CN114938699A - 充电和加热电路以及具有充电和加热电路的车辆电气系统 - Google Patents

Abstract

充电和加热电路（LS）装备有交流电压端子（WA）、直流电压端子（GA）和整流器（HB1‑HB3、DH）。整流器（HB1‑HB3、DH）连接在所述交流电压端子（WA）和所述直流电压端子（GA）之间。所述充电和加热电路（LS）此外具有加热电阻（H1‑H7），所述加热电阻与所述整流器连接，并且由此所述整流器被设立用于给所述加热电阻（H1‑H7）供应电流。此外描述一种车辆电气系统，所述车辆电气系统除了蓄电池之外具有该充电和加热电路（LS）。

Description

充电和加热电路以及具有充电和加热电路的车辆电气系统

电动车辆和混合动力车辆具有储能器，所述储能器准备好电能用于行驶。为了能够从外部对这些电池充电，存在充电电路，以便在充电时控制功率流，设定合适的充电电压或合适的充电电流，或者以便将交流电压转换成直流电压，利用所述直流电压可以对电池充电。为此由于高充电功率，需要成本高的功率电路和功率器件。

电池不仅必须支持电驱动，而且对于许多次耗电器（Nebenverbrauchern）用作供电装置。例如，如泵之类的感性负载或者如（内部空间、驱动冷却循环线路或催化转化器的）照明装置或电加热装置之类的电阻性负载由电池供应。在这里，也需要能够设定从电池流向次耗电器的电流，其中电池电压必要时附加地也必须通过电压变换被适配。由于这些次耗电器也具有值得一提的功率，因此在这里也必须设置用于设定次耗电器的功率或电流的功率电路。

本发明的任务是以成本低的方式实现次耗电器的受控供应和充电的功能。

该任务通过根据独立权利要求的充电和加热电路以及车辆电气系统来解决。其他特性、特征、实施方式和优点利用从属权利要求、说明书和附图得出。

提出一种充电和加热电路，其中在交流电压端子和直流电压端子之间的整流器允许使用交流电压作为输入电压，以便经由直流电压端子对电池充电。同时，该电路还实现次耗电器、即加热电阻的受控供应的功能，所述加热电阻与整流器连接。由此，整流器被设立用于以受控方式给加热电阻供应电流。整流器优选地是受控整流器，所述受控整流器为了进行充电操控相关的开关元件或半桥，以便对施加在交流电压端子上的交流电压进行整流并且设定直流电压端子处的（经整流的）电压，其中这些元件中的至少一个也被用于以受控方式给加热电阻供应电流。因此，半桥或位于那里的开关中的至少一个不仅被用于充电（即用于整流），而且被用于设定输送给加热电阻的功率，尤其是其方式是例如以脉冲波调制的方式（pulswellenmoduliert）切换相关的器件。

在这里提出的充电和加热电路是车辆电气系统的一部分或设置在车辆中。交流电压端子尤其是三相的，然而也可以被构造为单相的。交流电压端子可以被构造为标准化充电插座或具有连接元件，所述连接元件被设立用于被与标准化充电插座连接。充电端子在此情况下通常被称为充电插座，所述充电端子尤其是根据用于为车辆进行有线充电的标准来构造。

在这里所示的电路优选地针对高压范围、也即针对至少200、400或800伏的工作电压来构造。该电路此外针对至少1 kW、5 kW、10 kW或20 kW的标称功率来构造。尤其是，整流器可以具有至少3、10或20 kW的标称功率。加热电阻可以是具有至少500 W、1 kW、2 kW、5kW或10 kW标称功率的功率电阻。整流器尤其是半导体整流器。整流器优选地是全波整流器并且尤其是被构造为多相的。整流器可以被构造为B6C桥或具有这种桥。加热电阻利用至少一个端子与整流器连接，尤其是与输出端、输入端的电位或者与整流器的半桥的（两个开关元件之间的）连接点连接。

一种可能性是加热电阻连接在整流器的输入端上。该输入端优选地与交流电压端子要么直接要么间接地（例如经由电感）连接。另一可能性是加热电阻连接在整流器的输出端上。该输出端优选地与直流电压端子连接。此外可以规定，加热电阻将整流器的输入端和整流器的输出端连接，尤其是将直接与交流电压端子连接的输入端或通向输入端的电感与输出端、也即直流电压端子的电位或与在整流器的输出端处设置的电路、例如配置电路连接。在此情况下，加热电阻优选地直接、也即不经由电感或电阻被连接。

