CN113169570A - 用于切换交通工具中的高压电池的组件 - Google Patents

Abstract

提供一种电路组件、一种系统和一种用于切换高压电池（201）的方法，以及一种交通工具，该交通工具具有这种电路组件和这种系统。该电路组件具有用于从电池（201）向消耗器导引电流的晶体管和用于将反向电流导引到电池（201）中的二极管（202）。电路组件被配置为，通过脉冲式切换晶体管（203）来提供预充电流。

Description

用于切换交通工具中的高压电池的组件

技术领域

本发明涉及一种用于切换交通工具中的高压电池的组件、一种具有高压电池、电路组件和消耗器回路的系统以及一种交通工具，该交通工具具有这种组件或这种系统。此外，本发明涉及一种用于连接电池的方法和一种用于断开或者说分离（Trennen）电池的方法。

背景技术

表述“切换电池”、即接通或关断电池在这里被用于将电池与消耗器回路连接或断开。类似地，连接或断开电池被理解为与消耗器回路的连接或断开。消耗器回路例如具有电动马达、控制电路、变压器和交通工具中的其他消耗器，并典型地具有电容和电感。

交通工具中的高压电池通常机械地或电动机械地经由开关被断开或与消耗器回路连接。开关不仅布置在电池正极上，也布置在负极上。典型地，继电器被用作开关。因为通过继电器提供了没有方向的连接，正极上的切换回路获得具有各一个开关的两个路径。在此情况下，一路径用于对后续电路的电容进行预充（英文：Precharge），而另一路径被设置用于预充之后的时间段。由此，总体上需要三个继电器，一个用于预充路径，一个用于正极上的连续接通路径（Durchschaltpfad）以及一个用于负极上的连续接通路径。在此，这些连接是双向的，也就是说，电流在每个路径中不仅可以朝向电池流动，或者也可以从电池离开并朝向消耗器回路流动。

预充切换回路用于限界接通电流，该接通电流例如在高电容消耗器的情况下在施加高电压时产生。为此例如使用了电阻，该电阻被布置在预充路径中。一旦电容被充电，那么在没有电阻的情况下被转切到另一路径上，使得在进一步的时间走向中在电阻上不产生损失和热。

三个继电器的操控是耗费的。此外，继电器容易损耗且预充电流不能调节。

因此，本发明的任务是提供一种用于切换高压电池的成本低廉且高效的电路组件。

发明内容

该任务通过根据独立权利要求所述的一种电路组件、一种系统、一种机动车和方法来解决。分别相关的从属权利要求描述了本发明的有利改进方案。

根据一方面，提供了一种用于切换高压电池的电路组件。该电路组件具有预充电路，该预充电路被设置用于联接到高压电池的第一极上并用于对消耗器进行预充，所述电路组件还具有用于从电池向消耗器导引电流的晶体管和与晶体管反并联（antiparallel）布置的、用于将反向电流导引到电池中的二极管。

利用该组件能够实现电子切换，使得从电池至消耗器的能量经由晶体管的漏极-源级路段（Drain-Source-Strecke）进行运输。不仅接通而且关断都在没有机械部件的情况下实现。此外，二极管可以实现从消耗器回路出来、也就是说从联接到电路组件上的切换回路到电池中的能量回流。这种回流例如可以由所联接的切换回路中的另一电池、由消耗器回路中的电感或由充电过程引起。

根据一实施例，晶体管是碳化硅MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管，MetallOxid Semiconductor Field Effect Transistor）半导体（SiC-MOSFET），并且二极管被集成到碳化硅MOSFET半导体中。SiC-MOSFET具有相当大的稳健性并此外良好适用于高的切换频率。此外，SiC-MOSFET具有明显较小的功率损失。减少的功率损失由于较小的冷却耗费而导致较高的效率并导致较小的系统成本和系统大小。

根据一实施例，晶体管被配置为，在接通消耗器的情况下在预充阶段期间脉冲式切换。

在此情况下，预充阶段尤其可以是如下的阶段，在该阶段中，消耗器回路的电容被充电，并且一直持续到这些电容被足够充电。足够在此情况下意味着，在相应于第二阶段的持久的连续接通（Durchschalten）晶体管的情况下，没有不允许的高电流流动。在此情况下可以考虑安全边际（Sicherheitsmarge）。

