CN110544808A - 车载电网、行驶装置和用于加热电池的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明建议了一种车载电网、一种行驶装置以及一种电路。所述电路包括：‑用于具有内阻(R)和电感(L)的电池(2)的输入端子，‑利用其第一连接端连接到输入端子的电容(C)，所述电容利用其第二连接端连接到电接地端，‑利用其第一连接端连接到输入端子的第一开关(S1)，所述第一开关利用其第二连接端连接到电接地端，和‑分析单元，该分析单元设定为，响应加热电池(2)的需求‑接通第一开关(S1)，使得通过电感(L)的电流将能量存储在电感(L)中，并且随后‑断开第一开关(S1)，使得‑能量导致电流流到电容(C)中，并且随后‑在电容(C)上形成的电压导致电流流回电池(2)。

Description

车载电网、行驶装置和用于加热电池的电路
技术领域
本发明涉及一种车载电网、行驶装置和用于加热电池的电路。特别地，本发明涉及一种对其温度处于运行范围之外的电池的高能效且均匀的加热。
背景技术
电池电芯在内部活性材料低温的情况下具有极大受限的放电和充电功率。与此对应地，当高压电池在长的使用时间后被冷冻时，电动车辆的行驶功率和充电功率都非常低。
虽然外部安装的加热元件可以提供补救，但最初只加热电池壳体或电芯壳体。电芯的内部活性材料的温度仅在加热电池壳体和电芯壳体之后时间延迟地开始升高。此外，由于热损耗，在加热电芯壳体时仅略微实现了温度升高，使得在整体上没有产生足够的加热效应。
文献DE 10 2011 085 631 A1公开了一种用于加热电池的设备，在该设备中，开关与电容以串联谐振电路串联。
文献DE 199 04 181 A1公开了一种用于重新激活电池的设备，在该设备中，由电感和电容组成的串联谐振电路可以通过四个开关与电池连接，并且可以通过控制开关以反转极性的方向与电池连接。
文献US 6,078,163公开了一种用于升高电池温度的设备，在该设备中，振荡器与串联谐振电路串联连接，以产生流过电池的交流电流。
发明内容
基于前述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可以以很小的硬件额外开销或者完全与硬件无关地设计的设备。
上述技术问题根据本发明通过如下电路解决。该电路可以设计为车载电网(行驶装置车载电网、独立电网)的组成部分。该电路包括输入端子，电池可以连接到该输入端子，用以给车载电网供电。电池例如可以是用于驱动行驶装置的牵引电池。当然，电池具有内阻和电感，其中所述内阻根据本发明用于通过将电流引导通过电池来加热电池。在电路侧，电感可以作为独立构件利用其第一连接端连接至输入端子。在这种情况下，第二连接端连接到电池的输入端子。然而，在电路上仅替换地或者附加地还可以根据本发明使用电池的固有电感(即位于根据本发明的电路的输入端子的另一侧的电池中)。下面为了说明，电感通常参考作为独立构件，尽管一个或多个固有电感可以满足相同的功能并且根据本发明可以使用该一个或多个固有电感对于本领域技术人员来说是显而易见的。如果在本发明的范围中提到“连接”，则这意味着建立了电连接。在该示例中，作为独立构件设置的电感的第一连接端在电路上面向输入端子地进行布置。换言之，电感的第一连接端比电感的第二连接端更靠近输入端子。换言之，与第二连接端的电势相比，连接到输入端子的第一连接端更接近输入端子的电势。因此，换言之，第一连接端经由另外的电气构件间接电连接到输入端子在本发明的范围中可以视为电连接到输入端子。相应的情况适用于电路的电气元件/构件之间的电连接的后续表示。电感的输入端子或第二连接端与电容的第一连接端电连接。电容的第二连接端与电接地端连接。在传统的车辆中，“接地端”通常是指车辆车身。在具有高压电池的车辆中，车辆车身是12V车载电网的参考点。高压车载电网的参考点与其电隔离，并由高压电池的负极表示。因此，代替“接地端”也可以使用术语“高压参考电势”或“高压接地端”。以这种方式，第一电感和电容构成串联谐振电路。