直流-直流轉(zhuǎn)換器及預(yù)充電方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及直流-直流轉(zhuǎn)換器及預(yù)充電方法。一種直流-直流轉(zhuǎn)換器,包括:直流-直流轉(zhuǎn)換電路,其被配置為升高其低壓側(cè)由低壓電池提供的直流電壓,以對(duì)其高壓側(cè)與負(fù)載并聯(lián)連接的電容充電;旁路電路,其被配置為從直流-直流轉(zhuǎn)換電路的低壓側(cè)的低壓電池向該電容充電。
【專利說明】直流-直流轉(zhuǎn)換器及預(yù)充電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用在新能源汽車領(lǐng)域整車系統(tǒng)的直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器及預(yù)充電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]新能源乘用車中的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力不僅來自于發(fā)動(dòng)機(jī),而且來自驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池(包括高壓電池和低壓電池)及其配套的輔助設(shè)備,電動(dòng)汽車更是直接把動(dòng)力電池及電機(jī)作為整車唯一的動(dòng)力來源。比如整車系統(tǒng)(電壓等級(jí)<=60V)當(dāng)中動(dòng)力電池的負(fù)載就包括彼此并聯(lián)的電機(jī)控制器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、空調(diào)控制器等等,但是如電機(jī)控制器等負(fù)載因?yàn)橛泻艽蟮妮斎腚娙?,在高壓電池?duì)與負(fù)載并聯(lián)連接的電容Cl、C2或C3充電時(shí),電容Cl、C2或C3兩端的電壓會(huì)產(chǎn)生突變,導(dǎo)致在剛開始充電時(shí)有瞬間大電流,此電流可能會(huì)造成電容Cl、C2或C3的高壓擊穿,還可能進(jìn)一步損壞電機(jī)控制器內(nèi)部電路,因而在高壓電池或電池管理系統(tǒng)中一般都會(huì)增加一個(gè)預(yù)充電裝置(緩啟動(dòng)),在主繼電器Kl接通之前,先打開預(yù)充電回路,限制充電電流,對(duì)支撐電容Cl、C2或C3緩慢充電至某一電壓,然后再打開主繼電器Kl,如附圖1所示。
[0003]預(yù)充電路控制器可以內(nèi)置于動(dòng)力電池內(nèi)部或者電池管理系統(tǒng),甚至內(nèi)置于電機(jī)控制器內(nèi)部或者單獨(dú)作為一個(gè)模塊,來控制預(yù)充電回路及其主回路,如附圖1所示,可以通過選定合適的預(yù)充電功率電阻R1,通過預(yù)充電路控制器監(jiān)控預(yù)充電電流,采集預(yù)充電電壓反饋信號(hào),判斷預(yù)充電繼電器K2吸合及斷開時(shí)間,以及主繼電器Kl吸合時(shí)間。
[0004]但該類型的預(yù)充電回路,其具有以下缺點(diǎn):
[0005]1、需增加大功率預(yù)充電電阻Rl及預(yù)充電繼電器K2以及相應(yīng)的控制部分電路、散熱裝置,成本較高;
[0006]2、預(yù)充電繼電器K2與功率器件(Mosfet/IGBT)相比壽命較短;
[0007]3、預(yù)充電電阻Rl以及預(yù)充電繼電器K2因在整個(gè)預(yù)充電過程中都使用,因而其功率較大,尺寸較大,占用整車安裝空間;
[0008]4、預(yù)充電電阻Rl —旦設(shè)定,預(yù)充電電流就被限制在一定的范圍內(nèi),可移植性差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]為了解決以上技術(shù)問題,本發(fā)明提供了一種直流-直流轉(zhuǎn)換器,包括:直流-直流轉(zhuǎn)換電路,其被配置為升高其低壓側(cè)由低壓電池提供的直流電壓,以對(duì)其高壓側(cè)與負(fù)載并聯(lián)連接的電容充電;旁路電路,其被配置為從直流-直流轉(zhuǎn)換電路的低壓側(cè)的低壓電池向該電容充電。
[0010]本發(fā)明還提供了使用上述直流-直流轉(zhuǎn)換器的預(yù)充電方法,該方法包括:接通旁路電路,從直流-直流轉(zhuǎn)換電路的低壓側(cè)的低壓電池向其高壓側(cè)與負(fù)載并聯(lián)連接的電容充電;當(dāng)直流-直流轉(zhuǎn)換電路的高壓側(cè)電壓大于其低壓側(cè)電壓減去第I閾值的電壓時(shí),使能直流-直流轉(zhuǎn)換電路的升壓功能,從而升高其低壓側(cè)由低壓電池提供的直流電壓,以對(duì)該電容充電;當(dāng)直流-直流轉(zhuǎn)換電路的高壓側(cè)電壓大于其低壓側(cè)電壓加上第2閾值的電壓時(shí),斷開旁路電路;當(dāng)直流-直流轉(zhuǎn)換電路的高壓側(cè)電壓大于預(yù)充電需求電壓減去第3閾值的電壓時(shí),停止充電。
