CN104868517B

CN104868517B - 电路、电动力系和用于对电池充电的方法

Info

Publication number: CN104868517B
Application number: CN201510084946.5A
Authority: CN
Inventors: P.G.布罗克霍夫; A.毛德
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2018-07-17
Anticipated expiration: 2035-02-17
Also published as: CN104868517A; DE102015102481B4; DE102015102481A1; US9283864B2; US20150239363A1

Abstract

本发明涉及电路、电动力系和用于对电池充电的方法。提供一种电路，该电路包含电池、全极开关、开关元件、DC中间电路和电流供给电路。全极开关可以被耦合到电池并且可以被配置成电断开电池。DC中间电路可以经由开关元件被耦合到全极开关，并且电流供给装置可以被耦合到DC中间电路。

Description

电路、电动力系和用于对电池充电的方法

技术领域

各种实施例大体上涉及电力车辆的电路和电动力系（power train）以及用于对电力车辆的电池充电的方法。

背景技术

电力车辆可以具有用于推进的电池和电力驱动单元。电力驱动单元的电动机可以被用作再生制动，即它可以被用作将动能转换为电能的发电机。期望使用由电力驱动单元提供的电能对电池充电。

然而，在电力车辆的高速中并且特别在电池几乎用尽时失效的情况下，大的电流可以流到电池中。这可以导致在电力车辆的一个或多个轮上的大的制动转矩，这可能在光滑的道路上或在曲线中导致危险的情形。进一步，用太高的电流对电池充电可以产生火灾或损坏或破坏电池，特别在电池已经充满电、太热或太冷时。

为了防止电池的不受控制的充电，电动机的最大电压可以选择成小于电池的最小电压。然而，在这种情况下要求来提供相同的功率水平的更大电流可以导致用于电力电动机的更重的电动机和更大的控制电子设备，这可以增加成本、空间要求和重量并且减少电力驱动单元的电效率。

发明内容

提供一种电路，该电路包含电池、全极开关、开关元件、DC中间电路和电流供给装置。全极开关可以被耦合到电池并且可以被配置成电断开（或电隔离）电池。DC中间电路可以经由开关元件被耦合到全极开关，并且电流供给装置可以被耦合到DC中间电路。

在各种实施例中，开关元件可以具有最大阻断电压，该最大阻断电压小于电流供给装置的最大电压并且大于电流供给装置的最大电压与电池的最小电压的差。

在各种实施例中，开关元件可以具有最大阻断电压，该最大阻断电压小于电流供给装置的最大电压与电池的最小电压的差。

在各种实施例中，开关元件可以包含相互串联耦合的多个开关。每个开关可以具有最大阻断电压并且多个开关的最大阻断电压的和可以小于电流供给装置的最大电压并且大于电流供给装置的最大电压与电池的最小电压的差。

在各种实施例中，开关元件可以进一步包含与多个开关串联耦合的至少一个其它开关。多个开关的最大阻断电压与至少一个其它开关的最大阻断电压的和可以大于电流供给装置的最大电压。

在各种实施例中，多个开关中的每个开关和至少一个其它开关可以具有相同的最大阻断电压。

在各种实施例中，多个开关中的至少一个开关可以被耦合在电池的正极与电流供给装置之间并且多个开关中的至少一个开关可以被耦合在电池的负极与电流供给装置之间。

在各种实施例中，电路可以进一步包含二极管，该二极管与开关元件并联耦合并且被配置成允许电流从电池流到电流供给装置并且阻断电流从电流供给装置流到电池。

在各种实施例中，电路可以进一步包含耦合到开关元件的缓冲电路（snubbercircuit）。

在各种实施例中，电路可以进一步包含控制单元，该控制单元被配置成取决于以下中的至少一个来操作开关元件：电流供给装置的电压与电池的电压之间的电压差超过电压阈值；从电流供给装置流到电池的电流超过电流阈值；以及温度超过温度阈值。

在各种实施例中，电流供给装置可以包含以下中的一个：电力驱动单元；以及充电器。

在各种实施例中，电力驱动单元可以包含永久励磁同步电动机；以及耦合到永久励磁同步电动机的具有续流二极管的逆变器。

进一步，提供一种电动力系，该电动力系包含牵引电池、电力驱动单元和开关元件。电力驱动单元可以包含逆变器和耦合到逆变器的永久励磁同步电动机。逆变器可以被耦合到牵引电池并且开关元件可以被耦合在牵引电池与驱动单元之间。驱动单元的最大电压可以大于电池的最小电压。

