具有他励同步电机的机动车和高压电网中电容器主动放电的方法与流程

本发明涉及一种机动车，其具有他励同步电机、为他励同步电机分派的用于给励磁绕组供电的励磁电路和连接到高压电网的、尤其包括与同步电机相关联的转换器的电力电子装置，该电力电子装置具有至少一个高压电网侧的电容器，尤其是中间电路电容器和/或抗干扰电容器。此外，本发明涉及一种对这种机动车中的至少一个电容器进行主动放电的方法。

背景技术：

1、在混合动力车辆和纯电动车辆中使用电机，电机与相应的电力电子装置或电力电子部件相关联，该电力电子装置或电力电子部件连接到车辆侧的高压车载电网(以下简称为高压电网)。电力电子装置例如可以包括动力设备转换器、高压直流变压器、车载充电器、电动空调压缩机和/或电加热器，其连接到高压电网。高压电网的运行电压通常大于200v，并且例如可以在350伏到860伏的范围内。

2、许多这样的高压部件、即电力电子装置可以在连接至高压电网的一侧被分派有电容器、尤其是中间电路电容器和/或抗干扰电容器、例如x级的抗干扰电容器。出于使用安全和功能安全的原因，这种电容器通常被分派有用于主动放电的电路，电容器例如在故障情况下应当通过该电路快速放电。

3、在现有技术中已知的放电电路通常由半导体开关元件、例如igbt或mosfet和欧姆负载、即放电电阻构成，在主动放电期间，能量通过该放电电阻被转换为热。对于主动放电存在相应的放电要求、例如规定的放电时间和/或规定的最低电压水平。

4、在此，在现有技术中已知了通过放电电路实现主动放电的多种可能性。其问题是，由于中间电路电压高或电容器上的一般电压高以及所需的放电功率高，放电电阻必须设计得非常大，尤其是巨大。由于高的热负载导致的巨大设计，导致结构空间密集的大放电电阻，其必须单独安装在机动车内，例如安装在容纳电力电子装置的壳体内。例如建议，在这种壳体中螺纹连接水泥电阻。

5、作为巨大的、结构空间密集的放电电阻的替代方案还建议，使用多个抗脉冲的smd厚膜电阻进行主动放电。然而，这些smd厚膜电阻是非常昂贵的，并且由于它们的数量而在电路板上需要相当大的面积。当用于主动放电时，对电路板中或电路板上造成大量的热输入。

6、总之，在现有技术中使用放电电路来主动放电，放电电路利用分立的结构元件，例如在常规的电路板上实现。放电电路的构件的冷却在此通过具有环境温度的空气的自由对流、尤其在容纳电力电子装置的壳体内部进行。

7、在功能安全性方面还必须确保，主动放电可以一次紧接着一次地发生多次，因此电能可以连续多次转换为热。这对放电电路的鲁棒性和使用寿命提出了附加的高要求。总之，对放电电路的热设计，尤其对放电电阻提出了极高的要求。在此，甚至可能需要使用多个放电电阻。因此存在多个缺点。

8、因此，例如在放电电阻、组装和连接技术、放电电阻的连接、用于监控放电电阻所需的附加温度测量方面，并且也由于冷却连接差而导致的放电电路所需尺寸过大，在现有技术中存在较高的材料成本耗费。在放电电路方面的开发成本和开发耗费是非常高的，因为在电路板上和/或在容纳电力电子装置的壳体内存在放电电阻的集成耗费。放电电路必须设计有相应的热质量，并且可能需要附加的过滤器和用于温度测量的抗干扰措施。最后，尤其由于热负载而使放电电路或放电电阻的鲁棒性较差。

9、de 10 2014 202 717 b3公开了一种用于确定中间电路电容器的容量的系统和用于驱动变换器的方法，其中，为了测量容量而建议，通过变换器的半导体开关在线性或主动运行中至少部分给中间电路电容器(其给变换器提供直流电压)放电，从而可以与中间电路电容器处的电压损耗相关联地设置半导体开关的升温。借助热模型来推断在放电期间转换的热能。

