了一种用于检测高压网络中的电压过高和/或冲击电压的电路装置。根据检测到的过压，通过对开关元件的栅极电容进行充电或放电来调整开关速度。

6、us 2015/0280611 a1描述了一种具有中间电路电容器和逆变器的电路装置。在此，为中间电路电容器的主动放电设置放电电路，该放电电路包括开关和负载并且与中间电路电容器并联连接。

技术实现思路

1、本发明的目的是，说明一种用于通过电路装置对电能存储器进行主动放电的改进的方法，该方法尤其降低了在放电期间电路装置的构件的负载。

2、为了实现该目的，在开头所述的类型的方法中根据本发明规定，为了使能量存储器放电，根据描述能量存储器的放电电流的数值的放电电流规范来设置在通行模式中的开关元件的可开关的部段的控制电压的数值和/或导通持续时间与关断持续时间之间的比，在导通持续时间内，开关元件的可开关的部段在放电期间以通行模式运行；在关断持续时间内，开关元件的可开关的部段在放电期间以阻断模式运行。

3、可以通过在通行模式中的控制电压的数值来设置开关元件的可开关的路径的电阻。由此，可以预设放电电流(利用该放电电流对电能存储器进行放电)的电流强度，因为该电流强度除了电能存储器的电压以外还依赖于开关元件的电阻，通过开关元件对能量存储器进行放电。形成至少一个半桥的开关元件尤其是分别实施为晶体管。为了设置在通行模式中的可开关的路径的电阻的数值，半桥的开关元件的控制电压在此尤其可以分别设置为阈值电压与相应的开关元件的最大允许的接通电压之间的数值。

4、依赖于在能量存储器的主动放电中根据放电电流规范应该流动的放电电流的数值，也可以附加地或备选地调整在开关元件的脉冲模式中的导通持续时间与关断持续时间之间的比的变化。导通持续时间在此描述了开关元件以通行模式运行的时间，即发生大量电流流过可开关的路径的时间，而关断持续时间描述了开关元件的可开关的部段在阻断模式下运行的时间，即因此没有出现大量电流流过开关元件。

5、放电电流的数值在此例如可以与电流流动的时间平均值相关，该电流流动基于开关元件的脉冲模式产生。该时间平均值可以通过至少一个半桥的开关元件的导通持续时间与关断持续时间之间的比的变化来调整。在脉冲模式中，附加地也可以在相应的导通持续时间期间设置开关元件的可开关的路径的电阻，以便限制至少一个半桥的导通阶段中的电流流动。

6、为开关元件的可开关的路径设置限定的电阻以及在开关元件的脉冲模式中调整导通持续时间与关断持续时间之间的比能够实现的是，在主动放电期间减小开关元件的负载。流过开关元件的较低的电流强度引起这些开关元件的小的发热。改变导通持续时间与关断持续时间之间的比在此能够实现从开关元件到分配给电路装置的冷却器的更好的热传输，因为在关断阶段中，在开关元件中没有热量产生。

7、与在短路的开关元件的永久或脉冲的运行中放电能量存储器相比，因此提供以下优点，即流动的放电电流不对应于短路电流，并且因此在半导体结构元件中仅产生较少的热量。被设置的放电电流和/或在导通持续时间与关断持续时间之间的被设置的比例如可以被选择为，使得开关元件的温度保持低于临界值，例如低于200℃的结温。开关元件的构件应力和例如构造为电容器的能量存储器的构件应力可以通过减小放电电流来减小。有利地，这能够实现的是，提高构件的使用寿命并且可以避免构件的归因于能量存储器的主动放电的磨损。

8、因此可以有利地避免出现非常高的温度梯度，如在高的短路电流的情况下是这样的情况。即使在开关元件断开的情况下，也可以通过减小放电电流来降低开关元件处的电压过高，这同样有利地导致构件应力的减小。构件应力的减小有利地导致的是，例如，实施为半导体结构元件的开关元件可以实施有更小的半导体面，因为在主动放电中，更小的负载允许半导体的不太坚固的设计。因此可以有利地省去为确保构件的需要的使用寿命而过大尺寸的半导体结构元件。此外，由于更小的材料需求，可以实现制造成本的降低。

