CN105814306B - 用于双电池车辆架构的电流控制的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

这里描述了用于双电池车辆架构的电流控制的设备和方法。双电池车辆架构包括用于在停‑启情形中重启期间支持电负载(152)(例如收音机和导航系统)的第二能量源(150)。准二极管设备(105)被配置成有效将主电池(140)和启动器(142)电路(110)从包括第二能量源(150)的车辆电子系统(115)的其余部分分隔开。该准二极管设备包括多个场效应晶体管FET(107)，其当FET被开启时在主电池和启动器电路与车辆电子系统的其余部分之间的两个方向导通电流，且在FET被关闭时(即当在启‑停情形期间发生重启时)仅从主电池和启动器电路向车辆电子系统的其余部分导通电流。

Description

用于双电池车辆架构的电流控制的设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年9月18日提交的美国临时申请No.61/879,405和2014年7月17日提交的美国正式申请No.14/333,659的权益，其内容通过引用的方式结合于此。
技术领域
本申请关于车辆电子设备。
背景技术
一些车辆现在具有自动限制不动的车辆的空转的停-启系统。特别地，当车辆停止时，发动机计算机或控制单元停止打火和燃油供应。当驾驶员将其脚离开刹车时，或踩下离合器时，发动机再次点火。在这些停-启情形中，当通过主电池和启动器电路重新启动该车辆时，电流从整车电子系统提取。这可以导致关于整车电子系统(例如，收音机、导航和或其他车辆电子系统)的低电压情况。
发明内容
这里描述了用于双电池车辆架构的电流控制的设备和方法。双电池车辆架构包括用于在停-启情形中的重新启动期间支持电负载(例如收音机和导航系统)的第二能量源。准二极管设备(quasi-diode)被配置成有效将主电池和启动器电路从包括第二能量源的车辆电子系统的其余部分分隔开。该准二极管设备包括多个场效应晶体管(FET)，其当FET被开启时在主电池和启动器电路与车辆电子系统的其余部分之间的两个方向导通电流，且在FET被关闭时(即当在启-停情形期间发生重启时)仅从主电池和启动器电路向车辆电子系统的其余部分导通电流。
附图说明
图1示出了根据一个或多个公开的实施方式的示例双电池车辆架构和电路；
图2示出了根据一个或多个公开的实施方式的准二极管设备的示例高级框图；
图3示出了根据一个或多个公开的实施方式的准二极管设备的示例电路图；
图4示出了根据一个或多个公开的实施方式的准二极管设备的示例示意图；
图5示出了根据一个或多个公开的实施方式的准二极管设备的示例视图；
图6示出了根据一个或多个公开的实施方式的准二极管设备的示例立体图；
图7示出了根据一个或多个公开的实施方式的准二极管设备的示例内部视图；
图8示出了根据一个或多个公开的实施方式的移除外壳的准二极管设备的示例视图；以及
图9示出了根据一个或多个公开的实施方式的移除外壳和外罩的准二极管设备的示例视图。
具体实施方式
可以理解准二极管设备和相关联电路的实施方式的图和描述被简化以示出便于清楚理解的相关元件，同时为了清晰，删除了在典型技术中找到的许多其他元件。本领域技术人员可以知道在实施准二极管设备和相关联电路时，其他元件和/或步骤是期望和/或需要的。但是，由于这些元件和步骤是本领域公知的，并由于它们不会利于更好理解准二极管设备和相关联电路，因此本文没有提供对这些元件和步骤的描述。
这里描述的非限制性实施方式关于准二极管设备和相关联电路。这里描述和/或附图中示出的实施方式和变形仅以示例的方式给出且不限制范围和实质。可以在多个应用中使用准二极管设备和相关联电路。
