CN103825458B - 直流-直流转换器及预充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流‑直流转换器及预充电方法。一种直流‑直流转换器，包括：直流‑直流转换电路，其被配置为升高其低压侧由低压电池提供的直流电压，以对其高压侧与负载并联连接的电容充电；旁路电路，其被配置为从直流‑直流转换电路的低压侧的低压电池向该电容充电。

Description

直流-直流转换器及预充电方法

技术领域

本发明涉及一种用在新能源汽车领域整车系统的直流-直流（DC-DC）转换器及预充电方法。

背景技术

新能源乘用车中的驱动动力不仅来自于发动机，而且来自驱动电机、动力电池（包括高压电池和低压电池）及其配套的辅助设备，电动汽车更是直接把动力电池及电机作为整车唯一的动力来源。比如整车系统（电压等级<=60V）当中动力电池的负载就包括彼此并联的电机控制器、DC-DC转换器、空调控制器等等，但是如电机控制器等负载因为有很大的输入电容，在高压电池对与负载并联连接的电容C1、C2或C3充电时，电容C1、C2或C3两端的电压会产生突变，导致在刚开始充电时有瞬间大电流，此电流可能会造成电容C1、C2或C3的高压击穿，还可能进一步损坏电机控制器内部电路，因而在高压电池或电池管理系统中一般都会增加一个预充电装置（缓启动），在主继电器K1接通之前，先打开预充电回路，限制充电电流，对支撑电容C1、C2或C3缓慢充电至某一电压，然后再打开主继电器K1，如附图1所示。

预充电路控制器可以内置于动力电池内部或者电池管理系统，甚至内置于电机控制器内部或者单独作为一个模块，来控制预充电回路及其主回路，如附图1所示，可以通过选定合适的预充电功率电阻R1，通过预充电路控制器监控预充电电流，采集预充电电压反馈信号，判断预充电继电器K2吸合及断开时间，以及主继电器K1吸合时间。

但该类型的预充电回路，其具有以下缺点：

1、需增加大功率预充电电阻R1及预充电继电器K2以及相应的控制部分电路、散热装置，成本较高；

2、预充电继电器K2与功率器件（Mosfet/IGBT）相比寿命较短；

3、预充电电阻R1以及预充电继电器K2因在整个预充电过程中都使用，因而其功率较大，尺寸较大，占用整车安装空间；

4、预充电电阻R1一旦设定，预充电电流就被限制在一定的范围内，可移植性差。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种直流-直流转换器，包括：直流-直流转换电路，其被配置为升高其低压侧由低压电池提供的直流电压，以对其高压侧与负载并联连接的电容充电；旁路电路，其被配置为从直流-直流转换电路的低压侧的低压电池向该电容充电。

本发明还提供了使用上述直流-直流转换器的预充电方法，该方法包括：接通旁路电路，从直流-直流转换电路的低压侧的低压电池向其高压侧与负载并联连接的电容充电；当直流-直流转换电路的高压侧电压大于其低压侧电压减去第1阈值的电压时，使能直流-直流转换电路的升压功能，从而升高其低压侧由低压电池提供的直流电压，以对该电容充电；当直流-直流转换电路的高压侧电压大于其低压侧电压加上第2阈值的电压时，断开旁路电路；当直流-直流转换电路的高压侧电压大于预充电需求电压减去第3阈值的电压时，停止充电。

根据本发明的直流-直流转换器及预充电方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1、复用DC-DC转换器的升压功能，增加相应的简单旁路电路及软件控制，同时复用DC-DC转换器内部电路及散热装置，可实现对高压负载支撑电容的预充功能，降低成本；

2、取消原有预充电继电器，替代以相应功率的金属氧化物半导体场效应管（Mosfet）/绝缘栅双极型晶体管（IGBT），寿命得到增强；

3、通过软件设置预充电电压、调整预充电电流等方式实现对不同支撑电容的充电控制，可移植性强；

4、预充电能量从低压电池取电，减少了对高压电池的依赖，特别是在高压电池的充电状态(state of charge，SOC)比较低时，通过低压电池来实现预充，保护高压电池性能，防止其过度放电。

附图说明

图1示出了现有技术中整车系统之中的预充电装置。

图2示出根据本发明的实施例的整车系统连接示意图。

图3是示出根据实施例的DC-DC转换器的整体结构图。

图4为预充电过程的流程图。

图5为预充电过程中的转换条件示意图。

图6示出预充电各个阶段工作模式及故障检测。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解和实现本发明。但是，对所属技术领域的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本发明并不局限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面所述的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的方面、特征、实施例和优点仅作说明之用，而不应看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。