加热电阻优选地经由开关与整流器连接。开关可以是机电开关或半导体开关。尤其是，开关可以是直流电压变换器的开关元件，所述直流电压变换器的工作电感由电感构成，交流电压端子借助于所述电感与整流器或与所述整流器的输入端连接。由此，该开关可以一方面被用于简单地去活或激活加热电阻，并且另一方面可以根据脉宽调制设定期望的功率，或者还可以有助于进行电压变换，所述电压变换可以例如发生在交流电压端子和整流器之间。

加热电阻可以连接在交流电压端子的不同的相之间。在此情况下，交流电压端子以及整流器是多相的，尤其是三相的。此外，加热电阻可以连接在交流电压端子的一个相和交流电压端子的中性线之间。在此情况下，交流电压端子可以被构造为单相的或三相的。此外，加热电阻可以连接在交流电压端子的一个相和直流电压端子之间。在此情况下，加热电阻可以直接连接在该相和直流电压端子之间，或者可以连接在该相和电路、尤其是配置电路之间，所述电路位于直流电压端子处。加热电阻尤其是被构造为单相的或具有两个单独的端子。

一种实施方式规定，两个电容器和配置电路设置在直流电压端子和整流器之间。电容器和配置电路可以并联地连接在直流电压端子处、尤其是连接在将整流器与直流电压端子连接的汇流排上。配置电路被设立用于将电容器可选地相互并联或串联连接。在这种实施方式中，加热电阻可以连接在整流器的半桥的交流电压相与配置电路的配置开关之间。交流电压相由构造半桥的开关元件的连接点构成。这种交流电压相可以直接与交流电压端子的相连接，或者可以经由电感与该相连接。此外，加热电阻可以直接或经由选择开关与配置电路的配置开关连接。这种配置开关以可切换的方式将电容器相互连接。加热电阻将该配置电路或相关的配置开关与交流电压端子的相连接。

配置电路可以包括第一配置开关，所述第一配置开关以可切换的方式将直流电压端子的第一电位与电容器之一连接，使得该配置开关将直流电压端子的第二电位经由电容器与第一电位连接。设置第二配置开关，所述第二配置开关以反向的方式将直流电压端子的第二电位以可切换的方式经由另一电容器与第一电位连接。因此，这两个配置开关经由不同的电容器将直流电压端子的不同的电位与直流电压端子的分别另一电位连接。将电容器以可切换的方式相互连接的开头提到的配置开关被称为第三配置开关。因此，第三配置开关经由电容器之一将第一电位与另一电位经由另一电容器连接。第三配置开关因此经由第一电容器与第一电位连接并且经由第二电容器与直流电压端子的第二电位连接。第三配置开关因此位于两个电容器之间的中间，其中电容器与第三配置开关串联连接。第一配置开关因此将直流电压端子的第一电位与第三配置开关的与第二电容器连接的侧连接。第二配置开关因此将直流电压端子的第二电位与第三配置开关的经由第一电容器与直流电压端子的第一电位连接的侧连接。如果第三配置开关闭合，则两个电容器串联连接。如果所述第三配置开关断开并且第一和第二配置开关闭合，则两个电容器并联连接（其中这些并联开关与直流电压端子并联连接）。加热元件可以在第三配置开关的与（通向第一电位的）第一电容器连接的侧处连接到配置电路上，或者可以与第三配置开关的经由第二电容器与第二电位连接的侧连接。

整流器具有多个可控半桥。所述可控半桥分别包括两个开关元件，所述开关元件优选地被构造为晶体管或半导体开关。半桥的两个开关元件分别经由连接点相互连接。连接点构成相关的半桥的交流电压相。可以规定，在半桥的这些交流电压相或连接点与交流电压端子的相之间设置串联电感。这些串联电感可以用作滤波器，并且尤其是也可以被用于进行电压变换，尤其是当半桥的开关元件以时钟方式工作时，以便从而设置串联电感作为直流电压变换器的工作电感。

串联电感因此可以是滤波电感，其中这些电感中的至少一个具有直流电压变换器的工作电感的附加功能，其中直流电压变换器的相关的开关元件由半桥的开关元件实现。这使得能够使用被设置用于进行充电的器件来实现其他功能，即在加热元件的受控供电的范围中的电压变换（尤其是升压变换）。

半桥将正汇流排和负汇流排连接。正汇流排具有第一电位，并且负汇流排具有第二电位。这些电位是直流电压端子的电位。正汇流排和负汇流排通向直流电压端子的电位端子。

可以规定，整流器具有二极管桥。所述二极管桥拥有两个二极管，所述二极管经由连接点相互串联连接。交流电压端子的中性点触点优选地直接（即不经由电感）与二极管桥的连接点连接。

