CN102438854A - 可电驱动的机动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可电驱动的机动车，所述机动车具有至少两个能并联的车载电池(2、2′)并且具有电子电路装置(3)，所述电子电路装置具有与所述车载电池(2、2′)的数量相对应的数量的电子负荷开关(S1、S2)，通过所述负荷开关，所述车载电池(2、2′)能单独或共同地与耗电装置(4)相接通。根据本发明，所述负荷开关(S1、S2)各自具有两个彼此以反并联的方式布置的功率支路(6、6′)。

Description

可电驱动的机动车

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的可电驱动的机动车。此外，本发明还提出一种用于运行这种机动车的电路装置的运行方法。

背景技术

人们越来越对可电驱动的机动车感兴趣，然而其中这种具有相应的车载电池/车用电池的电动车的布置和配备尤其会产生问题。在此，已知电运行的机动车具有两个车载电池，所述车载电池在相应的功率需求的情况下协同工作。然而将两个车载电池简单地并联却是不可行的，因为正如所已知的，并联的车载电池构成不稳定的系统，其中由于空载电压的参数差异/制造公差会产生能量的重新充入。在此，由于空载电压随着电池的老化或在车载电池之一损坏时强烈地变化，这种状况会更加地不稳定。

迄今为此，这个问题通过使用所谓的DC/DC转换器(直流调节器)来解决，DC/DC转换器连接在车载电池之间并且提供一可将空载差精确消除的空载电压，由此使得即便是在车载电池具有空载电压差的情况下，在第一步中也使车载电池承担相同的负载。甚至当车载电池中的一个与第二车载电池相比已经具有更低的电量/电荷状态时，这种DC/DC转换器也可通过其反电压以补偿的方式进行逆控制，其中，在这种情况下通过优先级高的运行策略这样控制DC/DC转换器的反电压，使得在部分负载运行中第二车载电池与第一车载电池相比明显承担更多的负载。由此也可实现整个系统的稳定，并且使两个车载电池的电量是相适配的。但是，这种DC/DC转换器比较贵，成本相对较高。

发明内容

因此，本发明的目的在于：对于具有至少两个车载电池的可电驱动的机动车，提出一种改进的或至少一种可替代的实施形式，该实施形式的突出之处尤其在于不同的结构以及与此相关联的低得多的成本。

根据本发明，所述目的通过下述方式而实现，即负荷开关各自具有两个彼此以反并联的方式布置的功率支路。由此，可确保每个车载电池的可靠的充电运行和放电运行。这正是电驱动的车辆所需要的，以便不但确保了可靠的电行驶运行，而且能够以可靠的方式方法回收制动动能(再生)。有利的实施形式是从属权利要求的主题。

本发明基于下述一般想法：可电驱动的机动车配备有至少两个能并联的车载电池和相配属的电子电路装置，其中该电路装置具有与车载电池的数量相对应的数量的电子负荷开关，通过这些负荷开关，车载电池能单独地或以任意的组合、尤其是共同地与一耗电装置相导通/连接。因此，能够使用该电子电路装置来替换迄今为止代替该电路装置使用的DC/DC转换器，由此，不仅能够显著节约成本，而且同时也减轻重量以及降低电损耗功率，该电损耗功率在这种DC/DC转换器中为约3％。而根据本发明的电子电路装置以几乎无损耗的方式工作，由此，总体上能达到的效率与从现有技术已知的类似系统相比高得多。因此，利用根据本发明的电路装置，能够以简单且同时成本低廉的方式最佳地取用多个能并联的高伏电池。

在一种实施形式中，至少一个负荷开关具有第三功率支路，该第三功率支路与所述两个彼此反并联布置的功率支路相并联。通过该第三功率支路有利地提高了至少一个负荷开关的载流能力。

在本发明的一种构造方案中，所述两个彼此反并联布置的功率支路各自具有IGBT和阻塞二极管。因此，相应的模块可进行充电和放电，其中可有效避免具有不同的电量状态或电压的电池模块之间的不期望的寄生电流。

在本发明的另一构造方案中，第三功率支路具有场效应晶体管单元，该场效应晶体管单元包括至少一个场效应晶体管。该场效应晶体管优选被构造为功率MOSFET或MOSFET。特别优选的是，所述至少一个场效应晶体管被构造为低压MOSFET。

