CN116533776A - 用于车辆的高压电网的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明包括车辆的高压电网的电路，高压电网具有至少两个电蓄能器和电主负载。电路包括：与第一和第二极连接器电连接的第一开关单元；与第三和第四极连接器电连接的第二开关单元，与第三和第二极连接器电连接的第三开关单元。四个极连接器的中的每个被设计用于电接触两个电蓄能器的另一极。第四开关单元与第一极连接器和第一负载接头连接。第五开关单元与第四极连接器和第二负载接头电连接。第一和第二负载接头构造用于电接触电的负载。开关单元能在电连接状态与电断开状态之间转换，第四开关单元和/或第五开关单元设计成在电断开状态中电断开，第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元实施为半导体结构元件。

Description

用于车辆的高压电网的电路
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的高压电网的电路。
背景技术
本发明涉及一种用于车辆的高压电网的电路。高压电网在此能够包括电蓄能器和功率电子器件，如例如牵引机械和逆变器。电路能够实现断开并且闭合电蓄能器与剩余的高压电网之间的电连接。
当前的用于电动车辆的高压电网包括一个或多个蓄能器、至少一个牵引机械、充电接头、一个或多个辅助负载(冷却介质压缩机、连续式加热器)以及一个或多个逆变器。如果电动车辆包括蓄能器，那么该蓄能器通过两个开关单元与剩余的高压电网连接。如果电动车辆包括多个蓄能器，则需要电蓄能器与高压电网的更为复杂的联接。到目前为止，电蓄能器与剩余的高压电网之间的这种电连接通过高压继电器来实现。该高压继电器实现了电蓄能器与剩余的高压电网的电断开并且因此出于安全原因已经得到使用。
发明内容
用于车辆的高压电网的电路具有至少五个开关单元，其中，高压电网具有至少两个电蓄能器和电气主负载。第一开关单元布置在第一极连接器与第二极连接器之间。第一极连接器构造用于电接触第一电蓄能器的第一极。第二极连接器构造用于电接触第二电蓄能器的第一极。
第二开关单元布置在第三极连接器与第四极连接器之间。第三极连接器构造用于电接触第一电蓄能器的第二极。第四极连接器构造用于电接触第二电蓄能器的第二极。第三开关单元布置在第二极连接器与第三极连接器之间。第四开关单元布置在第一极连接器与第一负载接头之间，主负载能够与第一负载接头连接。第五开关单元布置在第四极连接器与第二负载接头之间，电气主负载能够与第二负载接头连接。
开关单元能够在电连接的状态与电断开的状态之间转换。通过开关单元的这种布置，第一电蓄能器和第二电蓄能器能够不仅串联地而且也并联地联接。通过这种可行方案能够适配第一电蓄能器的和第二电蓄能器的总电压，其中，第一电蓄能器的和第二电蓄能器的总电压在串联联接中比并联联接中要高。第一电蓄能器和第二电蓄能器的通过串联联接所致的更高的总电压能够实现的是，在与并联联接的情形相比要低的损耗的情况下对电气主负载供应比单个的电蓄能器的功率要大的功率。第一电蓄能器的和第二电蓄能器的通过并联联接所致的更低的总电压能够实现的是，也用具备比采用串联联接的两个电蓄能器的总电压要低的充电电压的充电器具对两个电蓄能器充电。
对于第一电蓄能器的和第二电蓄能器的串联联接，第三开关单元必须位于电连接的状态中，并且第一开关单元和第二开关单元必须位于电断开的状态中。对于第一电蓄能器与第二电蓄能器的并联联接，第三开关单元必须位于电断开的状态中并且第一开关单元和第二开关单元必须位于电连接的状态中。
第四开关单元和第五开关单元能够实现将第一电蓄能器和第二电蓄能器与剩余的高压电网电断开而不中断第一电蓄能器和第二电蓄能器的并联联接。第一电蓄能器和第二电蓄能器的并联联接仅通过第二开关单元和第三开关单元来实现。此外，第四开关单元和/或第五开关单元如此设计，使得第四开关单元和/或第五开关单元在电断开的状态中也电断开。由此能够实现第一电蓄能器和第二电蓄能器与高压电网的可靠的断开。
