用於優化使用在中間電路中的電容的方法和電路的製作方法

2023-06-02 15:54:56 4

用於優化使用在中間電路中的電容的方法和電路的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於優化使用在中間電路中的電容的電路以及方法，該中間電路具有用於連接電容的高壓側的連接端和接地側的連接端。設置有用於獲取在該電路的第一部分中的電壓的變化的獲取單元以及平衡單元。在此平衡單元被設置為，通過將電能饋入到接地側的連接端中至少部分地平衡該變化。對此該平衡單元包括模擬放大器和數字放大器，其中該模擬放大器的輸出端用於為數字放大器提供輸入量。
【專利說明】用於優化使用在中間電路中的電容的方法和電路

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於優化使用在中間電路中的電容的方法以及電路。本發明在此尤其涉及用於車輛的電源電路的中間電路，在該中間電路中能夠在蓄能器和發動機側的逆變器之間出現電壓紋波。

【背景技術】
[0002]越來越多的私人交通的電氣化導致了，在電可驅動的車輛中出現明顯更高的電壓(400V或者更大的範圍)並且其是待處理的，就像其直到幾年前出現在車輛車載電路中一樣。在(大多是電化學的)蓄能器中實現作為直流電壓的能量的存儲時，通常採用逆變器(直流電壓-交流電壓變換器)，以為電動馬達(或者發電機)提供(三相)交流電壓或者將交流電壓從(發電機供電的)電動機中轉送到電化學蓄能器中。通過通常包括開關轉換器的逆變器，在車載電路電壓上以交流電壓的形式施加幹擾量，其能夠導致車載電路故障以及電磁兼容性的問題。為了抑制由逆變器產生的幹擾量，通常在蓄能器和逆變器之間設置所謂的中間電路電容，其在靠近提高的電壓時吸收能量，且因此為電壓峰值「加彈簧」，且在電壓下降的情形下釋放電能，且因此「支撐」車載電路。在圖1中示出了這種系統。蓄電能200通過所謂的接觸器201、202與逆變器203連接。逆變器203的輸入端和蓄電池200與中間電路電容CO並聯連接。逆變器203將高壓直流電壓轉變成三相交流電壓，該三相交流電壓被提供給電動機204。中間電路電容器CO的任務是，抑制由逆變器在逆變器的直流電壓側引起的交流電壓部分。在轎車驅動【技術領域】這種電容器通常具有0.5到1.5mF的電容量且由於需要超過400V的抗電強度而非常大且昂貴。
[0003]此外根據圖2已知一種用於提供預定義的輸入阻抗的有源電路，其中第一運算放大器301和第二運算放大器302與分壓器連接，該分壓器由阻抗Z1、Z2、Z3、Z4和Z5組成，提供了預定義的輸入阻抗Zin = (Z1XZ2XZ3)/(Z2XZ4)。因為圖2中所示的電路的工作原理和工作方式對本領域技術人員是已知的，因此對此不再深入。
[0004]一種用於減小可用的電容器的途徑在於，在消除電壓紋波時提供用於動態支持電容器的電路。其設置為，在與高壓直流電壓車載電路中的平均電壓相比更小的電壓的情況下向高壓直流電壓車載電路中饋入電能並且相反地在與高壓直流電壓車載電路中的平均電壓相比更高的電壓的情況下從高壓直流電壓車載電路中引出電能。對於電能主動引入到高壓車輛電路或者從高壓車輛電路中主動引出目前還沒有已知的解決高效率和在其提高時的動態缺陷之間的衝突的方案。


【發明內容】