一般地，在双电池车辆架构或系统中，准二极管设备被配置成有效地将主电池和启动器电路从车辆电子系统的其余部分(包括第二能量源)分隔开。该准二极管设备包括多个场效应晶体管(FET)，该FET在该FET被开启时在主电池和启动器电路与车辆电子系统其余部分之间的两个方向导通电流，且当FET关闭时(即，当在启-停情形期间发生重启时)仅从主电池和启动器电路向车辆电子系系统的其余部分导通电流。准二极管设备在重启期间限制第二能量源处的电压降并阻止从总电子系统向主电池和启动器电路提取电流。
与简单的半导体二极管相比，该准二极管设备使用FET来导通电流且因此具有更低的电压降和更少的功率损耗，这消除了对成本高的散热的需求。此外，与电机械方案相比(例如继电器)，准二极管设备提供更高的寿命周期和无噪声操作。
图1示出了示例双电池系统100，其使用连接在主电池和启动器电路110与其余车辆电子系统115之间的准二极管设备105。主电池和启动器电路110包括至少电池140和启动器142。其余车辆电子系统115包括至少第二能量源150和负载152。发电机160可以是主电池和启动器电路110的部分或其余车辆电子系统115的部分，这取决于车辆系统实施。
准二极管设备105包括并联连接的四(4)个N沟道FET 107。虽然在本文中的准二极管设备的描述中使用了N沟道FET，但是也可以使用P沟道FET而不偏离这里描述的发明的范围。准二极管设备105具有由发动机控制单元175提供的使能控制信号170，用于根据发动机重启条件开启或关闭准二极管设备105。在二极管仿真模式中，当使能控制信号170是低电平时，准二极管设备105被关闭，且电流从主电池和启动器电路110流向其余车辆电子系统115。在开启(ON)状态，当使能控制信号170是高电平或未连接时，准二极管设备105开启且电流在主电池和启动器电路110与其余车辆电子系统115之间的两个方向流动。虽然以下参照低电平有效使能控制信号来描述准二极管设备105，但是可以使用高电平有效使能控制信号而不背离这里描述的发明的范围。如下面进一步描述的，在启动期间，名义上没有电流流过准二极管设备，且在主电池和启动器电路110的电压低于其余车辆电子系统115。该双电池系统100设置有接地路径180。
在实施方式中，准二极管设备105可以由并联连接的4个OptiMOSTMN沟道0.9mΩ晶体管来实施(OptiMOSTM是Infineon技术公司的商标)，其中示意性工作特性和/或特征在表1中示出。
表1
图2示出了准二极管模块200的高级框图，该准二极管模块200具有四个输入信号：1)使能控制信号EN_Q，其是准二极管设备200控制信号且在该示例实施方式中是低电平有效；2)接地路径GND；3)电池电流连接BATT；以及4)其余车辆电子系统电流连接，其也称为配电板网络(boardnet，BN)。准二极管模块200包括连接到升压变换器模块210的滤波模块205、经由与(AND)逻辑门225连接到升压变换器模块210和快速栅极放电模块220的保护模块215。升压变换器模块210还连接到准二极管设备230。该准二极管设备230包括并联连接的多个FET 235。
BATT连接到多个FET 235的每一者的源极(3)，且BN连接到多个FET 235的每一者的漏极(2)。BATT和BN还连接到滤波模块205和保护模块215。控制信号EN_Q和保护模块215的输出连接到AND逻辑门225。AND逻辑门225的输出(控制信号关闭(SHDN))连接到升压变换器模块210和快速栅极放电模块220。升压变换器模块210和快速栅极放电模块220的输出连接到多个FET 235的每一者的栅极(1)。在实施方式中，如下面进一步描述的，准二极管设备230可以被实施在电力板240上，且滤波模块205、保护模块215、升压变换器模块210、快速栅极放电模块220和AND逻辑门可以被实施在控制板245上。
操作上，滤波模块205执行标准滤波和关于BATT和BN的过电压、过电流和反向电池保护。为了开启准二极管设备230，控制信号EN_Q是高电平或未连接，且栅极电压必须大于源极电压，该源极电压如上所述被连结到BATT。这通过升压变换器模块210来实现，其获取从滤波模块205出来的电压并将该电压升压一预定电压。该升压的电压然后成为栅极电压。在实施方式中，预定电压是十(10)伏特。
