CN104704589B - 用于为中间电路电容器充电的电路装置和方法及具有该电路装置的蓄电池和机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于为中间电路电容器(5)充电的电路装置(1)和方法(20)以及具有此类的电路装置(1)的蓄电池***和机动车。依据本发明，该电路装置(1)具有两个开关元件(12、13)，它们与预充电电阻(2)串联连接。在依据本发明的方法(20)之中，该些开关元件(12、13)在该中间电路电容器(5)开始充电时相继闭合(31、32)并且在该中间电路电容器(5)结束充电时通过该预充电电阻(2)相继断开(41、42)。

Description

用于为中间电路电容器充电的电路装置和方法及具有该电路 装置的蓄电池和机动车
技术领域
本发明涉及用于以源自充电蓄电池的电能为中间电路电容器充电的电路装置，其具有用于选择性地将用于该充电蓄电池的电路装置的第一连接触点与用于该中间电路电容器的电路装置的第二连接触点电连接的第一开关元件和电的预充电电阻，该预充电电阻与第一开关元件并联连接。此外，本发明涉及一种用于以源自充电蓄电池的电能为中间电路电容器充电的方法，在该方法中充电电流至少部分地通过电的预充电电阻传导至中间电路电容器。再者，本发明涉及具有此类的电路装置的蓄电池***以及具有该蓄电池***的机动车，其中，该蓄电池***与该机动车的驱动***相连接。
背景技术
通常来说，用于以电能为中间电路电容器充电的电路装置是已知的。其中，该中间电路电容器用于提供待由源自蓄电池的电能来供电的用电器的短时高的电流需求的电流。为了以电能来充电该中间电路电容器，该中间电路电容器尤其是与充电蓄电池并联连接。
在充电过程开始时能够闭合至少一个开关元件并且该中间电路电容器直接与充电蓄电池导电连接。然而，缘于该中间电路电容器的物理的特性的缘故，在将充电蓄电池与该中间电路电容器直接连接尤其是在该充电过程开始时将会有相对高的电流从充电蓄电池流至该中间电路电容器。这样高的电流能够例如使得该充电蓄电池负担过重并且甚至可能损害该充电蓄电池。
为了至少部分地限制该充电电流，已知的电路装置具有与第一开关元件并联连接的充电电阻。该充电电阻通常为欧姆式电阻，其能够借助于另一个开关元件与充电蓄电池和/或中间电路电容器相连接并且由此能够桥接该第一开关元件。因为另一个开关元件通常必须开关很高的电压例如直至600V的电压时的高电流，所以该开关元件通常需要较大的结构空间并且具有较高的重量。尤其地，在将该电路装置使用在机动车之中时，结构空间却是不足的并且较高的重量是不利的。即便是在静态的应用之中，例如风力发电设备之中，也能够限制结构空间。
发明内容
依据本发明提供了用于为中间电路电容器充电的电路装置，其附加于第一开关元件具有两个另外的开关元件，它们与预充电电阻串联连接地与第一开关元件并联连接。在使用两个另外的开关元件代替如在背景技术中所描述的那样仅仅使用一个另外的开关元件来桥接该第一开关元件时，该电路装置所需要的结构空间以及该电路装置的重量得以极大地降低。
此外，依据本发明提供了一种用于为中间电路电容器充电的方法，在该方法之中，两个由在运行时流过预充电电阻的充电电流来相继导通的开关元件在充电开始时相继闭合和/或在充电结束时通过该预充电电阻相继断开。由此通过将该些开关元件相继闭合或者断开能够降低单个的开关元件由于该充电过程而形成的负担并且大比例地减小该些开关元件的尺寸和重量。
依据本发明的解决方案能够通过不同的、分别有利的、任一相互组合的设计方案进一步得以改善。以下将涉及该些设计形式和与其相联系的优点。
本发明的优点
在第一有利的设计形式之中，另外的开关元件中的一个能够构造为电子的开关。电子的开关也能够开关高的电流。其中，该电子的开关相较于电机械式的开关能够以较小磨损地或者甚至无磨损地开关高的电流，该电机械式的开关在背景技术中用于接通充电电阻，因为在电子的开关的开关过程之中不会再出现如在电机械式的开关中的开关电弧。由此，由于接触烧损而引起的磨损在使用电子的开关时不会出现。
电子的开关尤其是半导体开关并且具有例如在运行时从或者至预充电电阻传导充电电流的晶体管或者IGBT，即例如绝缘栅极的双极型晶体管，其中，该晶体管或者IGBT能够无机械式接触元件地开关充电电流。