第一开关通过其第一连接端连接到电感的第二连接端或输入端子。以这种方式，在输入端子或第一电感与电容之间连接第一开关。第一开关的第二连接端处于电接地端。分析单元设定用于控制第一电气开关。如果通知分析单元需要加热电池或者分析单元本身确定该需求，则分析单元可以接通第一开关，使得电流沿电接地端方向流经电感。随后，分析单元可以断开第一开关，使得存储在第一电感的磁场中的能量引起电流流入电容。在此，感应电压或在电容上形成的电压可以明显大于电池的额定电压/端电压。如果电容与电池之间的电连接允许这一点，则现在产生进入电池的充电电流，该充电电流(现在沿相反的方向)也流过电感。如果电池承受住相应高的充电电流，则例如可以用二极管桥接电感，电池充电电流沿流动方向穿过该二极管。如果不是这种情况，则电感作用为扼流圈并减小充电电流的电流强度。这在低温情况下可以是特别有利的。通过从电池获取的能量不仅在获取期间导致电流流过电池内阻，而且在部分反馈存储在电容中的能量时导致电流(以相反方向)流过内阻，电池的大部分电化学能在电池内转换成热量，由此，高效的加热过程导致对电池的均匀加热，从而可以实现电池的快速且平稳的启动。
从属权利要求还给出本发明的优选的扩展方案。
为了避免电池被过高的充电电流负载或损坏或损毁，可以在电感或输入端子与电容之间和/或开关与电容之间布置二极管，该二极管沿流动方向朝电容定向。以这种方式防止了存储在电容上的电荷上不受控制地馈送回电池，其中可能形成不允许的或不利的高电流。换言之，二极管以第一连接端位于电感的第二连接端处或者位于输入端子处或者位于开关的第一连接端处，并且二极管的第二连接端位于电容的第一连接端处。这并不排除，可以允许电流从电容经由其他电连接(例如扼流地)返回到电池。
优选地，电路可以包括第二开关，第二开关利用其第一连接端连接到输入端子，并且利用其第二连接端连接到电感的第一连接端。替换地，第二开关可以利用其第一连接端连接到电感的第二连接端或者连接到输入端子，并且利用其第二连接端连接到电容的第一连接端。在任何情况下，可以并联连接二极管和第二开关。以这种方式，第二开关可以用于影响充电电流，以及用于保护分析单元免受过电压和过电流的影响。
分析单元对第一开关的开关状态的影响可以被设计为，使得重新或重复地实施上述过程。特别地，只要尚未满足加热电池的需要，就可以间歇地断开和接通第一开关。分析单元对第二开关的影响也可以以相应的方式重复或间歇地进行。由此产生类似于降压斩波器或升压斩波器的运行模式。然而，尤其针对加热过程不设置外部负载，而是电池本身当作电源(当开关接通时)或当作负载(当开关断开时)。换言之，电池以其作为电负载的功能被供应电能/充电。
第一开关可以设定为，将返回电池的电流限制到根据电池的当前温度预定义的值。这具有如下优点，可以提供充电电流与放电电流之间的电流限制的不对称性，从而可以在低电芯温度的情况下避免高充电电流的有害作用。例如，第一开关可以设定为，将源自电容的电流导出到电接地端。这至少可以部分进行或在充电电流过高的情况下进行。优选地，可以与电容串联地布置另外的开关，一旦电池方向上的充电电流对应于预定义的值，就可以断开该另外的开关。在此，存储在电容上的能量可以说“被保存”，直到附加的开关重新接通并且重新产生(通过电感扼流的)充电电流。
在将电池和/或电缆束固有的电感用作电感的情况下，产生与硬件无关的或者硬件开销较少的解决方案。替换地或附加地，可以将电感设计为电力电子设备(例如用于控制用电器，特别是牵引机或空调压缩机)的电气构件。特别地，牵引机或电动旋转机具有电感，该电感特别是在静止时可以用作本发明的意义中的电感。
电容可以是中间电路电容，在行驶装置的车载电网中设置中间电路电容用于两个车载电网区域之间的转接。两个不同的车载电网区域中的不同的电压电平例如可以由中间电路电容转接或者使在车载电网上出现的电压波纹平滑。以这种方式，可以将包含在车载电网中的构件或者阻抗用于实现根据本发明的电路。因此，在启动之前反正不用于其主要目的结构元件根据本发明在启动之前已经对车载电网的功能有帮助。