[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明的直流-直流轉(zhuǎn)換器及預(yù)充電方法,與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0012]1、復(fù)用DC-DC轉(zhuǎn)換器的升壓功能,增加相應(yīng)的簡單旁路電路及軟件控制,同時(shí)復(fù)用DC-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路及散熱裝置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓負(fù)載支撐電容的預(yù)充功能,降低成本;
[0013]2、取消原有預(yù)充電繼電器,替代以相應(yīng)功率的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Mosfet) /絕緣柵雙極型晶體管(IGBT),壽命得到增強(qiáng);
[0014]3、通過軟件設(shè)置預(yù)充電電壓、調(diào)整預(yù)充電電流等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同支撐電容的充電控制,可移植性強(qiáng);
[0015]4、預(yù)充電能量從低壓電池取電,減少了對(duì)高壓電池的依賴,特別是在高壓電池的充電狀態(tài)(state of charge, S0C)比較低時(shí),通過低壓電池來實(shí)現(xiàn)預(yù)充,保護(hù)高壓電池性能,防止其過度放電。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中整車系統(tǒng)之中的預(yù)充電裝置。
[0017]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的整車系統(tǒng)連接示意圖。
[0018]圖3是示出根據(jù)實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖4為預(yù)充電過程的流程圖。
[0020]圖5為預(yù)充電過程中的轉(zhuǎn)換條件示意圖。
[0021]圖6示出預(yù)充電各個(gè)階段工作模式及故障檢測。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在下面的描述中,闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便使所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員更全面地了解和實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。但是,對(duì)所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員明顯的是,本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)可不具有這些具體細(xì)節(jié)中的一些。此外,應(yīng)當(dāng)理解的是,本發(fā)明并不局限于所介紹的特定實(shí)施例。相反,可以考慮用下面所述的特征和要素的任意組合來實(shí)施本發(fā)明,而無論它們是否涉及不同的實(shí)施例。因此,下面的方面、特征、實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)僅作說明之用,而不應(yīng)看作是權(quán)利要求的要素或限定,除非在權(quán)利要求中明確提出。
[0023]現(xiàn)在以整車系統(tǒng)為背景來描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。
[0024]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的整車系統(tǒng)連接示意圖。
[0025]在整車系統(tǒng)層面上車輛控制單元(vehicle control unit, VQJ)、高電壓/電池管理系統(tǒng)(High voltage/battery management system, HV/BMS)以及 DC-DC 轉(zhuǎn)換器都在整車系統(tǒng)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)上,當(dāng)然整車CAN上還會(huì)有一些其他的控制單元,各個(gè)單元通過整車CAN網(wǎng)絡(luò)來相互通信。