此外第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元实施为半导体结构元件。半导体结构元件拥有在其转换性能方面的明显更高的动态、更长的寿命、能够制造得比高压继电器要小并且能够更为容易地并且更为成本低廉地与更高的电压适配。通过第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元作为半导体结构元件的实施方案，能够不仅在串联联接中而且也在并联联接中比用高压继电器更快地中断短路电流。通过半导体结构元件的较小的结构形式，正如这里针对第一电蓄能器与第二电蓄能器的串联和并联联接之间的切换所需要的那样的更复杂的电路能够以与用高压继电器相比更小的构造空间增长来实施。这样的联接不仅允许电负载处比两个电蓄能器的并联联接的情况更小损耗的功率，而且也允许用具备比两个串联联接的电蓄能器的总电压要低的充电电压的充电电源对第一电蓄能器和第二电蓄能器充电。
从属权利要求示出了本发明的优选的改进方案。
优选电路的第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元具有一个或多个晶体管。晶体管相对于简单的二极管能够实现通过控制电压也让电流逆着其截止方向来流动。由此利用晶体管能够实现沿着两个方向的电流流动，这用简单的二极管无法实现。
特别优选，电路的第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元分别具有两个晶体管，这些晶体管如此布置，使得其截止方向相反设置。因此，第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元的两个晶体管中的一个晶体管首先始终截止第一电蓄能器的和/或第二电蓄能器的充电电流或者放电电流。仅通过将电流想要逆着其截止方向流动的晶体管转换到电连接的状态中，充电电流或者放电电流能够流动并且第一电蓄能器和/或第二电蓄能器能够充电或者放电。
另外特别优选地，电路的第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元的晶体管分别通过其源极侧彼此连接。
另外特别优选地，在一种替代的实施方式中，电路的第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元的晶体管分别通过其漏极侧彼此连接。
优选电路具有充电接头，该充电接头用于与充电单元电连接，充电单元用于对电蓄能器充电。在此，电路包括布置在充电接头与第一极连接器之间的至少一个第六开关单元以及布置在充电接头与第四极连接器之间的第七充电接头。充电接头构造用于与充电单元电接触。此外，第六开关单元和第七开关单元能够在电断开的状态与电连接的状态之间转换。通过充电单元与第一电蓄能器的第一极并且与第二电蓄能器的第二极的这种连接，第一电蓄能器和第二电蓄能器能够相对于充电单元不仅串联地而且也并联地联接。由此，第一电蓄能器和第二电蓄能器的联接的总电压能够与充电单元的充电电压相适配。在第一电蓄能器中和/或在第二电蓄能器中形成超电压的情况下能够在串联联接中通过第三开关单元并且在并联联接中通过第一开关单元和/或第二开关单元来中断电路。此外在充电过程中第四开关单元和第五开关单元能够位于电断开的状态中，由此保护剩余的高压电网以免受充电过程期间的超电压。
优选电路具有布置在第三负载接头与第一极连接器之间的至少一个第八开关单元以及布置在充电接头与第四极连接器之间的第九开关单元。负载接头构造用于电接触电气辅助负载。在此，第八开关单元和第九开关单元能够在电断开的状态与电连接的状态之间转换。
通过第八开关单元与第一蓄能器的第一极的直接的电连接以及第九开关单元与第二蓄能器的第二极的直接的电连接，能够在不依赖于充电单元或者剩余的高压电网的情况下将辅助负载与第一电蓄能器和第二电蓄能器电连接。在此能够仅通过将第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元的状态转换到电断开的状态中来禁止短路电流。因为不仅充电单元通过充电接头而且辅助负载也通过第八开关单元和第九开关单元直接与第一极连接器和第四极连接器在充电过程期间电连接，所以在充电过程期间也能够为辅助负载从充电单元供应电流。此外，第八开关单元和/或第九开关单元能够具有一个或多个晶体管。由此，与在充电单元与第一电蓄能器和/或第二电蓄能器之间通过第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元所能够实现的情况相比，能够同样快速地中断充电单元与辅助负载之间的电路。由此得到这样的可行方案，即：在第一电蓄能器和第二电蓄能器通过充电单元进行的充电过程期间，在通过充电单元同时供应辅助负载时并且在剩余的高压电网相对于第一极连接器和第四极连接器的电连接断开时，在超电压和/或短路情况下首先通过第一开关单元和/或第二开关单元和/或第三开关单元执行电连接的断开并且同时通过第八开关单元和第九开关单元将辅助负载与充电单元断开。
