CN116533777A - 用于车辆的高压网络的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明包括用于车辆的高压网络(2)的电路(3)，其中，该高压网络(2)具有至少两个电能存储器(17、18)。电路(3)包括第一连接点(4)和第二连接点(5)，它们构造用于与消耗器(19)和/或充电设备(21)电连接，包括第一开关单元(6)，其布置在第一电极连接器(13)和第一连接点(4)之间，包括第二开关单元(7)，其布置在第二电极连接器(15)和第二连接点(5)之间，包括第三开关单元(8)，其布置在第一连接点(4)与第三电极连接器(14)之间，并且包括第四开关单元(9)，其布置在第二连接点(5)与第四电极连接器(16)之间。电极连接器(13、14、15、16)构造用于与电能存储器(17、18)的电极(17a、17b、18a、18b)电接触。开关单元(6、7、8、9)可以在电连接和电断开状态之间切换。

Description

用于车辆的高压网络的电路
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的高压网络的电路。高压网络在此可以包括电能存储器和电力电子设备、例如牵引机和逆变器。该电路能够断开和闭合电能存储器与其余的高压网络之间的电连接。
背景技术
当前用于电动车的高压网络包括一个或多个能量存储器、至少一个牵引机、一个充电接头、一个或多个二次消耗器(冷却剂压缩机、连续式加热器)和一个或多个逆变器。如果电动车包括能量存储器，它会通过两个开关单元与其余的高压网络连接。如果电动车包括多个能量存储器，则电能存储器与高压网络的更复杂的互连是必要的。到目前为止，电能存储器与其余的高压网络之间的电连接是通过高压继电器实现的。这些高压继电器允许电能存储器与其余的高压网络电流隔离，并且因此出于安全原因使用。
发明内容
根据本发明的用于车辆的高压网络的电路包括至少两个连接点和四个开关单元，其中高压网络具有至少两个电能存储器。第一连接点和第二连接点构造用于与耗电器和/或充电设备形成电连接。
第一开关单元布置在第一电极连接器和第一连接点之间。第一电极连接器构造用于与电能存储器的第一电极电接触。第二开关单元布置在第二电极连接器和第二连接点之间。第二电极连接器布置用于与第二电能存储器的第二电极电接触。
第三开关单元布置在第一连接点和第三电极连接器之间。第三电极连接器构造用于与第二电能存储器的第一电极电接触。第四开关单元布置在第二连接点和第四电极连接器之间。第四电极连接器构造用于与第一电能存储器的第二电极电接触。
第一电能存储器通过第一开关单元和第四开关单元并且第二电能存储器通过第二开关单元与第三开关单元与第一连接点和第二连接点电连接。四个开关单元可以在电接触和电断开状态之间切换。由此第一能量存储器和第二能量存储器彼此并联布置。
通过闭合所有四个开关单元，第一能量存储器和第二能量存储器的同名极与连接点电连接并且第一能量存储器和第二能量存储器彼此并联连接。通过断开第一开关单元或第四开关单元中断第一电能存储器的电路并且因此也中断第一电能存储器与第二电能存储器的并联连接。通过断开第三开关单元和第四开关单元中断第二电能存储器的电路并且因此也中断第二电能存储器与第一电能存储器的并联连接。
通过开关单元的这种布置，要么第一电能存储器和第二电能存储器之一要么两个电能存储器可以与高压网络彼此并联地电连接。此外，第一开关单元和/或第二开关单元这样设计使得第一开关单元和/或第二开关单元在电断开状态下也是电流隔离的。第三开关单元和第四开关单元实施为半导体结构元件。
因此，第一电能存储器和第二电能存储器分别通过实施为半导体结构元件的开关单元和通过设计为在电断开状态下电流隔离的开关单元与高压网络连接。第一电能存储器和第二电能存储器的电路可以通过第一开关单元和第二开关单元电流隔离。因此，高压继电器的优点可以在该电路中得到利用。半导体结构元件具有在其切换行为方面的明显更高的动态性、更长的使用寿命，可以制造得比高压继电器更小，并且可以更简单和更经济地适应更高的电压。
通过将第三开关单元和第二开关单元实施为半导体结构元件，第二能量存储器的第一电极的电连接和第一能量存储器的第二电极的电连接可以比用高压继电器更快地中断。由此可以比用高压继电器更快地中断短路电流。
通过至此描述的四个开关单元的布置，在车辆的没有电流流入或流出第一能量存储器和/或第二能量存储器的静止状态下打开第一开关单元和第二开关单元。由于电流隔离，第一能量存储器和第二能量存储器的同名极之间的所有电压差在第一开关单元和第二开关单元处下降并且不再存在于第三开关单元和第四个开关单元的半导体结构元件处。由此减少了车辆的静止状态下第三开关单元和第四开关单元的负载并且由此延长了半导体结构元件的使用寿命。
