DE102015102481B4

DE102015102481B4 - Schaltung, elektrischer Antriebsstrang und Verfahren für das Laden einer Batterie

Info

Publication number: DE102015102481B4
Application number: DE102015102481.0A
Authority: DE
Inventors: Anton Mauder; Philip Georg Brockerhoff
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2024-02-22
Anticipated expiration: 2035-02-21
Also published as: CN104868517A; DE102015102481A1; US9283864B2; CN104868517B; US20150239363A1

Abstract

Schaltung, aufweisend:eine Batterie (102);einen omnipolaren Schalter (106), der an die Batterie (102) gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, die Batterie (102) elektrisch zu trennen;ein Schaltelement (S);einen Gleichstrom-Zwischenkreis (120), der über das Schaltelement (S) an den omnipolaren Schalter (106) gekoppelt ist, undeine stromliefernde Vorrichtung (104), die an den Gleichstrom-Zwischenkreis (120) gekoppelt ist.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen allgemein Schaltungen und elektrische Antriebsstränge von Elektrofahrzeugen und Verfahren für das Laden der Batterien von Elektrofahrzeugen.
Elektrofahrzeuge können eine Batterie und eine elektrische Antriebseinheit für den Vortrieb aufweisen. Der Motor der elektrischen Antriebseinheit kann als Nutzbremse verwendet werden; das heißt, er kann als Generator verwendet werden, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Es ist wünschenswert, die von der elektrischen Antriebseinheit bereitgestellte elektrische Energie zu verwenden, um die Batterie aufzuladen.
Allerdings können im Falle eines Ausfalls bei hohen Geschwindigkeiten des Elektrofahrzeugs und insbesondere, wenn die Batterie nahezu leer ist, große Ströme in die Batterie fließen. Dies kann zu großen Bremsdrehmomenten an einem oder mehreren Rad/Rädern des Elektrofahrzeugs führen, was zu gefährlichen Situationen auf glatten Straßen oder in Kurven führen kann. Ferner kann das Laden der Batterie mit zu hohen Strömen einen Brand oder Schaden zur Folge haben oder die Batterie zerstören, insbesondere wenn die Batterie bereits vollständig geladen, zu heiß oder zu kalt ist.
Um eine unkontrollierte Ladung der Batterie zu vermeiden, kann die maximale Spannung des Motors so gewählt werden, dass sie kleiner ist als eine minimale Ladung der Batterie. Allerdings kann ein größerer Strom, der in diesem Fall erforderlich ist, um denselben Leistungspegel bereitzustellen, zu schwereren Motoren und größeren Steuerungselektroniken für den Elektromotor führen, was Kosten, Platzanforderungen und Gewicht erhöhen kann und die elektrische Effizienz der elektrischen Antriebseinheit reduzieren kann.
JP 2012 196 105 A offenbart ein Fahrzeug mit einer Schaltung, welche mittels einer Schnittstelle mit einem anderen Fahrzeug gekoppelt werden, um eine Batterie des anderen Fahrzeugs zu laden, wobei die Schaltung des Fahrzeugs eine Batterie, mehrere mit der Batterie gekoppelte Schalter, einen DC-DC-Boost-Konverter und eine mit dem DC-DC-Boost-Konverter gekoppelte Einheit aus Motor und Inverter aufweist.
Eine Schaltung wird bereitgestellt, umfassend eine Batterie, einen omnipolaren Schalter, ein Schaltelement, einen Gleichstrom-Zwischenkreis und eine stromliefernde Vorrichtung. Der omnipolare Schalter kann an die Batterie gekoppelt sein und kann dafür ausgelegt sein, die Batterie elektrisch zu trennen (oder elektrisch zu isolieren). Der Gleichstrom-Zwischenkreis ist über das Schaltelement an den omnipolaren Schalter gekoppelt, und die stromliefernde Vorrichtung ist an den Gleichstrom-Zwischenkreis gekoppelt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Schaltelement eine maximale Blockierspannung aufweisen, die kleiner ist als eine maximale Spannung der stromliefernden Vorrichtung und größer als eine Differenz aus der maximalen Spannung der stromliefernden Vorrichtung und einer minimalen Spannung der Batterie.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Schaltelement eine maximale Blockierspannung aufweisen, die kleiner ist als eine Differenz aus einer maximalen Spannung der stromliefernden Vorrichtung und einer minimalen Spannung der Batterie.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Schaltelement eine Mehrzahl von Schaltern aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. Jeder Schalter kann eine maximale Blockierspannung aufweisen, und eine Summe aus den maximalen Blockierspannungen der Mehrzahl von Schaltern kann kleiner sein als die maximale Spannung der stromliefernden Vorrichtung und größer als eine Differenz aus einer maximalen Spannung der stromliefernden Vorrichtung und einer minimalen Spannung der Batterie.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Schaltelement ferner wenigstens einen anderen Schalter aufweisen, der mit der Mehrzahl von Schaltern in Reihe geschaltet ist. Eine Summe aus den maximalen Blockierspannungen der Mehrzahl von Schaltern und einer maximalen Blockierspannung des wenigstens einen anderen Schalters kann größer sein als die maximale Spannung der stromliefernden Vorrichtung.
In verschiedenen Ausführungsformen können jeder Schalter der Mehrzahl von Schaltern und der wenigstens eine andere Schalter dieselbe maximale Blockierspannung aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann wenigstens ein Schalter der Mehrzahl von Schaltern zwischen einen Pluspol der Batterie und die stromliefernde Vorrichtung gekoppelt sein, und wenigstens ein Schalter der Mehrzahl von Schaltern kann zwischen einen Minuspol der Batterie und die stromliefernde Vorrichtung gekoppelt sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Schaltung ferner eine Diode aufweisen, die parallel zu dem Schaltelement geschaltet ist und dafür ausgelegt ist, einen Stromfluss von der Batterie zu der stromliefernden Vorrichtung zu ermöglichen und einen Stromfluss von der stromliefernden Vorrichtung zu der Batterie zu blockieren.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Schaltung ferner eine an das Schaltelement gekoppelte Snubber-Schaltung aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Schaltung ferner eine Steuereinheit aufweisen, die dafür ausgelegt ist, das Schaltelement in Abhängigkeit von wenigstens einem der folgenden zu betreiben: einer Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung der stromliefernden Vorrichtung und einer Spannung der Batterie, die einen Spannungsschwellwert überschreitet; einem von der stromliefernden Vorrichtung zu der Batterie fließenden Strom, der einen Stromschwellwert überschreitet; und einer Temperatur, die einen Temperaturschwellwert überschreitet.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die stromliefernde Vorrichtung eines der folgenden aufweisen: eine elektrische Antriebseinheit; und ein Ladegerät.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die elektrische Antriebseinheit einen permanent erregten Synchronmotor aufweisen; und einen Inverter mit freilaufenden Dioden, der an den permanent erregten Synchronmotor gekoppelt ist.