9、此外，对开关元件中限定的电阻的设置或对导通持续时间与关断持续时间之间的占空比的调整能够实现限定的放电过程，限定的放电电流在该限定的放电过程中流动，并且因此在该限定的放电过程中可以在开关元件中产生限定的和受限制的功率输入。此外，通过选择期望的放电电流，还可以设置为了能量存储器的完全放电所需的持续时间，从而针对不同的场景能够实现能量存储器的不同的放电速度。例如，能量存储器可以在10秒或更短的时间内、优选在5秒内、尤其是在1秒或更短的时间内放电。

10、在本发明的范围内，在能量存储器的主动放电的情况下描述了放电过程，在该放电过程中，能量存储器在限定的时间段内有针对性地完全或至少几乎完全地放电。因此，主动放电是一种方法，该方法的目的是能量存储器的放电并且因此不包括能量存储器的任何放电，这种放电可以在与电路装置连接的设备、例如电机的运行中发生。尤其是在电路装置断开时，可以执行主动放电，以便将电路装置转移至限定的和安全的状态中。

11、有利地，当在频繁接通和关断的电路装置中使用根据本发明的方法时，可以通过使用与短路电流相比减小的电流来明显改进构件的负载。有利地，这可以尤其是在一些功能中实现，其中能量存储器的放电对时间要求不严格，例如在能量存储器由于电路装置或包括电路装置的设备的定期断开而导致的放电的情况下。因此有利地，该方法可以使用在机动车的电路装置中，尤其是机动车的牵引网络中，这是因为在机动车中，在车辆的使用寿命内，例如在机动车停止后可能发生多次的断开过程。

12、根据本发明可以规定，控制电压的数值和/或导通持续时间与关断持续时间之间的比在放电期间根据至少一个描述能量存储器的放电电流和/或电压的测量参量来设置、尤其是调节。在此有利地，可以根据能量存储器的放电电流进行调节，该放电电流通常已经针对其他的目的在测量技术上被检测。尤其能够通过控制电压调节可开关的路径的电阻，或者调节导通持续时间与关断持续时间之间的比，在此在设置期望的放电电流时直接通过电压测量或间接通过电流测量考虑能量存储器的电压降。

13、在此，可以使用控制电压的主动调节。为此，控制电压可以通过尤其构造用于执行该方法的控制装置在预设的时间段内可变地产生。以该方式，可以利用不同大小的控制电压并且因此利用可开关的路径的不同的电阻来控制开关元件。为此，控制装置尤其可以与测量装置(其测量描述能量存储器的放电电流和/或能量存储器的电压的测量参量)连接，从而能够根据这些参量中的一个来调节控制电压。

14、在本发明的优选的设计方案中可以规定，通过放电电流规范来预设在放电期间恒定的放电电流。为此，例如，控制电压在放电期间连续增大，从而减小可开关的路径的电阻。由于能量存储器电压在能量存储器放电时产生的下降，因此存在恒定的电流流动。恒定的电流流动也以如下方式产生，即将多个半桥用于给能量存储器放电，其中，通过调整相应的半桥的开关元件的导通持续时间和/或关断持续时间，即使在两个或更多与能量存储器并联连接的半桥的脉冲模式中也可以产生恒定的电流流动。

15、通过放电电流规范预设恒定的充电电流并且相应调整可开关的路径的电阻或相应的开关元件的导通持续时间与关断持续时间之间的比能够实现能量存储器的线性的或恒定的放电。这避免了，能量存储器的放电曲线在结束时非常缓慢地下降，尤其是在使用恒定的电阻对能量存储器进行放电时可能发生这种情况。有利地，可以通过使用描述恒定的放电电流的放电电流规范来预设时间窗，在该时间窗中，能量存储器的放电引起了低于预设的电压值的能量存储器电压，尤其是小于60v的电压或触摸安全低电压。