从属权利要求示出了本发明的优选的改进方案。
优选地电路的第三开关单元和第四开关单元具有一个或多个晶体管。与简单的二极管不同，晶体管可以通过控制电压来允许电流也逆着其阻断方向流动。由此可以利用晶体管使电流沿两个方向流动，这对于简单的二极管来说是不可能的。
特别优选地，电路的第三开关单元和第四开关单元分别具有两个晶体管，两个晶体管分别以其阻断方向相反的方式布置。因此，首先第三开关单元和/或第四开关单元的两个晶体管中的一个晶体管总是阻断第一电能存储器和/或第二电能存储器的充电电流或放电电流。仅可以通过将逆着其阻断方向运行的晶体管切换到电连接状态而使充电电流或放电电流流动并且使第一电能存储器和/或第二电能存储器充电或放电。特别地，第三开关单元和第四开关单元的晶体管通过其源极侧或其漏极侧彼此连接。
优选地电路包括至少一个第五开关单元，其布置在第三电极连接器和第四电极连接器之间。特别地，第五开关单元可以在电断开和电连接状态之间切换并且实施为半导体结构元件。第五开关单元实现第一电能存储器的第二电极和第二电能存储器的第一电极之间的电连接。如果第五开关单元处于电连接状态，则第一电能存储器和第二能量存储器串联连接。通过将第五开关单元实施为半导体结构元件，可以比用高压继电器更快地中断第一电能存储器和第二电能存储器之间的电连接。由此第五开关单元也可以防止第一电能存储器和第二电能存储器串联运行期间的短路电流。由于半导体结构元件的更小的结构形式，更复杂的电路(像用于第一电能存储器与第二电能存储器的串联和并联连接之间的转换所需的电路)可以比用高压继电器在结构空间增加较小的情况下实现。这种互连不仅允许以比两个电能存储器并联连接的情况更低的损耗向耗电器供电，还允许第一电能存储器和第二电能存储器以比两个串联连接的电能存储器的总电压低的充电电压的充电电源充电。尤其是第五开关单元的晶体管通过其源极侧或其漏极侧彼此连接。
电路的第五电路特别优选地具有两个晶体管，两个晶体管分别以其阻断方向相反的方式布置。由此充电电流和放电电流总是逆着第五开关单元的两个晶体管之一的阻断方向流动。仅可以通过将晶体管(电流应逆着其阻断方向流动)切换到电连接状态而使充电电流或放电电流流动并且使第一电能存储器和第二电能存储器在串联连接中充电或放电。
电路优选地包括用于与充电单元连接的充电接头，用于为第一电能存储器和第二电能存储器充电，电路附加地包括第六开关单元和第七开关单元。第六开关单元布置在充电接头与第一连接点之间，并且第七开关单元布置在充电接头与第二连接点之间。第六开关单元和第七开关单元可以在电断开与电性连接状态之间切换。由此外部充电单元可以与充电接头连接并且通过第六开关单元和第七开关单元建立到第一连接点和第二连接点的电连接。如果第一开关单元、第二开关单元、第六开关单元和第七开关单元处于电连接状态，则充电设备与第一电能存储器和第二电能存储器之间存在电连接。如果第三开关单元和第四开关单元附加地处于电连接状态并且第五开关单元处于电断开状态，则第一电能存储器和第二电能存储器与充电单元并联连接。取而代之如果第三开关单元和第四开关单元处于电断开状态并且第五开关单元处于电连接状态，则电能存储器和第二电能存储器与充电单元串联连接。这对于使第一电能存储器和第二电能存储器的总电压适应于不同充电单元的充电电压是特别有利的。因此通过将第一电能存储器和第二电能存储器与充电单元并联连接可以用于对两个电能存储器进行充电，其充电电压不低于两个电能存储器之-的电压。通过串联连接第一电能存储器和第二电能存储器，可以使用具有较高充电电压的充电单元，用于对第一电能存储器和第二电能存储器进行充电。
本发明还涉及一种车辆的高压网络，其具有作为第一电能存储器和第二电能存储器的第一电池和第二电池。第一电池和第二电池分别具有两个非同极的电极。在此第一电池的第一电极与第一电极连接器电连接，并且第一电池的第二电极与第四电极连接器电连接，并且第二电池的第一电极与第三电极连接器电连接，并且第二电池的第二电极与第二电极连接器电连接。
本发明还涉及一种具有高压网络、电路和至少一个耗电器的车辆。特别地，耗电器是具有两个非同极的电动车驱动器。在此，电动车驱动器的第一电极与第一连接点电连接并且电动车驱动器的第二电极与第二连接点电连接。
附图说明
下面参考附图详细描述本发明的实施例。
图1示出了根据本发明的实施例的具有高压网络和电路的车辆的示意图，并且
图2示出了根据实施例的具有高压网络和充电单元的电路的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了车辆1，其包括根据本发明的实施例的高压网络2和电路3。在此，高压网络2和电路3彼此电连接。
