CN104125893A - 用于连接/断开连接机动车辆中的能量存储单元的负载的装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的装置(2)包括能够将负载(LD)直接连接到电能存储单元(BAT)的第一断路器(201)，和能将负载连接到电能存储单元的第二断路器(202)，其具有限制可在电能存储单元和负载之间流动的电流(I)的效果。根据本发明，第二断路器包括晶体管(202)，该晶体管以线性策略被控制持续具有预定持续时间的时间段。根据另一特征，控制电路(21)设置有电流伺服控制环路(22、212、213、214)，用于第二断路器的晶体管(202)的线性策略控制。

Description

用于连接/断开连接机动车辆中的能量存储单元的负载的装置
技术领域
本发明大体涉及用于连接/断开连接机动车辆中的电能存储单元的负载的装置。更特别地，本发明涉及前述类型的装置，其中设置有设计为，当例如电容类型的负载被连接到电能存储单元时，限制电能存储单元供应的电流的器件。
背景技术
节能和减少污染的高度话题性考虑引领机动车辆制造商走车辆的电气化路线。全电动车辆和具有轻度混合动力和全混合动力类型的低CO2排放的车辆由此被提供给驾驶员。这些轻度混合动力和全混合动力技术对应于电气在车辆推进中的不同集成水平。
轻度混合动力应用通常并入大约8至20KW的电马达，例如，安装在热机的前表面上并通过传动带联接至热机的电马达。借助该类型的电马达，可以通过提供特别是在加快转速期间供应额外动力的电扭矩辅助而减少热机械化(“发电机缩小化”)的容积。此外，在低速下的牵引，例如在城市环境中，还可以通过该相同电马达被确保。“全混合动力”类型的应用通常包含用于串联和/或并联类型的架构的30至50KW的马达，其具有将电马达(一个或多个)并入车辆的牵引链中的更高发展水平。
在这些电动车辆中，机动车辆制造商通常选择包括电能存储电池，例如锂离子类型，其可以几十至几百伏范围的高电压运行。这些高电压使负载连接/断开连接装置的需求加重，首先是为了将高电压电池与车辆的其余部分绝缘，特别是当车辆停止或在售后服务操作期间，其次是为了确保电池的放电电流的限制，例如在电容类型的负载的连接期间。这些负载连接/断开连接装置由此为人们提供更大安全性，且使得可以通过确保电池可提供的最大电流的限制而延长电池以及连接至其的设备的服役寿命。
用于轻度或全混合动力类型车辆中的负载连接/断开连接装置的现有技术已知的标准布局是图1所呈现的那种。
如图1所示，负载连接/断开连接装置1安装在电池BAT的正端子B+和车辆的车载电网HV之间。电池BAT的端子B-连接到电网HV的地线。电网HV在该情况下是车辆的称为高电压网络的副电网，已知车辆将通常还装备有传统的12V电压网络，未示出。在图1中，呈现了连接至电网HV的电容负载LD。
在现有技术中，用于负载的连接/断开连接装置1通过机电接触器提供。
如图1所示，装置1包括主接触器10、辅助接触器11和限流电阻器12。
接触器10的电功率触点串联安装在电池BAT的端子B+和电网HV之间。与接触器10的电功率触点并联安装，装置1包括分流臂，其通过辅助接触器11的电触点与限流电阻器12串联而形成。分流臂还连接在端子B+和电网HV之间。
典型地，主接触器10是功率触点，其能抵抗大约几百安的高直流电流，例如是300A。除了将电池BAT连接至电网HV/从其断开连接的功能之外，接触器10还在电网HV发生意外(诸如短路)的情况下实现安全电路断路器的功能。
辅助接触器11和电阻器12允许以限制到预定最大强度的电流来预加载电容负载LD。电容负载LD例如包括可逆交流-直流(AC/DC)电流功率转换器，其连接至旋转电机。在这样的情况下，AC/DC的电容部件由被包括在转换器中的高电容滤波电容器获得。典型地，电机作为牵引马达或再生制动发电机运行。
为了负载LD的电预加载，控制电路(未示出)在命令辅助接触器11断开之前首先命令辅助接触器11闭合持续预定时间，并命令主接触器10闭合。由此，在辅助接触器11闭合的时间段期间，负载LD被供应有有限的电流，其允许其电容部件的通电，从而，当主接触器10闭合时，没有大的电流尖峰需求在电池BAT上产生。主接触器10和辅助接触器11通常通过车辆的电子控制单元(ECU)控制。
尽管根据现有技术的上述负载连接/断开连接装置从功能角度总体提供了满意度，但是其具有一些缺点，特别是尺寸、可靠性和成本方面。应注意到，对于400V-300A的接触器，典型地存在110x75x65mm的尺寸，以及强电流的大约仅几十个循环的有限可靠性。
发明内容