本发明此外涉及车辆的高压电网，其具有作为第一电蓄能器的第一电池和作为第二电蓄能器的第二电池。第一电池和第二电池分别具备两个非同名的极。在此，第一电池的第一极与第一极连接器电连接并且第一电池的第二极与第三极连接器电连接。第二电池的第一极与第二极连接器电连接并且第二电池的第二极与第四极连接器电连接。
本发明涉及此外一种具有高压电网和电路的车辆。电路的电负载优选是车辆电驱动装置，该车辆电驱动装置具有两个非同名的极。在此，车辆电驱动装置的第一极与第五开关单元连接并且车辆电驱动装置的第二极与第六开关单元电连接。
附图说明
在下文中参考附图详细地描述本发明的实施例。在附图中：
图1示出了具有高压电网和按照本发明的实施例的电路的车辆的示意图，并且
图2示出了本发明的实施例的电路连同高压电网、辅助负载和充电单元的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了车辆1，该车辆包括高压电网2和按照本发明的实施例的电路3。在此，高压电网2和电路3彼此电连接。
图2示意性地示出了高压电网2和电路3，该电路与高压电网2电连接。高压电网2包括具有第一极4a和第二极4b的第一电池4以及具有第一极5a和第二极5b的第二电池5。第一电池4和第二电池5的极4a、4b、5a、5b分别是非同名的。
电路3包括第一开关单元9，该第一开关单元与第一极连接器18和第二极连接器19电连接。在此，第一极连接器18构造用于电接触第一电池4的第一极4a，并且第二极连接器19构造用于电接触第二电池5的第一极5a。此外，电路3包括第二开关单元10，该第二开关单元与第三极连接器20和第四极连接器21电连接。第三极连接器20与第一电池4的第二极4b电连接，并且第四极连接器21与第二电池5的第二极5b电连接。
第三电开关单元11与第二极连接器19和第三极连接器20电连接。第一开关单元9、第二开关单元10和第三开关单元11分别设计为两个逆着其截止方向布置的晶体管，这些晶体管能够在电断开的状态和电连接的状态之间转换。通过开关单元9、10、11的这种变换，沿着两个方向禁止通过开关单元9、10、11的电流流动，因为电流一定会逆着晶体管的截止方向流动。只有通过将其截止方向逆着电流流动的晶体管转换到电连接的状态中才能够实现电流流动。
如果第三开关单元11位于电连接的状态中，而第一开关单元9和第二开关单元10位于电断开的状态中，则能够实现第一电池4与第二电池5的串联联接。如果第一开关单元9和第二开关单元10位于电连接的状态中，而第三电的开关单元11位于电断开的状态中，那么第一电池4和第二电池5彼此并联联接。
第一电池4与第二电池5的串联和并联联接能够通过第一开关单元9、第二开关单元10和第三开关单元11的上方所描述的设计方案不仅在对第一电池4和第二电池5充电的情况下而且也在对其放电的情况下实现，因为对于各个开关单元9、10、11来说两个晶体管中的一个晶体管始终将电流截止，直至这个晶体管转换到电连接的状态中。通过使用晶体管以代替高压继电器，第一开关单元9、第二开关单元10和第三开关单元11拥有更长的寿命以及更好的转换动态，因为晶体管没有机械构件。此外，晶体管能够比高压继电器制造得明显要小并且因此比高压继电器需要更少的空间。
高压电网2此外包括电气主负载6，该电气主负载具有两个非同名的极6a、6b。电气主负载6的第一极6a与第一负载接头22电连接。电气主负载6的第二极6b与第二负载接头23电连接。
