使配电单元中的DC链路电容器放电的方法、系统和设备与流程

使配电单元中的dc链路电容器放电的方法、系统和设备
技术领域
1.本主题通常涉及配电单元，并且更特别地涉及使配电单元中的机构放电。


背景技术：

2.用于经由逆变器驱动电动马达的现有技术的电动马达驱动装置具有在逆变器输入侧与dc电源并联设置的平滑电容器(即，dc链路(dc link)电容器)。在示例中，诸如混合动力运载工具等的电动马达驱动运载工具包括驱动马达、用于向驱动马达供给电力的高压电池、以及逆变器。平滑电容器或dc链路电容器设置在逆变器的输入端子之间，以平滑电压波动并稳定逆变器的操作。
3.平滑电容器用于减少主电路的阻抗，抑制浪涌电压，用于在异常的情况下吸收再生电力，并且防止主电路中的过电压。异常的示例场景是抛负载(load dump)。在该场景中，在电动马达正在进行再生操作期间，逆变器的输入布线由于振动等而被断开连接。在其他示例中，设置在输入侧的断路器在异常场景期间发生故障，因此逆变器输入侧的平滑电容器与dc电源之间的连接开路。
4.另一示例场景是：当在汽车事故或运载工具维护的情况下救援驾驶员时需要使平滑电容器或dc链路电容器快速放电。这种场景也仍容易发生电压浪涌并且需要过电压保护。
5.作为用于抑制这种过电压的传统技术，提供了一种过电压保护装置，其包括：旁路电阻电路，其插入在逆变器的输入部处的端子之间；继电器，其串联插入到旁路电阻电路并被控制为开路/闭合；以及控制部件，用于控制继电器，以在逆变器的输入电压等于或大于参考电压时使旁路电阻电路起作用。
6.图1示出具有半导体与电阻器串联的并联支路的现有技术的放电电路。例如，如关于图1所论述的，放电电路是通过并联连接放电电阻器与igbt的约三个串联电路所构成的。同样，将电路内的放电持续时间调整为某个目标持续时间的概念也与传统机制相对应。
7.在将直到放电完成为止的时间设置在某个范围内(由客户指定直到放电完成为止的时间)的过程期间，传统电路表现出复杂的配置和大的电路面积。例如，如从图1可以看出，所有的支路(即，三个串联电路或三个放电支路)都由不同的驱动器电路单独控制。在这种场景中，控制多个放电电路以将放电持续时间设置为目标值始终是具有挑战性的任务，并且由于复杂的配置而需要频繁的质量检查和维护。
8.因此，需要在不会引起诸如复杂的电气电路等的附加开销的情况下将放电持续时间设置为目标值。
9.具体地，特别是在存在用于使电容器放电的多个支路的情况下，需要在不需要大的电子/电气电路的情况下设置放电持续时间。


技术实现要素：

10.本发明内容是为了以简化格式介绍在本发明的详细说明中进一步说明的概念的
选择而提供的。本发明内容部分既不旨在标识本发明的关键发明构思，也不旨在确定本发明或公开内容的范围。
11.在实施例中，本主题涉及一种用于配电单元内的平滑电容器的放电电路。所述放电电路包括与dc链路电容器并联连接的第一子电路。所述第一子电路进而包括第一开关元件(se)和第一放电电阻器的串联连接，其中所述dc链路电容器与电源并联连接。第二子电路与所述dc链路电容器并联连接，并且包括第二开关元件(se)和第二放电电阻器的串联连接。控制装置被配置为通过对子电路内的多个se的切换进行调度来控制所述多个se。这种调度包括：在将所述第一se切换成接通(on)之后将所述第二se切换成接通，以使得所述dc链路电容器能够在预定持续时间内进行放电。
12.在实现中，所述第一子电路的所述第一放电电阻器与所述第二子电路的所述第二放电电阻器相比表现出更大的电阻，并且所述第一se是与所述第二se相比更小规模的装置。
13.在另一实施例中，本主题示出一种电动马达驱动器，其包括与dc电源并联连接的dc链路电容器。逆变器将来自dc电容器的dc电力转换成多相ac电力，以驱动电动马达。过电压保护单元设置在电动马达驱动器内，其中这种过电压保护单元可以由根据本主题的放电电路定义。
14.实施例的目的和优点将至少通过在权利要求书中特别指出的元件、特征和组合来实现和达成。应当理解，前面的一般说明和以下的详细说明都是代表性和解释性的，而不是对所要求保护的本发明的限制。
附图说明
15.在参考附图阅读以下的详细说明时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中在整个附图中，相似的字符表示相似的部分，其中：
16.图1示出根据现有技术的电子电路；
17.图2示出根据本主题的实施例的示意电子系统；
