CN102347628A - 车辆用的电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的车辆用的电源装置具备：行驶用电池(11)，其将多个电池单元(10)连接而成；输出开关(2)，其连接于行驶用电池(1)的输出侧；和预充电电路，其对连接于车辆侧的电容器(21)进行预备充电，在用预充电电路对电容器(21)进行了预备充电的状态下，将输出开关(2)切换为接通来对车辆侧提供电力。预充电电路(3)具备：多个预充电开关(4)，其将多个电池单元的连接点与电容器连接；和控制电路(5)，其对多个预充电开关进行接通断开控制，控制电路从与低电压的连接点连接的预充电开关向着与高电压的连接点连接的预充电开关依次切换为接通来进行预充电。由此，不使用大容量的预充电电阻和预充电开关也可快速对电容器进行充电。

Description

车辆用的电源装置
技术领域
本发明涉及将使车辆行驶的行驶用电池经由输出开关与车辆侧连接的电源装置，特别涉及具有在将输出开关切换为接通之前，对连接于车辆侧的大容量的电容器进行预备充电的预充电电路的车辆用电源装置。
背景技术
车辆用的电源装置，如图1所示，在将多个电池单元80串联连接而成的行驶用电池91的输出侧连接有输出开关的接触器92。该电源装置将接触器92切换为接通来将行驶用电池91与车辆侧连接。接触器92在不使用车辆的状态、例如将汽车的点火开关(未图示)断开的状态下被切换为断开。此外，在汽车碰撞时等也将接触器92断开来切断输出从而提高安全性。并且，图示的电源装置为了在防止各个电池单元80的过充电或过放电的同时对充放电进行控制，而具备检测各电池单元80的电压的电压检测电路98。行驶用电池91将多个电池单元80的连接点81经由连接检测开关84而成的电压检测线路99连接于电压检测电路98。电压检测电路98将该检测开关84切换为接通，根据输入的连接点81的电压来检测各个电池单元80的电压。
与行驶用电池91连接的车辆侧，将大静电容量的电容器21与负载20并联连接。这是为了瞬间输出较大的功率。该电容器21用行驶用电池91进行充电。因为电容器21的静电电容较大，所以完全被放电后的电容器21的充电电流变得非常大。因此，若在不对电容器21进行充电的状态下将接触器92切换为接通，则从行驶用电池91流过瞬间极大的充电电流，导致将接触器92的可动接点和固定接点熔敷等的损伤。若接点熔敷，则接触器92无法切换为断开，从而无法将行驶用电池91从负载20切断。为了防止该弊病，图1所示的车辆用的电源装置设有在将接触器92切换为接通之前用较小的充电电流对电容器21进行预充电的预充电电路93。
预充电电路93是预充电电阻97和预充电开关94的串联电路，与接触器92的接点并联连接。在将作为输出开关的接触器92切换为接通之前，该预充电电路93将预充电开关94切换为接通，来对电容器21进行预充电。预充电电路93能够在用预充电电阻97来限制进行预充电的电流的同时，对电容器21进行预充电。
预充电电路93尽量在短时间对电容器21进行预充电是很重要的。这是因为预充电所需的时间越短，则越能够缩短从将点火开关切换为接通到车辆能够行驶为止的时间。预充电电路虽然通过减小预充电电阻的电阻值能够缩短电容器的充电时间，但在使用了电阻值较小的预充电阻的情况下，流过较大的电流从而焦耳热变大。因此，预充电电阻使用了电阻值较小并且为了容许较大的焦耳热而额定功率较大的电阻器。因此，预充电电阻器自身的容量成为大容量。作为该预充电电阻，一般使用水泥电阻。并且，在使用了具有较小的电阻值的预充电电阻的情况下，预充电电流变得比较大，因此预充电开关也需要使用大电流用的开关。因此，现有的电源装置存在如下问题点：需要确保用于配置构成预充电电路的大容量的预充电电阻和大电流用的预充电开关的较大的空间，从而无法省空间地进行配置。此外，还存在如下问题点：因为使用大容量的预充电电阻和大电流用的预充电开关，所以预充电电路的部件成本较高，而且发热也变大。
为了消除以上缺点，开发了一种电源装置，其用DC/DC转换器逐步提高区别于使车辆行驶的电池而设置的车载用电池的输出，来对电容器进行充电。(参照专利文献1)
专利文献1：JP特开2009-153245号公报