通过脉冲，经限定地逐步对电容充电，并由此近似无损失地给出了小的且受控的电流用于预充到消耗器回路上。由此，用于预充的电阻变得多余。取消了操控例如继电器那样的第二开关或者说在两个开关之间转切。由此，电路组件例如可以替代两个路径，即，不仅直接连接，而且电池正极上的预充路径，并附加地能够实现至电池的能量流。如果使用带集成的反向二极管的SiC-MOSFET，那么为此仅需要一结构元件。此外，SiC-MOSFET尤其在脉冲运行中的良好可切换性能针对预充是有利的。

根据一实施例，电路组件具有开关，该开关被设置用于联接到高压电池的第二极上。该开关例如通过继电器来实现。由此可以在需要时阻止电流回流。

根据一方面，提供了用于切换高压电池的系统。该系统具有上述的电路组件、高压电池和消耗器回路，其中，高压电池的第一极可以与预充电路连接，并且其中，预充电路可以与消耗器电路的正极线路连接。消耗器回路具有电容特性。

因此，该方面包含电路组件，该电路组件具有在电路组件一侧上的电池和具有在电路组件另一侧上的消耗器回路，其中，电路组件表示电池和消耗器回路之间的链路（Bindeglied）。尤其地，一方面将电路组件与电池正极连接以及与消耗器回路的正供给线路连接。电路组件通过预充电路而尤其是考虑了消耗器回路的电容特性。

根据一实施方式，高压电池的第二极在该系统中可以与一继电器连接，并且该继电器可以与消耗器回路的负极线路连接。该第二极尤其可以是电池的负极，该负极可以经由继电器与消耗器回路的负极线路连接。通过该继电器可以将经由电池的电流回路，也就是说从电池或向电池的电流流（Stromfluss）断开。

根据一方面，在用于将交通工具中的高压电池与上述组件进行连接的方法中，在所述连接期间在第一阶段中脉冲式切换晶体管并在连接期间在第二阶段中连续接通晶体管。“连续接通（durchschalten）”在此情况下被理解为，晶体管被切换为进行导引（leitend）。通过脉冲式切换能够在第一阶段中实现预充。在第二阶段中，电池经由进行导引的晶体管与消耗器回路连接。

根据一实施方式，当消耗器接近或完全充电时，第一阶段结束。在其中电流脉冲地经由晶体管流动的第一阶段的目的是，电池和电子结构件、包括线路不会由于朝电容的电流流而过载。另一方面，电容充电时的电流流渐进地接近零。由此，电容消耗器应脉冲充电如下长的时间，直至确保了不出现过载，其中，这不必是100%充电。

根据一方面，在用于使具有上述组件的交通工具中的高压电池断开的方法中阻断晶体管，并经由二极管向电池导引反向电流。

根据本发明的一方面提供了一种交通工具，该交通工具具有上述的电路组件。交通工具在此情况下例如可以是电动交通工具、具有混动驱动器的交通工具、载重车或公交车。交通工具此外可以被空中架线连接或轨道连接。交通工具在另外的意义上被理解为电性驱动的船或飞机或者说飞行器。

附图说明

本发明的实施例在视图中示出并在后面的描述中被详细阐释。其中：

图1示出了用于连接和断开高压电池的电路组件；

图2示出了根据一实施例的用于连接和断开高压电池的系统和电路组件；

图3示出了根据一实施例的用于连接高压电池的方法的方块图；

图4示出了根据一实施例的用于断开高压电池的方法的方块图；

图5示出了根据一实施例的具有电路组件或者说系统的交通工具。

具体实施方式

图1示出了用于连接和断开高压电池101的典型电路组件。该电路组件具有三个开关102、103、104。为了连接电池，首先闭合负极上的开关104和正极上的开关102。电池101然后可以经由电阻105将电流给出到消耗器回路上，其中，通过电阻105进行消耗器回路的电容的预充。在预充之后，通过闭合开关103来桥接预充支路102、105。在断开电池101时，首先打开开关103。反向电流可以经由电阻105和闭合的开关102流向电池101。为了最终断开，打开开关102和104。

图2示出了根据本发明一实施例的用于连接和断开高压电池201的系统和电路组件。该电路组件具有非电子的开关、例如机械开关或继电器205和电子开关、例如晶体管203。在一实施例中，电子开关203与二极管202一起被集成到一结构元件、例如SiC-MOSFET204中。但是也可以使用另外的高功率晶体管，例如IGBT或适当的场效应晶体管变型方案。集成的二极管202例如是如下的二极管，该二极管基于其逆着晶体管流通方向的流通方向也被称作反向二极管或“体二极管（Body-Diode）”。