可以设置控制装置，所述控制装置以操控方式与半桥连接。控制装置被设立用于操控半桥，使得所述半桥对施加在交流电压端子上的交流电压进行整流，以便将所述交流电压发出给直流电压端子。该控制装置此外可以被设立用于操控开关，所述开关经由加热电阻与整流器连接。在此情况下，控制装置可以被设立用于在充电状态下操控半桥的开关元件用于进行整流，而用于连接加热电阻的开关断开。控制装置可以被设立用于在加热控制状态下要么将半桥的开关操控为断开的，要么根据预先给定的加热功率操控所述半桥的开关，而将加热电阻连接到整流器上的开关暂时闭合。控制装置可以被设立用于根据额定加热功率，要么以时钟方式操控连接加热电阻所经由的开关，以时钟方式操控半桥的至少一个开关元件，以便获得期望的额定加热功率，要么实现两者，其中根据额定加热功率来实施对两种开关组件的控制。尤其是，控制装置可以被设立用于以时钟方式操控热桥的开关元件，使得与串联电感一起得出电压变换（Spannungswandung）、尤其是升压变换（Aufwärtswandung）。此外，加热电阻连接到整流器上所经由的开关可以（由控制装置）以时钟方式被控制为使得与串联电感一起得出直流电压变换（Spannungswandung）。可以根据预先给定的额定加热功率来操控所提到的直流电压变换（Spannungswandung）。

此外，描述一种车辆电气系统，所述车辆电气系统具有如这里描述的充电和加热电路。此外，车辆电气系统具有蓄电池，所述蓄电池直接或间接地与充电和加热电路的直流电压端子连接。蓄电池可以直接、即在无电压变换的情况下与直流电压端子连接，或者可以经由至少一个电压变换器（即间接地）与充电和加热电路的直流电压端子连接。

一种实施方式规定，车辆电气系统的蓄电池经由两个直流电压变换器与充电和加热电路的直流电压端子连接。直流电压变换器具有中间电路电容器，所述中间电路电容器由充电和加热电路的电容器构成。充电和加热电路因此具有电容器，所述电容器在车辆电气系统的范围中是直流电压变换器的中间电路电容器。在此情况下，充电和加热电路优选地具有在这里描述的配置电路。所述配置电路被设立用于将中间电路电容器或直流电压变换器的输入端以可选择的方式相互并联或串联连接。在并联连接时，直流电压变换器的输入端被并联连接，并且中间电路电容器也并联连接。这在直流电压端子处的第一直流电压的情况下是有利的，所述第一直流电压小于第二直流电压。在较高的第二直流电压的情况下，中间电路电容器优选地相互串联连接。由此，仅直流电压端子处的电压的一半分别落在中间电路电容器之一上，使得所述中间电路电容器必须以较低的标称电压构造（在整个电压施加在仅一个电容器上的情况下）。控制装置被设立用于在整流器的单相运行的情况下，将配置电路设定为使得中间电路电容器并联连接（由此得出较高的电容），并且在三相运行的情况下操控配置电路为使得中间电路电容器相互串联连接，以便从而能够（根据分压器）将由于较高的相数而引起的较高的直流电压分配到两个电容器上。

在这里提及的控制装置因此被设立用于还优选地根据由整流器整流的电压的相位的数量来设定配置电路。可以规定，两个或更多个半桥获得相同的电压，其中在此情况下然而仅可以假定单相运行，并且因此经整流的电压与在整流器利用仅一个有源半桥运行时完全一样高。可以设置组合开关，所述组合开关将交流电压输入端的不同的相相互连接，使得施加的（单相）电压被分配到多个半桥上。隔离开关可以设置在半桥与交流电压端子之间，尤其是设置在交流电压端子的相端子与所提到的组合开关之间。

图1用于更详细地阐明用于充电和加热电路以及车辆电气系统的示例，如在这里所描述的。

图1示出充电和加热电路LS，所述充电和加热电路拥有交流电压端子WA。所述交流电压端子经由相P1至P3与外部三相电压源SN连接。电压源SN以星形配置示出，其中中性点经由中性线N被引出。交流电压端子WA还包括中性线端子，所述中性线端子与电压源SN的该中性线连接。电压源SN可以例如由交流电压供电电网构成。

电路LS此外包括具有正电位端子AN+（对应于正电位V+）和负电位端子AN-（对应于负电位V-）的直流电压端子GA。交流电压端子经由隔离开关T1至T4（单独地用于三个相以及用于中性线端子NK）以及经由串联电感L1至L3与整流器连接。整流器具有三个半桥HB1至HB3，所述半桥是完全可切换的。半桥的两个开关元件之间的在半桥HB1至HB3之内的相关的连接点经由相应的串联电感L1和隔离开关T1至T4与交流电压端子WA连接。

