CN107206906A - 用于机动车的高压电池以及机动车 - Google Patents

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Abstract

一种用于机动车的高压电池和机动车，用于机动车(15)的、其运行电压大于12V、特别是大于50V的高压电池(1a，1b)具有连接到机动车(15)的高压电网(7)上的两个电网连接端(6)，所述电网连接端能通过设置在高压电池(1a，1b)的壳体(2)内的第一安全接触器(K1，K2)来切断电压，该高压电池还具有用于电能的蓄能单元(3)，所述蓄能单元经由第一安全接触器(K1，K2)与电网连接端(6)连接，其中，高压电池(1a，1b)附加地具有两个充电连接端(11)，所述充电连接端在绕过第一安全接触器(K1，K2)的情况下经由充电线路(12)与蓄能单元(3)连接。

Description

用于机动车的高压电池以及机动车
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的高压电池，该高压电池的运行电压大于12V、特别是大于50V，该高压电池具有连接到机动车的高压电网上的两个电网连接端，所述电网连接端能通过设置在高压电池的壳体内的第一安全接触器来切断电压，该高压电池还具有用于电能的蓄能单元，所述蓄能单元经由第一安全接触器与电网连接端连接。此外本发明还涉及一种具有这样的高压电池的机动车。
背景技术
现代机动车——特别是电动车和混合动力车辆——大多具有两个车载电网，亦即低压电网——例如12V——和高压电网，高压电网的电网电压高于低压电网的电网电压。低压电网由低压电池——例如12V铅酸蓄电池——(并且也可能另外的能源、如发电机)供电，而在高压电网中设有自身的高压电池，其可以通过不同方式和方法充电。如果存在电机，那么该电机可以用作发电机并且经由电网连接端给高压电池充电。在电动车中并且在所谓的插接式混合动力机动车中设有充电装置，其允许也从机动车外部的电能源例如在充电站处给高压电池充电。
因为高电压经常超过接触保护电压，所以安全措施是必要的，以便可以在机动车的高压电网中切断电压。该措施的一部分是设置在高压电池内的第一安全接触器，其例如可以通过导频线路(Pilotlinie)接通，如这在现有技术中原则上已知的。自然也可以存在控制装置，例如作为电池管理系统的一部分或用于实现电池管理系统，通过该控制装置断开和闭合第一安全接触器。通常确定的功率是需要的，以便将第一安全接触器保持闭合，该第一安全接触器必须满足高要求。在一些国家法定规定的还有为了提高安全性的无源放电电阻，其大多在电池外部连接在正与负的电网连接端之间。
也已经提出，允许在低压电网与高压电网之间的能量交换，从而特别是也可以考虑的是，通过低压电网的能源给高压电池充电。为此，直流电压转换器、特别是双向直流电压转换器可以连接在低压电网与高压电网之间，直流电压转换器能够实现这种能量交换。
作为机动车中的另外的电能源最后也提出，将太阳能装置集成在机动车中，特别是作为太阳能顶棚。这样的太阳能装置具有至少一个太阳能电池，其允许将阳光转换为电能。在机动车运行期间，太阳能装置可以支持低压电网中的运行；在机动车不运行期间，亦即在非运行状态下或非运行阶段中提出，由太阳能装置获得的能量也用于低压电池的充电。自然低压电池特别是具有常见的12V铅酸蓄电池，不具有格外大的蓄能容量，从而不能存储太阳能装置所产生的全部能量，特别是在机动车的较长的停车时间的情况下。在另一侧上然而由太阳能装置提供的功率更小，从而高压电池的充电通过电网连接端和为低压电网的馈电设计的直流电压转换器由太阳能装置仅仅具有格外低的效率，如果主要可能的是，例如因为第一安全接触器必须保持打开并且有可能不同的另外的构件必须有源地运行。此外，提及的无源放电电阻在通过高压电池的电网连接端进行充电过程期间是负载。关于在当今机动车中由太阳能装置给高压电池充电的另一问题在于，高压电网也在机动车的非运行阶段中处于电压之下，这是不期望的。