16、根据本发明可以规定，根据描述开关元件的使用时长和/或老化的信息来设定恒定的放电电流的数值，尤其地，在使用时长增加和/或老化增加的情况下预设放电电流的更小的数值。这能够实现，根据开关元件的使用时长和/或老化来预设更小的放电电流数值，从而可以确保开关元件的期望的使用寿命。与通过能量存储器的至少短期的和/或脉冲式的短路的放电相比，由此可以实现开关元件和/或能量存储器的使用寿命的明显的提高。

17、老化信息例如可以描述开关元件的使用时长，即例如从安装电路装置开始经过的时间。开关元件的老化例如可以描述开关元件的先前的运行持续时间，即电路装置已接通和/或已运行的持续时间。放电电流对使用时长和/或老化的依赖性例如可以根据不同的使用时长阶段和/或老化阶段逐渐进行。也可以通过分配规则针对使用时长和/或老化连续分配放电电流的数值。

18、确定老化信息和/或根据老化信息确定恒定的放电电流例如可以由构造用于执行该方法的控制装置来执行。这也可以包含老化信息，或跟踪并且存储开关元件的连续的老化。

19、根据本发明可以规定，使用具有多个分别与能量存储器并联连接的半桥的电路装置、尤其是构造为多相脉冲逆变器的电路装置。在此例如，能量存储器可以与逆变器的直流电流侧连接。电路装置的电机在此例如可以通过逆变器的交流电压侧被通电。

20、根据本发明可以规定，在能量存储器的放电期间，多个半桥的开关元件的可开关的路径分别以脉冲模式在阻断模式与通行模式之间切换。通过多个半桥的开关元件的脉冲模式可以实现的是，在半导体中的损耗功率或在能量存储器放电时在那里产生的热量可以更好地导出到分配给电路的冷却器中。

21、通过在脉冲模式中产生的脉冲暂停确保的是，来自形成开关元件的半导体芯片的损耗热量被转移到冷却器，因为芯片的热质量是非常小的。在没有多个半桥的脉冲模式的情况下，经由多个阶段在时间上错开的或甚至同时的放电是不期望的，因为短路电流会变得太大并且可以明显增大功率半导体中和能量存储器中的构件应力。通过脉冲模式可以有利地实现的是，减少开关元件的发热，并且由于开关元件的低的热质量可以避免开关元件的损坏或过度负载。由此也可以实现的是，开关元件的温度保持在临界值以下，例如低于200℃的结温，因为通过关断阶段提供足够的时间将热量转移到冷却器中。

22、此外实现的是，在半桥中的一个出现故障(故障使该半桥持续处于非导通的状态中)的情况下，通过更换用于放电的半桥可以继续实现能量存储器的放电。此外，半桥尤其是在使用所有半桥来放电的情况下均匀地受负载，从而不会产生单个半桥的过度磨损。半桥优选如下地运行，即，在放电过程中产生该半桥的各个开关元件的至少基本上相同的导通持续时间。

23、在本发明的优选的设计方案可以规定，在放电期间根据放电电流的数值，将半桥中的多个的开关元件的导通持续时间与关断持续时间之间的比被设置为，在通行模式中，恰好其中一个半桥的开关元件以循环交替的方式被接通，或者在通行模式中，其中至少两个半桥的开关元件周期性地至少临时被同时接通。

24、根据可调节的放电电流的大小，因此可以实现两种不同的场景。在第一场景中，总是交替将恰好其中一个半桥切换导通，其中，在多个半桥之间循环切换。以该方式实现半桥的开关元件的均匀的负载，由此可以有利地最小化各个开关元件中的构件应力。

25、为了实现大的放电电流或者更短的放电时间，可以在第二场景中规定，至少其中两个半桥同时切换为导通的，从而由于并联连接可以实现更大的放电电流，而不必使甚至更大的电流分别在开关元件中流动。两个或更多个分别被切换为导通的半桥也可以周期性地被切换，从而在此也产生分别用于放电的半桥的更均匀的负载。