第四开关单元12与第一极连接器18和第一负载接头22电连接，并且第五开关单元13与第四极连接器21和第二负载接头23电连接。第四开关单元12和第五开关单元13能够在电断开的状态与电连接的状态之间转换。在此，第四开关单元12和第五开关单元13设计成在电断开的状态中电断开。通过这种布置，第四开关单元12和第五开关单元13能够实现对电气主负载6的电断开，而不中断第一电池4与第二电池5的并联联接。
因此，电流回路的电断开例如在第一电池4或者第二电池5的短路或者热贯通的情况下能够单独地通过第一开关单元9和第二开关单元10以及第三开关单元11的晶体管来实施。因为晶体管不具备对于在电断开的状态与电连接的状态之间的转换所需要的机械组件，所以晶体管比高压继电器明显更快地转换。
在图2中高压电网2与充电单元8连接。充电单元8具备与充电接头26电连接的两个非同名的极8a、8b。第六开关单元14与充电接头26和第一极连接器18电连接，并且第七开关单元15与充电接头26和第四极连接器21电连接。第六开关单元14和第七开关单元15能够在电断开的状态与电连接的状态之间转换。
作为附加方案，高压电网2具备辅助负载7，该辅助负载具有两个非同名的极7a、7b。电气辅助负载7的第一极7a与第三负载接头24电连接。电气辅助负载7的第二极7b与第四负载接头25电连接。第八开关单元16与第三负载接头24和第一极连接器18电连接。第九开关单元17与第四负载接头21和第四极连接器21电连接。第八开关单元16包括两个逆着其截止方向布置的晶体管16a、16b，这些晶体管能够在电断开的状态与电连接的状态之间转换。
第九开关单元17能够在电断开的状态与电连接的状态之间转换，尤其第九开关单元17在电断开的状态中电断开。通过第九开关单元17能够保证电断开，并且通过第八开关单元16的两个晶体管16a、16b能够实现比用高压继电器更快地断开电气辅助负载7与剩余的高压电网2之间的电路。
通过将电气主负载6、电气辅助负载7以及充电单元8与第一极连接器18和第四极连接器21电接触，能够将第一电池4和第二电池5并联或者串联联接到所有三个所提及的电单元6、7、8。
于是针对充电过程，第四开关单元12和/或第五开关单元13能够位于电断开的状态中，由此第一电池4和第二电池5彼此并联联接。由此，第一电池4和第二电池5的总电压对应于电池4、5的单个电压并且因此相对于串联联接较低。这允许第一电池4和第二电池5也通过充电单元8以比第一电池4和第二电池5的串联联接的总电压要低的充电电压来充电。同时能够在充电过程中经由第八开关单元16和第九开关单元17通过充电单元8的充电电流来供应电气辅助负载7。
因为电气主负载6在充电过程中与剩余的高压电网断开，所以在第一电池4或第二电池5的短路或者热贯通的情况下能够通过第一开关单元9、第二开关单元10或者第三开关单元11的晶体管来实现电路的断开，而不让主负载6在此承受充电电压8。如果主负载6在没有运行的情况下与充电单元8直接连接，那么这会导致主负载6中的超电压。电气辅助负载7在此能够同样快速地通过第八开关单元16的晶体管16a、16b将充电单元8与电气辅助负载7之间的电路断开，并且在中断第一电池4与第二电池5之间的电路的情况下保护电气辅助负载7以避免由于充电单元8所致的超电压。
对于放电过程，第四开关单元12和第五开关单元13能够位于电连接的状态中并且第六开关单元14和第七开关单元15位于电断开的状态中。电气辅助负载7现在能够通过第一电池4和第二电池5的放电电流来供应。对于用比单个电池4、5的电压要高的电压来供应电气主负载6而言，第一电池4和第二电池5能够串联联接。

Claims (8)

1.一种用于车辆(1)的高压电网(2)的电路(3)，其中，所述高压电网(2)具有至少两个电蓄能器(4、5)和电气主负载(6)，所述电路(3)包括：
-至少一个第一开关单元(9)，所述第一开关单元布置在第一极连接器(18)与第二极连接器(19)之间，所述第一极连接器构造用于电接触第一电蓄能器(4)的第一极(4a)，所述第二极连接器构造用于电接触第二电蓄能器(5)的第一极(5a)，
-至少一个第二开关单元(10)，所述第二开关单元布置在第三极连接器(20)与第四极连接器(21)之间，所述第三极连接器构造用于电接触第一电蓄能器(4)的第二极(4b)，所述第四极连接器构造用于电接触第二电蓄能器(5)的第二极(5b)，