[0026]圖2中的車載低壓電池(low voltage,LV)作為直流電壓源,經(jīng)由DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)升壓(BOOST)功能時(shí)的高壓側(cè)的與負(fù)載并聯(lián)連接的電容(如圖1所示的Cl、C2或C3)充電,當(dāng)充電完成時(shí),吸合如圖1所示的主繼電器K1,便可通過車載高壓電池對(duì)負(fù)載供電。[0027]在本發(fā)明中,通過對(duì)現(xiàn)有的車用DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整車高壓系統(tǒng)的預(yù)充電功能。也就是說,本發(fā)明的車用DC-DC轉(zhuǎn)換器不僅具有降壓(BUCK)、升壓的功能,還通過內(nèi)部軟、硬件的優(yōu)化,具備了預(yù)充電(Pre-Charge)的功能,替代了原有整車預(yù)充電電路(如圖1所示的預(yù)充電電阻R1、預(yù)充電繼電器K2及相應(yīng)的預(yù)充電控制電路),且其預(yù)充電電壓可通過內(nèi)部軟件配置,可移植性較強(qiáng)。
[0028]圖3是示出根據(jù)實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0029]DC-DC轉(zhuǎn)換器包括DC-DC轉(zhuǎn)換電路,DC-DC轉(zhuǎn)換電路包括開關(guān)元件K4和K5和電感LI,開關(guān)元件K4和K5彼此串聯(lián)連接在DC-DC轉(zhuǎn)換器的高壓側(cè)(即負(fù)載側(cè),HV端)的電力線與地線之間,電感L連接在開關(guān)元件K4和K5的中間點(diǎn)與轉(zhuǎn)換器的低壓側(cè)(即低壓電池側(cè),LV端)的電力線之間,在升壓過程中,控制單元(未示出)對(duì)開關(guān)元件K4和K5的接通/關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)將低壓電池提供的直流電壓升高,以對(duì)與負(fù)載并聯(lián)連接的電容充電。
[0030]此外,還可以在電感L與LV端的電力線之間設(shè)置彼此串聯(lián)連接的電阻R3和開關(guān)元件K6、K7,其中,在升壓過程中可以通過對(duì)流過電阻R3的電流進(jìn)行采樣來實(shí)時(shí)檢測LV端放電電流,開關(guān)元件Κ6用于斷開LV端,開關(guān)元件Κ7用于防止LV端反接。
[0031]類似地,在開關(guān)元件Κ4與HV端的電力線之間設(shè)置彼此串聯(lián)連接的電阻Rl、R2和開關(guān)元件Κ3,其中,在升壓過程中可以通過對(duì)流過電阻Rl、R2的電流進(jìn)行采樣來實(shí)時(shí)檢測HV端充電電流,以保護(hù)HV端的支撐電容,開關(guān)元件Κ3用于斷開HV端。
[0032]此外,開關(guān)元件Κ7可與二極管并聯(lián)連接,開關(guān)元件Κ3、Κ8可與二極管反并聯(lián)連接。
[0033]DC-DC轉(zhuǎn)換器還包括旁路電路,用于防止在剛開始充電時(shí)出現(xiàn)瞬間大電流而導(dǎo)致與負(fù)載并聯(lián)連接的電容的高壓擊穿,并用于對(duì)該電容充電,旁路電路包括在HV端的電力線與LV端的電力線之間設(shè)置的彼此串聯(lián)連接的電阻R4、開關(guān)元件Κ9、Κ8,其中,在旁路電路工作時(shí)通過電阻R4限制充電電流,開關(guān)元件Κ8在旁路電路工作時(shí)導(dǎo)通,開關(guān)元件Κ9在DC-DC轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)正常的降壓功能時(shí),防止HV端直接連接到LV端。
[0034]諸如Mosfet、IGBT等的晶體管可被適當(dāng)?shù)赜米魃鲜龈鱾€(gè)開關(guān)元件。
[0035]因此,通過取消原有整車預(yù)充電電阻及預(yù)充電繼電器(如圖1所示的Rl和K2),在DC-DC轉(zhuǎn)換器中增加相應(yīng)的簡單旁路電阻,復(fù)用DC-DC電路的升壓功能及散熱裝置,降低了成本。而且,取消原有的預(yù)充電繼電器,替代以功率MOS管或IGBT管,開關(guān)次數(shù)得到加強(qiáng),壽命得到加強(qiáng)。并且,通過接通旁路電路和/或DC-DC電路來調(diào)整預(yù)充電電流,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同支撐電容的預(yù)充電控制。而且,預(yù)充電能量從低壓電池取電,減少了對(duì)高壓電池(HV/BMS)的依賴,特別是在高壓電池SOC比較低時(shí),可通過低壓電池來實(shí)現(xiàn)預(yù)充電,從保護(hù)高壓電池性能,防止其過度放電。
[0036]圖4為預(yù)充電過程的流程圖。
[0037]預(yù)充電過程中分為5個(gè)階段:初始化階段、預(yù)連接階段、過渡階段、預(yù)充階段以及等待主機(jī)階段或超時(shí)。在整個(gè)預(yù)充電階段,系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行充電過程計(jì)數(shù)。