专利文献1所记载的电源装置，对DC/DC转换器的输出电压进行控制，逐步提高对电容器进行充电的电压来进行充电，因此不需要使用大容量的预充电电阻和预充电开关。但是，该电源装置存在如下缺点：电容器的预充电需要复杂电路结构的DC/DC转换器。此外，该电源装置为了对电容器进行预充电，除了DC/DC转换器之外还需要专用的电池。进而，还需要用于对该电池进行充电的充电电路，从而电路结构变得更加复杂。该缺点通过并用搭载于车辆的电装用的电池能够消除。但是，用电装用的电池来对电容器进行预充电的电路结构，会将高电压的行驶用电池的接地线连接于底盘接地(chassis earth)，从而无法将行驶用电池从底盘接地绝缘。混合动力汽车或电动汽车将高电压的行驶用电池从车辆的底盘接地绝缘从而提高了安全性。用电装用电池来对电容器进行预充电的电源装置需要连接电装用电池和行驶用电池的负极侧。因为将电装用电池与车辆的底盘接地连接，所以行驶用电池的负极侧也与底盘接地连接。
发明内容
本发明为了解决以上的缺点而开发。本发明的重要目的在于，提供一种车辆用的电源装置，其能够不使用大容量的预充电电阻和预充电开关地快速对电容器进行预充电，并且能够在将行驶用电池从底盘接地绝缘的状态下对电容器进行预充电。
本发明的车辆用的电源装置具备：行驶用电池1，其将多个电池单元10串联连接而成；输出开关2，其连接于该行驶用电池1的输出侧；和预充电电路3、33，其对从行驶用电池1提供电力的车辆侧连接的电容器21进行预备充电。车辆用的电源装置在用预充电电路3、33对电容器21进行了预备充电的状态下，将输出开关2切换为接通来从行驶用电池1向车辆侧提供电力。预充电电路3、33具备：多个预充电开关4、34，其将多个电池单元10的连接点11与电容器21连接来进行预充电；和控制电路5、35，其对多个预充电开关4、34进行接通断开控制，控制电路5、35从与低电压的连接点11连接的预充电开关4、34向着与高电压的连接点11连接的预充电开关4、34依次切换为接通来对电容器21进行预充电。
以上的车辆用的电源装置能够不使用大容量的预充电电阻和预充电开关地快速对电容器进行预充电。此外，还具有能够在将高电压的行驶用电池从底盘接地绝缘的状态下对电容器进行预充电的特征。这是因为将构成了行驶用电池的电池单元的连接点从低电压侧逐渐连接于高电压侧来对电容器进行充电。
本发明的车辆用的电源装置具备电压检测电路8、38，其对行驶用电池1的电池单元10的电压进行检测，该电压检测电路8、38将对电池单元10的电压进行检测的检测开关14切换为接通来与电压输入侧连接。此外，通过将该检测开关14与电容器连接，能够将检测开关14并用作预充电开关4、34。
以上的车辆用的电源装置将为了检测电池单元的电压而设置的开关并用作预充电开关，因此能够不设置专用的预充电开关，并且能够以简单的电路结构来对电容器进行预充电。
本发明的车辆用的电源装置可以将预充电开关4、34经由预充电电阻7、37与电容器21连接。
以上的电源装置能够在限制流过预充电开关的电流的同时对电容器进行预充电。这是因为能够用预充电电阻来限制预充电开关的电流。该电源装置需要预充电电阻，但因为能够减小预充电电阻的电压降来对电容器进行预充电，所以能够用预充电电阻的容量即W数较小的预充电电阻来对电容器进行预充电。
本发明的车辆用的电源装置可以将二极管6串联连接于预充电开关4。
以上的电源装置能够经由预充电开关使行驶用电池的电池单元不短路地、安全地对电容器进行预充电。
本发明的车辆用的电源装置，控制电路5、35可以对电容器21的电压进行检测来将预充电开关4、34切换为接通，或者用计时器18来将预充电开关4切换为接通。
如上那样，对电容器的电压进行检测并对预充电开关进行控制来对电容器进行预充电的电源装置能够快速地对电容器进行预充电。此外，用计时器控制预充电开关来对电容器进行预充电的电源装置能够以简单的电路结构来对电容器进行预充电。
本发明的车辆用的电源装置可以使预充电开关4、34为半导体开关元件。
作为半导体开关元件的预充电开关，与作为具有机械接点的开关的接触器等相比能够低成本且省空间地配置，并且还具有能够提高可靠性的特征。此外，因为不存在机械接点那种劣化，所以还具有能够延长寿命的特征。
附图说明
图1是现有的车辆用的电源装置的概要结构图。
图2是本发明的一个实施例所涉及的车辆用的电源装置的概要结构图。
图3是本发明的其他实施例所涉及的车辆用的电源装置的概要结构图。
(符号说明)
1...行驶用电池