18.图3a示出根据本主题的实施例的在图2的电子系统内采用的栅极驱动器配置；
19.图3b示出根据本主题的实施例的在图2的电子系统内采用的栅极驱动器配置；
20.图4示出根据本主题的实施例的关于具有多个支路的放电电路的放电模式；
21.图5示出根据本主题的实施例的放电电路的操作的示例测试；
22.图6示出根据本主题的实施例的放电电路上的组件的示例尺寸变化；
23.图7示出根据本主题的实施例的方法步骤。
24.附图中的元件是为简单起见而示出的，并且可能不一定是按比例绘制的。此外，就装置的构造而言，装置的一个或多于一个组件可能已在附图中由传统符号表示，并且附图可能仅示出与理解本发明的实施例相关的具体细节，以免附图因本领域普通技术人员受益于本文的说明而将容易明白的细节而变模糊。
具体实施方式
25.为了促进对本发明的原理的理解的目的，现在将参考附图中所示的实施例，并且将使用特定语言来说明这些实施例。将理解，并不旨在限制本发明的范围，其中所示系统中
的这种更改和进一步修改以及如所示系统中所示的本发明的原理的这种进一步应用被认为是本发明所涉及领域的技术人员通常会想到的。
26.前面的一般说明和以下的详细说明是本发明的解释，而不旨在限制本发明。
27.整个本说明书中对“一方面”、“另一方面”或类似语言的引用意味着结合实施例所述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中出现短语“在实施例中”、“在另一实施例中”和类似语言可以但没有必要一定全部指代相同的实施例。
28.术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”或其任何其他变形旨在涵盖非排他性包含，使得包括一系列步骤的处理或方法不是仅包括这些步骤，而是可以包括未明确列出的或这种处理或方法固有的其他步骤。类似地，前接“包括
…
(comprises
…
a)”的一个或多于一个装置或子系统或元件或结构或组件在无更多约束的情况下，不排除其他装置或其他子系统或其他元件或其他结构或其他组件或者附加装置或附加子系统或附加元件或附加结构或附加组件的存在。
29.除非另外定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。本文所提供的系统、方法和示例仅是例示性的，而不是旨在限制。
30.图2示出配电单元内的平滑电容器所用的电子系统或放电电路。放电电路包括与dc链路电容器(即，dc链路)并联连接的第一子电路。第一子电路进而包括第一开关元件se(q_fda)和第一放电电阻器(r_fda)的串联连接。dc链路电容器与可以是高压电池的电源并联连接。
31.放电电路还包括第二子电路，该第二子电路与dc链路电容器并联连接，并且该第二子电路包括第二开关元件se(q_fdb)和第二放电电阻器(r_fdb)的串联连接。在dc链路电容器在预定持续时间内的放电期间，第一se(q_fda)传导大于第二se(q_fdb)所传导的电功率的电功率。第一子电路的第一放电电阻器(r_fda)与第二子电路的第二放电电阻器(r_fdb)相比表现出更大的电阻。此外，第一子电路的第一se(q_fda)是与第二子电路的第二se(q_fdb)相比更小规模的装置。在示例中，第一se(q_fda)和第二se(q_fdb)其中至少之一是igbt。
32.放电电路还包括控制装置，该控制装置被配置为生成“栅极信号”以通过对子电路内的多个se的切换进行调度来控制这多个se。这种调度包括：在将第一se(q_fda)切换成接通(on)之后将第二se(q_fdb)切换成接通，以使得dc链路电容器能够在预定持续时间内进行放电。控制装置包括栅极驱动器，该栅极驱动器被配置为输出针对放电电路内的所有支路的控制信号(即，“栅极信号”)。连接到栅极驱动器的电路包括分别连接到第一se和第二se的第一支路和第二支路。
33.第一电阻器(ra1)布置在第一支路上，并且与第一电阻器(ra1)串联连接的第二电阻器(rb1)布置在第二支路上。第一se(q_fda)的栅极连接到第一支路内的第一电阻器(ra1)和栅极驱动器之间的连接点，并且第二se(q_fdb)的栅极连接到第二支路内的第一电阻器(ra1)和第二电阻器(rb1)之间的连接点。这些支路中的各个支路包括两个半导体开关元件(pnp和npn)，这两个半导体开关元件(pnp和npn)定义逻辑电路以将第一se(q_fda)和第二se(q_fdb)切换成接通/断开(on/off)。这两个半导体开关元件(qa1、qa2)由npn和pnp