虽然借助于电子的开关能够无磨损地开关高的电流，然而借助于电子的开关并不能实现将充电蓄电池从中间电路电容器电地电势分离，因为电子的开关不具有任何在空间上相互可分离的开关接触。此外，电子的开关如MOSFET-晶体管即例如金属氧化物半导体场效应晶体管和IGBT在截止方向上含有结构类型为前提的二极管。为了能够在没有标称的或者甚至在没有相应的漏电流的情况下电地在电势上以两个电流方向相互分离该充电蓄电池和该中间电路电容器，另外的开关元件中的一个能够被构造为电机械式的开关。其中，被构造为电机械式的开关的另外的开关元件能够比源自背景技术的用于接通预充电电阻的电机械式的开关显著地更小并且更轻地加以构造。即依据本发明的电机械式开关不需要开关高的电流，因为该高的电流已经通过电子的开关加以开关了。依据本发明的电机械式开关也仅仅需要实施电的电势分离，以便通过电势分离来结束在该预充电电阻之上的充电过程。由此通过使得该电子的开关在断开的即非导通的或者截止的状态之下不流过任何电流，能够在断开时或者在该电机械式开关闭合时不产生任何开关电弧并且防止接触烧损。
该电机械式开关能够为在运行中至或者从预充电电阻传导充电电流的继电器。通过由电子的开关来实现电流电路的分离并且由电机械式开关来实现电压电路的分离，两个开关元件均能够如此小地加以构造，使得该电子的开关和该电机械式的开关均能够被构造为装备在电路板上的开关。尤其地，该电机械式的开关的构造并非如在背景技术部分那样必须构造为接触器。
由此通过将两个开关元件可比较地小地并且轻地加以构造，使得他们能够安置在蓄电池控制单元的壳体之中。例如，该电路装置能够至少部分地安置在用于控制该些开关元件的此类的蓄电池控制单元之中，其中，这两个另外的开关元件能够安置在该蓄电池单池的壳体之内。
由此，尤其地，为该电路装置所需要的结构空间得以缩小，因为仅仅需要将该预充电电阻安置在该蓄电池控制单元的壳体的外部。虽然该预充电电阻也能够安置在该蓄电池控制单元的壳体之内，然而，因为在该中间电路电容器充电时在该预充电电阻之上所下降的损失功率将会产生较多的损失热量，所以该蓄电池控制单元在没有附加的冷却措施的情况下能够由于该损失热量而变得过热。因为尤其是通过该电机械式开关的开关在没有标称的开关电弧的情况下发生，两个另外的开关元件在运行时产生较小的废热，使得该些开关元件能够在没有其他措施的情况下在蓄电池控制单元之中加以运行。由于较高的损失功率的缘故，该预充电电阻此外能够需要很大的结构空间，该结构空间在蓄电池控制单元内部并不能得以提供。两个另外的开关元件相反地对于在蓄电池控制单元之中的装置来说已经足够小了。
为了开始该中间电路电容器的充电过程，两个开关元件首先设置在不导电的状态之下并且也不传导该充电电流。首先，该充电蓄电池的蓄电池电势能够施加在该中间电路电容器之上，而不需将该充电电流经由该预充电电阻流至该中间电路电容器。在此，该被构造为电机械式的开关的开关元件能够闭合。如果该电机械式的开关元件闭合，那么虽然该蓄电池电势施加在该中间电路电容器之上，然而，因为被构造为电子的开关的开关元件仍然断开，即不导电或者截止，所以还是不会有任何电流从充电蓄电池经由被构造为电机械式的开关的开关元件流至该中间电路电容器。在该电机械式的开关闭合时，因此不会产生标称的开关电弧，使得该开关触电不会由于接触烧损而损坏。
现在如果闭合构造为电子的开关的开关元件，即导电地连接，那么充电电流将会经由该充电电阻流至中间电路电容器，而不会再次产生标称的开关电弧。
为了通过预充电电阻来结束该中间电路电容器的充电，首先能够断开构造为电子的开关的开关元件，即不导电或者截止地加以连接。虽然现在该充电电流不再从充电蓄电池流至中间电路电容器，然而，为了也能够电地相互分离该充电蓄电池和该中间电路电容器，现在必须断开构造为电子的开关的开关元件。因为标称的电流不能够从充电蓄电池通过先前已经断开的电子的开关经由电机械式的开关流至该中间电路电容器，所以在该电机械式开关断开时不会产生任何标称的开关电弧，由此防止了接触烧损和由此带来的磨损以及热负担。
该充电蓄电池优选地包括至少一个或者多个基于锂的蓄电池单池并且尤其是至少一个或者多个锂离子蓄电池单池。
附图说明
接下来将借助于多个实施例参照所附的附图来示例性地阐述本发明。其中，该些实施形式的不同的特征能够独立地相互组合，如其已经在单个的有利的设计方案之中所示出的那样。其中：