Ferner wird ein elektrischer Antriebsstrang bereitgestellt, wobei der elektrische Antriebsstrang eine Fahrbatterie, eine elektrische Antriebseinheit und ein Schaltelement aufweist. Die elektrische Antriebseinheit kann einen Inverter und einen permanent erregten Synchronmotor aufweisen, der an den Inverter gekoppelt ist. Der Inverter kann an die Fahrbatterie gekoppelt sein, und das Schaltelement kann zwischen die Fahrbatterie und die Antriebseinheit gekoppelt sein, wobei eine von der Antriebseinheit zum Laden der Batterie bereitgestellte maximale Spannung der Antriebseinheit größer ist als eine minimale Spannung der Batterie.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Schaltelement eine maximale Blockierspannung aufweisen, die kleiner ist als eine maximale Spannung der Antriebseinheit.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Schaltelement eine maximale Blockierspannung aufweisen, die kleiner ist als eine Differenz aus der maximalen Spannung der Antriebseinheit und einer minimalen Spannung der Fahrbatterie.
Noch ferner wird ein Verfahren für das Laden einer Batterie bereitgestellt. Das Verfahren kann das An- und Abkoppeln der Batterie an eine stromliefernde Vorrichtung bzw. von einer stromliefernden Vorrichtung über ein Schaltelement aufweisen, wobei das Schaltelement eine maximale Blockierspannung aufweist, die: kleiner ist als eine maximale Spannung der stromliefernden Vorrichtung; und größer ist als eine Differenz aus einer maximalen Spannung der stromliefernden Vorrichtung und einer minimalen Spannung der Batterie.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Schaltelement die stromliefernde Vorrichtung an die Batterie koppeln, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung der stromliefernden Vorrichtung und einer Spannung der Batterie unter einem ersten Schwellwert liegt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Schaltelement die stromliefernde Vorrichtung von der Batterie abkoppeln, wenn wenigstens eines gegeben ist: eine Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung der stromliefernden Vorrichtung und einer Spannung der Batterie überschreitet einen zweiten Schwellwert; ein Strom, der von der stromliefernden Vorrichtung zu der Batterie fließt, überschreitet einen Stromschwellwert; und eine Temperatur überschreitet einen Temperaturschwellwert.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Schaltelement die stromliefernde Vorrichtung intermittierend an die Batterie koppeln, nachdem diese von der stromliefernden Vorrichtungsbatterie abgekoppelt wurde, während die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung der stromliefernden Vorrichtung und der Spannung der Batterie den zweiten Schwellwert überschreitet.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Strom der stromliefernden Vorrichtung von einem Ladegerät oder einer elektrischen Antriebseinheit bereitgestellt werden, die als Generator betrieben wird.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten im Allgemeinen auf dieselben Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; vielmehr sollen sie in der Regel die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen. In den Zeichnungen kann bzw. können die äußere(n) linke(n) Ziffer(n) einer Bezugsnummer die Zeichnung identifizieren, in welcher die Bezugsnummer zuerst erscheint. Dieselben Nummern können in allen Zeichnungen verwendet werden, um auf gleiche Merkmale und Komponenten zu verweisen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei gilt:

1 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung;
2 zeigt Ausführungsformen eines elektrischen Antriebsstrangs;
3 zeigt eine Ausführungsform eines Schaltelements;
4 zeigt eine andere Ausführungsform eines Schaltelements;
5 zeigt noch eine andere Ausführungsform eines Schaltelements;
6 zeigt eine Ausführungsform einer Schutzeinheit;
7 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung mit einer freilaufenden Diode;
8 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung mit einer Snubber-Schaltung;
9 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung mit noch einer anderen Snubber-Schaltung; und
10 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens für das Laden einer Batterie.

Die nachfolgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die zur Veranschaulichung spezifische Details und Ausführungsformen zeigen, durch die sich die vorliegende Erfindung praktisch nutzen lässt.
Der Ausdruck „beispielhaft“ wird hier in der Bedeutung „als Beispiel, Fall oder zur Veranschaulichung dienend“ verwendet. Jede hier als „beispielhaft“ beschriebene Ausführungsform oder Ausgestaltung ist nicht unbedingt als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Ausgestaltungen zu betrachten.
1 zeigt eine Ausführungsform 100 einer Schaltung, beispielsweise für einen elektrischen Antriebsstrang. Der elektrische Antriebsstrang kann eine Batterie 102 und eine elektrische Antriebseinheit 104 aufweisen. Die Batterie 102 kann die elektrische Antriebseinheit 104 mit Strom versorgen, um ein Elektrofahrzeug anzutreiben. Hierbei kann es sich um eine Fahrbatterie handeln, das heißt, eine aufladbare Batterie, die für den Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet wird. Es kann sich um eine Bleisäurebatterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Schmelzsalzbatterie oder eine andere Batterieart handeln. Die Batteriespannung Vbat kann beispielsweise Vbat = 150 V bis 500 V betragen; allerdings sind auch andere Werte möglich.
Die Batterie 102 kann über einen omnipolaren Schalter 106 und eine Schutzeinheit 108 an den elektrischen Antrieb 104 gekoppelt sein. Der omnipolare Schalter 106 kann einen Schalter aufweisen, der an einen Pluspol (+) der Batterie 102 gekoppelt ist, und einen Schalter, der an einen Minuspol (-) der Batterie 102 gekoppelt ist. Dies dient dazu, den Pluspol (+) und den Minuspol (-) der Batterie 102 von der Antriebseinheit 104 zu trennen oder zu lösen, beispielsweise wenn das Elektrofahrzeug geparkt ist oder in Notfallsituationen. Bei dem omnipolaren Schalter 106 kann es sich um ein Relais und/oder einen Halbleiterschalter handeln. Das Elektrofahrzeug 104 kann die Batterie 102 während des Nutzbremsens aufladen und kann eine Spannung Vc bereitstellen. Die Schutzeinheit 108 kann die Batterie 102 mit der elektrischen Antriebseinheit 104 verbinden oder von der elektrischen Antriebseinheit 104 trennen. Beispielsweise muss die Schutzeinheit 108 bei einer elektrischen Antriebseinheit 104 mit einer Leistung von 85 kW und einer Batteriespannung von Vbat = 250 V unter Umständen einen Strom von 340 A schalten können. Falls beispielsweise die maximale Ableitung der Schutzeinheit 108 500 W beträgt, kann die Schutzeinheit 108 einen Einschaltwiderstand von 4,3 mΩ oder einen Spannungsabfall von 1,5 V aufweisen.
Eine Steuereinheit 110 kann die Schutzeinheit 108 betreiben. Während die Batterie 102 die elektrische Antriebseinheit mit Strom versorgt, kann die Steuereinheit 110 die Schutzeinheit 108 betreiben, um die Batterie 102 mit der elektrischen Antriebseinheit 104 zu verbinden. Die Steuereinheit 110 kann die Batterie 102 von der elektrischen Antriebseinheit 104 trennen, wenn eine Spannungsdifferenz Vc - Vbat zwischen der Spannung Vc der elektrischen Antriebseinheit 104 und der Spannung Vbat der Batterie 102 einen Spannungsschwellwert überschreitet, oder falls ein Strom, der von der elektrischen Antriebseinheit 104 zu der Batterie 102 fließt, einen Stromschwellwert überschreitet, oder falls eine Temperatur, beispielsweise der Batterie 102 oder der Antriebseinheit 104, einen Temperaturschwellwert überschreitet, oder während irgendeines Ereignisses, bei dem die Wahrscheinlichkeit besteht, dass ein Teil der elektrischen Antriebseinheit beschädigt wird. Derartige sicherheitsrelevante Ereignisse treten wahrscheinlich auf, wenn sich das Elektrofahrzeug mit hoher Geschwindigkeit bewegt und die Batterie 102 nahezu vollständig entladen ist oder wenn die Batterie 102 aufgeladen wird, wenn sie bereits vollständig geladen ist. Die Steuereinheit 110 kann die Batterie 102 auch von der elektrischen Antriebseinheit 104 trennen, wenn ein Sperrsignal aktiv ist. Ein Sperrsignal kann anzeigen, dass ein Kasten oder Gehäuse geöffnet worden ist und dass unter Umständen Teile mit hoher Spannung freiliegen, so dass sie von einem Menschen berührt werden können.