上述想法并不排除可以设置独立构件形式的附加电感，以便补充总归存在的(固有)电感。附加电感可以利用其第一连接端连接到上述(固有)电感的第二连接端，其中其第二连接端连接到第一开关的第一连接端。一般而言，可以将附加电感布置在在包含电池的情况下通过接通第一开关产生的网格中。总电感可以通过附加电感尽可能好地设计用于根据本发明的使用。
上述开关可以单独或全部设计为半导体开关。特别地，金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)适用于高效且耐电压的开关设备。有时，场效应晶体管固有的二极管可以用于与晶体管的开关状态无关地实施续流二极管。
根据本发明的第二方面建议了一种用于行驶装置的车载电网，其具有根据本发明的第一方面的电路。
根据本发明的第三方面建议了一种行驶装置，其具有根据本发明的第二方面的车载电网，并且替换地或附加地具有根据本发明的第一方面的电路。所述行驶装置可以是例如轿车、货车、卡车、飞机和/或船只。两轮的电驱动的行驶装置也可具有根据本发明的车载电网。特征、特征组合和由其产生的优点清楚地对应于本发明上述方面的特征、特征组合和由其产生的优点，从而为了避免重复而参考之前的实施方案。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明的实施例。附图中：
图1示出了根据本发明的行驶装置的实施例的牵引车载电网的示意图；
图2示出了根据本发明的电路的第一实施例的电路图；
图3a至图3c示出了图2中所示电路的开关和运行状态的示意图；
图4a至图4c示出了根据本发明的电路的第二实施例在三种不同的开关/运行状态中的电路图；
图5a至图5b示出了根据本发明的电路的第三实施例在两种不同的开关/运行状态中的电路图；
图6a图6d示出了根据本发明的电路的另外两个实施例分别在两种不同的开关/运行状态中的电路图；
图7a)至图7d)示出了根据本发明的电路的另外两个不同的实施例分别在两种不同的开关/运行状态中的电路图；
图8示出了根据本发明的电路的另一个实施例在两种不同的开关/运行状态中的电路图；
图9示出了根据本发明的电路的另一个实施例的电路图；和
图10示出了根据本发明用于根据本发明的实施例的行驶装置的车载电网的实施例的电路图。
具体实施方式
图1示出了轿车形式的根据本发明的行驶装置10的实施例的俯视图，在其中示出了具有根据本发明的电路的实施例的根据本发明可用的车载电网的实施例的电路图。电池2的电芯具有示意性概括为欧姆电阻R的内阻，并且提供端电压UB。电感L与内阻R串联连接。因此，如果电感L作为独立构件实现，则上述输入端子位于电池2的内阻R与电感L之间。如果使用电池2固有的电感作为电感L，则上述输入端子相应地位于电池2与开关S1之间或电池2与加热器1之间。在电感L的第二连接端处连接有第一开关S1的第一连接端和加热器1的第一连接端。加热器1的第二连接端经由保险装置Si与电池2的电接地端或负极连接。此外，与第一开关S1串联地还示出了被称为LHarness的电缆束电感，该电缆束电感能够对根据本发明可用的(总)电感做出贡献，并且在电缆束电感的第二连接端连接有用于运行(三相)牵引机的电力电子设备和中间电路电容CZK。控制单元ECU设定为用于控制第一开关S1、第二开关S2以及加热器1。
图2示出了电路的第一实施例，在其中晶体管形式的第一开关S1与电容C并联连接，所述晶体管由控制单元(ECU)周期性控制。此外还示出了另一个控制单元(ECU)，其控制防护器HS1/HS2。防护器HS1/HS2和ECU被概括为防护结构组件3。如果加热器1的ECU接通第一开关S1，则产生电流通过电感L和第一开关S1，该电流根据具有时间常数T＝L/R的一阶***增大。如果随后断开第一开关S1，则电感L感应出电流进入电容C，该电流根据串联谐振电路RLC的设计往复振荡，并且在此电能在电池2的内阻R处转换为热量并且由此均匀且有效地加热电池2。