图2示意性地示出了根据本发明的实施例的高压网络2和电路3，电路与高压网络2电连接。高压网络2包括具有第一电极17a和第二电极17b的第一电池17和具有第一电极18a和第二电极18b的第二电池18。第一电池17和第二电池18的电极17a、17b、18a、18b非同极。
第一连接点4构造用于与耗电器19或充电设备21的第一电极19a电接触。第二连接点5构造用于与耗电器19或充电设备21的第二电极19b电接触。
第一开关单元6与第一电极连接器13和第一连接点4电连接。第一电极连接器13与第一电池17的第一电极17a电连接。第二开关单元7与第二电极连接器15和第二连接点5电连接。第二电极连接器15与第二电池18的第二电极18b电连接。第一开关单元6和第二开关单元7可以在电断开和电连接状态之间切换。尤其是第一开关单元6和第二开关单元7设计成在电断开状态下电流隔离。由此使得第一电池17和第二电池18与连接到第一连接点4和第二连接点5的其他耗电器19或充电设备21之间能够安全断开。
第三开关单元8与第三电极连接器14和第一连接点4电连接。第三电极连接器14构造用于与第二电池18的第一电极18a电接触。第四开关单元9与第四电极连接器16和第二连接点5电连接。第四电极连接器16构造用于与第一电池17的第二电极17a电接触。第五开关单元10与第三电极连接器14和第四电极连接器16电连接。第三开关单元8、第四开关单元9和第五开关单元10分别设计为两个逆着其阻断方向布置的晶体管8a、8b、9a、9b、1 0a、10b并且可以在电连接和电断开状态之间切换。
晶体管可以实施得比高压继电器小得多，并且因此在电路中需要的空间更小。此外，晶体管没有任何必须移动才能从电连接状态切换到电断开状态的机械部件，并且因此显示出比高压继电器高得多的切换动态。如果要避免在第一电池17和第二电池18处发生短路或过电压以防止损坏第一电池17和第二电池18，这尤其重要。为此，可以通过将第三开关单元8、第四开关单元9和第五开关单元10的晶体管8a、8b、9a、9b、10a、10b切换到电断开状态来中断电路。由于第三开关单元8、第四开关单元9和第五开关单元10的晶体管8a、8b、9a、9b、10a、10b与其阻断方向相反地布置，因此开关单元8、9、10之一的两个晶体管之一分别在其流动方向上阻断电流。因此开关单元8、9、10可以中断充电电流和放电电流。只有通过电流想要逆着其阻断方向流动的晶体管切换到电连接状态时，电流才能流动。
如果第一开关单元6和第二开关单元7处于电连接状态，则第一电池4与第二电池5并联连接，其中第三开关单元8和第四开关单元9处于电连接状态并且第五开关单元10处于电断开状态。通过将第三开关单元8和第四开关单元9切换到电断开状态并且将第五开关单元10切换到电连接状态，可以将第一电池17和第二电池18串联连接。
如果车辆1处于非活动模式并且第一电池4和第二电池5既不应该被充电也不应该被放电，则第一开关单元6和第二开关单元7可以被切换到电断开状态。由此第一电池17的第二电极17b和第二电池18的第二电极18b之间的任何电压差在第二开关单元7处下降，并且不在第四开关单元9的晶体管9a、9b处下降。同样，第一电池17的第一电极17a和第二电池18的第一电极18a之间的任何电压差在第一开关单元6处下降，并且不在第三开关单元8的晶体管8a、8b处下降。第三开关单元8和第四开关单元9的晶体管8a、8b、9a、9b在车辆1的非活动模式中不暴露于任何电压差的事实降低了晶体管8a、8b、9a、9b上的负载并且提高了它们的使用寿命。
如图2中所示那样，高压网络2具有带两个非同极19a、19b的耗电器19。在此，耗电器19的第一电极19a与第-连接点4电连接并且耗电器19的第二电极5与第二连接点5电连接。如果第一开关单元6和第二开关单元7处于电连接状态，则耗电器19与第一电池17和第二电池18电连接，并可以通过其供电。特别地，第一电池17和第二电池18在为第一耗电器19供电时可以彼此串联连接，以便以较低损耗向耗电器19输送较高功率。
用于为第一电池17和第二电池18充电的充电设备21可以通过充电接头20连接。充电接头20可以通过第六开关单元11与第一连接点4电连接并且通过第七开关单元12与第二连接点5电连接。第六开关单元11与第七开关单元12可以在电断开与电连接状态之间切换。尤其是第六开关单元11和第七开关单元12在电断开状态下电流隔离。