具有三个开关L1至L3的配置电路与两个电容器C1和C2连接，以便能够设定所述电容器的配置（串联或并联）。配置电路的第一开关S1连接到直流电压端子的第一电位AN+（正电位）上。第二开关S2连接到直流电压端子GA的第二电位、即负电位AN-上。第一电容器C1直接与第一电位V+（即与第一汇流排）连接并且经由第二开关与第二电位V-（即与第二汇流排）连接。

第二电容器C2与第二电位V-直接连接以及经由第一开关S1与第一电位V+（即与正电位）连接。两个电容器因此交替地（wechselseitig）经由两个开关S1、S2与不同的电位V+、V-连接。第三开关S3以可切换的方式将两个电容器相互（串联地）连接。开关S1至S3允许可选地设定并联配置或串联配置。一方面开关S1和S2以及另一方面开关S3交替地闭合或断开。如果开关S1、S2闭合，则开关S3断开。如果开关S3闭合，则开关S1和S2断开。

此外示出连接加热电阻H1至H7的其他可能性。这些加热电阻可以单独地或以任意相互组合的方式被设置。

第一可能性是尤其是经由开关H1将加热元件H1连接到相P1和P2上、即连接到交流电压端子WA的不同的相上，经由所述开关可以激活或去活该加热元件。在此情况下，加热元件H1和属于此的开关A1不直接地、而是经由隔离开关T1和T2与交流电压端子的相P1和P2连接。加热电阻H2用作这种配置的另一示例，所述加热电阻H2连接在第一相P1和第三相P3之间。此外可能的是，优选地经由所属的开关将加热元件连接到第二或第三相上，其中第二加热电阻H2经由所属的开关A2（经由隔离开关T3）连接到第三相P3上。

另一可能性是在交流电压端子WA的中性线端子NK（经由隔离开关T4）与相之一、尤其是第三相P3之间连接加热电阻H3，如在这里所示的。隔离开关T1至T3原则上是可选的，然而优选地被实施用于使得能够在故障情况下切断交流电压端子。加热电阻H3获得电压源SN的单有效电压，而加热电阻H1和H2获得线电压。

利用加热电阻H4示出另一可能性，所述加热电阻H4连接在交流电压端子的一个相（在这里：第一相P1与直流电压端子GA、尤其是直流电压端子的汇流排或电位AN+之间）。第四开关H4也经由自身的开关A4被连接，并且因此是可切换的。连接加热电阻所经由的开关也是可选的。

加热电阻H5和H6（经由第三隔离开关T3）连接在交流电压端子的一个相（在这里：第三相P3）与配置电路之间。在此情况下，加热电阻H5连接在第三相P3与配置电路的第三开关S3的一侧之间。借助于选择开关W1和W2可以选择是否将加热电阻H5与第三开关的以下侧连接，即所述侧经由第一电容器C1与直流电压端子的正电位V+（对应于第一汇流排AN+）连接或者经由换向开关W2并且因此经由第二电容器C2与直流电压端子的负电位V-或AN-连接。选择开关W1和W2以交替的方式闭合，然而从不同时闭合。然而，两个开关可以两者均断开。

加热电阻H6不经由选择开关W1、W2、而是直接地（尤其是仅经由开关A6）与开关S3的特定侧连接，即与经由第二电容器与直流电压端子的负电位V-或AN-连接的侧连接。甚至可能的是，不可选择地与第一电容器C1存在这种连接，所述电容器将相关的加热电阻与直流电压端子GA的正电位V+或AN+连接。

另一可能性是将加热电阻、在这种情况下加热电阻H7连接在半桥HB3的连接点VP3与第三开关S3或配置电路的一侧之间。代替如利用加热电阻H7所示的那样将加热电阻连接在半桥的连接点VP3或交流电压相与配置电路之间，加热电阻也可以连接在其他半桥HB1、HB2的其他交流电压相（连接点VP1或VP2）与配置电路之间。此外可能的是，将这种加热电阻连接到第三开关S3的经由第一电容器C1与直流电压端子GA的正电位AN+连接的侧上。