因此期望的是，提出新的方案，其允许负载连接/断开连接装置的更紧凑和可靠设计，同时减小它们的成本。
根据第一方面，本发明涉及一种负载连接/断开连接装置，以便装备机动车辆中的电能存储单元，所述装置包括能够将负载直接连接到电能存储单元的第一开关，和能将负载连接到电能存储单元的第二开关，其具有限制能在电能存储单元和负载之间流通的电流的效果。
根据本发明，第二开关包括晶体管，该晶体管以线性模式被控制持续具有预定持续时间的时间段，所述装置包括控制电路，其设置有电流控制环路，用于以线性模式控制第二开关的晶体管。
根据本发明的特定特征，
-能在电能存储单元和负载之间流通的电流被作为输入提供给控制环路的命令控制。
-第一开关包括晶体管，其以所谓的全有或全无开关模式中被控制。
根据本发明的另一实施例，第二开关包括多个晶体管，所述多个晶体管并联安装，每个晶体管在具有预定持续时间的时间段期间以线性模式被控制。
根据上述实施例的其他特定特征，
-所述装置包括控制电路，所述控制电路设置有电流控制环路，用于以线性模式控制第二开关的并联安装的所述多个晶体管中的至少一个晶体管。
-第一开关包括并联安装的多个晶体管，每个晶体管以所谓的全有或全无开关模式被控制。
根据本发明的又一特定特征，晶体管是MOS场效应晶体管(MOSFET)类型。
根据另外的方面，本发明还涉及车辆中的车载电网，在该电网中，设置上述的负载连接/断开连接装置，以便装备车辆的电能存储单元。
附图说明
参考附图，本发明现通过不同实施例被描述。应注意到，这些图的目的仅是示出说明的文字，它们并不以任何方式构成对本发明范围的限制。
图1示出根据现有技术的负载连接/断开连接装置的电气流程图；
图2示出根据本发明的负载连接/断开连接装置的特定实施例；和
图3示出包括在本发明另一实施例中的电路，包括并联安装的多个晶体管并装备有电流控制环路。
具体实施方式
参考图2和3，现将提供根据本发明的负载连接/断开连接装置2的多个实施例的描述。
如图2所示，根据本发明的负载连接/断开连接装置2安装在电路中，替代根据现有技术的装置1并在其位置处。
在该情况下，装置2大体包括两个电子开关201和202(为两个MOSFET通道N类型的功率晶体管的形式)、控制电路21和电阻分流器22。将注意到，根据本发明的应用，可使用其他类型的晶体管。
如图2所示，晶体管201和202头对尾安装，本征二极管(intrinsicdiode)具有相反的安装方向，以便提供两路开关功能。
晶体管201包括连接至电池BAT的端子B+的漏极D，和连接至晶体管202的源极S的源极S。晶体管202的漏极D通过电阻分流器22连接至高电压电网HV，因此通过装置2的功率电流I通过该电阻分流器22。
晶体管201和202的栅极G连接至控制电路21的控制输出端。
晶体管201直接被微控制器(μC)211通过其提供的控制信号CG1控制，该微控制器被包含在控制电路21中。称为驱动器的驱动器放大器2101使得可以将用于其应用的控制信号CG1适于晶体管201的栅极G。晶体管201以开关模式运行，即，在饱和状态中(电路闭合)或阻断状态中(电路断开)。
晶体管202被微控制器(μC)211通过电流控制环路控制。该控制环路大体包括差分放大器22、减法放大器213和矫正器214。晶体管202可根据两个模式运行，即，如晶体管202那样的开关模式，或线性模式。
差分放大器212从电阻分流器22的端子收集电压信息，该电压信息表示通过串联安装的晶体管201和202的实际电流I。
实际电流信息I是反作用信息，其应用于减法器213的一个—输入端。减法器213的+输入端接收设定电流，其具有微控制器(μC)211供应的控制信号CG2的形式。晶体管202由设定电流CG2和实际电流I之间的误差信号E控制。误差信号E通过矫正器214和驱动器放大器2102应用于晶体管202的栅极G。典型地，矫正器214是比例-积分(PI)类型。
在该实施例中，微控制器(μC)211包括软件模块2110，其根据被供应至装置2的命令CM来限定用于晶体管202的设定值和用于晶体管201的控制信号CG1。命令CM由车辆的电子控制单元(ECU)(未示出)提供，例如通过车辆的CAN类型的通信总线。晶体管202的漏极(D)和源极(S)电压可还供应至微控制器211，且用于确定晶体管的状态。
主要的全有或全无负载连接/断开连接功能由装置2通过处于开关模式的两个晶体管201和202的同时控制而执行。信号CG1和CG2则设定至电压水平使得晶体管201和202要么饱和、要么阻断。
在连接时，全有或全无开关被设计用于当负载为略微电容的或完全没有电容的时候。一旦连接命令被控制电路211接收，晶体管201和202的饱和则被控制，以便使电路闭合。在断开连接时，全有或全无开关应用于两种情况，即电容负载和非电容负载两者。