[0038]由于需要充電的電容、其容量及電壓等級(jí)一旦確定,結(jié)合充電電阻,其所需的總充電時(shí)間就必須在一定的范圍內(nèi),超過這個(gè)范圍就可以判斷充電超時(shí)或失敗;以及,若DC-DC轉(zhuǎn)換器充電完成,會(huì)發(fā)給上位機(jī)(如VCU)充電結(jié)束請求,VCU接收到請求后,判定充電是否結(jié)束,然后發(fā)送充電結(jié)束信息給DC-DC轉(zhuǎn)換器,讓其結(jié)束充電狀態(tài),若VCU長時(shí)間不響應(yīng),說明有通信故障,或VCU判定系統(tǒng)故障,這種情況下,也視為充電超時(shí)或失敗。[0039]因此,當(dāng)充電時(shí)間≥X ms或等待主機(jī)發(fā)送充電結(jié)束指令時(shí)間≥Y ms時(shí),判斷整個(gè)系統(tǒng)充電超時(shí),充電失敗。
[0040]初始化階段:DC-DC轉(zhuǎn)換器上電進(jìn)行初始化,發(fā)送自身故障信息給主機(jī),若無故障,則等待接收主機(jī)預(yù)充電指令。主機(jī)收到DC-DC轉(zhuǎn)換器發(fā)送的無故障信息后,根據(jù)整車狀態(tài)需求進(jìn)入預(yù)充電模式,發(fā)送預(yù)充電指令送給DC-DC轉(zhuǎn)換器,令其進(jìn)入預(yù)充電模式。
[0041]預(yù)連接階段:DC-DC轉(zhuǎn)換器接收到主機(jī)的預(yù)充電指令后,接通旁路電路,使開關(guān)元件K8導(dǎo)通,從LV端取電給HV端充電,同時(shí)分別循環(huán)讀取HV及LV電壓,由于考慮到開關(guān)元件等的電壓降,因此判斷HV電壓是否大于LV減去第I閾值的電壓,若不滿足,則繼續(xù)進(jìn)行充電,直到滿足條件,進(jìn)入下一階段。
[0042]過渡階段:在過渡階段時(shí),接通開關(guān)元件K3及K6,使能DC-DC電路升壓功能,此時(shí)旁路電路也同時(shí)工作,并且控制開關(guān)元件K4及K5的導(dǎo)通和關(guān)斷,同時(shí)分別循環(huán)讀取HV及LV電壓,判斷HV電壓是否大于LV加上第2閾值的電壓,若不滿足,則繼續(xù)進(jìn)行充電,直到滿足條件,進(jìn)入下一階段。
[0043]預(yù)充階段:在預(yù)充階段時(shí),斷開旁路電路,分別循環(huán)讀取HV電壓及預(yù)充電需求電壓,判斷HV電壓是否大于預(yù)充電需求電壓減去第3閾值的電壓,若不滿足,則繼續(xù)進(jìn)行充電,直到滿足條件,進(jìn)入下一階段。
[0044]等待主機(jī)指令階段或超時(shí):即最后一個(gè)階段,通過CAN總線,主機(jī)判斷以下條件:I =HV電壓是否大于預(yù)充電需求電壓減去第3閾值的電壓;條件2:充電時(shí)間≥ X ms是否滿足;條件3:等待主機(jī)發(fā)送充電結(jié)束的時(shí)間≥ Y ms是否滿足,若條件I滿足,條件2與條件3均不滿足,則預(yù)充充電成功。若條件2或條件3有任何一個(gè)不滿足,則充電失敗。
[0045]因此,通過設(shè)定第1、2、3閾值,可以設(shè)定各個(gè)階段的預(yù)充電目標(biāo)電壓,并且通過協(xié)同接通旁路電路和/或DC-DC電路,以及調(diào)節(jié)DC-DC電路中開關(guān)元件K4、K5的占空比,可以調(diào)整預(yù)充電電流,而且通過調(diào)節(jié)DC-DC電路中開關(guān)元件Κ4、Κ5的占空比,還可以獲得不同升壓比而達(dá)到不同的充電需求電壓,從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同支撐電容的充電控制,可移植性強(qiáng)。
[0046]圖5為預(yù)充電過程中的轉(zhuǎn)換條件示意圖。
[0047]預(yù)連接階段轉(zhuǎn)換到過渡階段的條件為:HV電壓大于LV電壓減去第I閾值;
[0048]過渡階段轉(zhuǎn)換到預(yù)充階段的條件為:HV電壓大于LV電壓加上第2閾值;
[0049]預(yù)充階段轉(zhuǎn)換到等待主機(jī)指令階段或超時(shí)的條件為:HV電壓大于充電需求電壓減去第3閾值。
[0050]圖6示出預(yù)充電各個(gè)階段工作模式及故障檢測。
[0051]旁路階段:從開始到LV端電壓等于LV+第2閾值內(nèi)工作。
[0052]DC-DC轉(zhuǎn)換器升壓階段:從LV端電壓等于LV-第I閾值到最后完成預(yù)充電過程都處于工作狀態(tài)。
[0053]在預(yù)連接階段,DC-DC轉(zhuǎn)換器通過內(nèi)部電路采集HV及LV電壓,判斷HV端是否有短路情況,比如在充電時(shí)間大于Zms時(shí)HV端電壓仍然小于第4閾值(如2V),則判定HV端有短路現(xiàn)象,并反饋故障信息。
[0054]在所有階段,DC-DC通 過采集相鄰時(shí)刻(t=IOms)的HV端電壓,判定HV端充電電壓是否有跌落情況發(fā)生,若有跌落則判定HV端有電壓跌落現(xiàn)象,并反饋故障信息。