使用这种场效应晶体管单元可明显降低在相应的IGBT上产生的损耗功率。在此，该场效应晶体管单元优选包括继电器单元，该继电器单元具有至少一个继电器，所述继电器布置成与所述至少一个场效应晶体管串联。

特别优选的是，场效应晶体管单元具有多个场效应晶体管，而继电器单元具有多个继电器。每个继电器能通过一个接头与车载电池中的一个以导电的方式相连接。每个继电器能通过另一接头与每个场效应晶体管的一个接头以导电的方式相连接。每个场效应晶体管能通过其另外的接头与耗电装置以导电的方式相连接。

在本发明的另一构造方案中，继电器的数量多于场效应晶体管的数量。车载电池优选构造为高伏电池。

根据本发明，还提出一种用于运行用于可电驱动的机动车的、具有至少两个电子负荷开关的电路装置的运行方法。

在本发明方法的一种设计方案中，将至少两个电子负荷开关导通，由此，至少两个车载电池的内阻和耗电装置的内阻形成了一星形连接。因此，在这种设计方案中可使用至少两个电池的输出功率，以满足高负载运行所需的功率需求。此外还可充分利用至少两个电池的容量，以使高负载运行能够持续足够长的时间。

在另一设计方案中，在部分负载运行中，各个车载电池通过相应的负荷开关交替地与耗电装置相导通。因此，所述车载电池均衡地放电。因此，各车载电池之间的电压差可有利地被减小或补偿。

优选与两个车载电池之间的空载电压差相关地或与多个车载电池之间的空载电压差相关地进行部分负载运行与高负载运行之间的转换。因此，例如可防止电池之间的电压差超过预先规定的极限值。

在另一设计方案中，将负荷开关的IGBT分别分配给一个车载电池，即至少一个副电池和一主电池中的一个。主电池的负荷开关的IGBT持续地导通一段时间。各个副电池的负荷开关的IGBT根据需要而被导通。因此，车辆的正常的行驶运行所需的功率由主电池提供。在另外的运行状态——例如需助力(加速)或再生运行——中，附加地使用至少一个副电池的功率和容量。

在又一设计方案中，为了将场效应晶体管单元接通，首先闭合继电器，然后接通场效应晶体管，而为了将场效应晶体管单元关断，首先打开/断开继电器，然后关断场效应晶体管。在一另选设计方案中，为了将各个场效应晶体管单元接通，首先闭合各个继电器，然后接通各个场效应晶体管，而为了将场效应晶体管单元关断，首先打开各个继电器，然后关断各个场效应晶体管。因此，在关断时可避免场效应晶体管上的不期望的电压降。优选的是，在机动车的可靠的行驶运行期间进行场效应晶体管单元的所述接通和/或所述关断。

在又一设计方案中，场效应晶体管单元作为降低装置被接通，以用于降低负荷开关的温度。

从从属权利要求、附图以及借助附图所进行的相关的附图描述中给出了本发明的其它的重要特征和优点。

应理解的是，上文中提到的以及下文中仍将阐明的特征不仅能以所给出的组合方式而且能以其它的组合方式或单独地被应用，而不超出本发明的范围。

附图说明

在附图中示出并且在下文的描述中更详细地阐明了本发明的一些优选实施例，其中相同或相似的、或功能相同的构件通过相同的附图标记来表示。

在此，示意性地各自示出：

图1示出根据本发明的可电驱动的机动车的电路图。

图2示出具有单独的负荷开关的电路装置的详图。

图3示出用于降低电损耗功率的场效应晶体管子单元的详图。

图4示出具有单独的负荷开关的电路装置的另一详图。

具体实施方式

对应于图1，用于驱动一电动车的电气系统1具有至少两个能并联的车载电池2、2′以及一电子电路装置3，该电子电路装置包括电子负荷开关S1、S2，该负荷开关的数量与车载电池2、2′的数量相对应。通过所述负荷开关，车载电池2、2′能够单独或者共同与一耗电装置、例如电驱动马达相导通/连接。在此，通过R1和R2表示车载电池2、2′的内阻，而开关S象征性地表示末端输出级5，具有附图标记4的电机M象征性地表示所述驱动装置的可变负载，所述可变负载例如通过开关S的开合(Taktung)而获得。