现在以整车系统为背景来描述根据本发明的实施例。

图2示出根据本发明的实施例的整车系统连接示意图。

在整车系统层面上车辆控制单元（vehicle control unit，VCU）、高电压/电池管理系统（High voltage/battery management system，HV/BMS）以及DC-DC转换器都在整车系统的控制器局域网络(Controller AreaNetwork,CAN)上，当然整车CAN上还会有一些其他的控制单元，各个单元通过整车CAN网络来相互通信。

图2中的车载低压电池（low voltage，LV）作为直流电压源，经由DC-DC转换器对DC-DC转换器实现升压（BOOST）功能时的高压侧的与负载并联连接的电容（如图1所示的C1、C2或C3）充电，当充电完成时，吸合如图1所示的主继电器K1，便可通过车载高压电池对负载供电。

在本发明中，通过对现有的车用DC-DC转换器进行改进来实现对整车高压系统的预充电功能。也就是说，本发明的车用DC-DC转换器不仅具有降压（BUCK）、升压的功能，还通过内部软、硬件的优化，具备了预充电（Pre-Charge）的功能，替代了原有整车预充电电路（如图1所示的预充电电阻R1、预充电继电器K2及相应的预充电控制电路），且其预充电电压可通过内部软件配置，可移植性较强。

图3是示出根据实施例的DC-DC转换器的整体结构图。

DC-DC转换器包括DC-DC转换电路，DC-DC转换电路包括开关元件K4和K5和电感L1，开关元件K4和K5彼此串联连接在DC-DC转换器的高压侧（即负载侧，HV端）的电力线与地线之间，电感L连接在开关元件K4和K5的中间点与转换器的低压侧（即低压电池侧，LV端）的电力线之间，在升压过程中，控制单元（未示出）对开关元件K4和K5的接通/关断状态进行控制，从而实现将低压电池提供的直流电压升高，以对与负载并联连接的电容充电。

此外，还可以在电感L与LV端的电力线之间设置彼此串联连接的电阻R3和开关元件K6、K7，其中，在升压过程中可以通过对流过电阻R3的电流进行采样来实时检测LV端放电电流，开关元件K6用于断开LV端，开关元件K7用于防止LV端反接。

类似地，在开关元件K4与HV端的电力线之间设置彼此串联连接的电阻R1、R2和开关元件K3，其中，在升压过程中可以通过对流过电阻R1、R2的电流进行采样来实时检测HV端充电电流，以保护HV端的支撑电容，开关元件K3用于断开HV端。

此外，开关元件K7可与二极管并联连接，开关元件K3、K8可与二极管反并联连接。

DC-DC转换器还包括旁路电路，用于防止在刚开始充电时出现瞬间大电流而导致与负载并联连接的电容的高压击穿，并用于对该电容充电，旁路电路包括在HV端的电力线与LV端的电力线之间设置的彼此串联连接的电阻R4、开关元件K9、K8，其中，在旁路电路工作时通过电阻R4限制充电电流，开关元件K8在旁路电路工作时导通，开关元件K9在DC-DC转换电路实现正常的降压功能时，防止HV端直接连接到LV端。

诸如Mosfet、IGBT等的晶体管可被适当地用作上述各个开关元件。

因此，通过取消原有整车预充电电阻及预充电继电器（如图1所示的R1和K2），在DC-DC转换器中增加相应的简单旁路电阻，复用DC-DC电路的升压功能及散热装置，降低了成本。而且，取消原有的预充电继电器，替代以功率MOS管或IGBT管，开关次数得到加强，寿命得到加强。并且，通过接通旁路电路和/或DC-DC电路来调整预充电电流，从而实现对不同支撑电容的预充电控制。而且，预充电能量从低压电池取电，减少了对高压电池（HV/BMS）的依赖，特别是在高压电池SOC比较低时，可通过低压电池来实现预充电，从保护高压电池性能，防止其过度放电。

图4为预充电过程的流程图。

预充电过程中分为5个阶段：初始化阶段、预连接阶段、过渡阶段、预充阶段以及等待主机阶段或超时。在整个预充电阶段，系统都会进行充电过程计数。

由于需要充电的电容、其容量及电压等级一旦确定，结合充电电阻，其所需的总充电时间就必须在一定的范围内，超过这个范围就可以判断充电超时或失败；以及，若DC-DC转换器充电完成，会发给上位机（如VCU）充电结束请求，VCU接收到请求后，判定充电是否结束，然后发送充电结束信息给DC-DC转换器，让其结束充电状态，若VCU长时间不响应，说明有通信故障，或VCU判定系统故障，这种情况下，也视为充电超时或失败。

因此，当充电时间≥X ms或等待主机发送充电结束指令时间≥Y ms时，判断整个系统充电超时，充电失败。

初始化阶段：DC-DC转换器上电进行初始化，发送自身故障信息给主机，若无故障，则等待接收主机预充电指令。主机收到DC-DC转换器发送的无故障信息后，根据整车状态需求进入预充电模式，发送预充电指令送给DC-DC转换器，令其进入预充电模式。