-至少一个第三开关单元(11)，所述第三开关单元布置在所述第二极连接器(19)与所述第三极连接器(20)之间，
-至少一个第四开关单元(12)，所述第四开关单元布置在所述第一极连接器(18)与第一负载接头(22)之间，所述主负载(6)能与所述第一负载接头连接，以及
-至少一个第五开关单元(13)，所述第五开关单元布置在所述第四极连接器(21)与第二负载接头(22)之间，所述主负载(6)能与所述第二负载接头连接，
-其中，所述开关单元(9、10、11、12、13)能够在电连接的状态与电断开的状态之间转换，
-其中，所述第四开关单元(12)和/或所述第五开关单元(13)设计成在电断开的状态中电断开，并且
-其中，所述第一开关单元(9)和/或所述第二开关单元(10)和/或所述第三开关单元(11)实施为半导体结构元件。
2.根据权利要求1所述的电路(3)，其特征在于，所述第一开关单元(9)和/或所述第二开关单元(10)和/或所述第三开关单元(11)具有一个或多个晶体管(9a、9b、10a、10b、11a、11b)。
3.根据权利要求2所述的电路(3)，其特征在于，所述第一开关单元(9)和/或所述第二开关单元(10)和/或所述第三开关单元(11)分别具有两个晶体管(9a、9b、10a、10b、11a、11b)，所述晶体管分别如此布置，使得其截止方向相反设置。
4.根据权利要求3所述的电路(3)，其特征在于，所述第一开关单元(9)和/或所述第二开关单元(10)和/或所述第三开关单元(11)的晶体管(9a、9b、10a、10b、11a、11b)分别如此布置，使得其源极侧彼此电连接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电路(3)，其特征在于一种充电接头(26)，所述充电接头用于与充电单元(8)连接，所述充电单元用于对所述电蓄能器(4、5)充电，所述电路(3)包括：
-至少一个第六开关单元(14)以及至少一个第七开关单元(15)，所述第六开关单元布置在被构造用于与充电单元(8)电接触的充电接头(26)与所述第一极连接器(18)之间，所述第七开关单元连接在所述充电接头(26)与所述第四极连接器(21)之间，
-其中，所述第六开关单元(14)和所述第七开关单元(15)能够在电连接的状态与电断开的状态之间转换。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电路(3)，其特征在于：
-至少一个第八开关单元(16)以及至少一个第九开关单元(17)，所述第八开关单元布置在第三负载接头(24)与所述第一极连接器(18)之间，电气辅助负载(7)能够与所述第三负载接头连接，所述第九开关单元布置在第四负载接头(25)与所述第四极连接器(21)之间，电气辅助负载(7)能够与所述第四负载接头连接，
-其中，所述第八开关单元(16)和所述第九开关单元(17)能够在电连接的状态与电断开的状态之间切换，并且
-其中，优选所述第八开关单元(16)和/或所述第九开关单元(17)具有一个/或者多个晶体管(16a、16b)。
7.一种车辆(1)的高压电网(2)，所述高压电网包括根据前述权利要求中任一项所述的电路(3)、具有两个非同名的极(4a、4b)的作为第一电蓄能器(4)的第一电池(4)以及具有两个非同名的极(5a、5b)的作为第二电蓄能器(5)的第二电池(5)，其中，所述第一电池(4)的第一极(4a)与所述第一极连接器(18)电连接，并且所述第一电池(4)的第二极(4b)与所述第三极连接器(20)电连接，并且所述第二电池(5)的第一极(5a)与所述第二极连接器(19)电连接，并且所述第二电池(5)的第二极(5b)与所述第四极连接器(21)电连接。
8.一种包括根据权利要求1至6中任一项所述的电路(3)和/或根据权利要求7所述的高压电网(2)的车辆(1)，其中，所述电路(3)的电气主负载(6)优选是车辆电驱动装置(6)，所述车辆电驱动装置具有两个非同名的极(6a、6b)，其中，所述车辆电驱动装置(6)的第一极(6a)与所述第五开关单元(13)电连接并且所述车辆电驱动装置(6)的第二极(5b)与所述第六开关单元(14)电连接。
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