在各种实施例中，开关元件可以具有最大阻断电压，该最大阻断电压小于驱动单元的最大电压。

在各种实施例中，开关元件可以具有最大阻断电压，该最大阻断电压小于驱动单元的最大电压与牵引电池的最小电压的差。

更进一步，提供一种用于对电池充电的方法。该方法可以包含经由开关元件将电池与电流供给装置耦合和去耦，其中开关元件具有最大阻断电压，该最大阻断电压是：小于电流供给装置的最大电压；并且大于电流供给装置的最大电压与电池的最小电压的差。

在各种实施例中，当电流供给装置的电压与电池的电压之间的电压差在第一阈值以下时，开关元件可以将电流供给装置耦合到电池。

在各种实施例中，开关元件在以下中的至少一个时可以将电流供给装置与电池去耦：电流供给装置的电压与电池的电压之间的电压差超过第二阈值；从电流供给装置流到电池的电流超过电流阈值；以及温度超过温度阈值。

在各种实施例中，在电流供给装置的电压与电池的电压之间的电压差超过第二阈值时开关元件已将电流供给装置与电池去耦之后，开关元件可以将电流供给装置间歇地耦合到电池。

在各种实施例中，电流供给装置的电流可以由充电器或作为发电机的电力驱动单元来提供。

附图说明

在附图中，遍及不同视图，相同的参考符号大体上指代相同的部分。附图不一定是按比例的，而是重点大体上放在图示本发明的原理。在附图中，参考数字的最左边的（一个或多个）数字可以标识在其中参考数字首次出现的附图。相同的数字可以遍及视图被用来参考相同的特征和部件。在下面的描述中，本发明的各种实施例参考下面的附图来描述，在附图中：

图1示出电路的实施例；

图2示出电动力系的实施例；

图3示出开关元件的实施例；

图4示出开关元件的另一个实施例；

图5示出开关元件的又一个实施例；

图6示出保护单元的实施例；

图7示出具有续流二极管的电路的实施例；

图8示出具有缓冲电路的电路的实施例；

图9示出具有另一个缓冲电路的电路的实施例；以及

图10示出用于对电池充电的方法的实施例。

具体实施方式

下面的详细描述参考附图，附图以图示的方式示出在其中可实践本发明的特定细节和实施例。

词语“示范性”在这里用于意指“用作示例、实例或图示”。任何在这里描述为“示范性”的实施例或设计不一定解释为相对于其它实施例或设计是优选的或有利的。

图1示出例如用于电动力系的电路的实施例100。电动力系可以包含电池102和电力驱动单元104。电池102可以对电力驱动单元104供电以便推动电力车辆。它可以是牵引电池，即被用于电力车辆的推进的可再充电电池。它可以是铅酸电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池、熔盐电池或任何其它种类的电池。电池电压Vbat可以例如是Vbat = 150 V ~500 V，然而，其它值是可能的。

电池102可以经由全极开关106和保护单元108被耦合到电力驱动104。全极开关106可以具有耦合到电池102的正极（+）的开关和耦合到电池102的负极（-）的开关。它用于例如当电力车辆停放时或在紧急情形期间将电池102的正极（+）和负极（-）从驱动单元104分离或断开。全极开关106可以是继电器和/或半导体开关。

电力驱动104可以在再生中断期间对电池102充电并且可以提供电压Vc。保护单元108可以将电池102与电力驱动单元104连接和断开。举例来说，对于具有85 kW功率的电力驱动单元104和电池电压Vbat = 250 V，保护单元108可能需要切换340 A的电流。举例来说，如果保护单元108的最大消耗是500 W，则保护单元108可以具有4.3 mΩ的通态电阻或1.5V的电压降。

控制单元110可以操作保护单元108。当电池102正在对电力驱动单元供电时，控制单元110可以操作保护单元108以将电池102连接到电力驱动单元104。控制单元110可以在以下情况将电池102与电力驱动单元104断开：在电力驱动单元104的电压Vc与电池102的电压Vbat之间的电压差Vc – Vbat超过电压阈值时、或在从电力驱动单元104流到电池102的电流超过电流阈值的情况下、或例如在电池102或驱动单元104的温度超过温度阈值的情况下、或在可能损坏电动力系的任何部分的任何这样的事件期间。这样的安全相关的事件当电力车辆正在以高速运动并且电池102几乎完全放电时或当电池102在它已经完全充电时正被充电时可能发生。控制单元110也可以当互锁信号活动时将电池102与电力驱动单元104断开。互锁信号可以指示箱或壳体已被打开并且承载高的电压的部分可能被暴露到人体接触。