在此，在进行部分负载运行时，总是通过对应的负荷开关S1、S2使用两个车载电池2、2′中的仅一个，而且是这样使用，使各车载电池2、2′的电量/电荷优选均衡地减少。当然，与根据图1示出的两个车载电池2、2′相比，在此也可布置更多个车载电池。在可电驱动的车辆进行高负载运行(该高负载运行通常仅持续短的时间)时，两个负荷开关S1和S2共同被接通，因此由电阻R1和R2以及M产生一星形连接。对于新的车载电池2、2′，电压状况是这样的，即当已经达到一个车载电池2、2′的最大电流输出的10％至20％时，便不会有电流回流入另一车载电池2、2′中。对于损坏的车载电池2、2′，所述值明显会更高，其中在任何情况下电气系统1都保持不会有电流回流入相应的能工作的车载电池2、2′中。然而，如果车载电池2、2′中的一个已经达到80％的负载而至少一个另外的车载电池2、2′仍未低于空载电压，则说明所述另外的车载电池2、2′已完全深度放电或者已损坏到必须更换的程度。根据本发明，在考虑车载电池2和2′的可实时辨识的空载差的情况下，通过相应的运行策略来确定从部分负载范围至高负载范围的转换点。虽然这里以及在下文中一般讨论的是两个车载电池2、2′，但很显然，也可设置多个、例如三个或四个车载电池。

因此，通过电气系统1，亦即尤其通过电路装置3，可省去迄今为止代替电路装置3所设置的电压转换器(DC/DC转换器)，并且尽管如此仍能最佳地取用多个能并联的高压车载电池2、2′的能含量。在此，根据图1，末端输出级5示出在开关S的区域中，如需要可省去该末端输出级。

根据图2，示出了根据本发明的具有两个负荷开关S1和S2的电路装置3。所述两个负荷开关各自由两个反并联的功率支路6、6′构成，所述功率支路各自具有集成的IGBT(绝缘栅双极晶体管)和相配属的阻塞二极管7、7′。

因此，第一车载电池2能与第一阻塞二极管7的第一阳极导电连接。第一阻塞二极管7的第一阴极连接在第一IGBT 6的第一集电极上。第一IGBT 6的第一发射极能与耗电装置M、4导电连接。

此外，耗电装置M、4能与第二阻塞二极管7′的第二阳极导电连接。第二阻塞二极管7′的第二阴极连接在第二IGBT 6′的第二集电极上。第二IGBT 6′的第二发射级能与第一车载电池2导电连接。

第二车载电池2′能与第三阻塞二极管7的第三阳极导电连接，第三阻塞二极管7的第三阴极连接在第三IGBT 6的第三集电极上，而第三IGBT6的第三发射极能与耗电装置M、4导电连接。

另外，耗电装置M、4能与第四阻塞二极管7′的第四阳极导电连接。第四阻塞二极管7′的第四阴极连接在第四IGBT 6′的第四集电极上。第四IGBT 6′的第四发射级能与第二车载电池2′导电连接。

在此，有利的是，在另外并联的第三功率支路6″中具有场效应晶体管单元8。在两个功率支路6和6′中以反并联的方式布置的IGBT能从车载电池2、2′中取出功率以及同时还能使车载电池2、2′再生——亦即充电。在此，同样反并联的阻塞二极管7、7′防止了从一车载电池2至另一车载电池2′的寄生电流。如果两个功率支路6、6′中的一个被导通，则在相应的IGBT上通常仍具有约5V的电压。与此相关联的损耗功率可借助接通所述场效应晶体管单元8而进一步被降低，其中例如根据图3详细示出了场效应晶体管子单元10、11。通常，单个功率MOSFET 8′尚具有约2毫欧的电阻。

通过例如根据图3所示的多个MOSFET 8′的并联电路，可进一步减小电路的电阻。在此，从图3同样可获知，继电器9与单个功率MOSFET 8′串联，由此，一方面能够实现无负载地接通继电器9，另一方面能够应用低电阻的低压MOSFET。

在根据图3示出的场效应晶体管子单元10、11的详图中，继电器9的输入侧能与第一节点A导电连接。MOSFET 8′分别具有第一接头，该第一接头尤其构造为漏极接头。MOSFET 8′还分别具有第二接头，该第二接头尤其构造为源极接头。此外，MOSFET 8′分别具有第三接头，该第三接头尤其构造为栅极接头。继电器9的输出侧连接在MOSFET 8′的第一接头上。MOSFET 8′的第二接头能与第二节点B导电连接。

图4示出了图2中示出的具有单独的负荷开关S1、S2的电路装置的详图。尤其对于每个负荷开关S1、S2，图4中的电路装置示出了在图2中已示出的场效应晶体管单元8的细节图。