准二极管设备230可以是在三种模式或状态之一：开启状态、二极管仿真状态或短路状态。在二极管仿真状态，控制信号EN_Q是低电平，控制信号SHDN有效且升压变换器模块210无效或关闭。因此，准二极管设备230关闭。在该模式中，多个FET 235仿真理想二极管功能，也就是电流仅被允许从主电池和启动器电路110流到其余车辆电子系统115，如图1所示。
在开启状态，控制信号EN_Q是高电平或未连接(NC)，且只要BATT电压高于预定BN值，准二极管设备230在开启状态。一旦在控制信号EN_Q在高电平或未连接时检测到短路条件且BN电压变得高于BATT电压，则准二极管设备230从开启状态切换到短路状态以保护自己不受损坏。在短路状态中，FET 235被关闭。准二极管设备230处于该状态直到短路情形被纠正。在实施方式中，短路门限(shreshold)是BATT电压等于或高于BN电压的一半。短路功能由保护模块215实施，其使得控制信号SHDN在短路情况下为低电平。如图3所示，在示例实施方式中，短路门限能够由在比较器电路的输入处的电阻分压器比(resistive dividerratio)来设置。如图1所示，仅在主电池和启动器电路110(BATT)处检测短路到地。在其余车辆电子系统115(BN)处的短路(到地)检测是无效的，因为在BN方向的电流不能被阻断。
在短路的情况中，准二极管设备230中的能量必须快速耗散，否则可能损坏FET235。这通过快速栅极放电模块220来实施，其在控制信号SHDN为低电平时建立到地的路径。
图3示出了准二极管模块300的示例电路图，该准二极管模块300包括针对以下电路的示例电路：滤波电路305、升压变换器电路307、保护电路309和快速栅极放电电路311。控制信号EN-Q通过保护二极管304被10k电阻器302上拉。
滤波电路305具有：电池电流连接BATT，连结到电容器电路315和二极管317；和配电板网络连接BN，连结到电容器电路320和二极管321。电容器电路315和电容器电路320提供电磁干扰(EMI)滤波和静电放电(ESD)保护。二极管317和321提供反向电池保护。二极管317和321的输出一起连结在节点B+。电容器电路322提供进一步的EMI滤波。节点B+表示电压网且是在反向极性保护之后的供应电压。B+节点连接到电流限制电阻器325，其提供过电流保护。电流限制电阻器325的另一端连接到提供过电压保护的电路327。
升压变换器电路307使用开关模式提升(step-up)电路340，其具有连接到滤波电路305的输出的VIN针脚和连接到保护电路309的输出和控制信号EN_Q的SHDN针脚。开关模式提升电路340例如是微功率提升DC/DC变换器。升压变换器电路307的输出由电阻器342、晶体管346和电阻器346设定为VIN+10V。电压偏移，即在该示例中是10V，能够通过改变电阻器342、晶体管346和电阻器346的值来设定。
保护电路309包括常规配置的比较器电路350，该比较器电路350具有分别经由电阻器网络电路352和354连接的BATT和BN作为输入。如上所述，电阻器网络电路352和354能够被配置成建立短路门限。保护电路309的输出连接到开关模块提升电路340和快速栅极放电电路311。
快速栅极充电电路311具有两(2)个N沟道FET，分别是360和362，其在短路情况下(即当控制信号SHDN是低电平且有效时)提供到地的路径。快速栅极放电电路311的目的是非常快地关闭4个FET，例如图2中的多个FET 235。这通过提供放电路径以将4个FET栅极电荷接地来实现。如上所述，这发生在准二极管设备开启时。该快速放电在关闭升压变换器电路307(即将SHDN拉到低电平)的同时被激活，且通过EN_Q变为低电平或在当触发保护电路309时的短路情况下完成。