在事件已平息之后和/或在重置信号已被发出之后，控制单元110可以操作保护单元108以将电池102连接到电力驱动单元104。保护单元108因此可以控制由电力驱动单元104对电池102的充电并且所以可以保护电池102。驱动单元104的最大电压Vcmax因此可以在没有引入安全风险的情况下大于电池102的最小电压Vbatmin。因此，更小的电子电动机和控制电子设备（例如在逆变器中）可以被使用，这可以减少成本、空间要求和重量并且增加电力驱动单元的效率。

代替电力驱动单元104，可以使用任何电流供给装置。例如，连接到市电电源的充电器可以被耦合到电池以便对它充电。保护单元108可以将电池102与充电器断开以防止电池的过充电。换言之，保护单元108可以例如在充电器的失效或电池102与充电器之间的数据连接失效或丢失数据连接的情况下将电池102与充电器断开。

图2示出电动力系的实施例200。图2可以更详细地描述图1的电动力系，使得连同图1一起给出的描述也可以应用到图2并且反之亦然。为了简化图示，在图2中不示出控制单元110；然而，它可以存在在实施例200中。

电池102再次经由全极开关106和保护单元108被耦合到电力驱动单元104。电力驱动单元104可以包含逆变器（或功率逆变器）114和电力电动机112。

逆变器114可以由直流电（DC）来供电。它可以是B6桥。逆变器114可以具有三个开关T1、T2和T3，该三个开关T1、T2和T3可以每个具有连接到正节点116的第一端子和连接到相应的线圈节点121、122和124的第二端子。它可以具有三个进一步开关T4、T5和T6，该三个开关T4、T5和T6可以每个具有连接到负节点118的第一端子和连接到相应的线圈节点121、122和124中的一个的第二端子。逆变器114可以对电力电动机112中的线圈供电，以便在电力电动机112中获得旋转的磁场。

电力电动机112可以是无刷DC电动机（BLDC）。它可以是永久励磁同步电动机。逆变器114的线圈节点121、122和124中的每个可以被连接到电力电动机112的相应的电动机相。电动机相可以通过线圈L1、L2和L3中的一个和电压源来表示。线圈L1、L2和L3可以在电力电动机112的定子中相互以120度来布置。关于电动机112的轴的旋转磁场可以通过用相互滞后120度的电流来驱动三个线圈L1、L2和L3而获得。在图2中，线圈L1、L2和L3以具有一个公共节点的星形或Y形连接被示出。但这仅是一个示例，因为它们也可以以三角连接来连接，其中线圈中的每两个线圈之间的公共节点被连接到逆变器的端子中的一个。用于操作开关T1、T2、T3、T4、T5和T6以驱动线圈L1、L2和L3的控制电路在本领域中是已知的并且将不在这里详细描述。电动机112的转子可以具有例如由永久磁体生成的恒定的磁场。转子的北极将朝着定子的旋转的磁场南极运动，并且反之亦然。电动机中的线圈的数目也可以高于图1的示例中示出的三个线圈。当使用例如s = 4、5、6或更多线圈时，相等数目的操作开关对能够被用来提供经过每两个相邻线圈的电流之间的360°/s的电流滞后。

开关T1、T2、T3、T4、T5和T6可以是功率晶体管，诸如功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）。开关T1、T2、T3、T4、T5和T6中的每个可以不能够传导反向电流，即从其第二节点（或相应的线圈节点121、122和124）流到其第一端子的电流。

为了允许电流从电力电动机112经过逆变器114流到电池102，开关T1、T2、T3、T4、T5和T6中的每个可以具有跨过其第一端子和其第二端子连接的相应的二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6，其中二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6被配置使得电流可以从相应的第二端子流到相应的第一端子。二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6在MOSFET被用于开关T1、T2、T3、T4、T5和T6的情况下可以是开关T1、T2、T3、T4、T5和T6的相应的基体二极管。二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6可以是所谓的续流二极管。它们可以将在电力电动机112被用作再生制动时由线圈L1、L2和L3提供的交流电整流为直流电。