晶体管定义，以通过使第一se(q_fda)与高压电源连接和断开连接来将第一se(q_fda)切换成接通/断开。具体地，晶体管qa1和qa2用于稳定igbt q_fda的栅极电压。同样，晶体管qb1和qb2用于稳定igbt q_fdb的栅极电压。
34.在实现中，放电电路还包括第三子电路，该第三子电路与dc链路电容器并联连接，并且该第三子电路包括第三开关元件se(q_fdc)和第三放电电阻器(r_fdc)的串联连接。连接到用于服务本第三子电路的栅极驱动器的电路包括连接到第三se(q_fdc)的第三支路以及相应地布置在第三支路上的第三电阻器(rc1)。布置在第三支路上的第三电阻器(rc1)与第二支路的第二电阻器(rb1)串联连接。第三se(q_fdc)的栅极连接到第三支路内的第二电阻器(rb1)和第三电阻器(rc1)之间的连接点。在dc链路电容器在预定持续时间内的放电期间，第三se(q_fdc)传导小于第二se(q_fdb)所传导的电功率的电功率。第三放电电阻器(r_fdc)与第二放电电阻器(r_fdb)相比表现出更小的电阻，并且第三se(q_fdc)与类似于第二se(q_fdb)的大规模装置相对应。此外，晶体管qc1和qc2用于稳定igbt q_fdc的栅极电压。
35.总之，三个支路内存在的逻辑元件(npn、pnp)以及所有的igbt(第一se、第二se、第三se)的逻辑操作可以通过由表1表示的以下真值表来总结。
36.[表1]
[0037]
qa1(npn)qa2(pnp)q_fda或第一se111000qb1(npn)qb2(pnp)q_fdb或第二se111000qa1(npn)qa2(pnp)q_fdc或第三se111000
[0038]
在实现中，图2的放电电路可以并入例如电动马达驱动器中。电动马达驱动器包括与dc电源并联连接的dc链路电容器。逆变器将来自dc电容器的dc电力转换成多相ac电力，以驱动电动马达。过电压保护单元由图2的本放电电路定义，并且与dc链路电容器并联连接。
[0039]
图3a和图3b示出根据本主题的实施例的图2的栅极驱动器配置。更具体地，在图3a表示关于所有支路的延迟电路时，图3b表示所有三个igbt(q_fda、q_fdb、q_fdc)的栅极的触发的定时。
[0040]
本放电电路将放电持续时间设置为可以由第三方指定或由配电单元的用户(即，人类操作员)定义的目标范围。因此，由于将直到完成放电为止的持续时间设置为某个范围，因此所有的igbt(q_fda、q_fdb、q_fdc)在不同的时刻被触发或激发。因此，如图3a所示，可以针对三个延迟电路(延迟电路1、2、3)提供共同驱动信号或单个栅极信号，以分别通过第一支路、第二支路和第三支路顺次触发三个igbt(q_fda、q_fdb、q_fdc)。在其他示例中，在多于3个支路和igbt的情况下，可以采用相应数量的延迟电路。本实现仅仅表示设计示例，并且可被解释为涵盖与多个延迟电路相关联的两个、三个或多于三个支路。
[0041]
图3a示出在仅一个驱动信号的情况下的多个igbt所用的延迟电路1、2、3的串联连
接。在示例中，延迟电路可以是现有技术的rc延迟电路。然而，本示例可被解释为涵盖其他示例延迟电路。例如，可以在驱动器电路中设置可调式阻抗元件以用于在不同的时间点调度igbt的接通/断开。
[0042]
图3b示出在提供共同栅极驱动器信号之后的各个时间延迟“a”、“b”和“c”之后igbt(q_fda、q_fdb、q_fdc)的栅极的顺次触发。
[0043]
在操作中，由微控制器或栅极驱动器提供的栅极信号经历“rc延迟电路1”的延迟。这同样触发了基本上同时切换的(第一支路的)晶体管qa1和qa2，由此进而将相应的igbt q_fda切换成接通。在忽略晶体管qa1和qa2的相当小的传播延迟的情况下，可以在“延迟a”之后基本上同时切换所有的开关qa1、qa2和q_fda。栅极触发的延迟或定时可以由底层rc电路(即，ra1、ca1)调整。
[0044]
同样，可以在“延迟b”之后基本上同时切换开关qb1、qb2和q_fdb。栅极触发的延迟或定时可以由底层rc电路(即，rb1、cb1)调整。可以在“延迟c”之后基本上同时切换开关qc1、qc2和q_fdc。栅极触发的延迟或定时可以由底层rc电路(即，rc1、cc1)调整。
[0045]
图4示出根据本主题的实施例的关于具有多个支路的放电电路的放电模式。
[0046]