Sobald das Ereignis abgeklungen ist und/oder nachdem ein Rücksetzsignal ausgegeben worden ist, kann die Steuereinheit 110 die Schutzeinheit 108 betreiben, um die Batterie 102 mit der elektrischen Antriebseinheit 104 zu verbinden. Die Schutzeinheit 108 kann daher das Laden der Batterie 102 durch die elektrische Antriebseinheit 104 steuern und so die Batterie 102 schützen. Die maximale Spannung Vcmax der Antriebseinheit 104 kann daher größer sein als die minimale Spannung Vbatmin der Batterie 102, ohne Sicherheitsrisiken einzuführen. Folglich können kleinere Elektromotoren und Steuerungselektroniken (beispielsweise in einem Inverter) verwendet werden, was Kosten, Platzanforderungen und Gewicht senken kann und die Effizienz der elektrischen Antriebseinheit erhöhen kann.
Anstelle einer elektrischen Antriebseinheit 104 kann eine stromliefernde Vorrichtung verwendet werden. So kann beispielsweise ein mit der Netzstromversorgung verbundenes Ladegerät an die Batterie gekoppelt werden, um diese zu laden. Die Schutzeinheit 108 kann die Batterie 102 von dem Ladegerät trennen, um ein Überladen der Batterie zu vermeiden. Mit anderen Worten kann die Schutzeinheit 108 die Batterie 102 von dem Ladegerät trennen, z. B. bei einem Ausfall des Ladegeräts oder bei Ausfall oder Fehlen einer Datenverbindung zwischen der Batterie 102 und dem Ladegerät.
2 zeigt eine Ausführungsform 200 eines elektrischen Antriebsstrangs. 2 kann den elektrischen Antriebsstrang aus 1 ausführlicher beschreiben, so dass die in Verbindung mit 1 gelieferte Beschreibung auch auf 2 anwendbar ist und umgekehrt. Um die Darstellung zu vereinfachen, wird die Steuereinheit 110 in 2 nicht gezeigt; die Steuereinheit 110 kann jedoch in der Ausführungsform 200 vorhanden sein.
Die Batterie 102 wird wieder über den omnipolaren Schalter 106 an die elektrische Antriebseinheit 104 und die Schutzeinheit 108 gekoppelt. Die elektrische Antriebseinheit 104 kann einen Inverter (oder einen Leistungsinverter) 114 und einen Elektromotor 112 aufweisen. Der Inverter 114 kann durch Gleichstrom (Direct Current, DC) angetrieben werden. Es kann sich um eine B6-Brücke handeln. Der Inverter 114 kann drei Schalter T1, T2 und T3 aufweisen, welche einen ersten Anschluss aufweisen können, der mit einem Plusknoten 116 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit einem entsprechenden Spulenknoten 121, 122 und 124 verbunden ist. Der Inverter kann drei weitere Schalter T4, T5 und T6 aufweisen, wobei jeder einen ersten Anschluss aufweisen kann, der mit einem Minusknoten 118 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit einem der entsprechenden Spulenknoten 121, 122 und 124 verbunden ist. Der Inverter 114 kann Spulen in dem Elektromotor 112 antreiben, um ein sich drehendes Magnetfeld in dem Elektromotor 112 zu erhalten.
Der Elektromotor 112 kann einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) aufweisen. Hierbei kann es sich um einen permanent erregten Synchronmotor handeln. Jeder der Spulenknoten 121, 122 und 124 des Inverters 114 kann mit einer entsprechenden Motorphase des Elektromotors 112 verbunden sein. Die Motorphasen können durch eine Spannungsquelle und eine der Spulen L1, L2 und L3 repräsentiert sein. Die Spulen L1, L2 und L3 können in einem Stator des Elektromotors 112 in einem Winkel von 120 Grad zueinander angeordnet sein. Ein sich drehendes Magnetfeld um eine Achse des Motors 112 kann erzielt werden, indem die drei Spulen L1, L2 und L3 mit Strömen angetrieben werden, die um 120 Grad gegeneinander nachlaufen. In 2 werden die Spulen L1, L2 und L3 in einer Stern- oder Y-Verbindung mit einem gemeinsamen Knoten gezeigt. Aber dies ist nur ein Beispiel, da die Spulen auch in einer Delta-Verbindung verbunden sein könnten, bei der der gemeinsame Knoten zwischen jeweils zwei der Spulen mit einem der Anschlüsse des Inverters verbunden ist. Die Steuerschaltung für das Betreiben der Schalter T1, T2, T3, T4, T5 und T6 zum Antreiben der Spulen L1, L2 und L3 sind in der Technik bekannt und werden hier nicht ausführlich beschrieben. Der Rotor des Motors 112 kann ein konstantes Magnetfeld aufweisen, erzeugt beispielsweise durch einen Permanentmagneten. Der Nordpol des Rotors bewegt sich in Richtung des Südpols des sich drehenden Magnetfelds des Stators und umgekehrt. Die Anzahl der Spulen in dem Motor kann auch höher sein als die drei Spulen in dem in 1 gezeigten Beispiel. Werden z. B. s = 4, 5, 6 oder mehr Spulen verwendet, kann eine gleichpaarige Anzahl von Betriebsschaltern verwendet werden, um einen Strom bereitzustellen, der 360°/s zwischen den Strömen durch jeweils zwei benachbarte Spulen nachläuft.
Bei den Schaltern T1, T2, T3, T4, T5 und T6 kann es sich um Leistungstransistoren handeln, beispielsweise Metalloxidhalbleiter-Feldeffekt-Transistoren (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors, MOSFETs) oder um Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBTs). Jeder der Schalter T1, T2, T3, T4, T5 und T6 ist unter Umständen nicht in der Lage, einen Rückstrom zu leiten, das heißt einen Strom, der von dem zweiten Knoten des Schalters (oder dem entsprechenden Spulenknoten 121, 122 und 124) zu dem ersten Anschluss des Schalters fließt.
