用于具有电池的无轨电车的电路装置以及用于稳定这种机动车辆中的高压直流中间电路的直流电压的方法与流程

1.本发明涉及一种用于机动车辆的电路装置以及一种用于稳定机动车辆中的高压直流中间电路的直流电压的方法。此外，本发明涉及一种机动车辆。


背景技术：

2.在电动车领域，还越来越多地开发了针对商用车的动力总成的电气化的设计。然而在此，所使用的能量存储器的能量密度不足是一个问题。该问题的一种解决方案是经由架空线从外部提供电能。然后，商用车可以经由架空线来运行，和/或能量存储器可以在行驶期间被充电。如果在机动车辆的集电器与架空线之间构建电气连接，则由于路面不平和振动，集电器与架空线之间可能会短暂丢失接触。在机动车辆的一侧，这种短暂的接触丢失会导致短暂的电压波动。
3.已知的是，通过在时间走向上平滑电压，由输入滤波器来减轻由接触丢失引起的电压降。这些输入滤波器通常被构建为扼流电感或lc滤波器。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是，实现一种用于机动车辆的电路装置以及一种用于稳定机动车辆中的高压直流中间电路的直流电压的方法，利用该电路装置和该方法，可以改善地对电压波动作出反应。
5.根据本发明，该技术问题通过具有权利要求1的特征的电路装置以及具有权利要求7的特征的方法来解决。本发明的有利的设计方案由从属权利要求得出。
6.特别地，实现了一种用于机动车辆的电路装置，其中机动车辆可以至少暂时地经由架空线被供应以直流电，所述电路装置包括：用于提供电能的高压电池；高压直流中间电路，其可以与传导直流电的架空线耦合；以及高压直流中间电路与高压电池之间的直流电压转换器，其中，直流电压转换器被构建为，用于在由高压直流中间电路与架空线之间的接触丢失而引起电压降的情况下通过来自高压电池的能量传输来支持高压直流中间电路的直流电压，和/或在由高压直流中间电路与架空线之间的接触丢失而引起电压上升的情况下通过增加向高压电池中的能量传输来减小高压直流中间电路的直流电压。
7.此外，特别地提供了一种用于稳定机动车辆中高压直流中间电路的直流电压的方法，包括以下步骤：借助高压电池提供电能；提供高压直流中间电路，该高压直流中间电路可以与传导直流电的架空线耦合；以及借助直流电压转换器，在由高压直流中间电路与架空线之间的接触丢失而引起电压降的情况下通过来自高压电池的能量传输来支持高压直流中间电路的直流电压，和/或借助直流电压转换器，在由高压直流中间电路与架空线之间的接触丢失而引起电压上升的情况下通过增加向高压电池中的能量传输来减小高压直流中间电路的直流电压。
8.该电路装置和方法使得能够主动补偿电压降和/或电压上升，并且由此将高压直
流中间电路的直流电压保持或稳定在预先给定的电压值上。这在架空线的功率下降的情况下通过借助直流电压转换器(也称为dc/dc转换器)来补偿由高压直流中间电路或与之连接的集电器与架空线之间的接触丢失所引起的电压降来进行。为此特别地，直流电压转换器在面向高压直流中间电路的一侧产生支持电压，该支持电压使高压直流中间电路中的直流电压保持恒定，并且为此将来自高压电池的功率流动向高压直流中间电路的方向反转。反之，如果例如借助作为发电机工作的电机，电功率被馈入到架空线系统中，则由接触丢失所引起的直流电压中间电路中的电压上升也借助直流电压转换器来补偿。为此，通过增加向高压电池中的能量传输，直流电压转换器在面向高压直流中间电路的一侧降低直流电压中间电路中的直流电压。
9.本发明的一个优点是，可以对电压降和/或电压上升进行主动补偿，从而可以完全补偿电压降和/或电压上升。反之，利用根据基于输入滤波器和扼流电感的电路装置、即纯无源构件的现有技术的开关装置，完全补偿是不可能的。利用该电路装置和方法，特别地可以提供支持的或恒定的并且稳定的电压，例如用于运行电机和另外的高压耗电器，并且由此即使在接触丢失的情况下也能够保持正常运行。
10.本发明的另外的优点是，由于主动补偿或稳定，可以完全取消输入滤波器，或至少输入滤波器或扼流电感的构件的尺寸可以更小。为此可以节省成本。
11.电路装置、特别是直流电压转换器借助控制装置来被控制或调节。控制装置可以被构建为硬件和软件的组合，例如被构建为在微控制器或微处理器上执行的程序代码。
12.机动车辆的电机或电机的驱动变流器特别地与高压直流中间电路连接，并且既可以从架空线又可以从高压电池供给电能。此外，电机也可以特别地作为发电机运行。
13.在一种实施方式中规定，直流电压转换器被构建为双向直流电压转换器，其中，直流电压转换器还被构建为，在需要时将由架空线提供的直流电压转换为高压电池的充电电压。在第一运行状态下，直流电压转换器可以将架空线的电压转换为高压电池的充电电压，从而可以经由架空线对高压电池进行充电。在第二运行状态下，功率流动可以被反向并且直流电压转换器用于在电压降的情况下支持高压直流中间电路中的直流电压。第一运行状态还用于降低直流电压中间电路中的直流电压。通过双向设计，可以在总体上节省组件，因为直流电压转换器可以在两个方向上运行。
14.在一种实施方式中规定，电路装置具有布置在高压直流中间电路上的至少一个电压传感器，其中，至少一个电压传感器具有至少100khz的采样频率，并且其中，直流电压转换器被构建为基于至少一个电压传感器所采集的传感器数据来调节对直流电压的支持和/或减小。通过至少100khz的采样频率，可以以对应的分辨率并且因此在发生之后没有大的延迟的条件下采集电压下降或电压上升及其走向。
15.在一种实施方式中规定，直流电压转换器对面向高压直流中间电路一侧的电压调节具有至少10khz的调节频率。这使得能够对高压直流中间电路中的电压降或电压上升以及快速变化的电压做出快速反应。