[0005]前述需求根據本發明通過具有用於優化使用在中間電路中的電容的特徵的電路以及具有用於優化使用在中間電路中的電容的的特徵的方法來滿足。相應地該電路尤其能夠用作車輛的電源電路的中間電路。其有利於在中間電路中的電容的優化應用，如其例如存在於可電驅動的交通工具中。依據本發明的電路包括用於連接電容的至少一個高壓側的連接端和接地端的連接端。該電容在此設置並布置為降低幹擾性的交流電壓信號(「電壓紋波」)，例如其由於逆變器中的切換操作能夠在電化學的蓄能器和電可驅動的車輛的逆變器之間的直流電壓側出現。當接地側的連接端朝向較低的電勢布置時，其中在接地側的連接端和電接地端之間還能夠設置其他的元件，高壓側的連接端在此與電的高壓直流電壓電連接。此外依據本發明的電路包括用於獲取電路的第一部分的電壓的變化的獲取單元。電路的第一部分在此，同高壓側的連接端一樣，被分配給高壓直流電壓。換言之該獲取單元能夠從電路的第一部分取出電信號，據此其能夠獲取直流電壓上的電壓紋波。此外依據本發明的電路包括平衡單元，其被設置為，通過將電能饋入到接地側的連接端中並且因此饋入電容中，以至少部分地平衡該變化。這能夠例如通過電流實現，該電流響應獲取單元的信號通過平衡單元經過接地側的連接端流入電容中。在此根據本發明該平衡單元包括模擬放大器和數字放大器，其中，該模擬放大器的輸出端用於為數字放大器提供輸入量。該模擬放大器在此能夠例如通過一個或者多個電晶體以及連續的控制量實現。與此相對該數字放大器能夠通過切換過程使其輸出量適應輸入量。該數字放大器的一個示例為D類放大器。通過依據本發明的作為放大前級的模擬放大器的裝置對於數字放大器出現混合放大器，該混合放大器結合快速模擬輸出級(雖然其具有更高的損耗)的優點和數字放大器的效率優勢。
[0006]下文闡述本發明的優選的改進。
[0007]優選地該數字放大器在此被設置為，將電能饋入到電容的接地側的連接端中。這發生在獲取單元的作用下，該獲取單元為平衡單元提供幹擾量，響應於接收模擬放大器結合數字放大器產生補償量並且將其饋入接地側的連接端中。通過這種方式在中間電路中作為元件設置的電容的優化應用成為了可能，因為該電容被動態增大。
[0008]進一步優選地該電路具有第一電流鏡和第二電流鏡。在此第一電流鏡的第一電晶體被設置為，將在模擬放大器的第一輸入電壓上的模擬放大器的供電電流鏡像到第二電晶體上。此外第二電流鏡的第三電晶體被設置為，將在模擬放大器的第二輸入量上的模擬放大器的供電電流鏡像到第四電晶體上。在此該模擬放大器能夠包括運算放大器，該運算放大器對稱地布置在供電電壓+UB或者-UB之間。該模擬放大器的第一或者第二輸入量根據運算放大器的輸入端上的電壓差調節。該電晶體能夠被實施為雙極型或者是場效應電晶體(例如M0SFET)。該由第二或者第四電晶體鏡像的電流有利於平衡單元的輸出量。該放大器的模擬實現能夠實現關於由獲取單元提供的輸入量的快速鏡像時間。
[0009]進一步優選地該第二電晶體和/或第四電晶體能夠分別被實施為功率電晶體。通過這種方式增大由模擬放大級可實現的輸出量(或者在平衡單元的輸出量上的部分)。
[0010]進一步優選地該電容的高壓側的連接端能夠布置在電路的第一部分和電容的接地側的連接端之間。通過這種方式由獲取單元獲取的信號通過該電容從由平衡單元輸出的信號解耦。
[0011]進一步優選地該獲取單元能夠包括高通濾波器和/或帶通濾波器和/或微控制器。通過這種方式能夠通過由獲取單元從直流電壓高壓網絡中獲取的信號，將幹擾量從直流電壓中分離並且單獨進行處理。通過使用微控制器例如數字濾波是可能的。除此之外能夠通過微控制器實現延遲環節、逆變器等，其信號處理的靈活性已經在獲取單元內明顯提聞。
[0012]進一步優選地該平衡單元還包括第一存儲電容器，該第一存儲電容器被設置為，存儲來自中間電路用於為平衡單元供電的能夠。通過這種方式該平衡單元通過直流電壓網絡提供電能並且不需要單獨供電。