Um es einem Strom zu ermöglichen, von dem Elektromotor 112 durch den Inverter 114 zu der Batterie 102 zu fließen, kann jeder der Schalter T1, T2, T3, T4, T5 und T6 eine entsprechende Diode D1, D2, D3, D4, D5 und D6 aufweisen, die über den ersten Anschluss des Schalters und den zweiten Anschluss des Schalters verbunden ist, wobei die Dioden D1, D2, D3, D4, D5 und D6 so ausgelegt sind, dass Strom von dem entsprechenden zweiten Anschluss zu dem entsprechenden ersten Anschluss fließen kann. Bei den Dioden D1, D2, D3, D4, D5 und D6 kann es sich um die entsprechenden Körperdioden der Schalter T1, T2, T3, T4, T5 und T6 handeln, falls MOSFETs für die Schalter T1, T2, T3, T4, T5 und T6 verwendet werden. Bei den Dioden D1, D2, D3, D4, D5 und D6 kann es sich um sogenannte freilaufende Dioden handeln.
Sie können die von den Spulen L1, L2 und L3 bereitgestellten Wechselströme in Gleichstrom gleichrichten, wenn der Elektromotor 112 als Nutzbremse verwendet wird.
Ein Zwischenkreis 120, beispielsweise ein Gleichstrom-Zwischenkreis, welcher einen Kondensator oder eine andere Art von Energiespeicher umfasst, kann verwendet werden, um die unterschiedlichen Spannungen und Ströme der elektrischen Antriebseinheit 104 und der Batterie 102 zu koppeln. Die Kopplung kann zwischen dem Plusknoten 116 und dem Minusknoten 118 erfolgen. Der Zwischenkreis 120 kann die von dem Inverter 114 während des Nutzbremsens bereitgestellten gleichgerichteten Wechselströme glätten.
Die Schutzeinheit 108 kann ein Schaltelement S und eine Diode D aufweisen. Bei dem Schaltelement S kann es sich um einen MOSFET oder einen IGBT handeln. Das Schaltelement kann eine maximale Blockierspannung Vbmax aufweisen, die kleiner ist als eine maximale Spannung der Antriebseinheit 104 oder der stromliefernden Vorrichtung. Bei einer maximalen Blockierspannung kann es sich um eine maximale Spannung handeln, der eine Vorrichtung zuverlässig ohne Durchbruch standhält, wenn sich die Vorrichtung im „Aus“-Zustand befindet, das heißt, wenn sie gerade nicht leitet. Mit anderen Worten kann das Schaltelement S beginnen zu leiten, falls die Spannung die maximale Blockierspannung Vbmax überschreitet. Bei der maximalen Spannung Vcmax der Antriebseinheit 104 kann es sich um die maximale Spannung handeln, die erzeugt werden kann, wenn der Motor für das Nutzbremsen verwendet wird. Eine maximale Blockierspannung Vbmax, die kleiner ist als eine maximale Spannung Vcmax der Antriebseinheit 104 kann ausreichen, falls die Batteriespannung Vbat nicht gleich Null ist, da das Schaltelement S nur einer Spannung standhalten muss, die größer ist als die Differenz aus der Spannung Vc der Antriebseinheit 104 und der Spannung Vbat der Batterie 102. Bei einer Antriebseinheit 104, welche eine maximale Spannung von Vcmax = 550 V liefert, kann das Schaltelement S eine maximale Blockierspannung von Vbmax < Vcmax = 550 V aufweisen. Viele Fahrbatterien werden nicht auf 0 V entladen; vielmehr wird das Entladen bei einer minimalen Spannung Vbatmin der Batterie 102 angehalten. Bei der minimalen Spannung Vbatmin der Batterie 102 kann es sich um einen Prozentsatz der Nennspannung der Batterie handeln. So kann beispielsweise eine Batterie mit einer Nennspannung von 300 V eine minimale Spannung bei 80 % der Nennspannung aufweisen, das heißt Vbatmin = 240 V.
Das Schaltelement S kann eine maximale Blockierspannung Vbmax aufweisen, die größer ist als eine Differenz aus einer maximalen Spannung Vcmax der Antriebseinheit 104 (oder der stromliefernden Vorrichtung) und einer minimalen Spannung Vbatmin der Batterie 102. Bei einer Motoreinheit 104, welche eine maximale Spannung von Vcmax = 550 V liefert, kann das Schaltelement S eine maximale Blockierspannung von Vbmax > Vcmax - Vbatmin = 550 V - 240 V = 310 V aufweisen. Daher kann Vbmax des Schaltelements S wie folgt gewählt werden: $Vcmax - Vbatmin < Vbmax < Vcmax$
In dem vorstehend genannten Beispiel kann Vbmax zwischen 310 V < Vbmax < 550 V liegen. Allerdings kommt im alltäglichen Betrieb des Nutzbremsens die Kombination aus der maximalen Spannung Vcmax, die von der Antriebseinheit 104 (oder der stromliefernden Vorrichtung) geliefert wird, und der Batterie 102 mit einer minimalen Spannung Vbatmin unter Umständen sehr selten vor, da dies impliziert, dass sich das Elektrofahrzeug mit hoher Geschwindigkeit bei leerer Batterie bewegt. Das Schaltelement S kann daher eine maximale Blockierspannung Vbmax aufweisen, die kleiner ist als eine Differenz aus einer maximalen Spannung Vcmax der Antriebseinheit 104 und einer minimalen Spannung Vbatmin der Batterie 102, das heißt: $Vbmax < Vcmax - Vbatmin .$
Vbmax kann daher um oder knapp unter oder knapp über Vcmax - Vbatmin liegen oder gleich Vcmax - Vbatmin sein. In dem vorstehend genannten Beispiel kann Vbmax um oder knapp unter oder knapp über 310 V liegen oder gleich 310 V sein.
Der flächenbezogene Einschaltwiderstand eines MOSFET kann proportional bei annähernd Vbmax^2,5 liegen. Falls die maximale Blockierspannung Vbmax um eine Hälfe reduziert werden kann, wird sich der flächenbezogene Einschaltwiderstand um einen Faktor von 5,6 reduzieren.
Das Reduzieren der maximale Blockierspannung Vbmax reduziert die Fläche, die für das Schaltelement S erforderlich ist, und ermöglicht es, preiswertere MOSFETs zu verwenden.
Die Diode D kann parallel zu dem Schaltelement S geschaltet sein und kann einen Stromfluss durch die Batterie 102 zu der Antriebseinheit 104 (oder der stromliefernden Vorrichtung) ermöglichen und kann einen Stromfluss von der Antriebseinheit 104 (oder der stromliefernden Vorrichtung) zu der Batterie 102 ermöglichen. Die Diode D ist optional und kann automatisch einen Stromfluss von der Batterie 102 zu dem Zwischenkreis 120 beibehalten, wenn die Batteriespannung Vbat abfällt. Die Diode D kann dieselbe oder eine größere maximale Blockierspannung Vbmax als das Schaltelement S aufweisen. Um Leitungsverluste in der Diode D zu reduzieren, kann das Schaltelement S geschlossen sein, wenn die Diode D leitet. Die Diode D kann monolithisch in das Schaltelement S integriert sein, wenn das Schaltelement S ein Halbleiterschalter ist, z. B. ein in Sperrrichtung leitender IGBT oder ein Leistungs-MOSFET. Wieder kann anstelle einer elektrischen Antriebseinheit 104 eine stromliefernde Vorrichtung verwendet werden. So kann beispielsweise ein Ladegerät an die Batterie 102 gekoppelt werden, um diese zu laden. Der Zwischenkreis 120 kann von dem Ladegerät verwendet werden, um den Ladestrom weiter zu glätten, was die Belastung für die Batterie während des Ladevorgangs reduzieren kann. Die Schutzschaltungen von Ladegeräten müssen unter Umständen bidirektional blockierend ausgeführt sein, das heißt, sie müssen einen aus beiden Richtungen durch sie hindurchgehenden Stromfluss verhindern können. Falls die Schutzschaltung 108 vorhanden ist, können unidirektionale Schaltungen für die Ladegeräte verwendet werden, was zu geringeren Verlusten in den Schaltelementen der Schutzschaltungen führen kann. Dies kann ferner zu kleineren und daher preiswerteren Schaltelementen in den Schutzschaltungen des Ladegeräts führen. In einem weiteren Beispiel kann es sich bei der elektrischen Antriebseinheit 104 um einen elektrischen Gleichstrommotor mit Bürsten handeln. Die Schutzeinheit 108 kann die Batterie 102 von der stromliefernden Vorrichtung trennen, um ein Überladen der Batterie 102 zu vermeiden.