2...输出开关
3...预充电电路
4...预充电开关
5...控制电路
6...二极管
7...预充电电阻
8...电压检测电路
9...电压检测线路
10...电压单元
11...连接点
14...检测开关
15...检测电路
16...电容器电压检测开关
17...检测电阻
18...计时器
20...负载
21...电容器
22...电动机
33...预充电电路
34...预充电开关
35...控制电路
36...半导体开关元件
37...预充电电阻
38...电压检测电路
39...电压检测线路
80...电池单元
81...连接点
84...检测开关
91...行驶用电池
92...接触器
93...预充电电路
94...预充电开关
97...预充电电阻
98...电压检测电路
99...电压检测线路
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施例进行说明。其中，以下所示的实施例举例说明了用于将本发明的技术思想具体化的车辆用的电源装置，本发明不将车辆用的电源装置特定为以下实施例。并且，该说明书为了使权利要求书容易理解，而将与实施例所示的部件对应的编号附记于“权利要求书”以及“发明内容”所示的部件。但是，权利要求书所示的部件决不特定为实施例的部件。
图2和图3所示的车辆用的电源装置搭载于混合动力汽车或者电动汽车，对作为负载20而连接的电动机22进行驱动来使车辆行驶。该图的电源装置具备：行驶用电池1；输出开关2，其连接于该行驶用电池1的输出侧，控制向车辆侧的负载20的电力提供；和预充电电路3、33，其在将输出开关2切换为接通之前，对负载20的电容器21进行预充电。
车辆侧的负载20并联连接有大容量的电容器21。在将输出开关2切换为接通的状态下，该电容器21与行驶用电池1一起对负载20提供电力。特别是从电容器21对负载20瞬间提供大电力。因此，通过将电容器21与行驶用电池1并联连接，能够增大可提供给负载20的瞬间电力。能够从电容器21提供给负载20的电力与静电电容成比例，因此该电容器21使用例如4000～6000μF的极大静电电容的电容器。处于放电状态的大电容的电容器21若与输出电压较高的行驶用电池1连接，则瞬间流过极大的充电电流。这是因为电容器21的阻抗非常小。
行驶用电池1对使车辆行驶的电动机22进行驱动。行驶用电池1将多个电池单元10串联连接来提高输出电压，使得能够对电动机20提供大电力。电池单元10使用镍氢电池或锂离子二次电池。其中，二次电池可以使用镍镉电池等能够充电的所有电池。行驶用电池1例如使输出电压高达200～400V，使得能够对电动机22提供大电力。不过，对装备了对电池的电压进行升压后提供给电动机的DC/DC转换器(未图示)的车辆侧的负载提供电力的行驶用电池，也可以降低电池的电压来对电动机提供大电力。该电源装置可以减少串联连接的二次电池的个数，来降低行驶用电池的输出电压。因此，行驶用的电池例如可以使输出电压为100～400V。
预充电电路3、33一边限制电流，一边用行驶用电池1对电容器21进行预充电。在预充电电路3、33对电容器2进行了预充电的状态下，输出开关2被切换为接通，从而行驶用电池1与输出侧的负载20连接。输出开关2被控制电路(未图示)控制，在对电容器21进行了预充电之后被切换为接通状态。输出开关2是对励磁线圈通电来将接点切换为接通的继电器式的接触器或者IGBT等半导体开关元件。
图2和图3的预充电电路3、33具备与电池电源10的连接点11连接的预充电开关4、34、和对该预充电开关4、34进行接通断开控制的控制电路。
预充电开关4、34是将多个电池单元10的连接点11连接于电容器21来对电容器21进行预充电的开关，使用半导体开关元件。半导体开关元件是光电MOS开关或FET。预充电开关4、34以将电池单元10的各个连接点11与电容器21连接的方式连接。半导体开关元件以能够从连接点11向着电容器21流过电流的方式连接。像这样，使预充电开关4、34为半导体开关元件的结构还具有能够以低成本省空间地配置，同时能够提高可靠性的特征。
图2的预充电电路3将二极管6与预充电开关4串联连接。二极管6也在能够从连接点11向着电容器21流过电流的方向上连接。将二极管6与预充电开关4串联连接的预充电电路3，即使同时将多个预充电开关4切换为接通，也不会经由预充电开关4而将电池单元10的连接点11之间短路。因此，该预充电电路3在对电容器21进行预充电的状态下也能够将多个预充电开关4同时保持为接通状态。