10、cn 107196546 a公开了一种电机控制器的主动放电系统。在此建议，使分派给中间电路电容器的转换器中的半导体开关在线性范围内运行，从而使得这些半导体开关可以提供放电电阻。

11、us 2019/0320549a1公开了一种用于电动车辆的电源的变换器模块。在此，变换器壳体装置可以具有用于主动放电的电路板，该电路板包括主动放电电路。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是，提供一种对机动车中的电容器、尤其是中间电路电容器进行放电可行方案，该方案成本低、耗费低、复杂度低并易于实现。

2、为了实现该目的，根据本发明，对于上述类型的机动车规定，励磁电路在放电路径中具有至少一个半导体开关，该放电路径与高压电网的接头连接并且不包括励磁绕组，其中，该控制装置设计用于通过闭合放电路径的所述至少一个半导体开关来对所述至少一个电容器进行主动放电。

3、因此，本发明利用的是，由于使用他励同步电机，还存在励磁电路，该励磁电路可以用于集成地实现主动放电。为此，励磁电路设计为，使得存在在励磁绕组外部延伸的、即桥接/跨接励磁绕组的放电路径，一旦所述至少一个半导体开关全部闭合，那么该放电路径通过放电路径的所述至少一个半导体开关建立高压电网到励磁电路的接头之间的导电连接。通过由放电路径提供的这种导电连接，可以进行所有设置在高压电网侧的电容器、尤其是中间电路电容器和/或抗干扰电容器的放电。在控制装置中存在示出需要主动放电的信号的情况下，控制装置可以驱动放电路径的至少一个半导体开关闭合，并且因此能够实现通过放电路径的放电。每当这在使用安全和功能安全方面是适宜的时，可以设置主动放电。例如，当在机动车上进行工作时，当发生事故和/或存在任何其他的故障情况，尤其是关于高压电网和与其连接的高压部件的故障情况时，可以进行这种放电。相应的情况和信号在在现有技术中此前使用的放电电路方面在很大程度上是已知的。

4、为此，现有的拓扑结构仅须稍微被修改，例如以至少一个另外的半导体开关来扩展。通过修改励磁电路，为此可以省略常规的、在现有技术中已知的放电电路，其例如实现为转换器部件的一部分。在组装和连接技术方面不需要附加的耗费，因为总归存在的励磁电路可以集成地实施附加功能。对设计进行优化，并且显著减小整个系统。此外还改进主动放电的鲁棒性。在此，如上所述，集成的基础是他励同步电机的应用，他励同步电机针对励磁功率需要励磁电路。换言之，“主动放电”电路部分由励磁电路(其例如可以作为励磁功率模块提供)形成，并且至少一个电容器、尤其是中间电路电容器可以例如在故障情况下通过放电路径主动放电，该放电路径例如可以在励磁电路中形成新的相支路。由此不再需要分立的放电电路。

5、在此可以特别有利地规定，通过使所述至少一个半导体开关中的至少一个在线性范围内运行来提供放电电阻的至少一部分。因此可想到的是，放电路径的所述至少一个半导体开关中的至少一个中不是完全闭合，而是被控制装置用于线性运行，在线性运行中，该半导体开关具有特定的欧姆电阻，该欧姆电阻可用作放电电阻。通过使用放电路径的所述至少一个半导体开关中的至少一个作为电阻，尤其是在“电流控制阀”的意义中，不必设置分立的电阻结构元件。