如果第一开关单元4、第二开关单元5、第六开关单元11和第七开关单元12处于电连接状态，充电设备21与第一电池17和第二电池18之间存在电连接。第一电池17和第二电池18可以不仅在串联连接中而且在并联连接中通过充电设备21充电。第一电池17与第二电池18的互连可以适应于由充电设备21提供的充电电压。因此第一电池17和第二电池18的总电压在串联连接时比在并联连接时高。

Claims (8)

1.用于车辆(1)的高压网络(2)的电路(3)，其中，所述高压网络(2)具有至少两个电能存储器(17、18)，所述电路(3)包括：
-至少一个第一连接点(4)和第二连接点(5)，它们构造用于与消耗器(19)和/或充电设备(21)电连接，
-至少一个第一开关单元(6)，其布置在第一电极连接器(13)和第一连接点(4)，所述第一电极连接器构造用于电接触第一电能存储器(17)的第一电极(17a)，
-至少一个第二开关单元(7)，其布置在第二电极连接器(15)和第二连接点(5)之间，所述第二电极连接器构造用于电接触第二电能存储器(18)的第二电极(18b)，
-至少一个第三开关单元(8)，其布置在第一连接点(4)和第三电极连接器(14)之间，所述第三电极连接器构造用于电接触第二电能存储器(18)的第一电极(18a)，和
-至少一个第四开关单元(9)，其布置在第二连接点(5)和第四电极连接器(16)之间，所述第四电极连接器构造用于电接触第一电能存储器(17)的第二电极(17b)，
-其中，所述开关单元(8、9)可以在电连接和电断开状态之间切换，
-其中，所述第一开关单元(6)和/或所述第二开关单元(7)设计成在电断开状态下电流隔离，以及
-其中，所述第三开关单元(8)和/或所述第四开关单元(9)实施为半导体结构元件。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第三开关单元(8)和/或所述第四开关单元(9)具有一个或多个晶体管(8a、8b、9a、9b)。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第三开关单元(8)和/或所述第四开关单元(9)分别具有两个晶体管(8a、8b、9a、9b)，两个晶体管分别以其阻断方向相反的方式布置，其中，优选所述第三开关单元(8)和/或所述第四开关单元(9)的晶体管(8a、8b、9a、9b)分别通过其源极侧彼此电连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其特征在于，至少一个第五开关单元(10)布置在第三电极连接器(14)和第四电极连接器(16)之间，其中，所述第五开关单元(10)实施为半导体结构元件并且可以在电连接和电断开状态之间切换。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第五开关单元(10)具有两个晶体管(10a、10b)，两个晶体管分别以其阻断方向相反的方式布置，其中，所述第五开关单元(10)的晶体管(10a、10b)优选通过其源极侧彼此电连接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其特征在于用于与充电单元(21)连接的充电接头(20)，用于为电能存储器(17、18)充电，所述电路(3)包括：
-至少一个第六开关单元(11)，其布置在充电接头点(20)和第一连接点(4)之间，以及至少一个第七开关单元(12)，其布置在充电接头点(20)和第二连接点(5)之间，
-其中，所述第六开关单元(11)和/或所述第七开关单元(12)可以在电连接和电断开状态之间切换。
7.车辆(1)的高压网络(2)包括根据前述权利要求中任一项所述的电路(3)、作为第一电能存储器(17)的具有两个非同极(17a、17b)的第一电池(17)和作为第二电能存储器(18)的具有两个非同极(18a、18b)的第二电池(18)，其中，第一电池(17)的第一电极(17a)与第一电极连接器(13)电连接，并且第一电池(17)的第二电极(17b)与第四电极连接器(16)电连接，并且第二电池(18)的第一电极(18a)与第三电极连接器(16)电连接，并且第二电池(18)的第二电极(18b)与第二电极连接器(15)电连接。
8.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所述的高压网络(2)和至少一个耗电器(19)、特别是电动车驱动器(19)的车辆(1)，所述耗电器具有非同极的电极(19a、19b)，其中，电动车驱动器(19)的第一电极(19a)与第一连接点(4)电连接并且电动车驱动器(1)的第二电极(19b)与第二连接点(5)电连接。
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