图1示出了依据本发明的电路装置的实施例；
图2示出了依据本发明的方法的一部分的作为流程图的实施例；以及
图3示出了依据本发明的方法的另一部分的作为流程图的实施例。
具体实施方式
首先，依据本发明的电路装置1的结构和功能将参照图1的实施例来加以描述。
图1示意性地示出了具有电的充电电阻2和第一开关元件3的电路装置1。
借助于该第一开关元件3，能够包括多个蓄电池单池的充电蓄电池4能够与中间电路电容器5导电连接。该电路装置1如此地经由连接触点6、7与充电蓄电池4和中间电路电容器5连接，使得该第一开关元件3与充电蓄电池4和中间电路电容器5串联连接。该预充电电阻2经由该连接触点6、7与第一开关元件3并联连接。
如果该第一开关元件3如在图1的实施例中所示出的那样是断开的，即不导电，那么不会有任何电流从该充电蓄电池4流至中间电路电容器5。并联连接至中间电路电容器5的用电器电路8不会以源自充电蓄电池4的电能来加以供电，该用电器电路8能够具有逆变器9和例如用于风力发电机组叶片的伺服电机或者机动车的驱动电机的电机10。
如果现在在充电蓄电池4和中间电路电容器5之间的电路由于第一开关元件3的闭合而接通，那么充电电流将会从充电蓄电池4流至中间电路电容器5。为了闭合该电路将会或许闭合另外的开关元件11，借助于该开关元件11该充电蓄电池4经由其他的电流路径与该中间电路电容器5串联连接。
如果现在该电路闭合并且该中间电路电容器5例如并未以电能来加以充电，那么由于该中间电路电容器5的物理特性的缘故充电电流将会从充电蓄电池4流至该中间电路电容器5，该充电电流基本上仅仅通过该充电蓄电池4的内阻来加以限制。这样的充电电流能够导致该充电蓄电池4的过载或者甚至损坏。
为了至少部分地以充电电流来充电该中间电路电容器5并且在此防止该充电蓄电池4的过载，该电路在充电过程开始时首先未通过该开关元件3而加以闭合。与之相反地，该充电电流至少在该充电过程开始时通过预充电电阻2来加以限制地传导至该中间电路电容器5。为了将该预充电电阻2并联连接至第一开关元件3，该电路装置1具有两个另外的开关元件12、13，它们在充电过程期间通过预充电电阻2相互连接并且与预充电电阻2串联连接并且与第一开关元件3并联连接。如果两个另外的开关元件12、13闭合，即导电，那么该两个另外的开关元件12、13与预充电电阻2一起桥接该第一开关元件3。如果另外的开关元件11存在并且闭合，那么现在该充电电流将会从充电蓄电池4通过该预充电电阻2流至中间电路电容器5，尽管该第一开关元件3不导电。
两个另外的开关元件12、13中的一个优选地被构造为电子的开关12，例如PCB开关、晶体管、IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)、MOSFET。该两个另外的开关元件12、13中的另一个能够被构造为电机械式的开关13，例如PCB(印刷电路板)继电器。
图2将依据本发明的用于为该中间电路电容器5充电的方法的一部分示意性地示出为流程图。在第一方法步骤30之中开始该充电过程。例如，该中间电路电容器5经由连接触点7与电路装置1相连接并且另一个开关元件11闭合。在另一个方法步骤31之中现在被构造为电机械式开关的开关元件13闭合。通过电机械式开关13的闭合，与该电路装置1导电地加以连接的充电蓄电池4的蓄电池电势施加在该中间电路电容器5之上。然而，因为该两个另外的开关元件12、13中的第二开关元件12未导电，即断开或者截止，所以仍然不会有任何充电电流从充电蓄电池4经由预充电电阻2流至该中间电路电容器5。
如果被构造为电子的开关的开关元件12现在在接下来的方法步骤32之中同样闭合，即导电连接，那么充电电流能够从充电蓄电池4经由该预充电电阻2并且接下来通过两个另外的开关元件12、13流至该中间电路电容器5。
该电路装置1的两个另外的开关元件12、13在蓄电池控制单元14之中安置地加以示出，其中，该蓄电池控制单元14具有开关控制装置15，借助于该开关控制装置能够至少使得该被构造为电子的开关的开关元件12并且附加地也能够使得被构造为电机械式的开关的开关元件13断开或者闭合。