因此，充电状态主要损失了在电池内阻Ri处(参见图2)为加热电池而转化的损耗功率或损耗能量。与此相比，在图2中以绿色显示的“加热器”中的损耗是可忽略的，从而这是一种具有电池充电状态的最小损失的高能效的加热方法。为了能量的临时存储，在高压电池的正极和负极之间连接电容器C。
具有能量回收的加热器的工作方式是基于升压变换器(Step-Up-Converter)的原理(参见图3a和3b)，利用所述升压变换器可以将电池直流电压UB的水平提高到更高的电平。为此，在所谓的“接通阶段(ON-Phase)”中首先接通在正路径与负路径之间实施的开关S1，使得形成通过电感L的电流I。电流增大根据具有时间常数T＝L/R的一阶***进行，并且因此在接通开关S1后在一次近似中线性地进行。与此对应地，在该状态中，电磁场形式的能量随着时间的增长存储在电感L中。
在断开开关S1(参见图3c)之后，电感在所谓的“断开阶段(Off-Phase)”中维持电流直到电感的场以及存储在电感中的能量逐渐消失。在此，在电感中感应出的电压与输入电压串联并且结果得到二极管和电容器上的横向电压
Uq＝UB-UR-Ui＝UB-UR+L dI/dt
尽管
Ua＝Uq-UDiode＝UB-UR+L dI/dt–UDiode
适用，但通过以适合于构件尺寸的开关频率重复接通和断开开关S1可以实现，
|L dI/dt|>|UR+UDiode|
从而即使对于升压变换器的输出端处的负载电流Ia也形成升高的电压
Ua>UB。
基于电压彼此之间的这种状况，可以将升压斩波器的上述原理用于通过周期性地放电和充电利用能量回收来内部加热高压电池。为此，需要将存储在横向电容中的能量再次转移回电池电芯。在本文中建议，与二极管D并联地实施第二开关S2，并且相对于开关S1反周期性地控制第二开关(参见图4)。在此，对开关S1和S2的控制附加地以适合于横向电容Cq的大小的延迟进行。因此，如图4c中所示，在开关S1断开之后，开关S2首先还保持断开，直到存储在电感中的能量在断开阶段中完全消失并转移到横向电容Cq中。横向电容Cq的电压在该时刻达到其最大值，从而在接通开关S2之后(参见图4a)，产生对于给定的构件尺寸最大的负载电流进入电池。在横向容量完全放电之后，通过在断开开关S2之后接通开关S1重新开始所述周期(参见图4b)，其中电池放电电流和电池充电电流都流经电池电感L和电池内阻R。
为了防止超过锂离子电池的最大允许的电流限制，并且为了避免过度的极大损坏，建议如上所述时间同步地控制半导体开关，然而在必要时不完全导通半导体开关，并且因此根据要求限制放电和充电阶段中的电池电流的大小。
由于半导体开关在这种部分导通中可能存在过热的风险，因此建议交替地通过高频的接通和断开来限制放电和接通阶段中的电流。由于电池电感和电池内阻的电流衰减效应，在放电和充电阶段中对半导体开关的足够高频的控制导致在平均值周围曲折的电流走向。在此，针对给定的电池电感和电池内阻，该平均值取决于控制信号的控制频率以及占空比，并且可以通过其进行调节使得不超过电流限制。
然而，还要考虑，锂离子电池的放电和充电电流限制在低温情况下明显不同。即充电电流限制例如在<10A的范围内，并且因此非常低，而放电电流限制具有例如高达80A的值。为了能够以允许的电流实现最小的加热时间，必须最大化地利用上述电流限制。然而在此要力求实现尽可能平衡的充电-放电平衡，以便在加热期间尽可能小地缩短电池充电状态。因此，相应地必须比充电时间短地实现放电时间。然而，这意味着更高的控制和调节技术上的要求，因为放电和充电持续时间以及放电和充电电流或其幅度彼此不同。