6、在根据本发明的过程中，尤其是在励磁电路本身的区域中，例如在尤其在线性范围内运行的至少一个半导体开关处，通过放电最终也产生热能。在这方面，本发明的适宜的设计方案可以规定，控制装置在主动放电时设计用于，至少短时地以脉宽调制的方式驱动放电路径的所述至少一个半导体开关中的至少一个。因此，通过脉宽调制可以使如此驱动的半导体开关的断开状态和闭合状态之间实现非常快的切换，从而能适当地调整存在电流的时间比例，使得不会发生过多的热产生和/或热负载，但另一方面，仍然可以足够快地，尤其在满足要求的情况下进行至少一个电容器的放电。也就是说，放电路径的所述至少一个半导体开关中的至少一个可以被“以节拍控制”(antakten)。因此，即使在待放电的压、例如中间电路电压较高的情况下，和/或在不太合适的环境条件下(例如鉴于总归存在的环境温度或所述至少一个半导体开关中的至少一个的温度)，也能够通过脉宽调制来进行适当调整的放电。虽然原则上自然可想到的是，从最坏的情况开始调节脉宽调制的固定的占空比，但本发明的一种特别适宜的改进方案规定，控制装置设计用于，根据待放电的电压的大小和/或放电路径的至少一个半导体开关中的至少一个的通过测量单元测量的温度来调节脉宽调制的占空比。换言之，占空比、即驱动脉冲、脉宽调制的长度可以与待放电的中间电路电压的大小和/或半导体温度相关。占空比在此可以由控制装置调节，该控制装置可以对应于中央控制装置。

7、在本发明的一个特别有利的设计方案中，励磁电路的总归给定的基本的设计方案可以通过微小的修改来改进以提供放电路径。因此，励磁电路可以具有形成至少一个半桥的桥电路，该桥电路具有四个支路，所述支路分别使励磁绕组的连接点与高压电网的接头相连接，所述支路分别包括续流二极管，其中，所述至少一个放电路径包括两个与高压电网的接头相连接的、具有桥接相应的续流二极管的半导体开关的支路。使用励磁电路中的半桥允许提供励磁电路的特定的期望的附加状态，尤其是续流和/或主动短路。在此，在本发明的范围内可能特别适宜的是，在主动放电时提供至少关于励磁绕组的主动短路，这在在此描述的设计方案中能够以特别简单的方式和方法实现。也就是说，尤其可以规定，至少在通过放电路径的一个支路和另一个的支路在励磁绕组的连接点之间形成的短路路径中，为属于该另一支路的续流二极管提供有桥接该续流二极管的半导体开关，其中，所述控制装置为了在主动放电时建立安全状态还设计用于，闭合该另一支路的半导体开关以建立励磁绕组的主动短路状态。这意味着，在主动放电的范围内，他励同步电机可以在安全状态下，即在主动短路状态下运行。励磁绕组的主动短路确保了，在主动放电期间绝不会有能量通过旋转的电机馈入到高压电网，尤其是中间电路。

8、在此，尤其可以基于使用两个半导体开关的半桥架构，所述两个半导体开关分别设计为可以以桥接续流二极管的方式使励磁绕组的其中一个接头与高压电网的其中一个接头连接。因此，为了提供放电路径本设计方案实现了，仅须在剩余支路中的一个中以桥接续流二极管的方式提供半导体开关，使得在闭合三个开关时，一方面通过放电路径进行主动放电，另一方面，还提供励磁绕组的主动短路，其中，与所谓的附加半导体开关对应的支路既属于放电路径又属于短路路径。

9、在上下文中，在设置的脉宽调制驱动中优选的是，控制装置设计用于选择出不属于短路路径的半导体开关以用于脉宽调制驱动和/或用于在线性范围内运行。以该方式，即使在脉冲之外的时间内，主动短路也不受切换过程和/或用作放电电阻的欧姆电阻的影响，并且在整个放电过程期间相应地被以等效和持续的方式保持。