可以将蓄电池或者车辆电气系统或者直流电压变换器（Gleichspannungswandler）直接连接到直流电压端子GA上，所述直流电压变换器通向蓄电池。直流电压变换器的工作电感和工作开关可以分别与电容C1和C2并联地设置，所述工作电感和工作开关与相应的电容器C1、C2一起构成直流电压变换器。直流电压变换器可以被构造为电流隔离的或电流导通的（galvanisch leitend）。相关的直流电压变换器优选地以相同方式构造，然而也可以不同地构造，其中电容器C1和C2然而优选地是不同变换器的中间电路电容器，可以借助于配置电路彼此并联或串联地配置所述中间电路电容器。该配置涉及直流电压变换器的输入端。电容器C1和C2也可以以相同的方式构造并且尤其是具有相同的电容标称值。

Claims (10)

1.一种充电和加热电路（LS），所述充电和加热电路具有交流电压端子（WA）、直流电压端子（GA）和整流器（HB1-HB3、DH），所述整流器连接在所述交流电压端子（WA）与所述直流电压端子（GA）之间，其中所述充电和加热电路（LS）此外具有加热电阻（H1-H7），所述加热电阻与所述整流器连接，并且由此所述整流器被设立用于给所述加热电阻（H1-H7）供应电流。

2.根据权利要求1所述的充电和加热电路（LS），其中所述加热电阻（H1-H3）连接在所述整流器（HB1-HB3、DH）的输入端上，所述输入端与所述交流电压端子（WA）连接，或者所述加热电阻（H7）连接在所述整流器（HB1-HB3、DH）的输出端上，所述输出端与所述直流电压端子（GA）连接，或者所述加热电阻（H4-H6）将所述整流器（HB1-HB3、DH）的输入端与所述整流器（HB1-HB3、DH）的输出端连接。

3.根据权利要求1或2所述的充电和加热电路（LS），其中所述加热电阻（H1-H7）经由开关（A1-A7）与所述整流器（HB1-HB3、DH）连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的充电和加热电路（LS），其中所述加热电阻（H1、H2）连接在所述交流电压端子（WA）的不同的相（P1-P3）之间，所述加热电阻（H3）连接在所述交流电压端子（WA）的相（P1-P3）与所述交流电压端子（WA）的中性线端子（NK）之间，或者所述加热电阻（H4、H5、H6）连接在所述交流电压端子（WA）的相（P1-P3）与所述直流电压端子（GA）之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的充电和加热电路（LS），其中两个电容器（C1、C2）和配置电路（S1-S3）设置在所述直流电压端子（GA）与所述整流器（HB1-HB3、DH）之间，其中所述配置电路（S1-S3）被设立用于将所述电容器（C1、C2）可选地相互并联或串联连接，并且所述加热电阻（H7）连接在所述整流器的半桥的交流电压相（VP3）与所述配置电路（S1-S3）的配置开关（S3）之间，或者所述加热电阻（H5、H6）直接或经由选择开关（W1、W2）与所述配置电路的配置开关（S3）连接，所述配置开关将所述电容器（C1、C2）以可切换的方式相互连接，并且所述配置开关此外将所述配置电路（S1-S3）与所述交流电压端子（WA）的相连接。

6.根据前述权利要求中任一项所述的充电和加热电路（LS），其中所述整流器具有多个可控半桥（HB1-HB3），所述可控半桥分别具有两个开关元件，所述开关元件经由连接点（VP1-3）相互连接，所述连接点构成相关的半桥的交流电压相，并且其中在所述半桥（HB1-HB3）的交流电压相与所述交流电压端子的相（P1-P3）之间设置串联电感L1-L3。

7.根据权利要求6所述的充电和加热电路（LS），其中所述半桥（HB1-HB3）将正汇流排（V+）和负汇流排（V-）相互连接。

8.根据前述权利要求中任一项所述的充电和加热电路（LS），其中所述整流器具有二极管桥（DH），所述二极管桥具有两个经由连接点（VD）相互串联连接的二极管（D1、D2），其中所述交流电压端子（WA）的中性线触点（NK）直接与所述二极管桥（DH）的连接点（VD）连接。

9.一种车辆电气系统，所述车辆电气系统具有根据前述权利要求中任一项所述的充电和加热电路（LS）和蓄电池，所述蓄电池直接或间接地与所述充电和加热电路（LS）的直流电压端子（GA）连接。

10.根据权利要求9所述的车辆电气系统，其中所述蓄电池经由两个直流电压变换器与所述充电和加热电路（LS）的直流电压端子（GA）连接，其中所述直流电压变换器具有中间电路电容器（C1、C2），所述中间电路电容器由所述充电和加热电路（LS）的电容器构成，并且所述充电和加热电路（LS）具有配置电路（S1-S3），所述配置电路被设立用于将所述中间电路电容器（C1、C2）或所述直流电压变换器的输入端可选择地相互并联或串联连接。

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