包含电容器或任何其它种类的能量贮存器的例如DC链电路的中间电路120可以被用来将电力驱动单元104和电池102的不同的电压和电流耦合。它可以被耦合在正节点116与负节点118之间。中间电路120可以使在再生制动期间由逆变器114提供的整流的交流电平滑。

保护单元108可以具有开关元件S和二极管D。开关元件S可以是MOSFET或IGBT。它可以具有最大阻断电压Vbmax，该最大阻断电压Vbmax小于驱动单元104或电流供给装置的最大电压。最大阻断电压可以是装置在处于“关断”状态时（即在它不在导通时）将可靠地承受而没有击穿的最大电压。换言之，开关元件S可以在电压超过最大阻断电压Vbmax的情况下开始导通。驱动单元104的最大电压Vcmax可以是当电动机被用于再生制动时可以生成的最大电压。小于驱动单元104的最大电压Vcmax的最大阻断电压Vbmax在电池电压Vbat不等于零的情况下可以是足够的，因为开关元件S仅需要承受大于驱动单元104的电压Vc与电池102的电压Vbat的差的电压。对于供给Vcmax = 550 V的最大电压的驱动单元104，开关元件S可以具有Vbmax < Vcmax = 550 V的最大阻断电压。

许多牵引电池不被放电到0 V；而是放电在电池102的最小电压Vbatmin处就停止。电池102的最小电压Vbatmin可以是电池的标称额定电压的百分数。例如，具有300 V的标称额定电压的电池可以具有处于标称额定电压的80 %的最小电压，即Vbatmin ＝240 V。

开关元件S可以具有最大阻断电压Vbmax，该最大阻断电压Vbmax大于驱动单元104（或电流供给装置）的最大电压Vcmax与电池102的最小电压Vbatmin的差。对于供给Vcmax =550 V的最大电压的电动机单元104，开关元件S可以具有最大阻断电压：Vbmax > Vcmax –Vbatmin = 550 V – 240 V = 310 V。因此，开关元件S的Vbmax可以选择为：

Vcmax – Vbatmin < Vbmax < Vcmax (1)

对于上面给定的示例，Vbmax可以处在310 V < Vbmax < 550 V之间。

然而，在再生制动的日常操作中，最大电压Vcmax由驱动单元104（或电流供给装置）正供给和电池102具有最小电压Vbatmin的组合可能是非常少的，因为它暗示用耗尽的电池以高速运动的电力车辆。开关元件S因此可以具有最大阻断电压Vbmax，该最大阻断电压Vbmax小于驱动单元104的最大电压Vcmax与电池102的最小电压Vbatmin的差，即：

Vbmax < Vcmax – Vbatmin。

因此，Vbmax可以在Vcmax – Vbatmin周围或仅仅在Vcmax – Vbatmin以下或仅仅在Vcmax – Vbatmin以上或等于Vcmax – Vbatmin。对于上面给定的示例，Vbmax可以在310V周围或仅仅在310 V以下或仅仅在310 V以上或等于310 V。

MOSFET的面积相关的通态电阻可以与Vbmax^2.5近似成比例。如果最大阻断电压Vbmax能够被减少一半，面积相关的通态电阻将被减小到1/5.6。减少最大阻断电压Vbmax减少了开关元件S所需要的面积并且允许较便宜的MOSFET被使用。

二极管D可以与开关元件S并联耦合并且可以允许电流从电池102流到驱动单元104（或电流供给装置）并且可以阻断电流从驱动单元104（或电流供给装置）流到电池102。二极管D是可选的并且可以在电池电压Vbat正在下降时自动维持电流从电池102流到中间电路120。二极管D可以具有与开关元件S相同的或大于开关元件S的最大阻断电压Vbmax。为了减少二极管D中的导通损耗，开关元件S在二极管D导通时可以是关闭的。当开关元件S是半导体开关（例如反向导通IGBT或功率MOSFET中的一个）时，二极管D可以被单片集成在开关元件S中。

再次，代替电力驱动单元104，任何电流供给装置可以被使用。例如，充电器可以被耦合到电池102以便对它充电。中间电路120可以通过充电器来使用以进一步使充电电流平滑，其可以在充电期间减少电池上的压力。充电器的保护电路可以需要是双向阻断的，即它们必须能够防止电流从两个方向经过它们流动。如果存在保护电路108，则单向保护电路可以被用于充电器，这可以导致保护电路的开关元件中的较低损耗。这可以在充电器的保护电路中进一步导致较少并且因此较便宜的开关元件。再举例来说，电力驱动单元104可以是具有刷子的电力DC电动机。保护电路108可以将电池102与电流供给装置断开以防止电池102的过充电。