16.该方法的设计方案的特征从对电路装置的设计方案的描述中得出。该方法的优点在此分别与电路装置的设计方案中的优点相同。
17.此外，实现了一种机动车辆，包括至少一个根据所描述的实施方式中任一个所述的电路装置。尤其可以规定，机动车辆是商用车。
附图说明
18.下面参考附图根据优选的实施例更详细地阐述本发明。在此附图中：
19.图1示出了用于机动车辆的电路装置的实施方式的示意图；
20.图2a示出了在没有电压支持的情况下在接触丢失期间电流和电压的时间走向的示意图；
21.图2b示出了在具有电压支持的情况下在接触丢失期间电流和电压的时间走向的示意图；
22.图2c示出了相关的负载特性曲线和工作点的示意图；
23.图3a示出了在没有电压减少的情况下在接触丢失期间电流和电压的时间走向的示意图(电机作为发电机运行)；
24.图3b示出了在具有电压减少的情况下在接触丢失期间电流和电压的时间走向的示意图(电机作为发电机运行)；
25.图3c示出了相关的负载特性曲线和工作点的示意图。
具体实施方式
26.图1中示出了用于机动车辆的电路装置1的实施方式的示意图。可以经由架空线20为机动车辆提供电能。为此，必须在架空线20与机动车辆的高压网络3之间构建电气连接。电路装置1与机动车辆的集电器2连接。
27.电路装置1包括用于提供电能的高压电池4、高压直流中间电路5和高压直流中间电路5与高压电池4之间的直流电压转换器7。电路装置1、特别是直流电压转换器7借助控制装置(未示出)来被控制或调节。
28.特别地规定，直流电压转换器7被构建为双向直流电压转换器17，其中，直流电压转换器7还被构建为在需要时将由架空线20提供的直流电压uf转换为高压电池4的充电电压。
29.经由耦合装置6，高压直流中间电路5可以与架空线20电气连接。
30.机动车辆还包括电机10，其可以经由驱动变流器11和另外的耦合装置12既与高压电池4连接又与高压直流中间电路5连接。为此，另外的耦合装置12例如包括电路装置13、14，利用这些电路装置，电机10可以经由驱动变流器11与高压电池4或者与高压直流中间电路5连接。此外，另外的电气高压耗电器15可以与高压电池4连接。
31.集电器2包括扼流电感18、电气保险装置19和预充电电阻22。高压电池4包括电气保险装置8和内部电路装置9，用于在过载的情况下断开与高压网络3的电气连接。
32.如果例如由于道路不平坦或振动导致架空线20与集电器2的滑动触点21之间的接触丢失，则在架空线20的功率下降时导致电压up的下降。
33.这在图2a中示意性地示出。图2a示出了电流30和电压31在时间32上的走向。在此假定在所示的整个时间段内功耗是恒定的。在时间点t0处，存在正常的运行状态并且电路装置1处于第一工作点40。电流ie向电机10的电流流动以及电流id向直流电压转换器7的电流流动使得实现向电机10的功率流动以及经由直流电压转换器7向高压电池4的功率流动。直流电压转换器7为高压电池4充电。
34.在时间点t1处发生接触丢失。接触丢失持续至时间点t2。这种接触丢失通常会持
续几毫秒。在时间点t1与t2之间的这段时间内，出现电压up的下降。由于扼流电感18(图1)，电压降的走向被平滑并由此缓和，从使得高压直流中间电路5中的电压ud和ue虽然下降并且电路装置1处于第二工作点41。然而，走向在时间32上被平滑。由于所假设的恒定功耗，相较于第一工作点40下的正常运行状态，电流ie和id在t1与t2之间的时间中更大。
35.在由集电器2与架空线20之间的接触丢失而引起电压降的情况下，直流电压转换器7通过来自高压电池4的能量传输来支持高压直流中间电路5的直流电压ue。
36.对电压的支持在图2b中示意性地示出。接触丢失的时间走向与图2a中所示的走向相同，相同的附图标记表示相同的术语和特征。为了支持高压直流中间电路5中的直流电压ue，直流电压转换器7在时间点t1与t2之间反转电流id的电流方向，并且由此引起从高压电池4至高压直流中间电路5中的功率流动。这借助对面向高压直流中间电路5一侧的电压调节来实现。通过改变电流id，高压直流电压中间电路5中的电压ue和ud增加到发生接触丢失之前的电压ue、ud的值。直流电压转换器7因此提供电流差以支持在时间点t0处存在的原始的电压ue。
37.可以规定，电路装置1具有布置在高压直流中间电路5上的电压传感器16，其中，电压传感器16具有至少100khz的采样频率，并且其中，直流电压转换器7基于电压传感器16所采集的传感器数据来对电压支持进行调节。
38.还可以规定，直流电压转换器7对面向高压直流中间电路5一侧的电压调节具有至少10khz的调节频率。
39.图2c中示出了具有不同工作点40、41、42的负载特性曲线43、44的示意图。x轴33表示电流并且y轴34表示高压直流中间电路5中的电压ue(＝ud)。工作点40、41、42也在图2a和图2b中示出。
40.负载特性曲线43、44示出了在所假设的恒定功耗的情况下高压直流中间电路中的电压ue(＝ud)与电流的依赖关系。负载特性曲线43在此描述了在集电器2与架空线20之间存在电气接触的正常运行状态期间的依赖关系。反之，负载特性曲线44描述了在接触丢失期间的依赖关系。在此假定，接触没有完全断开，而是仅电阻增加。由于该原因，负载特性曲线44在量方面比负载特性曲线43具有更大的斜率。