发明内容
因此本发明的任务在于，提出高压电池的设计方案，其能实现改善的充电过程，特别是在机动车的高压电网上没有高电压的必要性的情况下。
为了解决该任务，在开始所述类型的高压电池中按照本发明提出，电池附加地具有两个充电连接端，所述充电连接端在绕过第一安全接触器的情况下经由充电线路与蓄能单元连接。
因此提出，除了电网连接端之外在高压电池上还设有附加的连接端对，其专门用于高压电池的充电，并且绕过电网连接端、特别是在充电过程期间断开的第一安全接触器并因此此外还有特别是在电网连接端之间设置的无源放电电阻。因此如果蓄能单元经由相应电网线路——其中连接有第一安全接触器——与电网连接端连接，那么因此基于充电连接端的充电线路——其自然也可以包括高压电池的另外的构件，对此在下文中还将进一步讨论——在第一安全接触器的背向电网连接端的侧上碰到电网线路。换言之，充电线路在第一安全接触器“后面”与蓄能单元连接。通过这种方式和方法，第一安全接触器可以在充电过程期间保持断开，从而整个高压电网也保持切断电压。这带来在充电过程的效率方面的优点，这是因为第一安全接触器不必被供电，其中再者经由无源放电电阻——其连接在电网连接端之间——的无源放电在充电过程期间不是负载。
通过高压电网在机动车的非运行阶段期间——其中应给高压电池充电——保持切断电压，机动车的高压安全性总体上提高。再者非激活的高压电网允许在充电过程中的较高的效率。
特别有利地，附加的两个充电连接端用于由能源充以较低的输出电压作为高压电池的运行电压，特别是由太阳能装置或一般的机动车低压电网充电。那么通过高压电池的设计方案通过太阳能对高压电池的有效充电是可能的，这提供保护免于高压电池的深度放电，在足够日光照射的情况下对于具有电机的机动车提供免费附加作用范围并且允许完全利用通过太阳能装置获得的能量，这是因为高压电池提供非常高的蓄能容量。
附加的充电连接端——其绕过高压电网和第一安全接触器——那么最后用于损耗最小化。在此提出，在内部的第一安全接触器后面馈送能量到电池中，这首先能实现，有意义地应用太阳能装置用于高压电池的充电。
本发明的一个适宜的改进方案提出，至少一个第二安全接触器设置在将充电连接端与蓄能单元连接的充电线路中，特别是直接连接到蓄能单元上并且在充电线路与将电网连接端和蓄能单元连接的电网线路的共同的线路部段之外。对从充电连接端方面的这样的安全措施可以提供较小的要求，特别是当实现在低的功率下由如太阳能装置那样的低压能源的充电行动时。第二安全接触器那么可以如此设计，使得第二安全接触器需要显著更小的功率，以便保持在闭合状态下。尽管如此存在足够的安全性。
在此适宜的是，至少一个第二安全接触器——特别是当在每个充电线路中设置第二安全接触器时，对此在下文中还进行进一步讨论——经由通过直流电压转换器引导的导频线路连接。如在第一安全接触器中那么可以设有导频线路，其中对于第二安全接触器设置的导频线路当充电由低电压的能源——特别是太阳能装置——实现时延伸通过需要的直流电压转换器。如果该直流电压转换器不存在/故障，那么第二安全接触器自动断开。
结合第二安全接触器的适宜设计方案提出，为了控制第一安全接触器和至少一个第二安全接触器的运行而设有高压电池的共同的控制装置。适宜的是，用于断开第一和第二安全接触器的功能被定位在相同的控制装置中，特别是在相同的控制器中，通过该控制装置在识别到故障(例如高压电池的过充电或机动车发生事故)时可以安全断开全部安全接触器。由此确保在机动车中在高压供电方面安全性的进一步提高。
在本发明的一个特别优选的设计方案中可以提出，在高压电池的壳体中还设有直流电压转换器，用于将施加在充电连接端上的、特别是低于高压电池运行电压的充电电压转换为被存储用于为蓄能单元充电的直流电压。这表示，当高压电池应被从具有较低电压的能源——例如太阳能装置——充电时，直流电压转换器是需要的，该直流电压转换器特别有利地在本发明的范围中也可以集成到高压电池中，更准确地说集成在高压电池的壳体内。但是这表示，在充电连接端上必须仅施加低充电电压，例如在12V的水平。这还有助于在高压电池上提高的安全性，这是因为高压通过集成的直流电压转换器优选地电隔离地仅仅在高压电池的壳体内产生。