10、此外，在此特别适宜的是，他励同步电机通过尤其三相的转换器连接到高压电网，其中，控制装置除了设计用于驱动转换器以产生主动短路以外还设计用于在主动放电时产生安全状态。在该情况下，主动短路不仅通过使励磁绕组短路的短路路径引起，而且通过使经由转换器连接的绕组短路的短路路径引起。在此，在该情况下通常要注意的是，特别有利地可以在转子一侧设置励磁绕组，而定子绕组通过转换器连接到高压电网，从而使得定子绕组可以馈入在那里产生的电功率，或他励同步电机可以以来自高压电网的电功率运行，尤其用以驱动机动车。

11、换言之，定子绕组通过转换器与高压电网连接，其中优选三相地工作。如果转换器和励磁电路在短路路径的意义上相应被驱动，则他励同步电机的所有绕组处于主动短路中，并且尤其不能将另外的功率馈入高压电网中，另外的功率然后必须附加地被导出。此外，在主动的充电运行期间，他励同步电机处于一安全状态中，从而以最大的集成性和鲁棒性提供尽可能高的功能安全。在此，在上下文中还要注意的是，所述至少一个电容器中的至少一个可以作为中间电路电容器被分派给转换器或属于该转换器，这原则上是已知的。

12、当机动车还包括具有散热器/冷却体的冷却装置时，本发明实现另外的优点，励磁电路热连接到该散热器以用于散热。因此，如果励磁电路总归被冷却，那么在主动放电的范围内产生的热量也可以通过散热器导出，因此在相应的电路部分中、尤其沿放电路径使得主动放电导致的热负载保持很小。在此，散热器尤其可以具有被冷却流体流过的至少一个通道和/或空腔，以便在这方面实现改进的冷却效果。通道和/或空腔可以连接到用于冷却流体的冷却回路，该冷却回路可以是冷却装置的一部分。

13、在上下文中还可以特别有利地规定，电力电子装置的至少一部分热连接到散热器以用于散热，尤其作为包括壳体的至少一个功率模块。例如，对于转换器可以为不同的相设置有在自身壳体中的功率模块，功率模块可以例如并排施加到散热器上，并且可以热连接到散热器上。由于励磁电路例如可以实现为励磁功率模块，该励磁功率模块可以与转换器的功率模块相应地固定在散热器上，所以除了功率模块以外励磁电路也热连接到散热器。以该方式提供一种非常紧凑的、冷却效率高的布置结构，该布置结构能够实现快速的、有效的、鲁棒的和低热负载的主动放电功能，这是因为励磁电路被冷却并且主动放电的功能也被集成到励磁电路中。

14、总之，本发明因此允许显著减少材料成本的成本耗费，这是因为可以省去放电电阻和分立的驱动半导体。尤其当励磁电路通过散热器主动冷却时，放电路径的至少一个半导体开关可以设计得较小，这是因为该至少一个半导体开关连接到冷却装置的主动冷却部。不再需要多个放电电阻。在制造和安装时，成本耗费和工作耗费一样也明显减少，这是因为在放电电路的放电电阻和必要时分立的另外的部件方面不再需要耗费。尤其在冷却连接的情况下，“主动放电”电路部分的鲁棒性得到提高，其中，已经仅通过将功能集成到励磁电路中而提高鲁棒性。通常，通过省去放电电阻可以减轻重量，并且所需的结果空间较小。灵活性得到提高。

15、除了机动车以外，本发明还涉及一种用于对根据本发明的类型的机动车的高压电网中的电容器进行主动放电的方法，其中，在控制装置中存在指示出主动放电的必要性的信号的情况下，控制装置驱动放电路径的至少一个半导体开关以使之闭合。关于根据本发明的机动车的所有实施方案可以类似地转移至根据本发明的方法，因此，利用这些实施方案同样可以获得已经提到的优点。在此尤其地，可以对所述至少一个半导体开关中的至少一个进行脉宽调制驱动，如上所述，其中，尤其可以根据待放电的电压的大小和/或温度测量值来调节占空比。此外，通过所述至少一个半导体开关中的至少一个在线性范围内的运行可以提供放电电阻的至少一部分。