41.在正常运行状态下，电路装置1在特性曲线43上的第一工作点40中运行。电流ie和id相加。如果存在接触丢失，则在没有对电压ue(＝ud)进行支持的情况下，通过增大的电流ie和id，电路装置1位于特性曲线44上的第二工作点41中。在对电压ue进行支持的情况下(其中电流id与电流ie相反地起作用)，电路装置1反之处于第三工作点42，即，处于与负载特性曲线43上的第一工作点40(即，正常运行模式下)相同的电压ue上。
42.反之，如果电机10处于发电机运行并且电功率被馈入到架空线20中，则当出现架空线20与集电器2的滑动触点21之间的接触丢失时，电压up就会增加。
43.这在图3a中示意性地示出。图3a示出了电流30和电压31在时间32上的走向。在此假定在所示的整个时间段内生成性的功率是恒定的。在时间点t0处，存在正常运行状态并且电路装置1处于第一工作点40。来自电机10的电流ie的电流流动和电流id向直流电压转换器7的电流流动使得实现从电机10向架空线20的功率流动以及经由直流电压转换器7向高压电池4的功率流动。直流电压转换器7为高压电池4充电。
44.在时间点t1处发生接触丢失。接触丢失持续至时间点t2。这种接触丢失通常会持
续几毫秒。在时间点t1与t2之间的这段时间内，出现电压up的上升。由于扼流电感18(图1)，电压降的走向被平滑并由此缓和，从使得高压直流中间电路5中的电压ud和ue虽然上升并且电路装置1处于第二工作点41。然而，走向在时间32上被平滑。由于所假设的恒定的生成性的功耗，相较于第一工作点40下的正常运行状态，电流ie和id的量在t1与t2之间的时间中减小。
45.在由集电器2与架空线20之间的接触丢失而引起电压上升的情况下，直流电压转换器7通过增加向高压电池4中的能量传输来减小高压直流中间电路5的直流电压ue。
46.对直流电压的减小在图3b中示意性地示出。接触丢失的时间走向与图3a中所示的走向相同，相同的附图标记表示相同的术语和特征。为了减小高压直流中间电路5中的直流电压ue，直流电压转换器7在时间点t1与t2之间增高电流id，并且由此引起从高压直流中间电路5向高压电池4中的(增高的)功率流动。这借助对面向高压直流中间电路5一侧的电压调节来实现。通过改变电流id，高压直流电压中间电路5中的电压ue和ud减少到发生接触丢失之前的电压ue、ud的值。直流电压转换器7因此提供电流差以设置在时间点t0处存在的原始的电压ue。
47.可以规定，电路装置1具有布置在高压直流中间电路5上的电压传感器16，其中，电压传感器16具有至少100khz的采样频率，并且其中，直流电压转换器7基于电压传感器16所采集的传感器数据来对电压减少进行调节。
48.还可以规定，直流电压转换器7对面向高压直流中间电路5一侧的电压调节具有至少10khz的调节频率。
49.图3c中示出了具有不同工作点40、41、42的负载特性曲线43、44的示意图。x轴33表示电流并且y轴34表示高压直流中间电路5中的电压ue(＝ud)。工作点40、41、42也在图3a和图3b中示出。
50.负载特性曲线43、44示出了在所假设的恒定的生成性的功率的情况下高压直流中间电路5中的电压ue(＝ud)与电流的依赖关系。负载特性曲线43在此描述了在集电器2与架空线20之间存在电气接触的正常运行状态期间的依赖关系。反之，负载特性曲线44描述了在接触丢失期间的依赖关系。在此假定，接触没有完全断开，而是仅电阻增加。由于该原因，负载特性曲线44在量方面比负载特性曲线43具有更大的斜率。
51.在正常运行状态下，电路装置1在特性曲线43上的第一工作点40中运行。高压直流中间电路中的电流ie通过电流id来减少。如果存在接触丢失，则在没有对电压ue(＝ud)进行减小的情况下，通过在量方面减小的电流ie和id，电路装置1位于特性曲线44上的第二工作点41中。为了减小电压ue，直流电压转换器7中的电流id增加，从而实现从直流电压中间电路5向高压电池4中的(增加的)功率流动。在假设生成性的功率相同的情况下，电流ie通过降低电压ue来对应地增加。电路装置1于是处于第三工作点42，即，处于与负载特性曲线43上的第一工作点40(即，正常运行模式下)相同的电压ue上。
52.电路装置1和方法的优点在于，即使在接触丢失的情况下，也可以提供支持的或恒定并且稳定的直流电压ue以运行电机10和高压直流中间电路5中的另外的高压耗电器15，并且因此即使在接触丢失期间也不会中断或干扰正常运行。
53.附图标记列表
[0054]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电路装置
[0055]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
集电器
[0056]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高压网络
[0057]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高压电池
[0058]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高压直流中间电路
[0059]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
耦合装置
[0060]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
直流电压转换器
[0061]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电气保险装置
[0062]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
