CN116941156A - 电气电池连结装置和电气系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于将电气电池装置(500a)连接至一个或多个电气负载的电气电池连结装置(100；200；300)，电气电池装置(500a)包括两个或更多个蓄电池(501a)，其中电气电池连结装置(100；200；300)包括控制电路(110)；该控制电路(110)包括可连接至电池装置(500a)的正极侧(128)并可连接至电气负载的正极侧的第一控制电路支路(134)；可连接至电池装置(500a)的负极侧(130)并可连接至电气负载的负极侧的第二控制电路支路(136)，控制电路(110)包括至少一个半导体器件(112，212)，其设置在电池装置和负载之间，并配置为控制电池装置和负载之间的电流；控制电路(110)还包括开关器件(116)，该开关器件(116)包括至少一个机械开关(122)，其布置在第一和第二控制电路支路(134，136)之间的电路连接部(138)中，用于将第一和第二控制电路支路相互电气连接和断开。

Description

电气电池连结装置和电气系统

技术领域

本申请涉及一种用于将电气电池装置连接至一个或多个电气负载的电气电池连结装置。本申请还涉及一种电气系统，其包括上述类型的电气电池连结装置，并包括电气电池装置。

背景技术

蓄电池(electric battery cell)可以看作是化学储能的容器。蓄电池有各种形式和形状。蓄电池可以串联或并联，组成电气电池装置(electric battery arrangement)，也可称为电气电池组(electric battery pack)，以便达到所需的电压和能量容量。传统的电气电池组可以是完整的外壳或单元，为产品或装备(例如电动汽车，诸如电池电动汽车或混合动力电动汽车)提供电力。

一般来说，传统的电气电池组包括或包含蓄电池、控制或管理系统以及冷却和/或加热系统，该控制或管理系统可以被称为电池管理系统(BMS)，并且例如可部分通过软件实现。通常情况下，电气电池装置或电气电池组可以布置在模块中，以形成可维修的单元。一般来说，每个蓄电池包括用于短路保护的(电池)保险丝。

由于电力驱动车辆的许多电池解决方案都是在高电压下工作的，因此已经制定了安全要求和法律规定，以确保操作人员和维修人员的安全处理，即在车辆不运行时，必须确保电池组正确断开。图1示出一种传统的解决方案，即在车辆的电池装置12和电能消费者14之间放置机械接触器10。这将确保电池组和用电器(consumer)之间完全断开。

这种解决方案的缺点是接触器的耐用性有限。在这方面，接触器往往存在冷却不充分的问题，从而限制了其工作寿命和性能。此外，接触器通常比较笨重，占用了本可以更好利用的空间。另一个缺点是，如果在断开接触器时有大电流通过，接触器的接触面之间就有可能发生焊接，导致接触器永久性闭合。电位也可能是问题，因为如果存在高电位，接触器就无法闭合。在这种情况下，还需要上拉电路，以便在闭合之前使接触器两侧的电位相匹配。这就增加了需要更多空间的更多部件。

因此，在这一技术领域还有改进的余地。

发明内容

本申请的目的是弥补现有技术解决方案的不足。独立专利权利要求的特征实现了这一目的。本申请的优选实施方式形成从属专利权利要求的主题。

根据一个方面，提供了一种电气电池连结装置，用于将电气电池装置连接至一个或多个电气负载。电气电池装置可以包括两个或更多个蓄电池，电气电池连结装置可以包括控制电路，该控制电路包括可连接至电池装置的正极侧并可连接至电气负载的正极侧的第一控制电路支路，可连接至电池装置的负极侧并可连接至电气负载的负极侧的第二控制电路支路。

控制电路可以包括半导体器件，该半导体器件设置在电池装置和负载之间，并且配置成控制电池装置和负载之间的电流，如允许电流流动、中断电流流动和控制流动的电流大小，特别是从电池装置流向用电器的电流。

控制电路可以进一步包括开关器件，该开关器件包括至少一个机械开关，该至少一个机械开关布置在第一和第二控制电路支路之间的电路连接部中，用于第一和第二控制电路支路彼此之间的电气连接和断开。

利用这种解决方案，半导体被用于控制电池装置和用电器之间的电流，与传统的接触器和开关相比提供了优势。与例如被动冷却接触器相比，流经半导体的电流损耗更低、更容易控制，因为半导体是为冷却而设计的，因此被更好地冷却，性能更高。与机械接触器相比，半导体解决方案占用的空间也更小。