图3示出了用于为中间电路电容器5充电的方法20的另一部分。尤其地，图3示出了如何通过预充电电阻2来结束该中间电路电容器5的充电。在第一方法步骤40之中开始通过预充电电阻2来结束该充电过程。例如，该中间电路电容器5已经达到一种状态，在该状态之下该中间电路电容器能够直接经由该第一开关元件3来充电，而不需必须例如通过该预充电电阻2来限制充电电流。为了结束该充电过程，首先在方法步骤41之中断开被构造为电子的开关的开关元件12，即不导电或者截止连接。由此结束了标称的电流从充电蓄电池4经由预充电电阻2流至中间电路电容器5。
因为抑制了通过断开的电子的开关12的电流，所以现在在接下来的方法步骤32之中被构造为电机械式的开关元件13能够无电流地加以断开，以便将该充电蓄电池4和该中间电路电容器5电势地相互加以分离。如果该中间电路电容器5继续地加以充电而不通过该预充电电阻2来限制该充电电流，那么为了通过该预充电电阻来结束该充电过程在接下来的方法步骤43之中闭合该第一开关元件3，使得该充电电流能够无阻碍地直接从充电蓄电池4流至中间电路电容器5。替代地或者附加地，该蓄电池4现在也能够直接与用电器电路导电连接。

Claims (8)

1.一种用于以源自充电蓄电池(4)的电能为中间电路电容器(5)充电的电路装置(1)，所述电路装置具有用于将用于所述充电蓄电池(4)的所述电路装置(1)的第一连接触点(6)与用于所述中间电路电容器(5)的所述电路装置(1)的第二连接触点(7)电连接的第一开关元件(3)，并且所述电路装置具有电的预充电电阻(2)，所述预充电电阻能够与所述第一开关元件(3)并联连接，
其特征在于，
所述电路装置(1)还具有电子的开关(12)和电机械式的开关(13)，所述电子的开关(12)和所述电机械式的开关(13)彼此串联连接，
其中所述电子的开关(12)和所述电机械式的开关(13)能够与所述预充电电阻(2)串联地连接，并且其中所述电子的开关(12)、所述电机械式的开关(13)以及所述预充电电阻(2)能够共同地与所述第一开关元件(3)并联连接，
其中所述电路装置(1)还具有蓄电池控制单元(14)，以用于控制所述第一开关元件(3)、所述电子的开关(12)和所述电机械式的开关(13)，
其中所述蓄电池控制单元(14)被构造为，
在开始经由所述预充电电阻(2)的充电时，首先闭合所述电机械式的开关(13)，然后闭合所述电子的开关(12)，在结束经由所述预充电电阻(2)的充电时，首先断开所述电子的开关(12)，然后断开所述电机械式的开关(13)。
2.根据权利要求1所述的电路装置(1)，其特征在于，所述电子的开关(12)具有在运行中向下游连接的所述预充电电阻(2)传导充电电流或者从上游连接的所述预充电电阻(2)传导充电电流的晶体管。
3.根据权利要求1所述的电路装置(1)，其特征在于，所述电子的开关(12)具有在运行中向下游连接的所述预充电电阻(2)传导充电电流或者从上游连接的所述预充电电阻(2)传导充电电流的绝缘栅双极型晶体管。
4.根据权利要求1所述的电路装置(1)，其特征在于，所述电机械式的开关(13)为在运行中向下游连接的所述预充电电阻(2)传导充电电流或者从上游连接的所述预充电电阻(2)传导充电电流的继电器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电路装置(1)，其特征在于，所述电子的开关(12)和所述电机械式的开关(13)被安置在所述蓄电池控制单元(14)的壳体之内。
6.一种用于以源自充电蓄电池(4)的电能为中间电路电容器(5)充电的方法(20)，在所述方法之中充电电流至少部分地通过电的预充电电阻(2)传导至所述中间电路电容器(5)，
其特征在于，
在开始经由所述预充电电阻(2)的充电时，首先闭合电机械式的开关(13)，然后闭合电子的开关(12)，
在结束经由所述预充电电阻(2)的充电时，首先断开所述电子的开关(12)，然后断开所述电机械式的开关(13)，
其中所述电子的开关(12)和所述电机械式的开关(13)能够与所述预充电电阻(2)串联地连接。
7.一种蓄电池***，其具有充电蓄电池(4)和用于为中间电路电容器(5)充电的电路装置(1)，其特征在于，所述电路装置(1)为根据权利要求1至5中任一项所述的电路装置(1)。
8.一种具有蓄电池***的机动车，所述蓄电池***与所述机动车的驱动***相连接，其特征在于，所述蓄电池***为根据权利要求7所述的蓄电池***。
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