适宜地，高压电池可以具有一个或所述控制装置，所述控制装置也构成为用于控制直流电压转换器的运行。特别是在此涉及如下控制装置，其也共同地操控第一和第二安全接触器。用于控制充电功率的操控逻辑电路经由直流电压转换器适宜地可以集成到高压电池的控制装置中，而自然也可以考虑的是，以其它方式安置操控逻辑电路，例如作为电池管理系统的一部分或自身的控制器的一部分。
可以提出，直流电压转换器构成为双向工作的。这样的设计方案特别是在如下情况下是适宜的，即当通过直流电压转换器也应将电能通过充电连接端向外导出时，例如用于低压电网中电池的充电和/或用于支持低压电网中的负载。在上下文背景中那么适宜地在每种情况下设有两个第二安全接触器，在随后在两个充电线路上为了提高安全性应进行分离之后。相应的导频线路那么可以通过内部直流电压转换器引导。
特别是当内部直流电压转换器设置为充电直流电压转换器时，其仅仅应将进入的电能经由用于为蓄能单元充电的充电连接端带到较高的电压水平，安全措施也可以通过其它方式设计，以便如此降低特别是对单个的——如果存在的话——第二安全接触器的要求。如此可以在本发明的优选设计方案中提出，在至少一个充电线路中连接有阻止电能朝向充电连接端的方向流动的二极管和/或保险装置。如果直流电压转换器设置在高压电池之外，那么该设计方案也可以实现。因为这样的二极管最后确保，不会出现高压电池通过直流电压转换器的输出电路的放电。即便如此如果通过直流电压转换器的输出电路出现短路，其应在内部或外部，那么激活保险装置并且通过这种方式和方法结束电路闭合。
如果在该设计方案中也设有第二安全接触器，那么第二安全接触器作为用于充电线路的关断的附加冗余存在，例如以便满足相应的安全要求。然而正是也在高压电池的可能的过充电方面第二安全接触器还是有意义的。
如上所述，附加的充电连接端允许独立于高压电网给高压电池充电的充电过程，从而也可以说，控制经由充电连接端给高压电池充电的一个或所述控制装置构成为用于在第一安全接触器断开的情况下给高压电池充电。
除了高压电池之外，本发明还涉及一种机动车，其具有连接到高压电网——其电压高于机动车的低压电网的电压——上的按照本发明的高压电池。关于高压电池的全部实施方案可以类似地传递给按照本发明的机动车，通过该机动车因此也可以获得已经描述的优点。
在此在按照本发明的机动车的一个特别有利的设计方案中设计为，在机动车中设有连接到高压电池的充电连接端上的、相对于高压电池而言位于外部的直流电压转换器，或者在高压电池中集成有直流电压转换器，其中，作为充电电压向直流电压转换器在背向蓄能单元的侧上输送适用于给低压电网的低压电池充电和/或适用于给低压电网的负载供电的低电压。直流电压转换器那么如上所述可以设置在高压电池之外，但是也可以集成到其中，其中绝对可以考虑的是，也应用双向直流电压转换器。特别是然而应用单向直流电压转换器，这表示充电连接端实际上仅仅用于由具有比高压电池的运行电压低的充电电压的能源给高压电池充电。在每种情况下，这也适用于按照本发明的高压电池，直流电压转换器优选如此构成，使得产生电隔离(“电隔离的直流电压转换器”)。
如上所述，本发明结合通过机动车的太阳能装置给高压电池充电的可能性而产生特别的优点，从而在优选设计方案中机动车还可以包括具有至少一个太阳能电池的太阳能装置，其提供充电电压。至今在能量上有意义地可能的是，通过太阳能装置给高压电池充电，而在本发明的范围中不产生用于将第一安全接触器保持断开的功率以及放电电阻的附加的负载。
附图说明
本发明的另外的优点和细节由在下文中所述的实施例以及根据附图产生。其中：
图1示出按照本发明的高压电池的第一设计方案；
图2示出按照本发明的高压电池的第二设计方案；以及
图3示出按照本发明的机动车。
具体实施方式