在大多数情况下，利用半导体的解决方案可以根据本申请来安全地断开电池连结，但为了确保电池装置不会产生电势，在断开电气连接电路时，开关器件提供控制电路的正极侧和负极侧之间的连接。

根据一个方面，半导体器件可以设置在电池装置和电路连接部之间的第一控制电路支路中。作为备选，半导体器件可以设置在电池装置和电路连接部之间的第二控制电路支路中。作为又一备选，半导体器件可以包括设置在电池装置和电路连接部之间的第一控制电路支路中的第一半导体器件，以及设置在电池装置和电路连接部之间的第二控制电路支路中的第二半导体器件。因此，在保持开关器件高度安全的同时，还可以选择半导体控制电流的方式。根据另一个方面，第一和/或第二半导体器件可以包括至少两个背靠背连接的晶体管。这样，电流可以双向流过半导体器件并受到控制。在这方面，多个晶体管可以并联连接，以便处理可能出现的电流水平。

优选地，开关器件是可电气操作的开关器件。在这方面，开关器件可以响应于来自控制器的控制信号进行控制。

当开关器件的机械开关处于闭合位置时，其配置为使电气电池装置短路。另一方面，在电气电池装置的操作期间，开关器件的机械开关配置为处于断开位置。

根据另一个方面，控制电路可以进一步包括过载电流断路器，该过载电流断路器设置在电池装置和电路连接部之间，该电路连接部在第一和第二控制电路支路之间。这确保在半导体器件功能失常时，电池装置不会受到损坏。在这方面，过载电流断路器可以包括热断路器、机械断路器、电子断路器或其组合中的任何一种。

根据本申请的另一个方面，可以提供一种电气系统，该电气系统包括根据本申请的电气电池连结装置，其中电气系统可以包括电气电池装置。

此外，还可以提供一种车辆，该车辆包括由根据本申请的电气电池连结装置和根据本申请的电气系统构成的组中的一个或多个。从以下对本发明的详细描述和附图中，本发明的上述及其他方面和优点将变得显而易见。

附图说明

在以下对本发明的详细描述中，将会参考附图，其中

图1是传统的电气电池连结装置的示意图；

图2是示意图，展示根据本申请的电池连结装置和电气系统的第一实施方式；

图3是示意图，展示根据图1的电气电池连结装置和电气系统的变体；

图4是示意图，展示根据图1的电气电池连结装置和电气系统的另一个变体；以及

图5是配置有根据本申请的电气电池连结装置和电气系统的车辆的侧视示意图。

具体实施方式

图2示意性地示出电气电池连结装置100的实施方式。该装置100布置成将电气电池装置500a电气连接至一个或多个电气负载。如图2所示，电气电池装置500a可以包括两个或更多个蓄电池501a，例如布置在模块中。每个蓄电池501a可以是可充电蓄电池，例如铅酸蓄电池、锂离子蓄电池或镍氢(NiMH)蓄电池，但不限于此。蓄电池501a可以以串联和/或并联方式电气连接至电气电池装置500a中，以便达到所需的电压和能量容量。电气电池装置500a可以为一个或多个负载或装备(例如被包括在车辆中的负载或装备)提供电力。例如，该装置500a可以配置为推进车辆700，如电动汽车(EV)。在这方面，蓄电池501a和/或电气电池装置500a可以取决于使用电气电池装置500a的特定车辆的要求，配置为高电压，如从60V以上高至1500V以上的电压。

电气电池连结装置100包括用于连接至电气电池装置500a的第一输入102或连接点和第二输入106或连接点。如图2所示，第一输入102连接至电池装置500a的正极侧128，而第二输入连接至电池装置500a的负极侧130。

此外，电气电池连结装置100还包括布置成连接至车辆的电气负载或用电器的第一输出104或连接点和第二输出108或连接点。在这方面，第一输出104经由适当的电导体和/或布线电气连接至第一电路支路134中的第一输入102，形成用电器的正极侧，而第二输出108电气连接至由适当的电导体和/或布线形成的第二电路支路136中的第二输入106，形成用电器的负极侧。可以理解的是，取决于电流的方向，例如，如果电气电池装置500a向负载提供电力，或者如果电气电池装置500a被充电，则第一和第二输入102、106有时可能用作输出，而第一和第二输出端104、108可能作为输入。

参照图2，电气电池连结装置100包括控制电路110。提供控制电路110用于控制向/来自电气电池装置500a的电力传输或电流。控制电路110包括布置在第一电路支路134中的第一半导体器件112，并配置为控制第一输入102和输出104之间的电流。在这方面，第一半导体器件112可以包括一个或多个半导体装置114。第一半导体器件112可以由控制器115控制，用于控制通过第一半导体器件112的电流。