预连接阶段：DC-DC转换器接收到主机的预充电指令后，接通旁路电路，使开关元件K8导通，从LV端取电给HV端充电，同时分别循环读取HV及LV电压，由于考虑到开关元件等的电压降，因此判断HV电压是否大于LV减去第1阈值的电压，若不满足，则继续进行充电，直到满足条件，进入下一阶段。

过渡阶段：在过渡阶段时，接通开关元件K3及K6，使能DC-DC电路升压功能，此时旁路电路也同时工作，并且控制开关元件K4及K5的导通和关断，同时分别循环读取HV及LV电压，判断HV电压是否大于LV加上第2阈值的电压，若不满足，则继续进行充电，直到满足条件，进入下一阶段。

预充阶段：在预充阶段时，断开旁路电路，分别循环读取HV电压及预充电需求电压，判断HV电压是否大于预充电需求电压减去第3阈值的电压，若不满足，则继续进行充电，直到满足条件，进入下一阶段。

等待主机指令阶段或超时：即最后一个阶段，通过CAN总线，主机判断以下条件：1：HV电压是否大于预充电需求电压减去第3阈值的电压；条件2：充电时间≥X ms是否满足；条件3：等待主机发送充电结束的时间≥Y ms是否满足，若条件1满足，条件2与条件3均不满足，则预充充电成功。若条件2或条件3有任何一个不满足，则充电失败。

因此，通过设定第1、2、3阈值，可以设定各个阶段的预充电目标电压，并且通过协同接通旁路电路和/或DC-DC电路，以及调节DC-DC电路中开关元件K4、K5的占空比，可以调整预充电电流，而且通过调节DC-DC电路中开关元件K4、K5的占空比，还可以获得不同升压比而达到不同的充电需求电压，从而可以实现对不同支撑电容的充电控制，可移植性强。

图5为预充电过程中的转换条件示意图。

预连接阶段转换到过渡阶段的条件为：HV电压大于LV电压减去第1阈值；

过渡阶段转换到预充阶段的条件为：HV电压大于LV电压加上第2阈值；

预充阶段转换到等待主机指令阶段或超时的条件为：HV电压大于充电需求电压减去第3阈值。

图6示出预充电各个阶段工作模式及故障检测。

旁路阶段：从开始到LV端电压等于LV+第2阈值内工作。

DC-DC转换器升压阶段：从LV端电压等于LV-第1阈值到最后完成预充电过程都处于工作状态。

在预连接阶段，DC-DC转换器通过内部电路采集HV及LV电压，判断HV端是否有短路情况，比如在充电时间大于Zms时HV端电压仍然小于第4阈值（如2V），则判定HV端有短路现象，并反馈故障信息。

在所有阶段，DC-DC通过采集相邻时刻（t=10ms）的HV端电压，判定HV端充电电压是否有跌落情况发生，若有跌落则判定HV端有电压跌落现象，并反馈故障信息。

虽然以上描述了本发明的示例性实施例，但本发明并不局限于此。所属技术领域的技术人员可以做出各种改变和修改，而不脱离本发明的精神和范围。本发明的范围仅由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种使用直流-直流转换器的预充电方法，所述直流-直流转换器包括：直流-直流转换电路，其被配置为升高其低压侧由低压电池提供的直流电压，以对其高压侧与负载并联连接的电容充电；旁路电路，其被配置为从直流-直流转换电路的低压侧的低压电池向该电容充电，该方法包括：

接通旁路电路，从直流-直流转换电路的低压侧的低压电池向其高压侧与负载并联连接的电容充电；

当直流-直流转换电路的高压侧电压大于其低压侧电压减去第1阈值的电压时，使能直流-直流转换电路的升压功能，从而升高其低压侧由低压电池提供的直流电压，以对该电容充电；

当直流-直流转换电路的高压侧电压大于其低压侧电压加上第2阈值的电压时，断开旁路电路。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在接通旁路电路之前，直流-直流转换器发送自身故障信息给控制单元；

若无故障，直流-直流转换器在收到控制单元发送的预充电指令后才接通旁路电路。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在断开旁路电路后，当直流-直流转换电路的高压侧电压大于预充电需求电压减去第3阈值的电压时，当充电时间大于第1上限时间时，判定充电失败。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在断开旁路电路后，当直流-直流转换电路的高压侧电压大于预充电需求电压减去第3阈值的电压时，等待控制单元发送充电结束指令，当等待控制单元发送充电结束指令时间大于第2上限时间时，判定充电失败。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，从接通旁路电路开始但尚未使能直流-直流转换电路的升压功能之前，当充电时间大于第3上限时间时，如果直流-直流转换电路的高压侧电压小于第4阈值，则判定高压侧出现短路。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，当相邻采集时刻的高压侧电压出现跌落，则判定出现故障。