图3示出保护单元108的开关元件S的实施例300。开关元件S可以包含可以相互串联耦合的多个开关S1、S2、...、Sn。开关S1、S2、...、Sn可以是MOSFET。

开关S1、S2、...、Sn中的每个可以具有相应的最大阻断电压Vb1、Vb2、...、Vbn。开关元件S的最大阻断电压Vb可以与相应的最大阻断电压Vb1、Vb2、...、Vbn的和相同：

Vb1 + Vb2 +...+ Vbn = Vb (2)。

因为每个相应的最大阻断电压Vb1、Vb2、...、Vbn可以小于单个开关的最大阻断电压Vb，所以总的面积相关的通态电阻（即开关S1、S2、...、Sn的面积相关的通态电阻的和）可以被减少使得较便宜的MOSFET可以被使用。

多个开关S1、S2、...、Sn可以每个具有相同的最大阻断电压：

Vb1 = Vb2 =...= Vbn (3)。

对于Vb1 = Vb2 =...= Vbn = Vb/n的情况，n个串联连接的开关S1、S2、...、Sn的总的面积相关的通态电阻然后可以成比例于：

n•(Vb/n)^2.5 = Vb^2.5/ n^1.5 (4)

其对于n大于1则小于Vb^2.5。

为了简化图示，控制单元110不被示出在图2中。然而，控制单元110将在相同方向上同时操作所有这些开关S1、S2、...、Sn。例如，控制单元110可以同时打开或关闭所有这些开关S1、S2、...、Sn。

开关S1、S2、...、Sn的数目和它们相应的最大阻断电压Vb1、Vb2、...、Vbn可以被选择使得开关S1、S2、...、Sn的最大阻断电压的和小于驱动单元（或电流供给装置）104的最大电压：

Vb1 + Vb2 +...+ Vbn < Vcmax (5)。

开关S1、S2、...、Sn的数目n和它们相应的最大阻断电压Vb1、Vb2、...、Vbn也可以被选择使得开关S1、S2、...、Sn的最大阻断电压Vb1、Vb2、...、Vbn的和大于驱动单元（或电流供给装置）104的最大电压与电池的最小电压的差：

Vb1 + Vb2 +...+ Vbn > Vcmax – Vbatmin (6)。

然而，开关S1、S2、...、Sn的数目n和它们相应的最大阻断电压Vb1、Vb2、...、Vbn也可以被选择使得开关S1、S2、...、Sn的最大阻断电压Vb1、Vb2、...、Vbn的和小于驱动单元104（或电流供给装置）的最大电压与电池的最小电压的差：

Vb1 + Vb2 +...+ Vbn < Vcmax – Vbatmin (7)。

图4示出保护单元108的开关元件S的实施例400。开关元件S可以与在图3中的相同，使得实施例300的描述可以应用到实施例400。然而，实施例400可以进一步包含与多个即n个开关S1、S2、...、Sn串联耦合的至少一个其它开关Sa。至少一个其它开关Sa可以是MOSFET。

至少一个其它开关Sa（仅一个开关Sa被示出）可以具有最大阻断电压Vba。多个开关S1、S2、...、Sn的最大阻断电压Vb1、Vb2、...、Vbn的和可以大于驱动单元104（或电流供给装置）的最大电压Vcmax与电池102的最小电压Vbatmin的差：

Vb1 + Vb2 +...+ Vbn > Vcmax – Vbatmin (8)。

再次，最大阻断电压Vb1、Vb2、...、Vbn的和可以被选择是大约为Vcmax – Vbatmin或等于Vcmax – Vbatmin或稍微小于Vcmax – Vbatmin，如上面所描述。在这种情况下，串联连接的总的最大阻断电压Vbt将大于Vcmax – Vbatmin：

Vbt = Vb1 + Vb2 +...+ Vbn + Vba > Vcmax – Vbatmin。

至少一个其它开关Sa的目的是在多个开关S1、S2、...、Sn中的一个失效的情况下（即在它变得导通并且不能被打开来中断电流流动的情况下）提供附加的安全。在这种情况下，剩余的开关（即能够仍然打开以中断流经它们的电流的那些开关）和至少一个另一个开关Sa将仍然具有总的最大阻断电压，该总的最大阻断电压足够大来中断电流流动。多个开关S1、S2、...、Sn和至少一个其它开关Sa可以具有相同的最大阻断电压Vb