由第一半导体器件112执行的第一输入102和第一输出104之间的电流的控制可以包括以下组中的一个或多个：电流调节；电流中断；电流通过。

此外，如图2所示，控制电路110可以包括布置在第二电路支路136中的第二半导体器件212，并且配置为控制第二输入106和输出108之间的电流。在这方面，第二半导体器件212可以具有与第一半导体器件相同的配置，并且可以包括一个或多个半导体装置114。第二半导体器件还可以由控制器215控制，用于控制通过第二半导体器件212的电流。

半导体装置114可以包括以下器件的组中的任何一个：

-场效应晶体管(FET)；

-金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)；

-N沟道金属氧化物半导体(NMOS)；

-P沟道金属氧化物半导体(PMOS)；

-结栅场效应晶体管(JFET)；

-绝缘栅双极晶体管(IGBT)；以及

-双极结型晶体管(BJT)。

此外，第一半导体器件112可以包括至少两个背靠背连接的晶体管132和/或第二半导体器件212可以包括至少两个背靠背连接的晶体管132。通常，多个晶体管可以并联连接，以便处理通过半导体装置112的电流水平。

根据本申请，控制电路110包括开关器件116。开关器件116电气连接在第一电路支路和第二电路支路之间，因此利用电路连接部138与电池组并联。开关器件116包括一个或多个机械开关或接触器122，例如可以断开或闭合的机械接触器。机械开关或接触器122可以是可电动操作的，并可响应于来自控制器124的控制信号进行控制。

参照图2，控制电路110可以包括第一过载电流断路器126。第一半导体器件112可以经由第一过载电流断路器126连接至第一输入102和第一输出104中的一个。在所示实施方式中，第一半导体器件112经由过载电流断路器126连接至第一输入102。但可以理解的是，过载电流断路器126可以布置在控制电路110的其他位置，在发生短路等电流过载时提供断开电路110的相同功能。过载电流断路器126可以配置为在第一半导体器件112失效的情况下跳闸或熔断，从而将会使电气电池装置500a安全。在某些实施方式中，过载电流断路器22可以包括任何热断路器或保险丝、机械断路器、电子断路器或其组合。不过，第一过载电流断路器126也可以使用其他类型的保险丝。

本申请意图于以下述方式发挥功能。当车辆700启动时，控制器124将会激活开关器件116的机械开关或接触器122以断开，断开第一和第二电路支路134、136之间的电路连接部138的连接。当车辆在操作中时，电动机等用电器将会使电流在半导体器件112、212上从电池组流过电路。然后，半导体器件112、212可以用于在控制器115、215的帮助下控制流向用电器的电流水平。当电池装置500a连接至充电源时，开关器件116还将会进一步保持机械开关或接触器122断开。当车辆处于停用状态中时，控制器115、215“停用”半导体器件112、212的半导体装置114，使电流无法流过半导体器件112、212，从而将电池装置500a与用电器侧隔离。为了确保用电器侧的连接104、108之间不存在可能有害或危险的电位，开关器件116的机械开关或接触器122通过控制器124来闭合，利用电路连接部138将第一电路支路134与第二电路支路连接，使该系统短路。这样确保电池组500a的安全处理。如果半导体器件112、212中的任何半导体装置114故障，使其处于断开状态以允许电流通过，则该系统的短路将会导致电流过载断路器126熔断或跳闸，也确保电池装置500a的安全处理。

图3示出本申请的备选方案。在本实施方式中，半导体器件112仅布置在控制电路的正极侧128上，即第一电路支路134上。至于其他部分，该系统的其他部件的设置与第一实施方式相同，附图标记也相同。由于上文已经详细描述，因此不再详细讨论。

图4示出另一个变体，即不在正极侧128上设置半导体器件，而第二半导体器件212仅布置在控制电路110的负极侧130上，即第二电路支路136上。同样，除了过载断路器126可以安装在第二电路支路138上之外，该系统的其他部件的设置与第一实施方式相同。如图4所示，第二过载断路器226在此放置在第二半导体器件212和电路连接部138之间，但其功能与上述相同。

参照图2至图4，还示意性地展示电气系统190、290、390的实施方式。电气系统190、290、390包括根据上述公开的任意一个实施方式的电池连结装置100、200、300。电气系统190、290、390包括电气电池装置500a。参照图2至图4，上文公开的控制器115、215、124中的一个或多个可以被包括在一个控制系统中，或连接至同一个控制系统。此外，如图2至图4所示，半导体器件112、212包括两个背靠背连接的晶体管。这样做的好处是可以有效控制两个方向的电流。可以理解的是，多个晶体管可以并联连接，以处理可能出现的电流水平。