对于每个负荷开关S1、S2，每个场效应晶体管单元8具有多个、尤其是两个场效应晶体管子单元10、11，所述场效应晶体管子单元分别可根据图3中所示的类型来构造。

在此，第一场效应晶体管子单元10能通过第二节点B与车载电池2、2′中的一个导电连接。另外，该第一场效应晶体管子单元10能通过第一节点A与耗电装置M、4导电连接。因此，第一场效应晶体管子单元10能与示出为由阻塞二极管7和布置在功率支路6中的IGBT形成的、用于车辆行驶运行的电流路径并联。通过第一场效应晶体管子单元10，能在行驶运行期间使电路装置3的损耗功率减小。

第二场效应晶体管子单元11能通过第二节点B与耗电装置M、4导电连接。该第二场效应晶体管子单元11能通过第一节点A与车载电池2、2′中的一个导电连接。因此，第二场效应晶体管子单元11能与示出为由阻塞二极管7′和布置在功率支路6′中的IGBT形成的、用于再生运行的电流路径并联。通过第二场效应晶体管子单元11，能在再生运行期间使电路装置3的损耗功率减小。

在此，如图2所示的电路装置3的目的在于：改进用于大电流(通常为100安培)的电子开关，该电子开关能在两个方向上阻断。这意味着，已打开/断开的负荷开关S1、S2必须既在“车载电池2”这点处的电压大于点“M”处的电压时实现阻断又在车载电池2处的电压小于点“M”处的电压时实现阻断。而这是普通的电子开关无法实现的。借助阻塞二极管7、7′可阻断不期望的电流，其中例如阻塞二极管7和布置在功率支路6中的IGBT为用于车辆行驶运行的电流路径，而阻塞二极管7′和布置在功率支路6′中的IGBT为用于负荷开关S1的再生运行的电流路径。在这种布置结构中，负荷开关S1总体上不再具有寄生二极管，这是因为负荷开关S2中的相当的阻塞二极管7、7′以及所配属的IGBT形成了负荷开关S2。

现在，根据本发明的运行策略在于：对于较长的时间、例如20分钟，仅借助唯一一个车载电池2、2′(当前的主电池)来实现行驶，而另一车载电池2、2′(当前的副电池)仅短时间地被使用以用于加速或用于强力制动。对于相应的主电池，依照一运行策略，两个相配设的IGBT持续地导通，而相应的副电池的IGBT仅在需要时被接通。根据图2示出的电路装置3的电损耗功率为约100安培，亦即总计约700瓦。这是因为电路装置3中的压降为约3.5伏并且电流总共为200安培。在此，通过使用两个场效应晶体管单元8，损耗功率降低至100瓦之下。

根据图3，包括功率MOSFET 8′和相配属的继电器9的场效应晶体管子单元10、11被接通，其中通常使用具有常规为2毫欧内阻的、用于低电压(40伏)的并联的功率MOSFET 8′以及并联的继电器9。根据图3，彼此并联布置的继电器9的数量可多于彼此并联布置的MOSFET 8′的数量。在此，为了接通根据图3所示的场效应晶体管子单元，可电驱动的机动车必须稳定地处于行驶运行中并且各功率MOSFET 8′必须是打开/断开的。在这种状态下，首先各继电器9以无负载的方式被接通并且一直等待(例如100毫秒)到各继电器9的所有时延差/渡越时间差变得微不足道。在此，无负载的继电器9能以极其频繁/高频率的并且实际上无磨损的方式被接通。此外，一旦并联的继电器9以无磨损的方式被接通，则该并联的继电器能良好地适应参数差异/制造公差。

然后，在第二步中功率MOSFET 8′(场效应晶体管)被接通。因为这些功率MOSFET 8′在过零点时形成欧姆电阻，所以这些功率MOSFET 8′同样能良好地适应参数差异。如果首先将功率MOSFET 8′接通，则这些功率MOSFET可作为欧姆电阻以相同的大小并且用同样好的效率传导再生电流。然而，在再生运行中这些功率MOSFET 8′(场效应晶体管)可不被打开/断开，对此车辆行驶运行必须总是处于等待状态。在打开/断开时功率MOSFET 8′和继电器9的打开顺序与闭合时的顺序相反。通过这种借助继电器9来断开/分隔电压的方法，功率MOSFET 8′可应用于低电压(例如40伏)，仅在这种低电压的情况下目前已给出了具有例如2毫欧的低内阻的构造类型。