对于电容性负载，用电流预加载连接的功能通过晶体管201的饱和命令、晶体管202的线性模式命令以及最连接命令后晶体管202的饱和命令确保。晶体管201的饱和命令从连接命令开始时介入，且继续在连接命令持续期间被建立。从连接命令开始时起算，晶体管202的线性模式控制被建立持续具有预定持续时间Dpc的时间段。一旦该时间段Dpc已经逝去，晶体管202的饱和可贯穿其余连接持续时间被控制。
在预加载期间晶体管202以线性模式的运行允许由电池BAT提供的电流I的控制。电流I的强度可被微控制器211通过设定值CG2调节。电容性负载LD由此以电流被加载，其强度被控制和调节，以便防止电池和电子部件的任何劣化。
应在此指出，图2示出电气流程图，且本发明的不同实施例是可行的。
由此，例如应注意到，在本发明的一些应用中，晶体管201可还装备有调节环路，其类似于在图2中装备晶体管202的调节环路。在该情况下，两个晶体管201和202可以线性模式运行，其将使得可以控制沿另一方向的电流的限制，例如以便当电网HV的电压高于电池的电压时为电池BAT充电。
另外，晶体管201和202可被多个并联的晶体管替代，以便能够使更大电流通过。
图3示出n个开关IC1至ICn的并联安装，每个包括类似于图2的电流调节环路和MOSFET晶体管。这种类型的安装是可应用的，以便替换装置2中的图2中电路的单个晶体管202，其必须承受大电流。每个开关ICn则使电流I/n通过，且接收相应的设定值Cs。
还将注意到，在本发明的一些应用中，多个晶体管的并联安装可包括每个装备有控制环路的晶体管，和具有直接控制的其他晶体管，无论是否为饱和状态。
应意识到，本发明的不同变体可由受本发明教导的本领域技术人员制造。这些变体必须视为被包含在所附权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种用于负载的连接/断开连接的装置(2)，以便装备机动车辆中的电能存储单元(BAT)，包括能够将负载(LD)直接连接到电能存储单元(BAT)的第一开关(201)，和能将负载(LD)连接到电能存储单元(BAT)的第二开关(202)，其具有限制能在电能存储单元(BAT)和负载(LD)之间流通的电流(I)的效果，其特征在于，第二开关包括晶体管(202)，该晶体管以线性模式被控制持续具有预定持续时间(Dpc)的时间段，且所述装置包括控制电路(21)，所述控制电路设置有电流控制环路(22、212、213、214)，用于以线性模式控制第二开关的晶体管(202)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，能在电能存储单元(BAT)和负载(LD)之间流通的电流(I)被作为输入提供给控制环路(22、212、213、214)的设定值(CG2、Cs)控制。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，第一开关包括晶体管(201)，该晶体管以所谓的全有或全无开关模式被控制。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第二开关包括多个(n)晶体管(IC1、IC2、...ICn)，所述多个晶体管并联安装，每个晶体管在具有预定持续时间(Dpc)的时间段期间被以线性模式控制。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置包括控制电路，所述控制电路设置有电流控制环路(IC1、IC2、...ICn)，用于以线性模式控制第二开关的并联安装的所述多个晶体管中的至少一个晶体管。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，能在电能存储单元(BAT)和负载(LD)之间循环的电流被作为输入提供给控制环路的设定值(Cs)控制。
7.根据权利要求1或4所述的装置，其特征在于，第一开关包括并联安装的多个(n)晶体管，每个晶体管以所谓的全有或全无开关模式被控制。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的装置，其特征在于，晶体管(一个或多个)是MOSFET类型。
9.一种车辆中的车载电网，其特征在于，其包括根据权利要求1至8中的任一项所述的负载连接/断开连接装置，该装置装备车辆的电能存储单元。
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