如上所述，上述连接可定义为电气连接。在本文档中，“连接”应理解为直接连接或间接连接。在本文档中，“电气连接”应理解为直接电气连接或间接电气连接。例如，当两个物品被描述为相互连接或电气连接时，应理解为这两个物品可以直接相互连接或间接相互连接。

图5示意性地示出车辆700，其包括根据本申请的电气电池连结装置100、200、300和电气系统190、290、390。车辆700例如可以是公共汽车、卡车、重型卡车或轿车。在这方面，车辆700可以具有动力总成706，该动力总成包括由一个或多个电动机708辅助的内燃机，如电动汽车，EV，例如混合动力汽车或混合动力电动汽车，FIEV，或电池电动汽车，BEV。动力总成706可以经由车辆电气系统710电气连接至电气系统190、290、390，经由电池连结装置100、200、300与电池装置500a电气连接。

应当理解的是，上文描述的和附图中提到的实施方式仅被视为本申请的非限制性实施例，在专利权利要求的范围内可以对其进行多种修改。

Claims (13)

1.一种电气电池连结装置(100；200；300)，用于将电气电池装置(500a)连接至一个或多个电气负载，电气电池装置(500a)包括两个或更多个蓄电池(501a)，其中电气电池连结装置(100；200；300)包括控制电路(110)；所述控制电路(110)包括：

-第一控制电路支路(134)，其能够连接至电池装置(500a)的正极(128)并能够连接至电气负载的正极，

-第二控制电路支路(136)，其能够连接至电池装置(500a)的负极(130)并能够连接至电气负载的负极，

-控制电路(110)，其包括至少一个半导体器件(112、212)，所述至少一个半导体器件设置在电池装置和负载之间，并且配置为控制电池装置和负载之间的电流；

-控制电路(110)还包括开关器件(116)，所述开关器件(116)包括至少一个机械开关(122)，所述至少一个机械开关布置在第一和第二控制电路支路(134、136)之间的电路连接部(138)中，用于将第一和第二控制电路支路彼此电气连接和断开。

2.根据权利要求1所述的电气电池连结装置，其中半导体器件(121)设置在电池装置(500a)和电路连接部(138)之间的第一控制电路支路(134)中。

3.根据权利要求1所述的电气电池连结装置，其中半导体器件(212)设置在电池装置(500a)和电路连接部(138)之间的第二控制电路支路(136)中。

4.根据权利要求1所述的电气电池连结装置，其中半导体器件包括设置在电池装置和电路连接部之间的第一控制电路支路(134)中的第一半导体器件(112)，以及设置在电池装置(500a)和电路连接部(138)之间的第二控制电路支路(136)中的第二半导体器件(212)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电气电池连结装置(100；200；300)，其中第一和/或第二半导体器件(112、212)包括至少两个背靠背连接的晶体管(132)。

6.根据权利要求1所述的电气电池连结装置(100；200；300)，其中开关器件(116)是能够电动操作的开关器件(116)。

7.根据权利要求6所述的电气电池连结装置(100；200；300)，其中开关器件(116)能够响应于来自控制器(124)的控制信号进行控制。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电气电池连结装置(100；200；300)，其中开关器件(116)配置为通过将所述至少一个机械开关(122)保持在闭合位置来使电气电池连结装置(500a)短路。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电池连结装置(100；200；300)，其中开关器件(116)配置为在电气电池装置(500a)的操作期间将所述至少一个机械开关(122)保持在断开位置。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电气电池连结装置，其中控制电路进一步包括至少一个过载电流断路器(126，226)，该至少一个过载电流断路器设置在电池装置和电路连接部(138)之间，所述电路连接部在第一和第二控制电路支路(134，136)之间。

11.根据权利要求10所述的电气电池连结装置，其中所述过载电流断路器(126、226)包括热断路器、机械断路器、电子断路器或其组合中的任何一种。

12.一种电气系统(190；290；390)，包括根据权利要求1至11中任一项的电气电池连结装置(100；200；300)，其中电气系统(190；290；390)包括电气电池装置(500a)。

13.一种车辆(700)，包括由下述构成的组中的一个或多个：

-根据权利要求1至11中任一项的电气电池连结装置(100；200；300)；以及

-根据权利要求12的电气系统(190；290；390)。