3 zeigt eine Ausführungsform 300 eines Schaltelements S der Schutzeinheit 108. Das Schaltelement S kann eine Mehrzahl von Schaltern S1, S2, ... Sn aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. Bei den Schaltern S1, S2, ... Sn kann es sich um MOSFETs handeln.
Jeder der Schalter S1, S2, ... Sn kann eine entsprechende maximale Blockierspannung Vb1, Vb2, ... Vbn aufweisen. Die maximale Blockierspannung Vb des Schaltelements S kann identisch sein mit der Summe der entsprechenden maximalen Blockierspannungen Vb1, Vb2, ... Vbn: $Vb 1 + Vb 2 + \dots + Vbn = Vb .$
Da jede entsprechende maximale Blockierspannung Vb1, Vb2, ... Vbn kleiner sein kann als die maximale Blockierspannung Vb eines einzelnen Schalters, kann der gesamte flächenbezogene Einschaltwiderstand, das heißt die Summe der flächenbezogenen Einschaltwiderstände der Schalter S1, S2, ... Sn, reduziert werden, so dass preiswertere MOSFETs verwendet werden können.
Die Mehrzahl von Schaltern S1, S2, ... Sn kann jeweils dieselbe maximale Blockierspannung aufweisen: $Vb 1 = Vb 2 = \dots = Vbn$
Für den Fall, dass Vb1 = Vb2 =...= Vbn = Vb/n ist, kann der gesamte flächenbezogene Einschaltwiderstand der n in Reihe geschalteten Schalter S1, S2, ... Sn dann proportional zu $n \cdot {(Vb / n)}^{2,5} = {Vb}^{2,5} / n^{1,5}$
sein, was weniger als Vb^2,5 für n größer als 1 ist.
Um die Darstellung zu vereinfachen, wird die Steuereinheit 110 in 2 nicht gezeigt. Allerdings würde die Steuereinheit 110 alle Schalter S1, S2, ... Sn gleichzeitig in derselben Richtung betreiben. So kann beispielsweise die Steuereinheit 110 alle Schalter S1, S2, ... Sn gleichzeitig öffnen oder schließen.
Die Anzahl n der Schalter S1, S2, ... Sn und die entsprechende maximale Blockierspannung Vb1, Vb2, ... Vbn können so gewählt werden, dass die Summe der maximalen Batteriespannungen der Schalter S1, S2, ... Sn kleiner ist als die maximale Spannung der Antriebseinheit (oder der stromliefernden Vorrichtung) 104: $Vb 1 + Vb 2 + \dots + Vbn < Vcmax .$
Die Anzahl n der Schalter S1, S2, ... Sn und deren jeweilige maximale Blockierspannung Vb1, Vb2, ... Vbn können auch so gewählt werden, dass die Summe der maximalen Blockierspannungen Vb1, Vb2, ... Vbn der Schalter S1, S2, ... Sn größer ist als eine Differenz aus einer maximalen Spannung der Antriebseinheit (oder der stromliefernden Vorrichtung) 104 und einer minimalen Spannung der Batterie: $Vb 1 + Vb 2 + \dots + Vbn > Vcmax - Vbatmin$
Allerdings kann die Anzahl n der Schalter S1, S2, ... Sn und deren jeweilige maximale Blockierspannung Vb1, Vb2, ... Vbn auch so gewählt werden, dass die Summe der maximalen Blockierspannungen Vb1, Vb2, ... Vbn der Schalter S1, S2, ... Sn kleiner ist als eine Differenz aus einer maximalen Spannung der Antriebseinheit 104 (oder der stromliefernden Vorrichtung) und einer minimalen Spannung der Batterie: $Vb 1 + Vb 2 + \dots Vbn < Vcmax - Vbatmin$
4 zeigt eine Ausführungsform 400 eines Schaltelements S einer Schutzeinheit 108. Das Schaltelement S kann identisch sein mit dem Schaltelement in 3, so dass die Beschreibung der Ausführungsform 300 auf die Ausführungsform 400 zutrifft. Allerdings kann die Ausführungsform 400 ferner wenigstens einen anderen Schalter Sa aufweisen, der mit der Mehrzahl von n Schaltern S1, S2, ... Sn in Reihe geschaltet ist. Bei dem wenigstens einen anderen Schalter Sa kann es sich um einen MOSFET handeln.
Der wenigstens eine andere Schalter Sa (nur ein Schalter Sa wird gezeigt) kann eine maximale Blockierspannung Vba aufweisen. Eine Summe der maximalen Blockierspannungen Vb1, Vb2, ... Vbn der Mehrzahl von Schaltern S1, S2, ... Sn kann größer sein als die Differenz aus der maximalen Spannung Vcmax der Antriebseinheit 104 (oder der stromliefernden Vorrichtung) und der minimalen Spannung Vbatmin der Batterie 102: $Vb 1 + Vb 2 + \dots + Vbn > Vcmax - Vbatmin .$
Wieder kann die Summe der maximalen Batteriespannungen Vb1, Vb2, ... Vbn so gewählt werden, dass sie wie oben beschrieben etwa gleich oder gleich oder ein wenig kleiner als Vcmax - Vbatmin ist. In diesem Fall wird die gesamte maximale Blockierspannung Vbt der Reihenschaltung größer sein als Vcmax - Vbatmin: $Vbt = Vb 1 + Vb 2 + \dots + Vbn + Vba > Vcmax - Vbatmin .$
Der Zweck des wenigstens einen anderen Schalters Sa besteht darin, zusätzliche Sicherheit für den Fall bereitzustellen, dass ein Schalter der Mehrzahl von Schaltern S1, S2, ... Sn ausfällt, das heißt, falls dieser Schalter leitend wird und nicht geöffnet werden kann, um den Stromfluss zu unterbrechen. In diesem Fall werden die verbleibenden Schalter, das heißt diejenigen Schalter, die nach wie vor geöffnet werden können, um den Stromfluss durch sie hindurch zu unterbrechen, und der wenigstens eine andere Schalter Sa eine gesamte maximale Blockierspannung aufweisen, die groß genug ist, um einen Stromfluss zu unterbrechen. Die Mehrzahl von Schaltern S1, S2, ... Sn und der wenigstens eine andere Schalter Sa können dieselbe maximale Blockierspannung Vb aufweisen $Vb 1 = Vb 2 = \dots = Vbn = Vba$
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der andere Schalter Sa verwendet werden, um die Steuerung über die Kette von Schaltern S1, S2, ... Sn zu erleichtern. Die Schalter S1, S2, ... Sn können in einer Weise gesteuert werden, dass, falls sich der untere Schalter, z. B. Sx+1, in der Kette in einer leitenden Betriebsart befindet, auch der Schalter Sx selbst leitend betrieben wird oder in eine leitende Betriebsart versetzt wird, und wenn sich der untere Schalter Sx+1 in einer blockierenden Betriebsart befindet, auch der Schalter Sx blockierend betrieben wird oder in eine blockierende Betriebsart versetzt wird. Zulässige Werte für x liegen zwischen 1 und n-1. Der Schalter Sn wird somit direkt durch den Zustand des anderen Schalters Sa gesteuert.