图2的预充电电路3经由预充电电阻7将二极管6的输出侧与电容器21连接。预充电电阻7限制流过预充电开关4的电流。图2的预充电电阻7与构成图1所示的使行驶用电池91不通过电压检测线路地连接于电容器21的现有的电源装置的预充电电路93的预充电电阻97相比，能够使用非常小的小容量的、即额定功率较小的电阻。预充电电阻7的额定功率与施加于两端的电压差和电流的积成比例。图2的预充电电阻7通过将预充电开关4依次切换为接通而施加于预充电电阻两端的电压差变小，因此能够减小额定功率和容量。能够减小施加于预充电电阻7的两端的电压差是因为，通过对电容器21进行预充电后随着电压的上升而连接高电压的连接点11，能够减小电容器21和连接点11的电压差。像这样，小容量且额定功率较小的预充电电阻7还具有能够减小电路的空间来省空间地进行配置的特征。并且，不一定需要预充电电阻。这是因为通过减小电容器21和连接点11的电压差，能够将电容器21的预充电流限制得较小。因此，也可以将二极管的输出侧直接连接于电容器来对电容器进行预充电。该结构能够进一步减小电路的空间。
并且，预充电电路33，如图3所示，可以不使用二极管地将连接点11与电容器21连接，来对电容器21进行预充电。该预充电电路33将任意一个预充电开关34接通，将其他所有的预充电开关断开，同时一边从低电压的连接点11切换到高电压的连接点11，一边与电容器21连接来对电容器21进行预充电。
图2的预充电电路3将二极管6的输出侧经由预充电电阻7与电容器21连接，而图3的预充电电路33经由电压检测电路38和预充电电阻37将预充电开关34的输出侧与电容器21连接。该预充电电路33能够利用电压检测电路38的电压检测线路39来对电容器21进行预充电。并且，图3的预充电电路33将半导体开关元件36与预充电电阻37串联连接。该半导体开关元件36在对电容器21进行预充电的定时被切换为接通，在预充电结束的状态下被切换为断开。该预充电电阻37与以往的预充电电阻相比，也能够使用极小的小容量、即额定功率较小的电阻。因此，能够使预充电电阻低成本，同时省空间的进行配置。另外，也可以不设置预充电电阻7、37地对电容器21进行预充电。
图2和图3的电源装置，将预充电开关4、34并用作由电压检测电路8、38对连接点11的电压、即电池单元10的电压进行检测的开关。并且，将对电池单元10的电压进行检测的电压检测线路9、39还并用作对电容器21进行预充电的线路。换言之，将为了对电池单元10的电压进行检测而设置的电路的一部分并用作对电容器21进行预充电的电路。由于该电源装置将对电池单元10的电压进行检测的电路并用于电容器21的预充电，因此能够使电路结构更简单。
将多个电池单元10串联连接来提高输出电压的车辆用的电源装置，在防止各个电池单元10的过充电和过放电的同时对充放电进行控制。这是为了防止过充电或过放电所导致的电池单元10的劣化。电池单元10是一个电池或将多个电池串联连接。锂离子电池由一个电池构成电池单元，镍氢电池或镍镉电池由多个电池构成电池单元。不是以行驶用电池1整体而是以电池单元10为单位来防止过充电和过放电的电源装置，能够防止所有的电池单元10的劣化，从而能够延长行驶用电池1的寿命。换言之，由于具备多个电池单元10而变得高价的行驶用电池1，为了减少劣化从而延长寿命，几乎无例外地对电池10的电压进行检测，从而以电池单元10为单位防止劣化。因此，将对电池单元10的电压进行检测的电路使用于电容器21的预充电的电源装置能够减少为了对电容器21进行预充电而设置的专用的电路，从而能够使对电容器21进行预充电的电路廉价。
预充电开关4、34由控制电路5、35来切换为接通断开，将连接点11依次与电容器21连接。控制电路5、35对预充电开关4、34进行接通断开控制，使得从低电压的连接点11向着高电压的连接点11依次与电容器21连接，来对电容器21进行预充电。对电池单元10的电压进行检测的检测开关14由内置于电压检测电路8、38的控制电路5、35切换为接通断开。将检测开关14并用作预充电开关4、34的电源装置，可以将对检测开关14进行接通断开控制的控制电路5、35，用作预充电开关4、34的控制电路。不过，虽未作图示，但可以不将检测开关并用作预充电开关而设置专用的半导体开关元件。此外，对预充电开关进行控制的控制电路也可以不内置于电压检测电路而专用地设置。