图1示出按照本发明的高压电池1a的第一实施例的原理图。该高压电池包括在此仅仅标明的壳体2，其中设有多个蓄能单元3(电池模块/单元)，其中在此示出三个。蓄能单元分别配置有蓄能模块控制单元4。蓄能单元3相互串联连接并且经由电网线路5与电网连接端6连接，经由高压电池1a可以连接到机动车的在此仅仅标明的高压电网7，其中在此出于图示原因仅示出无源放电电阻8。
为了可以可靠地将高压电池1a与高压电网7分离，在电网线路5中设有两个第一安全接触器K1和K2，它们需要确定的功率，以便保持在闭合状态下，例如分别5瓦特。即使这出于清晰原因在此没有进一步示出，第一安全接触器K1、K2可以通过高压电池1a的中央控制装置9操控；附加地可以设有导频线路18，其例如总是当高压电池1a不连接到高压电网7上时断开接触器K1、K2。
中央控制装置9在此构成为电池管理控制单元，其如通过内部通信线路10所标明的那样也操控蓄能单元控制单元4。
除了电网连接端7之外，高压电池1a然而也具有充电连接端11。充电连接端11允许将低压能源、特别是机动车的太阳能装置为了给蓄能单元3充电而连接到高压电池1a上，这通过在图1中描绘的电压值阐明。因此通过充电连接端11进入的能量借助于充电线路12经由一些构件——其在下文中还将进一步阐明——引导到蓄能单元3，亦即绕过第一安全接触器K1和K2。这表示，虽然存在电网线路5和充电线路12的共同的线路部段，充电线路12然而仅仅在连接第一安全接触器K1、K2与串联连接的蓄能单元3的电网线路5部分中到达该电网线路。
为了将显著更低的充电电压——在此为12V——转换为适用于给蓄能单元3充电的直流电压，在高压电池1a的壳体2中现在也集成有电气隔离的直流电压转换器13，其因此接入充电线路12中。
作为在直流电压转换器13的高压侧上的安全措施在此设有二极管D1、保险装置S1以及第二安全接触器K3，其相比于第一安全接触器K1、K2可以利用更低的功率保持闭合。第二安全接触器K3用作用于关断高压的附加的冗余，特别是在过充保护方面。二极管D1用于以下目的，即防止高压电池1a——因此蓄能单元3——通过直流电压转换器13的输出电路放电。尽管如此如果通过直流电压转换器13的输出电路产生短路，那么触发保险装置S1并且如此结束通过电流。
在此示例性地选择构件F1、D1和K3的示出的顺序和设置；这些构件自然可以以任意顺序设置在串联连接的蓄能单元3的正极与负极之间。
用于控制充电过程、特别是充电功率的操控逻辑电路在此也实现在控制装置9中，如通过由内部的通信线路10到直流电压转换器13的相应箭头标明的那样。此外控制器9除了第一安全接触器K1、K2之外也控制第二安全接触器K3，由此在识别到故障的情况下、例如在高压电池1a过充的情况下可以可靠地断开全部的安全接触器K1、K2和K3。在此还应说明的是，安全接触器可以构成为继电器，然而特别是在匹配当前标准的情况下未来绝对也可以考虑的是，将安全接触器实现为半导体开关。
为了可以与上级能量管理系统通信，控制装置9经由外部通信接口17与外部控制器连接。
图2示出相比于图1修改的实施例，其与图1的实施例的区别在于，没有直流电压转换器13集成到那里的高压电池1b中，取而代之地然而在省去二极管D1和保险装置F1的情况下设有两个第二安全接触器K3、K4，它们又可以通过控制装置9操控，然而经由导频线路14也与外部直流电压转换器——在此没有进一步示出——耦合。当然，二极管D1和保险装置F1也可以可选择地设置。保险装置F1的设置可以在修改的实施例的情况下当存在导体横截面的变化时是有意义的。
在高压电池1a、1b的两个实施例中可能的是，通过电能源在低电压的情况下进行充电过程，其中，高压电池1a、1b与高压电网7分离。