[0055]雖然以上描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例,但本發(fā)明并不局限于此。所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以做出各種改變和修改,而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.一種直流-直流轉(zhuǎn)換器,包括: 直流-直流轉(zhuǎn)換電路,其被配置為升高其低壓側(cè)由低壓電池提供的直流電壓,以對(duì)其高壓側(cè)與負(fù)載并聯(lián)連接的電容充電; 旁路電路,其被配置為從直流-直流轉(zhuǎn)換電路的低壓側(cè)的低壓電池向該電容充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器,其中,旁路電路設(shè)置在轉(zhuǎn)換電路的高壓側(cè)的電力線與轉(zhuǎn)換電路的低壓側(cè)的電力線之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的轉(zhuǎn)換器,其中,旁路電路包括電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的轉(zhuǎn)換器,其中,旁路電路還包括與該電阻串聯(lián)連接的第一開關(guān)元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的轉(zhuǎn)換器,其中,旁路電路還包括與該電阻、第一開關(guān)元件彼此串聯(lián)連接的第二開關(guān)元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的轉(zhuǎn)換器,其中,第一開關(guān)元件和/或第二開關(guān)元件為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5的轉(zhuǎn)換器,其中,第一開關(guān)元件和/或第二開關(guān)元件為絕緣柵雙極型晶體管。
8.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1的直流-直流轉(zhuǎn)換器的預(yù)充電方法,該方法包括: 接通旁路電路,從直流-直流轉(zhuǎn)換電路的低壓側(cè)的低壓電池向其高壓側(cè)與負(fù)載并聯(lián)連接的電容充電; 當(dāng)直流-直流轉(zhuǎn)換電路的高壓側(cè)電壓大于其低壓側(cè)電壓減去第I閾值的電壓時(shí),使能直流-直流轉(zhuǎn)換電路的升壓功能,從而升高其低壓側(cè)由低壓電池提供的直流電壓,以對(duì)該電容充電; 當(dāng)直流-直流轉(zhuǎn)換電路的高壓側(cè)電壓大于其低壓側(cè)電壓加上第2閾值的電壓時(shí),斷開旁路電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法,其中,在接通旁路電路之前,直流-直流轉(zhuǎn)換器發(fā)送自身故障信息給控制單元; 若無故障,直流-直流轉(zhuǎn)換器在收到控制單元發(fā)送的預(yù)充電指令后才接通旁路電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法,其中,在斷開旁路電路后,當(dāng)直流-直流轉(zhuǎn)換電路的高壓側(cè)電壓大于預(yù)充電需求電壓減去第3閾值的電壓時(shí),當(dāng)充電時(shí)間大于第I上限時(shí)間時(shí),判定充電失敗。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法,其中,在斷開旁路電路后,當(dāng)直流-直流轉(zhuǎn)換電路的高壓側(cè)電壓大于預(yù)充電需求電壓減去第3閾值的電壓時(shí),等待控制單元發(fā)送充電結(jié)束指令,當(dāng)?shù)却刂茊卧l(fā)送充電結(jié)束指令時(shí)間大于第2上限時(shí)間時(shí),判定充電失敗。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的方法,其中,從接通旁路電路開始但尚未使能直流-直流轉(zhuǎn)換電路的升壓功能之前,當(dāng)充電時(shí)間大于第3上限時(shí)間時(shí),如果直流-直流轉(zhuǎn)換電路的高壓側(cè)電壓小于第4閾值,則判定高壓側(cè)出現(xiàn)短路。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的方法,其中,當(dāng)相鄰采集時(shí)刻的高壓側(cè)電壓出現(xiàn)跌落,則判定出現(xiàn)故障。
【文檔編號(hào)】H02M1/32GK103825458SQ201410106857
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】顧偉, 王慧玲 申請人:大陸汽車投資(上海)有限公司