26、根据本发明可以规定，在预设最大放电电流时，至少其中两个半桥的开关元件同时在通行模式中至少临时周期性地被接通，其中，在通行模式中，通过控制电压设置尽可能小的电阻。例如，在能量存储器在紧急情况下的快速放电中，可以预设最大放电电流。在此，开关元件的控制电压可以切换为最大允许的控制电压、例如最大允许的栅源电压或最大允许的基极-发射极电压。以该方式，在开关元件的通行模式中设置尽可能小的电阻，并且可以与两个或更多个半桥在接通状态下的至少临时并行的运行一起，对能量存储器进行尽可能快地放电。

27、这种用于紧急情况的快速放电的方法可以被选择，尤其是当涉及计划外的断开或由于电路装置或包括该电路装置的设备中的故障或失灵而导致的断开时。在该情况下，可以接受构件的负载的增加，因为涉及若干单个情况，而不涉及具有预期的高循环次数的过程，例如在电路装置的定期断开时是这样的情况。此外，通过提供用于快速放电的功能可以实现的是，能量存储器尽可能快地被放电，并且电路装置因此也可以尽可能快地转移至限定的、安全的状态中。

28、根据本发明，晶体管、尤其是由碳化硅制成的金属氧化物半导体场效应晶体管可以用作开关元件。实施为mosfet或sic-mosfet的开关元件在此具有以下优点，即其沟道电阻(即其可开关的漏源路径的电阻)可以通过接通电压(即相应的开关元件的栅源电压)被设置为几乎任意的电阻值。为了设置构造为mosfet的开关元件的漏源路径的电阻，可以例如通过控制装置来主动调节栅源接通电压，如上面描述的那样。在此，为了接通开关元件，尤其可以选择栅源电压，其大于半导体的阈值电压、例如大于5v，并且小于开关元件的最大允许的电压、例如小于15v或18v。

29、在本发明的优选的设计方案中可以规定，尤其是具有250v至1500v之间的电压的高压电网的中间电路电容器用作能量存储器。高压电网尤其可以是机动车的牵引电网，通过该牵引电网可以给机动车的牵引电机供电。在此，电路装置优选可以实施为逆变器电路，该逆变器电路能够在电路装置的正常运行中为电机供电。

30、针对根据本发明的控制装置规定，该控制装置构造用于产生与控制装置连接或可连接的电路装置的至少一个半桥的至少两个开关元件的控制电压，其中，控制装置设置用于执行根据本发明的方法。

31、因此，控制装置设置用于，根据放电电流规范实现开关元件的控制电压和/或开关元件的导通持续时间与关断持续时间的比的适配，该放电电流规范描述了能量存储器的放电电流的数值。尤其地，控制装置可以设置用于也相应运行电路装置、尤其是三相逆变器，从而其可以相应产生用于分别至少六个开关元件的控制电压。这可以优选通过主动调节开关元件的控制电压来进行。

32、针对根据本发明的电路设备规定，该电路设备包括根据本发明的控制装置、电能存储器和具有至少一个由两个开关元件构成的半桥的电路装置，其中，半桥与能量存储器并联连接，并且开关元件分别具有可开关的部段，其电阻可以通过开关元件的控制电压调节。

33、针对根据本发明的机动车规定，其包括根据本发明的电路设备。

34、在此，电路设备尤其可以形成机动车的牵引车载电网的一部分。电能存储器优选是中间电路电容器，其布置在牵引车载电网的直流电压中间电路中。

35、以上关于根据本发明的方法描述的所有优点和设计方案相应适用于根据本发明的控制装置、根据本发明的电路设备和根据本发明的机动车。关于根据本发明的控制装置、根据本发明的电路设备和根据本发明的机动车所描述的优点和设计方案也相应适用于相应其他的根据本发明的设备和根据本发明的方法。