图3最后示出按照本发明的机动车15的原理图。该机动车在此具有按照本发明的高压电池1a；高压电池1b要求在高压电池1b与电能源之间附加的外部直流电压转换器，该能源在此构成为包括至少一个太阳能电池的太阳能装置16。但是当应用高压电池1a之后，无问题可能的是，由太阳能装置16——其可以构成为太阳能顶棚——获得的电能经由充电连接端11转发给高压电池1a，从而在绕过第一安全接触器K1、K2并且放电电阻8不是负载之后，可以格外能量有效地进行充电。太阳能装置16可以直接与充电连接端11连接，但是也可以经由在此未进一步示出的低压电网。在后者所述情况下，在相应的电缆连接的情况下，低压电网的其它能源也可以在需要时给高压电池1a充电。

Claims (11)

1.一种用于机动车(15)的高压电池(1a，1b)，该高压电池的运行电压大于12V、特别是大于50V，该高压电池具有连接到机动车(15)的高压电网(7)上的两个电网连接端(6)，所述电网连接端能通过设置在高压电池(1a，1b)的壳体(2)内的第一安全接触器(K1，K2)来切断电压，该高压电池还具有用于电能的蓄能单元(3)，所述蓄能单元经由第一安全接触器(K1，K2)与电网连接端(6)连接，
其特征在于，
高压电池(1a，1b)附加地具有两个充电连接端(11)，所述充电连接端在绕过第一安全接触器(K1，K2)的情况下经由充电线路(12)与蓄能单元(3)连接。
2.根据权利要求1所述的高压电池，其特征在于，至少一个第二安全接触器(K3，K4)设置在将充电连接端(11)与蓄能单元(3)连接的充电线路(12)中，特别是直接连接到蓄能单元(3)上并且在充电线路(12)与将电网连接端(6)和蓄能单元(3)连接的电网线路(5)的共同的线路部段之外。
3.根据权利要求2所述的高压电池，其特征在于，至少一个第二安全接触器(K3，K4)经由通过直流电压转换器(13)引导的导频线路(14)接通，和/或为了控制第一安全接触器(K1，K2)和至少一个第二安全接触器(K3，K4)的运行而设有高压电池(1a，1b)的共同的控制装置(9)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的高压电池，其特征在于，在高压电池(1a，1b)的壳体(2)中还设有直流电压转换器(13)，用于将施加在充电连接端(11)上的、特别是低于高压电池(1a，1b)运行电压的充电电压转换为适用于为蓄能单元(3)充电的直流电压。
5.根据权利要求4所述的高压电池，其特征在于，高压电池(1a，1b)具有一个或所述控制装置(9)，所述控制装置也构成为用于控制直流电压转换器(13)的运行。
6.根据权利要求4或5所述的高压电池，其特征在于，直流电压转换器(13)构成为双向工作的。
7.根据权利要求1至5所述的高压电池，其特征在于，在至少一个充电线路(12)中连接有阻止电能朝向充电连接端(11)的方向流动的二极管(D1)和/或保险装置(F1)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的高压电池，其特征在于，控制经由充电连接端(11)给高压电池(1a，1b)充电的一个或所述控制装置(9)构成为用于在第一安全接触器(K1，K2)断开的情况下给高压电池(1a，1b)充电。
9.一种机动车(15)，具有根据前述权利要求中任一项所述的高压电池(1a，1b)，该高压电池连接到高压电网(7)上，所述高压电网的电压高于机动车(15)的低压电网的电压。
10.根据权利要求9所述的机动车，其特征在于，在机动车(15)中设有连接到高压电池(1a，1b)的充电连接端(11)上的、相对于高压电池(1a，1b)而言位于外部的直流电压转换器，或者在高压电池(1a，1b)中集成有直流电压转换器(13)，其中，作为充电电压向直流电压转换器(13)在背向蓄能单元(3)的侧上输送适用于给低压电网的低压电池充电和/或适用于给低压电网的负载供电的低电压。
11.根据权利要求10所述的机动车，其特征在于，所述机动车还包括具有至少一个太阳能电池的太阳能装置(16)，该太阳能装置提供充电电压。
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