Vb1 = Vb2 =...= Vbn = Vba (9)

根据进一步实施例，其它开关Sa被用来减轻对开关链S1、S2、...、Sn的控制。开关S1、S2、...、Sn可以以如下方式被控制：在链中的较低开关（例如Sx+1）是处于导通模式的情况下，开关Sx它自身也将是处于导通模式或将致使处于导通模式，并且当较低开关Sx+1处于阻断模式时，开关Sx也将进入阻断模式或将致使进入阻断模式。x的容许值是在1与n－1之间。开关Sn因此由其它开关Sa的状态来直接控制。

为了简化图示，控制单元110不被示出在图4中。然而，控制单元110将在相同方向上并且同时操作所有这些开关S1、S2、...、Sn和Sa。例如，控制单元110可以同时打开或关闭所有这些开关S1、S2、...、Sn和至少一个其它开关Sa。

二极管D可以与在图3和图4中示出的串联连接的开关耦合。二极管D可以允许电流从电池102流到驱动单元104（或电流供给装置）并且可以阻断电流从驱动单元104（或电流供给装置）流到电池102。二极管D可以具有与串联连接的开关相同的或大于串联连接的开关的最大阻断电压Vbmax。根据实施例，当单个开关元件S1、S2、...、Sn是半导体开关（例如反向导通IGBT或功率MOSFET中的一个）时，二极管D可以被单片集成在单个开关元件S1、S2、...、Sn中。

在图2中示出的保护单元108可以被耦合在连接到电池102的正极（+）的全极开关106的开关与正节点116（或驱动电路104）之间。然而，保护单元108也可以被耦合在连接到电池102的负极（-）的全极开关106的开关与负节点118（或驱动电路104）之间。

图5示出具有第一保护单元502和第二保护单元504的实施例500。第一保护单元502和第二保护单元504可以与连同图1至4一起描述的保护单元108相同，并且可以具有相同的开关元件S。第一保护单元502可以被耦合在电池102的正极（+）与正节点116（或驱动单元或电流供给装置104）之间。第二保护单元504可以被耦合在电池102的负极（-）与负节点118（或驱动单元或电流供给装置104）之间。第一保护单元502和第二保护单元504可以代替保护单元108被用在实施例100和200中。为了简化图示，全极开关106和控制单元110不被示出在图5中。

驱动单元104（电流供给装置）的电压Vc与电池102的电压Vb的差所需要的阻断电压可以在第一保护单元502与第二保护单元504之间共享。第一保护单元502和第二保护单元504所需要的最大阻断电压在它们被类似地构建的情况下（例如在它们具有相同的开关元件S的情况下）可以是平分的。在多个开关中存在偶数个开关S1、S2、...和Sn的情况下，这些开关中的一半可以作为第一保护单元502的部分被串联连接并且另一半可以作为第二保护单元504的部分被串联连接。对于上面给定的示例，针对保护单元502、504中的每个，Vbmax可以处在155 V < Vbmax < 275 V之间而不是310 V < Vbmax < 550 V。因为MOSFET的面积相关的通态电阻与Vbmax^2.5成比例，所以开关元件S所需要的面积可以被进一步减少并且较便宜的MOSFET可以被使用。

图6示出保护单元108的实施例600。除了连同实施例200一起描述的保护单元108以外，保护单元108可以具有电阻器R和与电阻器串联耦合的开关SR。串联连接的电阻器R和开关SR可以与开关元件S并联耦合。开关SR可以被关闭以消耗由驱动单元104（或电流供给装置）提供的能量。这在感应率（inductivity）Lbat和Lcable对于感生电池102的脉冲充电必要的电压来说太小的情况下可能是有用的，这在下面被描述。

开关SR和电阻器R也可以被用来在开关元件S被关闭之前减少DC中间电路120与电池102之间的电压差Vc – Vbat。如果电压差太大，则关闭开关元件S可能导致峰值（或冲击）电流和过电压。

电池102与DC中间电路120与电池102之间的引线（或电缆）可以具有感应率，该感应率可以分别通过感应率Lcable和Lbat来表示，见例如图7至9。如果从DC中间电路120到电池102的电流流动被突然停止，则在感应率Lcable和Lbat中可以感生电压。这个电压可以在开关元件S中造成雪崩击穿，这可能导致附加的功率损耗。为了避免雪崩击穿，可以减少感应率Lcable和Lbat。