图4的(a)与图3b相对应，使得v(gate1)、v(gate2)和v(gate3)分别与q_fda、q_fdb、q_fdc的栅极电压相对应。图4的(b)与dc链路电容器进行放电期间的dc链路电容器的放电电压的变化相对应。图4的(c)示出经过分别表示为r1、r2和r3的放电电阻器r_fda、r_fdb、r_fdc的(由于dc链路电容器的放电所引起的)所得到的电流。因此，经过r_fda、r_fdb、r_fdc的放电电流可被分别表示为i(r1)、i(r2)和i(r3)。由于电流i(r2)和i(r3)的峰值高，因此第二se q_fdb和第三se q_fdc在尺寸上可以调整为大于第一se q_fda。
[0047]
图4的(d)表示三个支路上的电功率传播，各支路与放电电阻器r_fd和相应的开关元件igbt“q_fd”的串联组合相对应。更具体地，具有“阴影”的区域表示通过包括q_fda和r_fda的第一支路的电功率。如可以观察到，在dc链路电容器的放电期间，第一se或q_fda传导大于分别由第二se q_fdb和第三se q_fdc表示的第二支路和第三支路所传导的电功率的电功率。
[0048]
图5示出根据本主题的实施例的放电电路的操作的示例测试。更具体地，本图示出基于r_fda、r_fdb、r_fdc的实验电阻值和30ms的目标放电持续时间的实验数据。r_fda、r_fdb、r_fdc的这样的示例值可以如下通过下表2来表示。
[0049]
[表2]
[0050] r_fdar_fdbr_fdc电阻[ohm]1361
[0051]
图5中表示的波形与图4的(b)相对应，并且示出dc链路电容器在示例目标持续时间30ms内的放电期间的放电电压(v_dc链路)的示例变化。x轴内的时间转折点τa、τb和τc与如图3b所示的栅极电路延迟a、延迟b和延迟c相对应，因此分别表示q_fda、q_fdb、q_fdc的触发的定时。从图5可以观察到，尽管τa几乎等于0ms，然而τb》τc》0ms。此外，τ
end
表示放电完成的时间转折点，因此表示30ms的放电持续时间的结束。
[0052]
可以基于时间转折点τa、τb、τc和τ
end
将整个放电持续时间期间的放电电流i
dc link
在时间上分割成三个时间段。此外，可以通过标准rc放电电路方程导出i
dc link
的各个段的值。在时间上分割后的放电电流i
dc link
可以如下通过下表3来表示。
[0053]
[表3]
[0054][0055]
此外，在放电电阻器方面消耗的rms电流和能量可以如下通过下表4来表示。
[0056]
[表4]
[0057] r_fdar_fdbr_fdcrms功率[kw]17141.1能量[j]69045019
[0058]
因此，关于放电电阻器r_fda、r_fdb、r_fdc，可以从上述数据推断出：
[0059]
r_fda、r_fdb、r_fdc的rms电流i_fda》i_fdb》i_fdc，
[0060]
电阻器的能量e_fda》e_fdb》e_fdc
[0061]
图6示出根据本主题的实施例的放电电路上的组件的示例尺寸变化。
[0062]
从该图可以观察到，第一子电路的第一放电电阻器(r_fda)与第二子电路的第二放电电阻器(r_fdb)相比表现出更大的电阻。第三子电路的第三放电电阻器(r_fdc)与第二子电路的第二放电电阻器(r_fdb)相比表现出更小的电阻。因此，第三放电电阻器(r_fdc)表现出最小电阻，而第一放电电阻器r_fda表现出最高电阻。
[0063]
此外，第一子电路的第一se(q_fda)是与第二子电路的第二se(q_fdb)相比更小规模的装置。第三se(q_fdc)与第一se(q_fda)相比对应于大规模装置，并且可以类似于第二se。在其他示例中，第三se(q_fdc)可以是与第二se(q_fdb)相比甚至更大规模的装置。
[0064]
下表5表示关于放电电阻器和igbt的示例尺寸值。
[0065]
[表5]
[0066]
r_fdar_fdbr_fdc30937,5mm36885mm3469,3mm3q_fda或第一seq_fdb或第二seq_fdc或第三se469,3mm31071,7mm31071,7mm3[0067]
图7示出根据本主题的实施例的方法步骤。更具体地，本图7示出配电单元中的平滑电容器或dc链路电容器所用的放电电路中的操作的方法。
[0068]
步骤702表示：利用微控制器或栅极驱动器电路生成控制信号。
[0069]