内部电路装置
[0063]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电机
[0064]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
驱动变流器
[0065]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
另外的耦合装置
[0066]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电路装置
[0067]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电路装置
[0068]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高压耗电器
[0069]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电压传感器
[0070]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
双向直流电压转换器
[0071]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
扼流电感
[0072]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电气保险装置
[0073]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
架空线
[0074]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
滑动触点
[0075]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
预充电电阻
[0076]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流
[0077]
31
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电压
[0078]
32
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
时间
[0079]
33
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
x轴
[0080]
34
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
y轴
[0081]
40
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一工作点
[0082]
41
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二工作点
[0083]
42
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三工作点
[0084]
43
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
负载特性曲线(正常运行)
[0085]
44
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
负载特性曲线(支持运行)
[0086]
51
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电气保险装置
[0087]
52
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
内部电路装置
[0088]
t0-t2
ꢀꢀꢀ
时间点
[0089]
up
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电压(集电器)
[0090]
ip
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流(集电器)
[0091]
ue
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电压(中间电路)
[0092]
ie
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流(中间电路)
[0093]
ud
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电压(直流电压转换器)
[0094]
id
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流(直流电压转换器)
[0095]
ub
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电压(高压电池)
[0096]
ib
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流(高压电池)
[0097]
ie
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流(中间电路)