[0013]此外該平衡單元優選地包括作為整流器的直流電壓-直流電壓(DC/DC)轉換器以及用於緩衝電能的第二存儲電容器。在此第一存儲電容器布置在模擬放大器的正的供電連接端和電的接地端之間並且第二存儲電容器布置在模擬放大器的負的供電電壓連接端和電的接地端之間。為了均衡存儲在第一存儲電容器和第二存儲電容器的電壓DC/DC轉換器被設置為，使得通過第一存儲電容器的電壓和通過第二存儲器的電壓彼此適應。在此能夠例如採用所謂的對稱型DC/DC轉換器。例如在此能夠使用利用所謂的反激式拓撲結構的轉換器。通過這種方式能夠有效避免第一和第二存儲電容器之間的不相等的電壓分配。
[0014]進一步優選地該獲取單元或者平衡單元包括逆變器。當涉及到從直流高壓網到用於電動機的交流電壓的能量轉換時逆變器在電能源技術的意義上為將直流電壓逆變為交流電壓的裝置，而當涉及到獲取單元或者平衡單元時降低輸入信號的單元被理解為「逆變器」。通過這種方式獲取單元例如能夠將過電壓轉換成適於降低過電壓的信號。這同樣適用於設置在平衡單元內的逆變器。
[0015]根據本發明的另一個方面提出了一種用於優化使用在中間電路中的電容的方法，該方法尤其在車輛的電源電路的中間電路中能夠更有利地使用。該中間電路在此包括用於連接電容的高壓側的連接端和的接地側連接端，以抑制電壓紋波。該方法包括獲取中間電路中的電壓的變化，以及通過將電能饋入到接地側的連接端中至少部分地平衡該變化的步驟，其中由該變化導出的電信號首先被模擬放大並且然後被數字放大。例如對於通過其能夠實施依據本發明的方法的電路前面已經詳細描述過，使得也能夠結合依據本發明的方法的優點參照該電路。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下文參考所附附圖詳細描述本發明的實施例。其中:
[0017]圖1示出了一種電驅動車輛的車載電路的原理圖；
[0018]圖2示出了用於實現動態輸入阻抗的電路；
[0019]圖3示出了根據本發明的實施例的用於在中間電路中優化使用電容的電路；
[0020]圖4示出了平衡單元11的電路，例如其能夠在本發明所述的電路中使用；
[0021]圖5示出了一種平衡單元的替代的實施例的電路，例如其能夠在本發明所述的電路中使用；以及
[0022]圖6示出了說明根據本發明的實施例的方法的步驟的流程圖。

【具體實施方式】
[0023]圖3示出了根據本發明的電路100，例如其能夠用於平滑在直流電壓高壓(HV)車載電路中的電壓紋波。連接點8與直流電壓車載電路的高壓電勢以及與電容CO的高壓側的連接端相重合。連接點9設置為在接地側連接在電容CO上，在該電容上連接第一電阻Rl。電阻Rl另一方面在連接點4上與第二電阻R2連接。另一方面第二電阻R2在連接點5處與第三電阻R3連接。另一方面第三電阻R3在連接點6處與第四電阻R4連接。另一方面第四電阻R4與連接點7連接，該連接點7與電接地端10重合。獲取單元Cl、R5、12在連接點8上，其被設置為包含電容器Cl和臨近接地端10連接的第五電阻R5。在電容器Cl和第五電阻R5之間連接運算放大器12的第一連接端。運算放大器12的另一輸入側的連接端與連接點4 一起連接在第一電阻Rl和第二電阻R2之間。在輸出側運算放大器12與連接點5 —起連接在第二電阻R2和第三電阻R3之間。作為能夠被實施為功率放大器的第二放大器11，其在輸入側分別與第一電阻Rl和第二電阻R2之間的連接點4或者與第三電阻R3和第四電阻R4之間的連接點6相連接。在輸出側該運算放大器11與電容CO的接地側的連接端9連接，它與電容CO —起構成穩壓單元I。