步骤704表示：基于所述控制信号，通过在将顺次配置的多个开关元件(se)中的第一se切换成接通之后将第二se切换成接通，来调度切换操作，其中这多个se是通过提供与dc链路电容器并联连接的第一子电路和与dc链路电容器并联连接的第二子电路而顺次配
置的。dc链路电容器与电源并联连接。在实现中，该切换促进了控制信号从微控制器向驱动器电路的多个支路的顺次通信，以实现对多个se的切换的所述调度。该切换包括：通过分别使高压电源与第一se和第二se连接和断开连接来将第一se和第二se切换成接通/断开。
[0070]
在实现中，该切换包括：经由第一rc电路从微控制器接收控制信号，并且将该控制信号以第一延迟通信到第一驱动器电路支路，以供通信到第一se。此外，该切换包括：通过第二rc电路和第一rc电路的串联连接来接收控制信号，并且将该控制信号以第二延迟通信到第二驱动器电路支路，以供通信到第二se。
[0071]
步骤706表示：基于控制信号通过多个开关元件(se)的经调度的切换来控制这多个se，以使得dc链路电容器能够在预定目标持续时间内进行放电。该控制包括：在dc链路电容器的放电期间，使得能够相对于第二se通过第一se进行更高的电功率传导。
[0072]
根据本主题的放电电路和电子系统至少使得能够在采用简单的电子电路配置的同时，容易地将dc链路电容器的放电持续时间设置为目标值。在示例中，单个栅极信号能够顺次驱动基于开关元件-放电电阻器的不同支路，由此使得在多个支路形成放电电路的一部分的情况下不需要传统机构所另外需要的单独栅极驱动器。此外，开关元件和放电电阻器的尺寸不同，从而进一步增加了本场景中的简化。
[0073]
在示例中，本主题使得能够维持多个支路上的尺寸相当不等的放电电阻器和开关元件。最后但并非最不重要的是，本放电电路是可扩展的，以采用(除在前面说明中提到的以外的)各种类型的延迟电路、驱动器电路和逻辑电路，以供顺次触发不同支路上的不同开关元件，并由此实现在目标持续时间内的放电。
[0074]
在本发明中并且特别是在所附权利要求书(例如，所附权利要求书的主体)中使用的术语通常旨在作为“开放式”术语(例如，术语“包含(including)”应被解释为“包含但不限于”，术语“具有”应被解释为“至少具有”，术语“包括(includes)”应被解释为“包括但不限于”，等等)。
[0075]
另外，如果特定数量的引入的权利要求记载是有意的，则这种意图将明确记载在权利要求书中，并且在不存在这种记载的情况下则不存在这种意图。例如，为了帮助理解，以下的所附权利要求书可以包含介绍性短语“至少一个”和“一个或多于一个”的使用以介绍权利要求记载。然而，即使在同一权利要求包括介绍性短语“一个或多于一个”或者“至少一个”以及诸如“a”或“an”等的不定冠词(例如，“a”和/或“an”应被解释为表示“至少一个”或者“一个或多于一个”)的情况下，这些短语的使用也不应被解释为暗示利用不定冠词“a”或“an”的权利要求记载的引入将包含这种引入的权利要求记载的任何特定权利要求限制为仅包含一个这种记载的实施例；这对于使用引入权利要求记载所使用的定冠词的情况同样成立。
[0076]
另外，即使明确记载了特定数量的引入的权利要求记载，本领域技术人员也将意识到，这种记载应被解释为至少意味着所记载的数量(例如，无其它修饰的“两个记载”的直接记载意味着至少两个表述、或者两个或多于两个记载)。此外，在使用与“a、b和c等中的至少一个”或“a、b和c等中的一个或多于一个”类似的惯例的实例中，通常这种构造旨在包括单独的a、单独的b、单独的c、a和b一起、a和c一起、b和c一起、或者a、b和c一起、等等。例如，术语“和/或”的使用旨在以这种方式解释。
[0077]
此外，提出两个或多于两个替代术语的任何分隔词语或短语无论是在实施例、权
利要求书还是附图的说明中都应被理解为考虑包括术语中的一个、术语中的任一个或者这两个术语的可能性。例如，短语“a或b”应被理解为包括“a”或“b”或“a和b”的可能性。
[0078]
本发明中记载的所有示例和条件性语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解本发明和发明人为促进本领域而贡献的概念，并且应被解释为不限于这些具体记载的示例和条件。尽管已经详细说明了本发明的实施例，但应当理解，在没有背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变、替换和更改。