Um die Darstellung zu vereinfachen, wird die Steuereinheit 110 in 4 nicht gezeigt. Allerdings würde die Steuereinheit 110 alle Schalter S1, S2, ... Sn und Sa gleichzeitig in derselben Richtung betreiben. So kann beispielsweise die Steuereinheit 110 alle Schalter S1, S2, ... Sn und den wenigstens einen anderen Schalter Sa gleichzeitig öffnen oder schließen.
Eine Diode D kann an die in 3 und 4. gezeigte Reihenschaltung von Schaltern gekoppelt sein. Die Diode D kann einen Stromfluss durch die Batterie 102 zu der Antriebseinheit 104 (oder der stromliefernden Vorrichtung) ermöglichen und kann einen Stromfluss von der Antriebseinheit 104 (oder der stromliefernden Vorrichtung) zu der Batterie 102 ermöglichen. Die Diode D kann dieselbe oder eine größere maximale Blockierspannung Vbmax als die Reihenschaltung der Schalter aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Diode D monolithisch in die einzelnen Schaltelemente S1, S2, ... Sn integriert sein, wenn es sich bei den einzelnen Schaltelementen S1, S2, ... Sn um Halbleiterschalter handelt, z. B. ein in Sperrrichtung leitender IGBT oder Leistungs-MOSFET.
Die in 2 gezeigte Schutzeinheit 108 kann zwischen den Schalter des omnipolaren Schalters 106, der mit dem Pluspol (+) der Batterie 102 verbunden ist, und den Plusknoten 116 (oder die Antriebsschaltung 104) gekoppelt sein. Allerdings kann die in FIG. 106 gezeigte Schutzeinheit 108 auch zwischen den Schalter des omnipolaren Schalters 106, der mit dem Minuspol (-) der Batterie 102 verbunden ist, und den Minusknoten 118 (oder die Antriebsschaltung 104) gekoppelt sein.
5 zeigt eine Ausführungsform 500 mit einer ersten Schutzeinheit 502 und einer zweiten Schutzeinheit 504. Die erste Schutzeinheit 502 und die zweite Schutzeinheit 504 können mit der in Verbindung mit den 1 bis 4 beschriebenen Schutzeinheit 108 identisch sein und können dieselben Schaltelemente S aufweisen. Die erste Schutzeinheit 502 kann zwischen den Pluspol (+) der Batterie 102 und den Plusknoten 116 (oder die Antriebseinheit oder die stromliefernde Vorrichtung 104) gekoppelt sein. Die zweite Schutzeinheit 504 kann zwischen den Minuspol (-) der Batterie 102 und den Minusknoten 118 (oder die Antriebseinheit oder die stromliefernde Vorrichtung 104) gekoppelt sein. Die erste Schutzeinheit 502 und die zweite Schutzeinheit 504 können in den Ausführungsformen 100 und 200 anstelle der Schutzeinheit 108 verwendet werden. Um die Darstellung zu vereinfachen, werden der omnipolare Schalter 106 und die Steuereinheit 110 in 5 nicht gezeigt.
Die für die Differenz aus der Spannung Vc der Antriebseinheit 104 (oder der stromliefernden Vorrichtung) und der Spannung Vb der Batterie 102 benötigte Blockierspannung kann zwischen der ersten Schutzeinheit 502 und der zweiten Schutzeinheit 504 geteilt werden. Die für die erste Schutzeinheit 502 und die zweite Schutzeinheit 504 erforderliche maximale Blockierspannung kann halbiert werden, falls diese ähnlich ausgeführt sind, beispielsweise falls sie dieselben Schaltelemente S aufweisen. Falls eine gerade Anzahl von Schaltern S1, S2, ... und Sn in der Mehrzahl von Schaltern vorliegt, kann eine Hälfte der Schalter als Teil der ersten Schutzeinheit 502 in Reihe geschaltet werden, und die andere Hälfte kann als Teil der zweiten Schutzeinheit 504 in Reihe geschaltet werden. In dem vorstehend genannten Beispiel kann Vbmax für jede der Schutzeinheiten 502, 504 anstelle von 310 V < Vbmax < 550 V zwischen 155 V < Vbmax < 275 V liegen. Da der flächenbezogene Einschaltwiderstand von MOSFETs proportional zu Vbmax^2,5 ist, kann die für die Schaltelemente S erforderliche Fläche weiter reduziert werden, und preiswertere MOSFETs können verwendet werden.
6 zeigt eine Ausführungsform 600 einer Schutzeinheit 108. Zusätzlich zu der in Verbindung mit Ausführungsform 200 beschriebenen Schutzeinheit 108 kann die Schutzeinheit 108 einen Widerstand R aufweisen und einen Schalter SR, der mit dem Widerstand in Reihe geschaltet ist. Die Reihenschaltung bestehend aus dem Widerstand R und dem Schalter SR kann parallel zu dem Schaltelement S geschaltet sein. Schalter SR kann geschlossen sein, um von der Antriebseinheit 104 (oder der stromliefernden Vorrichtung) bereitgestellte Energie abzuleiten. Dies kann nützlich sein, falls die Induktivitäten Lbat und Lcable zu klein sind, um die Spannungen zu induzieren, die für ein gepulstes Laden der Batterie 102 benötigt werden, was nachstehend beschrieben wird.
Der Schalter SR und der Widerstand R können auch verwendet werden, um die Spannungsdifferenz Vc - Vbat zwischen dem Gleichstrom-Zwischenkreis 120 und der Batterie 102 zu reduzieren, bevor das Schaltelement S geschlossen wird. Falls die Spannungsdifferenz zu groß ist, kann das Schließen des Schaltelements S zu Spitzenströmen (oder Stoßströmen) und Überspannungen führen.
Die Verdrahtung (oder Kabel) zwischen der Batterie 102 und dem Gleichstrom-Zwischenkreis 120 und der Batterie 102 können Induktivitäten aufweisen, welche durch die Induktivitäten Lcable bzw. Lbat repräsentiert sein können; siehe beispielsweise 7 bis 9. Falls der Stromfluss von dem Gleichstrom-Zwischenkreis 120 zu der Batterie 102 plötzlich gestoppt wird, kann eine Spannung in die Induktivitäten Lcable und Lbat induziert werden. Diese Spannung kann einen Lawinendurchbruch in dem Schaltelement S verursachen, was zu zusätzlichen Leistungsverlusten führen kann. Um einen Lawinendurchbruch zu vermeiden, können die Induktivitäten Lcable und Lbat reduziert werden.