控制电路5、35检测电容器21的电压，并将预充电开关4、34依次切换为接通，或者用计时器18来将预充电开关4依次切换为接通。检测电容器21的电压来将预充电开关4切换为接通的预充电电路3、33具备检测电容器21的电压的检测电路15。图2和图3的预充电电路3、33具备进行电容器21的电压的检测、输出开关的继电器的接通断开的检测、或继电器的溶敷检测的检测电路15。该检测电路15由电容器电压检测开关16和检测电阻17的串联电路构成。不过，不一定需要设置该检测电路15，可以将半导体开关元件36和预充电电阻37并用作检测电路15。该预充电电路3、33由控制电路5、35来检测电容器21的电压，并将预充电开关4、34依次切换为接通。若电容器21的电压和连接点11的电压差成为设定值，则该控制电路5、35将预充电开关4、34依次切换为接通，来对电容器21进行预充电。即，依次将高电压的连接点11与电容器21连接来对电容器21进行充电，使得电容器21和连接点11的电压差不小于设定值。
此外，控制电路5，如图2的虚线所示，也可以用计时器18来将预充电开关4依次切换为接通。该控制电路5用计时器18来确定将各个预充电开关4切换为接通的定时。该控制电路5随着电容器21的电压的上升，在确定的定时将电容器21与更高电压的连接点11连接，来对电容器21进行充电。
电容器21被预充电后，将输出开关2切换为接通，将行驶用电池1的输出侧与负载20连接。图2和图3的电源装置仅在行驶用电池1的正极侧连接了输出开关2，但也可以在行驶用电池的正极侧和负极侧都连接输出开关。连接于正极侧和负极侧的输出开关，将两者都切换为接通来将行驶用电池与车辆侧的负载连接。在异常时将正极侧和负极侧这两者的输出开关切换都为断开，来切断电源装置的输出电压。并且，连接于行驶用电池的负极侧的输出开关，在对电容器进行预充电的状态下被切换为接通，正极侧的输出开关，在对电容器进行了预充电之后被切换为接通。

Claims (6)

1.一种车辆用的电源装置，其具备：
行驶用电池(1)，其通过将多个电池单元(10)串联连接而成；
输出开关(2)，其连接于该行驶用电池(1)的输出侧；和
预充电电路(3；33)，其对从所述行驶用电池(1)提供电力的车辆侧连接的电容器(21)进行预备充电，
在用所述预充电电路(3；33)对所述电容器(21)进行了预备充电的状态下，将输出开关(2)切换为接通来从行驶用电池(1)向车辆侧提供电力，
所述预充电电路(3；33)具备：多个预充电开关(4；34)，其将多个电池单元(10)的连接点(11)与电容器(21)连接来进行预充电；和控制电路(5；35)，其对多个预充电开关(4；34)进行接通断开控制，
控制电路(5；35)从与低电压的连接点(11)连接的预充电开关(4；34)开始向着与高电压的连接点(11)连接的预充电开关(4；34)依次切换为接通来对电容器(21)进行预充电。
2.根据权利要求1所述的车辆用的电源装置，其特征在于，
具备电压检测电路(8；38)，其对所述行驶用电池(1)的电池单元(10)的电压进行检测，
该电压检测电路(8；38)将对电池单元(10)的电压进行检测的检测开关(14)连接于输入侧，并将该检测开关(14)并用作预充电开关(4；34)。
3.根据权利要求1或2所述的车辆用的电源装置，其特征在于，
所述预充电开关(4；34)经由预充电电阻(7；37)与电容器(21)连接。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的车辆用的电源装置，其特征在于，
将二极管(6)串联连接于所述预充电开关(4)。
5.根据权利要求1～4的任意一项所述的车辆用的电源装置，其特征在于，
所述控制电路(5；35)对电容器(21)的电压进行检测来将所述预充电开关(4；34)切换为接通或断开，或者用计时器(18)来将所述预充电开关(4)切换为接通或断开。
6.根据权利要求1～5的任意一项所述的车辆用的电源装置，其特征在于，
所述预充电开关(4；34)是半导体开关元件。
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