在该背景下，建议对于半导体开关使用具有不同的载流能力和/或不同的技术的半导体，并且如下地选择这些半导体，使得导通电阻处于与上述充电电流限制和放电电流限制类似的比例。由于电流在放电阶段中流经第一半导体开关，然而在充电阶段中流经第二半导体开关，因此如果如下地选择第一半导体开关，使得导通电阻仅为第二半导体开关的导通电阻的大约12.5％，则可以减小用于保持电流限制的控制和调节技术上的开销。替换地，第一和第二半导体开关可以由并联连接的多个相同技术的晶体管组成，使得对于并联电路，以上述比例、即100％比12.5％产生在接通状态中形成的电阻。在使用相同的晶体管用于实现半导体开关S1和S2的情况下，可能的实施方案因此是，由八个晶体管组成的并联电路用于实现半导体开关S1，并且仅使用一个(相同的)晶体管来实现半导体开关S2。此外，还可以是十六个并联连接的晶体管的组合用于实现半导体开关S1，并且两个相同的晶体管用于实现半导体开关S2。根据并联连接的晶体管的上述比例的其他组合也是可能的。在这些情况下，将控制和调节技术上的开销限制在了如上所述地控制半导体开关。不再需要部分导通或者高频控制半导体开关用以有目的性地限制电池充电电流和放电电流。
为了最小化图4中所示的电路的成本和复杂性并保持控制简单，建议去掉第二开关S2和二极管D。由此将对所形成的、图5中示出的电路的控制限制在了以取决于电池内阻R、电感L、和外部电容器C的频率周期性地接通(图5a)和断开(图5b)第一开关S1。
然而还要考虑，电容器C在“接通”阶段中(图5a)经由接通的第一开关S1几乎被短路。对于电容器电流的唯一限制参数在该阶段中是开关导通电阻和电容器内阻。由于这些参数通常较小，在图5所示的电路变型方案中，在“接通”阶段中存在与潜在的电容器过热相关联的非常大的电容器电流的危险。为了应付该危险，建议设置附加电阻和/或附加电感，如图6a-d中所示。在此，图6a，6b示出了在电池借助附加的欧姆电阻Rz进行放电的情况下的电路的开关状态，图6c，6d示出了在电池借助附加电感Lz进行放电的情况下的电路的开关状态。
作为图6a-d所示实施例的替换，附加电阻Rz和/或附加电感Lz也可以在其他合适的位置实施，如图7a)和b)或c)和d)所示。在该实施方式中，附加电阻Rz和/或附加电感Lz直接连接到电池的负极。在这种情况下，这两种附加部件在“接通”和“断开”阶段都起到限制电流的作用，并且由此可以实现对开关S1的低频控制。
类似地，附加电阻Rz和附加电感Lz也可以作为扩展的升压变换器(图4)中的限制电流的部件实施。
如实施附加电感Lz用于通过高频短路电池2的加热方案，并且实施相应的BMCe电路连接和加热控制单元的情况，在通过周期性充电和放电利用能量回收来加热电池2的情况下也可以为了限制电压，为BMCe和加热控制实施如图8所示的附加电感Lz。
在图8中所示用于简化的升压变换器的方案也可以类似地用于在图4中扩展的升压变换器。相应的情况适用于图9所示的升压/降压斩波器方案。
电路拓扑可以实现，在断开第一开关S1的情况下，通过第二开关S2的时钟，在输出电容器Ca处产生与S2时钟信号的占空比成比例的电压。由于占空比只能是0和1之间的区间内的值，所以该电路在这种类型的开关控制中作为降压斩波器工作，并且由此在输出电容器Ca处产生小于电池电压UB的电压，从而对电池进行放电。
替换地，电路拓扑可以实现，在断开第二开关S2的情况下，通过第一开关S1的时钟来呈现升压振波器运行。在这种类型的电路控制中，电流从之前通过降压斩波器运行以电压UCa<UB充电的电容器流向电池。
通过降压和升压斩波器运行之间的周期性的切换可以实现对电池周期性地放电和在能量回收的情况下再次充电。在此，在降压和升压斩波器运行中，可以通过适当地选择开关时钟的占空比来调节电流并且遵循相应的放电和充电电流限制。
如果没有实施半导体开关、电容器和附加电阻/电感形式的附加的构件，而是进行谐振电路(其由用于电力驱动器和高压空调压缩机的逆变器的电池/导线电感和中间电路电容器组成)中以及其他高压用电器(DC/DC变换器、HV辅助加热器)的输入电容中的能量的临时存储(图10)，则得到成本最低的解决方案。为了振荡激励，使用电力驱动器的逆变器中的半导体开关，使得电力驱动器的电感也可以作为整体电感或者谐振电路电感的一部分使用。替换地，还可以使用高压空调压缩机或其他高压用电器中的半导体开关及其输入电感。
电池与电容/电感之间的能量转移原则上可以以正弦或锯齿形电流的形式进行。还可以想到脉冲电流，以便例如激励多个固有频率并且因此在必要时生成更强烈的能量转移。