7 zeigt eine Ausführungsform 700 einer Schaltung mit einer freilaufenden Diode DF. Die freilaufende Diode DF kann über die Reihenschaltung der Induktivitäten Lcable und Lbat und der Batterie 102 in einer antiparallelen Weise an die Polarität der Batterie 102 gekoppelt werden. Die freilaufende Diode DF kann das Schaltelement S vor der Spannung schützen, die in die Induktivitäten Lcable und Lbat induziert wird, wenn das Schaltelement S plötzlich geöffnet wird. Ein von der Antriebseinheit 104 durch das Schaltelement S zu der Batterie 102 fließender Strom I kann über die freilaufende Diode DF weiterfließen, wenn das Schaltelement S geöffnet ist. Die aufgrund der Stromänderungsrate in die Induktivitäten Lcable und Lbat induzierte Spannung kann daher reduziert werden, und die Wahrscheinlichkeit eines Lawinendurchbruchs in dem Schaltelement S kann minimiert werden. Der Kondensator des Gleichstrom-Zwischenkreises 120 und die freilaufende Diode DF können in die Schutzeinheit 108 integriert sein.
Die Schaltung der Ausführungsform 700 kann verwendet werden, um Energie von dem Gleichstrom-Zwischenkreis 120 an die Batterie 102 zu pulsen. Die Schaltung kann als ein Tiefsetzsteller (oder Abwärtswandler) betrieben werden, wenn das Schaltelement S wiederholt geschlossen und geöffnet wird. Die Strommenge, welche in die Batterie 102 fließt, wenn die Spannung Vc des Zwischenkreises 120 (oder der Antriebseinheit 104) größer ist als die Spannung Vbat der Batterie 102, kann somit gesteuert werden, während gleichzeitig die Betriebssicherheit gewährleistet ist.
8 zeigt eine Ausführungsform 800 einer Schaltung mit einer Snubber-Schaltung 802. Die Snubber-Schaltung 802 kann eine Alternative zu dem in den Lawinenmodus eintretenden Schaltelement S bereitstellen oder zum Verwenden einer freilaufenden Diode DF wie in Verbindung mit 7 beschrieben. Sie reduziert die in die Induktivitäten Lcable und Lbat induzierte Spannung, nachdem das Schaltelement S plötzlich geöffnet wird. Die Snubber-Schaltung 802 kann eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R1 und einer Diode DS1 umfassen, die mit einem Kondensator C1 und einem Widerstand R2 in Reihe geschaltet ist. Die Snubber-Schaltung 802 kann über das Schaltelement S und über die Diode D gekoppelt sein. Diode DS1 kann so verbunden sein, dass ein Stromfluss von dem Zwischenkreis 120 zu der Batterie 102 möglich ist.
Wenn das Schaltelement S geöffnet ist, kann der Strom I weiter durch den Kondensator C1 fließen. Widerstand R2, welcher in Reihe mit dem Kondensator C1 liegt, kann den Ladestrom des Kondensators C1 begrenzen. Widerstand R1, welcher parallel zu Diode DS1 liegt, kann den Ladestrom des Kondensators C1 begrenzen, wenn das Schaltelement S geschlossen ist. Die Snubber-Schaltung 802 kann die in den Induktivitäten Lcable und Lbat gespeicherte Energie speichern und in die zugehörigen Widerstände R1 und R2 ableiten.
9 zeigt eine Ausführungsform 900 einer Schaltung mit einer anderen Snubber-Schaltung 902. Auch diese Snubber-Schaltung kann die in die Induktivitäten Lcable und Lbat induzierte Spannung reduzieren, nachdem das Schaltelement S plötzlich geöffnet worden ist, indem die Energie der Induktivitäten Lcable und Lbat in einem Kondensator gespeichert wird und später abgeleitet wird.
Die Snubber-Schaltung 902 kann eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R3 und einem Kondensator C1 umfassen. Ein Widerstand R4 kann parallel zu der Reihenschaltung geschaltet sein. Eine Diode DS2 kann in Reihe mit der Parallelschaltung geschaltet sein. Diode DS2 kann so verbunden sein, dass ein Stromfluss von dem Zwischenkreis 120 zu der Batterie 102 möglich ist. Die Snubber-Schaltung 902 kann über das Schaltelement S und über die Diode D gekoppelt sein.
Wenn das Schaltelement S geöffnet ist, kann der Strom I weiter durch die Diode DS2 und die Parallelschaltung fließen. Kondensator C2 kann geladen werden, und Widerstand R3, welcher in Reihe mit dem Kondensator C2 gekoppelt ist, kann den Ladestrom des Kondensators C2 begrenzen. Widerstand R4 kann eine Umgehung für den Kondensator C2 bereitstellen. Kondensator C2 kann durch den Widerstand R4 entladen werden, wenn das Schaltelement S geschlossen ist. Diode DS2 verhindert einen Stromfluss in den übrigen Teil der Schaltung. 10 zeigt eine Ausführungsform 1000 eines Verfahrens für das Laden einer Batterie. Das Verfahren kann das Ankoppeln und Abkoppeln der Batterie an eine stromliefernde Vorrichtung bzw. von einer stromliefernden Vorrichtung über ein Schaltelement umfassen, das eine maximale Blockierspannung aufweist, die kleiner ist als eine maximale Spannung der stromliefernden Vorrichtung und größer als eine Differenz aus einer maximalen Spannung der stromliefernden Vorrichtung und einer minimalen Spannung der Batterie. Das Auswählen des Schaltelements mit einer solchen maximalen Blockierspannung kann den Betriebswiderstand und somit Größe, Volumen und Kosten des Schaltelements reduzieren.
Das Verfahren kann umfassen, dass das Schaltelement die stromliefernde Vorrichtung an die Batterie koppelt, wenn eine Spannung der stromliefernden Vorrichtung unter einem ersten Schwellwert liegt. Auf diese Weise kann Energie von der Batterie an die stromliefernde Vorrichtung geliefert werden, und die stromliefernde Vorrichtung, bei der es sich um eine elektrische Antriebseinheit handeln kann, kann von der Batterie mit Strom versorgt werden.
Das Verfahren kann umfassen, dass das Schaltelement die stromliefernde Vorrichtung von der Batterie abkoppelt, wenn wenigstens eines gegeben ist: eine Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung der stromliefernden Vorrichtung und einer Spannung der Batterie überschreitet einen zweiten Schwellwert; ein Strom, der von der stromliefernden Vorrichtung zu der Batterie fließt, überschreitet einen Stromschwellwert; und eine Temperatur überschreitet einen Temperaturschwellwert. Die Temperatur kann beispielsweise die Temperatur der Batterie oder der stromliefernden Vorrichtung (oder der Antriebseinheit) sein. Auf diese Weise wird ein Überladen der Batterie vermieden.