在满负载时和无节油/滥用时也可设想扩展的运行策略。在积极的行驶模式中，例如相应的副电池的IGBT可加热所配属的负荷开关S1，其中在这种情况下，该运行策略在于：根据行驶状况也将副电池的功率MOSFET8′接通。这导致损耗功率的立即的、明显的降低，从而使电路装置3的温度重新降低。在一定的时间段中，继电器9必须在这种紧急情况中承受增大的开合切换循环，然而其中具有这种策略的电路装置9可靠地控制了行驶状况，并且增大的继电器开合切换循环仅产生轻微的噪音问题。

Claims (10)

1.一种能电驱动的机动车，所述机动车具有至少两个能并联的车载电池(2、2′)并且具有电子电路装置(3)，所述电子电路装置具有与所述车载电池(2、2′)的数量相对应的数量的电子负荷开关(S1、S2)，通过所述负荷开关，所述车载电池(2、2′)能单独地或共同地与耗电装置(4)相导通，其特征在于，所述负荷开关(S1、S2)各自具有两个彼此以反并联的方式布置的功率支路(6、6′)。

2.根据权利要求1所述的能电驱动的机动车，其特征在于，所述负荷开关(S1、S2)中的至少一个具有第三功率支路(6″)，所述第三功率支路布置成与所述两个彼此以反并联的方式布置的功率支路(6、6′)相并联。

3.根据权利要求2所述的能电驱动的机动车，其特征在于，所述两个彼此以反并联的方式布置的功率支路(6、6′)各自具有IGBT(6、6′)和阻塞二极管(7、7′)，而所述第三功率支路(6″)具有场效应晶体管单元(8)，所述场效应晶体管单元包括至少一个场效应晶体管(8′)，并且所述场效应晶体管单元(8)包括继电器单元，所述继电器单元具有至少一个继电器(9)，所述继电器布置成与所述至少一个场效应晶体管(8′)相串联。

4.根据权利要求3所述的能电驱动的机动车，其特征在于，所述场效应晶体管单元(8)具有多个场效应晶体管(8′)，而所述继电器单元具有多个继电器(9)，其中每个继电器(9)能通过一个接头与所述车载电池(2、2′)中的一个以导电的方式相连接，并且每个继电器能通过另一接头与每个场效应晶体管(8′)的一个接头以导电的方式相连接，其中每个场效应晶体管能通过其另外的接头与所述耗电装置(M、4)以导电的方式相连接。

5.一种用于运行电路装置(3)的方法，所述电路装置用于根据上述权利要求中任一项所述的能电驱动的机动车，所述电路装置具有至少两个电子负荷开关(S1、S2)，其特征在于，在高负载运行中，导通至少两个电子负荷开关(S1、S2)，由此使至少两个车载电池(2、2′)的内阻(R1、R2)和耗电装置(M、4)形成一星形连接。

6.根据权利要求5所述的用于运行电路装置(3)的方法，其特征在于，在部分负载运行中，所述各车载电池(2、2′)通过对应的负荷开关(S1、S2)交替地与所述耗电装置(4)相导通，由此使所述车载电池(2、2′)均衡地放电。

7.根据权利要求6所述的用于运行电路装置(3)的方法，其特征在于，根据所述车载电池(2、2′)的空载电压差进行部分负载运行与高负载运行之间的转换。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的用于运行电路装置(3)的方法，其特征在于，将所述负荷开关(S1、S2)的IGBT(6、6′)分别分配给一个车载电池(2、2′)——即主电池和至少一个副电池，其中使所述主电池的负荷开关的IGBT(6、6′)持续地导通—段时间，而所述各个副电池的负荷开关的IGBT(6、6′)按照需求来导通。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的用于运行电路装置(3)的方法，其特征在于，为了接通场效应晶体管单元(8)，首先闭合继电器(9)，随后接通场效应晶体管(8′)，而为了关断所述场效应晶体管单元(8)，首先打开所述继电器(9)，随后关断所述场效应晶体管(8′)，其中在机动车的行驶运行期间进行所述场效应晶体管单元(8)的所述接通和/或所述关断。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的用于运行电路装置(3)的方法，其特征在于，场效应晶体管单元(8)作为降低装置被接通，用以降低所述负荷开关(1、2)的温度。

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