图7示出具有续流二极管DF的电路的实施例700。续流二极管DF可以跨过串联连接的感应率Lcable和Lbat和电池102以与电池102的极性反并联的方式被耦合。续流二极管DF可以保护开关元件S免于在开关元件S被突然停止时在感应率Lcable和Lbat中感生的电压。从驱动单元104经过开关元件S流到电池102的电流I可以在开关元件S被打开时经由续流二极管DF继续流动。由于电流的变化率在感应率Lcable和Lbat中感生的电压因此可以被减少并且开关元件S中的雪崩击穿的可能性可以被最小化。DC中间电路120的电容器和续流二极管DF可以被集成在保护单元108中。

实施例700的电路可以被用来将能量从DC中间电路120脉动到电池102。电路在开关元件S被反复地关闭和打开时可以作为降压转换器（或降压型转换器）操作。因此可以控制在中间电路120（或驱动单元104）的电压Vc大于电池102的电压Vbat时流到电池102中的电流量，同时保证操作的安全。

图8示出具有缓冲电路802的电路的实施例800。缓冲电路802可以给进入雪崩模式的开关元件S或使用续流二极管DF提供替代方案，如连同图7一起所描述的。它在开关元件S被突然打开之后减少在感应率Lcable和Lbat中感生的电压。缓冲电路802可以包含与电容器C1和电阻器R2串联连接的并联连接的电阻器R1和二极管DS1。缓冲电路802可以跨过开关元件S和跨过二极管D被耦合。二极管DS1可以被连接使得允许电流从中间电路120流到电池102。

当开关元件S被打开时，电流I可以继续流经电容器C1。与电容器C1串联的电阻器R2可以限制电容器C1的充电电流。与二极管DS1并联的电阻器R1可以在开关元件S被关闭时限制电容器C1的充电电流。缓冲电路802可以存储在感应率Lcable和Lbat中存储的能量并且在其电阻器R1和R2中将它消耗。

图9示出具有另一个缓冲电路902的电路的实施例900。它可以在开关元件S被突然打开之后通过在电容器中存储感应率Lcable和Lbat的能量并且随后消耗它来再次减少在感应率Lcable和Lbat中感生的电压。

缓冲电路902可以包含串联连接的电阻器R3和电容器C1。电阻器R4可以与该串联连接并联耦合。二极管DS2可以与该并联连接串联耦合。二极管DS2可以被连接使得允许电流从中间电路120流到电池102。缓冲电路902可以跨过开关元件S和跨过二极管D被耦合。

当开关元件S被打开时，电流I可以继续流经二极管DS2和并联连接。电容器C2可以被充电并且与电容器C2串联的电阻器R3可以限制电容器C2的充电电流。电阻器R4可以给电容器C2提供旁路。电容器C2可以在开关元件S被关闭时通过电阻器R4来放电。二极管DS2防止电流流到电路的其它部分中。

图10示出用于对电池充电的方法的实施例1000。方法可以包含经由开关元件将电池与电流供给装置耦合和去耦，该开关元件具有最大阻断电压，该最大阻断电压小于电流供给装置的最大电压并且大于电流供给装置的最大电压与电池的最小电压的差。选择具有这样的最大阻断电压的开关元件可以减少通态电阻并且因此减少开关元件的尺寸、体积和成本。

方法可以包含当电流供给装置的电压在第一阈值以下时开关元件将电流供给装置耦合到电池。这样，可以将能量从电池供给到电流供给装置，并且可以是电力驱动单元的电流供给装置可以通过电池来供电。

方法可以包含在以下中的至少一个时开关元件将电流供给装置与电池去耦：电流供给装置的电压与电池的电压之间的电压差超过第二阈值；从电流供给装置流到电池的电流超过电流阈值；以及温度超过温度阈值。温度可以例如是电池或电流供给装置（或驱动单元）的温度。这样，将避免电池的过充电。

方法可以包含在电流供给装置的电压与电池的电压之间的电压差继续超过第二阈值时开关元件已将电流供给装置与电池去耦之后，开关元件将电流供给装置间歇地耦合到电池。电池因此可以以可控的方式来充电，而同时被保护免于过充电。进一步，可以控制在电力车辆的一个或多个轮上的制动转矩。