开关205可以通常是闭合的，但是该开关在需要时可以被打开用以完全断开电池201。如果电池201被连接，那么脉冲状信号被施加到晶体管203的栅极上，使得用短的电流浪涌对消耗器回路的电容进行预充。有效的电流强度可以通过脉宽来控制，直至对电容进行了充电。但是例如可行的是，电流强度开始通过短脉冲来调节并逐步地延长所述脉冲直至一静态信号，使得在预充阶段之后持久地连续接通晶体管，也就是说，当再没有预充电流流动或仅还有很少的预充电流流动时。替换地，电流也可以经由模拟（analoge）的栅极电压来控制。在该情况下，需要针对栅极电压的操控电路，该操控电路在接通时首先强烈限界了电池电流并且该限界然后逐渐地减少。

为了断开高压电池201，经由栅极电压来阻断晶体管203。反向电流现在可以经由集成二极管202朝向电池201流动。经由开关205可以附加地机械断开电池201。这例如可以被使用，如果不希望电流回流到电池中的话。

用于切换高压电池的系统在一实施方式中具有带至少一个预充电路204的电路组件、高压电池201和带电容特性的消耗器回路206。电路组件此外可以具有开关205。

图3示出了根据本发明一实施例的用于连接高压电池的方法的方块图。该方法用图2中所述的组件来执行。在连接期间的第一阶段301中，脉冲地切换晶体管203。在该阶段中对消耗器回路的电容进行预充。在连接期间的第二阶段302中，连续接通晶体管203。这相应于具有已联接的消耗器的正常运行，例如马达或另外的切换回路例如变压器和其他消耗器。

图4示出了根据本发明一实施例的用于断开高压电池201的方法的方块图。该方法用图2中描述的组件来执行。为了断开，仅在401中阻断晶体管203。反向电流可以经由二极管202向电池流动。这里，该组件的优点变得特别明显，因为不需要其他开关或者说其他方法步骤。

图5示出了根据本发明一实施方式的交通工具500。该交通工具500具有电池501和电路502，该电路相应于根据图2的电路组件并包含具有二极管202的上述晶体管203。在一实施方式中，电路组件还包含机械或电子机械的开关，例如继电器205。

高压电池201可以处在交通工具中的适当位置上，例如在前桥或后桥的附近。电路组件优选处在电池附近，使得在电池的极上承载电势的线路是短的。一般地，电路也可以在地点上远离电池布置。

Claims (10)

1.用于切换高压电池（201）的电路组件，其具有预充电路（204），该预充电路被设置用于联接到所述高压电池（201）的第一极上并用于对消耗器进行预充，所述电路组件还具有用于从所述电池（201）向所述消耗器导引电流的晶体管（203）和与所述晶体管反并联布置的、用于将反向电流导引到所述电池（201）中的二极管（202）。

2.根据权利要求1所述的电路组件，其中，所述晶体管（203）是碳化硅MOSFET半导体，并且所述二极管（202）被集成到所述碳化硅MOSFET半导体（203）中。

3.根据权利要求1或2所述的电路组件，其中，所述晶体管（203）被配置为，在连接所述电池（201）的情况下在预充阶段期间脉冲式切换。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件，此外具有：

继电器（205），该继电器被设置用于联接到所述高压电池（201）的第二极上。

5.用于切换高压电池（201）的系统（201、204、206），其具有：

根据权利要求1至4所述的电路组件，

高压电池（201），和

消耗器回路（206），其中，

所述高压电池（201）的第一极能与所述预充电路（204）连接，

所述预充电路（204）能与所述消耗器回路（206）的正极线路连接，以及其中，

所述消耗器回路（206）具有电容特性。

6.根据权利要求5所述的系统（201、204、206），其中，所述高压电池（201）的第二极能与继电器（205）连接，并且所述继电器（205）能与所述消耗器回路（206）的负极线路连接。

7.机动车（500），其具有根据权利要求1至4中任一项所述的电路组件或根据权利要求5或6所述的系统。

8.用于通过根据权利要求1至4中任一项所述的电路组件或根据权利要求5或6所述的系统将机动车（500）中的高压电池（201）与消耗器回路（206）连接的方法（301、302），其中，在所述连接期间在第一阶段（301）中脉冲式切换所述晶体管（203）并在所述连接期间在第二阶段（302）中连续接通所述晶体管（203）。

9.根据权利要求8所述的方法（301、302），其中，当所述消耗器（206）接近或完全充电时，结束所述第一阶段（301）。

10.用于利用根据权利要求1至4中任一项所述的组件或根据权利要求5或6所述的系统使机动车（500）中的高压电池（201）断开的方法（401），其中，阻断所述晶体管（203），并经由所述二极管（202）将反向电流导引至电池（201）。

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