所示出的電路100被這樣地協調，使得由獲取單元Cl、R5、12獲取連接點8上的動態的電壓擾動，且通過電阻網絡Rl、R2、R3、R4將其告知運算放大器11，響應於此該運算放大器11在電容CO的接地側的連接端9中饋入均衡電壓擾動的電流。反之，在高壓車載電路上過壓時運算放大器11將促使電容CO通過接地側的連接端9導出能量。根據本發明通過這種方式動態地增強了電容CO的調節範圍。另一種觀點允許根據本發明使用更小的元件來實現用於得到這種結果的電容CO。
[0024]圖4示出了作為如圖3中所示的平衡單元11的詳細視圖的電路。所示的平衡單元11的電路具有運算放大器16，該運算放大器16通過第一電晶體Tl和第二電晶體T2與電源電壓(+UB、-UB)連接。不僅第一電晶體Tl而且第二電晶體T2與第三電晶體T3或者第四電晶體T4 一起被實施為電流鏡。換言之多個電晶體的各個基極相互連接。在運算放大器16的輸出端上設置臨近接地端10的歐姆電阻R0。因此運算放大器16的輸出電流導致電阻RO上的電壓降。比較器17在輸入端上獲取該電壓並將其與函數發生器18的三角信號電壓進行比較。比較器17的輸出信號走向第五電晶體T5和第六電晶體T6，通過它們電感L被額外地饋入平衡單元11的輸出端9中。通過這種方式在平衡單元11的輸出端9上的輸出信號作為模擬的放大器的疊加出現，其輸出信號(至少部分地)由數字的放大器修正或者支持。
[0025]圖5示出了平衡單元11的電路，例如其能夠用作根據圖3的本發明所述的電路的替代方案。此處運算放大器16通過數字的輸出級(例如D類放大器)供給電能，該電能由第一電容器Cl和第二電容器C2暫存。在此第一電容器Cl布置在電接地端10和運算放大器16的正的供電電壓連接端之間。電容器C2布置在電接地端10和運算放大器16的負的供電電壓連接端之間。該正的供電電壓和負的供電電壓進一步通過與第三開關S3串聯連接的第三電感L3彼此連接。此外在電接地端10和運算放大器16的正的供電電壓連接端之間還設置有由第一電感LI和第一二極體Dl (導通方向指向運算放大器16的正的電壓連接端)組成的串聯電路。在電接地端10和運算放大器16的負的供電電壓連接端之間還設置有由第二電感L2和第二二極體D2 (截止方向指向運算放大器16的負極電壓連接端)組成的串聯電路。通過由元件第一二極體D1、第一電感L1、第二二極體D2、第二電感L2、第三電感L3和第三開關S3組成的對稱的DC/DC轉換器，通過D類放大器導入該電路的電容器Cl和C2中的能量被均勻地分配在電容器Cl和C2上。在電流流入放大器輸出端的情況下，將在沒有這個轉換器時為電容器C2放電以及為電容器Cl充電。代替利用反激式技術的所示的轉換器還能夠使用其他的DC/DC轉換器拓撲結構。
[0026]圖6示出了說明根據本發明的實施例的方法的步驟的流程圖。該方法有利於在中間電路中的電容的優化使用並能夠優選地用於車輛的電源電路的中間電路中。該中間電路在此包括用於連接電容的高壓側的連接端和接地側的連接端，以抑制電壓紋波。在步驟SlOO中獲取中間電路中的電壓的變化。在步驟S200中所獲取的信號被濾波。隨後在步驟S300中通過將電能饋入到接地側的連接端中至少部分地平衡該變化，其中，由該變化導出的電信號首先被模擬放大且然後被數字放大。
[0027] 即使依據本發明的觀點和有利的實施方式根據結合所附示圖說明的實施例描述，對本領域技術人員來說所述實施例的特徵的不脫離本發明的範圍的變體和結合仍是可能的，其保護範圍由所附權利要求確定。
【權利要求】