方法可以包含通过充电器或作为发电机的电力驱动单元来提供电流供给装置的电流。

虽然已经参考特定的实施例特别地示出和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中做出形式和细节上的各种改变。因此本发明的范围由所附的权利要求指示并且落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化都因此意图被包含。

Claims

1.一种电路，包括：

电池；

全极开关，被耦合到电池并且被配置成电断开电池；

DC中间电路，经由开关元件被耦合到全极开关，

电流供给装置，被耦合到DC中间电路；以及

控制单元，所述控制单元被配置成取决于以下中的至少一个来操作所述开关元件：

电流供给装置的电压与电池的电压之间的电压差超过电压阈值；

从电流供给装置流到电池的电流超过电流阈值；以及

温度超过温度阈值。

2.权利要求1的所述电路，其中

所述开关元件具有最大阻断电压，所述最大阻断电压小于电流供给装置的最大电压并且大于电流供给装置的最大电压与电池的最小电压的差。

3.权利要求1的所述电路，其中

所述开关元件具有最大阻断电压，所述最大阻断电压小于电流供给装置的最大电压与电池的最小电压的差。

4.权利要求1的所述电路，其中

所述开关元件包括相互串联耦合的多个开关，其中

每个开关具有最大阻断电压；并且

所述多个开关的最大阻断电压的和小于电流供给装置的最大电压并且大于电流供给装置的最大电压与电池的最小电压的差。

5.权利要求4的所述电路，其中

所述开关元件进一步包括与所述多个开关串联耦合的至少一个其它开关，其中

所述多个开关的最大阻断电压与所述至少一个其它开关的最大阻断电压的和大于电流供给装置的最大电压。

6.权利要求5的所述电路，其中

所述多个开关中的每个开关和所述至少一个其它开关具有相同的最大阻断电压。

7.权利要求4的所述电路，其中

所述多个开关中的至少一个开关被耦合在电池的正极与电流供给装置之间；并且

所述多个开关中的至少一个开关被耦合在电池的负极与电流供给装置之间。

8.权利要求1的所述电路，进一步包括：

二极管，所述二极管与开关元件并联耦合，并且被配置成允许电流从电池流到电流供给装置并且阻断电流从电流供给装置流到电池。

9.权利要求1的所述电路，进一步包括：

耦合到所述开关元件的缓冲电路。

10.权利要求1的所述电路，其中

所述电流供给装置包括以下中的一个：

电力驱动单元；以及

充电器。

11.权利要求10的所述电路，其中所述电力驱动单元包括：

永久励磁同步电动机；以及

具有续流二极管的逆变器，被耦合到所述永久励磁同步电动机。

12.一种电动力系，包括：

牵引电池；

电力驱动单元，包括逆变器和耦合到所述逆变器的永久励磁同步电动机，其中所述逆变器被耦合到牵引电池；以及

开关元件，被耦合在牵引电池与电力驱动单元之间，其中所述开关元件具有最大阻断电压，并且其中所述电力驱动单元的最大电压大于牵引电池的最小电压。

13.权利要求12的所述电动力系，其中所述开关元件的所述最大阻断电压小于电力驱动单元的最大电压。

14.权利要求12的所述电动力系，其中

所述开关元件的所述最大阻断电压小于电力驱动单元的最大电压与牵引电池的最小电压的差。

15.一种用于对电池充电的方法，包括：

经由开关元件将电池与电流供给装置耦合和去耦，其中所述开关元件具有最大阻断电压，所述最大阻断电压小于所述电流供给装置的最大电压并且大于电流供给装置的最大电压与电池的最小电压的差。

16.权利要求15的所述方法，其中

当电流供给装置的电压在第一阈值以下时，所述开关元件将电流供给装置耦合到电池。

17.权利要求15的所述方法，其中

开关元件在以下中的至少一个时将电流供给装置与电池去耦：

电流供给装置的电压与电池的电压之间的电压差超过第二阈值；

从电流供给装置流到电池的电流超过电流阈值；以及

温度超过温度阈值。

18.权利要求17的所述方法，其中

在电流供给装置的电压与电池的电压之间的电压差继续超过第二阈值时开关元件已将电流供给装置与电池去耦之后，开关元件将电流供给装置间歇地耦合到电池。

19.权利要求15的所述方法，其中

电流供给装置的电流由充电器或作为发电机操作的电力驱动单元来提供。