Das Verfahren kann umfassen, dass das Schaltelement die stromliefernde Vorrichtung intermittierend an die Batterie koppelt, nachdem diese von der stromliefernden Vorrichtungsbatterie abgekoppelt wurde, während die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung der stromliefernden Vorrichtung und der Spannung der Batterie den zweiten Schwellwert weiterhin überschreitet. Die Batterie kann somit auf kontrollierte Weise geladen werden, während sie gleichzeitig vor Überladung geschützt wird. Ferner können die Bremsdrehmomente an einem oder mehreren Rad/Rädern des Elektrofahrzeugs gesteuert werden.
Das Verfahren kann umfassen, dass der Strom der stromliefernden Vorrichtung von einem Ladegerät oder einer elektrischen Antriebseinheit bereitgestellt wird, die als Generator betrieben wird.
Auch wenn die vorliegende Erfindung hier besonders unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, sei an dieser Stelle für Fachleute darauf hingewiesen, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, die durch die beigefügten Patentansprüche definiert sind. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird somit durch die beigefügten Patentansprüche angegeben, und alle Änderungen, welche in die Begriffsinhalte und Begriffsumfänge der Patentansprüche fallen, sollen daher als eingeschlossen gelten.

Claims

Schaltung, aufweisend: eine Batterie (102); einen omnipolaren Schalter (106), der an die Batterie (102) gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, die Batterie (102) elektrisch zu trennen; ein Schaltelement (S); einen Gleichstrom-Zwischenkreis (120), der über das Schaltelement (S) an den omnipolaren Schalter (106) gekoppelt ist, und eine stromliefernde Vorrichtung (104), die an den Gleichstrom-Zwischenkreis (120) gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Schaltelement (S) eine maximale Blockierspannung aufweist, die kleiner ist als eine maximale Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104) und größer als eine Differenz aus der maximalen Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104) und einer minimalen Spannung der Batterie (102).
Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Schaltelement (S) eine maximale Blockierspannung aufweist, die kleiner ist als eine Differenz aus einer maximalen Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104) und einer minimalen Spannung der Batterie (102).
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Schaltelement (S) eine Mehrzahl von Schaltern aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeder Schalter eine maximale Blockierspannung aufweist; und eine Summe aus den maximalen Blockierspannungen der Mehrzahl von Schaltern kleiner ist als die maximale Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104) und größer als eine Differenz aus einer maximalen Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104) und einer minimalen Spannung der Batterie (102), wobei optional das Schaltelement (S) ferner wenigstens einen anderen Schalter aufweist, der mit der Mehrzahl von Schaltern in Reihe geschaltet ist, wobei eine Summe aus den maximalen Blockierspannungen der Mehrzahl von Schaltern und einer maximalen Blockierspannung des wenigstens einen anderen Schalters größer ist als die maximale Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104), wobei weiter optional jeder Schalter der Mehrzahl von Schaltern und der wenigstens eine andere Schalter dieselbe maximale Blockierspannung aufweisen.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei wenigstens ein Schalter der Mehrzahl von Schaltern zwischen einen Pluspol der Batterie (102) und die stromliefernde Vorrichtung (104) gekoppelt ist; und wenigstens ein Schalter der Mehrzahl von Schaltern zwischen einen Minuspol der Batterie (102) und die stromliefernde Vorrichtung (104) gekoppelt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: eine Diode, die parallel zu dem Schaltelement (S) geschaltet ist und dafür ausgelegt ist, einen Stromfluss von der Batterie (102) zu der stromliefernden Vorrichtung (104) zu ermöglichen und einen Stromfluss von der stromliefernden Vorrichtung (104) zu der Batterie (102) zu blockieren.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend: eine Snubber-Schaltung, die an das Schaltelement (S) gekoppelt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend: eine Steuereinheit (110), die dafür ausgelegt ist, das Schaltelement (S) in Abhängigkeit von wenigstens einem der folgenden zu betreiben: einer Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104) und einer Spannung der Batterie (102), die einen Spannungsschwellwert überschreitet; einem von der stromliefernden Vorrichtung (104) zu der Batterie (102) fließenden Strom, der einen Stromschwellwert überschreitet; und einer Temperatur, die einen Temperaturschwellwert überschreitet.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die stromliefernde Vorrichtung (104) eines der folgenden aufweist: eine elektrische Antriebseinheit (104); und ein Ladegerät wobei optional die elektrische Antriebseinheit (104) aufweist: einen permanent erregten Synchronmotor; und einen Inverter mit freilaufenden Dioden, der an den permanent erregten Synchronmotor gekoppelt ist.
Elektrischer Antriebsstrang, aufweisend: eine Fahrbatterie (102); eine elektrische Antriebseinheit (104), umfassend einen Inverter und einen permanent erregten Synchronmotor, der an den Inverter gekoppelt ist, wobei der Inverter an die Fahrbatterie (102) gekoppelt ist; und ein Schaltelement (S), das zwischen die Fahrbatterie (102) und die Antriebseinheit (104) gekoppelt ist, wobei eine von der Antriebseinheit (104) zum Laden der Batterie (102) bereitgestellte maximale Spannung der Antriebseinheit (104) größer ist als eine minimale Spannung der Batterie (102).
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 10, wobei das Schaltelement (S) eine maximale Blockierspannung aufweist, die kleiner ist als die maximale Spannung der Antriebseinheit (104).
Elektrischer Antriebsstrang nach Anspruch 10, wobei das Schaltelement (S) eine maximale Blockierspannung aufweist, die kleiner ist als eine Differenz aus der maximalen Spannung der Antriebseinheit (104) und einer minimalen Spannung der Fahrbatterie (102).
Verfahren für das Laden einer Batterie (102), umfassend: das An- und Abkoppeln der Batterie (102) an eine stromliefernde Vorrichtung (104) bzw. von einer stromliefernden Vorrichtung (104) über ein Schaltelement (S), wobei das Schaltelement (S) eine maximale Blockierspannung aufweist, die: kleiner ist als eine maximale Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104); und größer als eine Differenz aus einer maximalen Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104) und einer minimalen Spannung der Batterie (102).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Schaltelement (S) die stromliefernde Vorrichtung (104) an die Batterie (102) koppelt, wenn eine Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104) unter einem ersten Schwellwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Schaltelement (S) die stromliefernde Vorrichtung (104) von der Batterie (102) abkoppelt, wenn wenigstens eines gegeben ist: eine Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104) und einer Spannung der Batterie (102) überschreitet einen zweiten Schwellwert; ein Strom, der von der stromliefernden Vorrichtung (104) zu der Batterie (102) fließt, überschreitet einen Stromschwellwert; und eine Temperatur überschreitet einen Temperaturschwellwert wobei optional das Schaltelement (S) die stromliefernde Vorrichtung (104) intermittierend an die Batterie (102) koppelt, nachdem diese von der stromliefernden Vorrichtungsbatterie abgekoppelt wurde, während die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung der stromliefernden Vorrichtung (104) und der Spannung der Batterie (102) den zweiten Schwellwert weiterhin überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Strom der stromliefernden Vorrichtung (104) von einem Ladegerät oder einer elektrischen Antriebseinheit (104) bereitgestellt wird, die als Generator betrieben wird.