如果在信息技术上已知电动车辆或油电混合车辆的启程时间，则可以有利地使用上述方法。在这种情况下，可以自动准时开始电池加热，使得适度的电流振荡幅度是足够的。因此，可以避免电池和电芯内基于材料的更快的并且因此不同的膨胀导致的高的机械应力。
如果启程时间未知，则存在响应车辆遥控钥匙接近车辆或响应操作门接触开关的可能性。基于保持用于加热电池的仅很短的时间，必须以更高的电流幅度来执行上述方法。但是，在此建议不要超过上限，以便将构件中的机械应力保持在允许的范围内。
附图标记列表
1 加热器
2 电芯
3 防护结构组件
4 HV电池
5 电力电子设备
6 牵引机
7 电力电子设备
8 空调压缩机
9 HV辅助加热器
10 DC/DC变换器
C 电容
CZK 中间电路电容
Ca 输出电容
Ce 输入电容
D 二极管
ECU 控制单元
i 电流
L (固有的或作为构件实现的)电感
LZ 附加电感
LHarness 电缆束电感(固有的)
R 内阻
RZ 附加电阻
Si 保险装置
S1 第一开关
S2 第二开关
U 电压
UB 电池的端电压
UR 电阻R上的电压
Ui 感应的电压
UQ 横向电压

Claims (10)

1.一种电路，其包括：
-用于具有内阻(R)的电池(2)的输入端子，
-电感(L)，
-电容(C)，所述电容利用其第一连接端连接到所述输入端子，所述电容利用其第二连接端连接到电接地端，
-第一开关(S1)，所述第一开关利用其第一连接端连接到所述输入端子，所述第一开关利用其第二连接端连接到电接地端，和
-分析单元(ECU)，所述分析单元设定为，响应于需求对所述电池(2)进行加热，
-接通所述第一开关(S1)，使得通过电感(L)的电流将能量存储在电感(L)中，并且随后
-断开第一开关(S1)，使得
-所述能量导致电流流到电容(C)中，并且随后
-在电容(C)上形成的电压导致电流流回电池(2)。
2.根据权利要求1所述的电路，所述电路还包括：
-二极管(D)，所述二极管利用其第一连接端连接到所述输入端子，所述二极管的第二连接端连接到电容(C)的第一连接端。
3.根据权利要求2所述的电路，所述电路还包括第二开关(S2)，所述第二开关利用其第一连接端连接到所述输入端子，并且利用其第二连接端连接到电容(C)的第一连接端，并且所述第二开关特别是与所述二极管(D)并联连接。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中所述分析单元(ECU)设定为，如果尚未满足加热电池(2)的需求，则重新接通和重新断开第一开关(S1)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中所述第二开关(S2)设定为，用于将返回电池(2)的电流限制到根据电池(2)的当前温度预定义的值，和/或在达到预定义的值时，中断电流。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中
-电感(L)是电池(2)和/或线缆束固有的电感，和/或设计为电力电子设备(5、7)，特别是牵引机(6)和/或空调压缩机(8)的电气构件，和/或
-其中电容(C)是中间电路电容(Czk)，所述中间电路电容特别是布置在行驶装置(10)的车载电网(11)中。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电路，所述电路还包括附加电感(Lz)，
-所述附加电感的第一连接端连接到所述输入端子，并且
-所述附加电感的第二连接端连接到第一开关(S1)的第一连接端。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述开关(S1，S2)设计为半导体开关。
9.一种用于行驶装置(10)的车载电网，其包括根据上述权利要求中任一项所述的电路。
10.一种行驶装置，其包括根据权利要求9所述的车载电网和/或包括根据权利要求1至8中任一项所述的电路。
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