1.一種電路，尤其是用於車輛的能量車載電路的中間電路，其用於優化使用在中間電路中的電容(CO)，所述電路包括: -用於連接電容(CO)的高壓側的連接端⑶和接地側的連接端(9)； -用於獲取在所述電路的第一部分中的電壓的變化的獲取單元(C1、R5、12)，以及平衡單元(11)，其中 所述平衡單元(11)被設置為，通過將電能饋入到所述接地側的連接端(9)中來至少部分地平衡所述變化，並且其中所述平衡單元(11)包括: -模擬放大器(16)以及 -數字放大器(17、18、T5、T6)， 其中，所述模擬放大器(16)的輸出端用於提供所述數字放大器(17、18、Τ5、Τ6)的輸入量。
2.根據權利要求1所述的電路，其中，所述數字放大器(17、18、Τ5、Τ6)被設置為，將電能饋入到所述電容(CO)的所述接地側的連接端(9)中。
3.根據前述權利要求中任一項所述的電路，其中，所述電路還包括第一電流鏡(Tl、Τ2)和第二電流鏡(Τ3、Τ4)，其中，所述第一電流鏡(Τ1、Τ2)的第一電晶體(Tl)被設置為，將在所述模擬放大器(16)的第一輸入量中的所述模擬放大器(16)的供電電流鏡像到第二電晶體(Τ2)上，並且所述第二電流鏡(Τ3、Τ4)的第三電晶體(Τ3)被設置為，將在所述模擬放大器(16)的第二輸入量中的所述模擬放大器(16)的供電電流鏡像到第四電晶體(Τ4)上。
4.根據權利要求3所述的電路，其中，所述第二電晶體(Τ2)和所述第四電晶體(Τ4)為功率電晶體。
5.根據前述權利要求中任一項所述的電路，其中，所述電容(CO)的所述高壓側的連接端(8)布置在所述電路的所述第一部分和所述電容(CO)的所述接地側的連接端(9)之間。
6.根據前述權利要求中任一項所述的電路，其中 -所述獲取單元(C1、R5、12)包括高通濾波器(C1、R5)和/或微控制器。
7.根據前述權利要求中任一項所述的電路，其中 -所述平衡單元(11)還包括第一存儲電容器(Cl)，其中，所述存儲電容器(Cl)被設置為，存儲來自所述中間電路的能量，用於為所述平衡單元(11)供電。
8.根據前述權利要求中任一項所述的電路，其中 -所述平衡單元(11)還包括DC/DC轉換器(19)和用於緩衝電能的第二存儲電容器(C2)，其中，所述DC/DC轉換器(19)被設置為，使得通過所述第一存儲電容器(Cl)的電壓和通過所述第二存儲電容器(C2)的電壓彼此匹配，其中，所述存儲電容器(Cl、C2)尤其布置在所述數字放大器(17、18、T5、T6)的輸出端。
9.根據權利要求8所述的電路，其中，所述DC/DC轉換器(19)被構造為反激式拓撲結構。
10.根據前述權利要求中任一項所述的電路，其中，所述獲取單元(Cl、R5、12)或者所述平衡單元(11)包括逆變器。
11.一種用於優化使用在中間電路中的、尤其是在用於車輛的電源電路的中間電路中的電容(CO)的方法，其中，所述中間電路包括: -用於連接電容(CO)的高壓側的連接端(8)和接地側的連接端(9)，其中，所述方法包括以下步驟: -獲取(SlOO)在所述中間電路中的電壓的變化；以及 -通過將電能饋入到所述接地側的連接端(9)中來至少部分地平衡(S200)所述變化，其中 由所述變化導出的電信號首先被模擬放大並且然後被數字放大。
【文檔編號】B60R16/03GK104167909SQ201410205383
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2013年5月17日
【發明者】S·布茨曼 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社