图4A、4B和4C示出了根据一个或多个公开的实施方式的准二极管模块400的示例封装示意图。特别地，图4A示出了BN连接器405、BATT连接器410和包括接地针脚415和控制信号EN_Q针脚420的连接器端口412的直接视图。图4B示出了准二极管模块400的仰视图，该仰视图内包括了用于周边密封的橡胶密封圈430和散热片440的视图。图4C示出了BN连接器405和连接器端口412的侧视图。
图5示出了根据一个或多个公开的实施方式的准二极管模式500的示例视图。特别地，外壳或封罩505与BN连接器510、BATT连接器515和连接器端口520一起被示出。
图6示出了根据一个或多个公开的实施方式的且特别地图5中示出的实施方式的仰视图的准二极管模块600的示例立体图。示出了BN连接器610、BATT连接器615、连接器端口620和散热片625。
图7示出了根据一个或多个公开的实施方式的移除了前表面或壁的准二极管模块700的示例内部视图。该准二极管模块700的视图示出了BN连接器710、BATT连接器715、地针脚720、EN_Q针脚725、控制板730、散热片735、热垫740、橡胶密封圈745以及电力板750。
图8示出了根据一个或多个公开的实施方式的移除了外壳的准二极管模块800的示例视图。该准二极管模块800的视图示出了BN连接器810、BATT连接器815、接地针脚820、EN_Q针脚825、控制板830、散热片835、热垫840、橡胶密封圈845、电力板850、BN连接器855、BATT连接器860和输出电压(用于FET的栅极)连接器865。
图9示出了根据一个或多个公开实施方式的移除了外壳和控制板的准二极管模块900的示例视图。该准二极管模块900的视图示出了BN连接器910、BATT连接器915、散热片935、热垫940、橡胶密封圈945、电力板950、BN连接器955、BATT连接器960、输出电压(用于FET的栅极)连接器965和FET 970。
虽然上面以特定组合描述了特征和元素，但是每个特征或元素能够在没有其他特征和元素的情况下单独使用或可以与或不与其他特征或元素的各种组合进行使用。

Claims (16)

1.一种用于在双电池系统中的电流控制的设备，包括：
多个场效应晶体管，电连接在车辆电子系统与电池和启动器电路之间；以及
升压变换器电路，提供比用于所述多个场效应晶体管的源极电压大预定电压的用于该多个场效应晶体管的栅极电压；
快速栅极放电电路，建立可切换的接地路径；
控制电路，电连接到所述多个场效应晶体管、所述升压变换器电路和所述快速栅极放电电路，
其中所述控制电路包括第一状态和第二状态，并且被配置为：
从发动机控制单元接收控制信号，以及
响应于所述控制信号处于第一电平：
将多个场效应晶体管切换到第一状态，其中所述第一状态允许在车辆电子系统与电池和启动器电路之间的电流流动，以及
关闭所述升压变换电路，以及
响应于所述控制信号处于第二电平：
接通所述升压变换器电路，以及
将所述多个场效应晶体管切换到第二状态，其中所述第二状态允许从所述电池和启动器电路到所述车辆电子系统的电流流动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中在所述控制信号在所述第二电平的情况下，禁止电流从所述车辆电子系统流向所述电池和启动器电路。
3.根据权利要求1所述的设备，所述控制电路还包括滤波电路，该滤波电路被配置成提供标准滤波和用于所述车辆电子系统和所述电池和启动器电路的过电压、过电流和反向电池保护。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述滤波电路电连接到所述升压变换器电路。
5.根据权利要求4所述的设备，所述控制电路还包括电连接到所述升压变换器电路的保护电路，该保护电路被配置成在检测到短路时关闭所述多个场效应晶体管。
6.根据权利要求5所述的设备，其中当所述电池和启动器电路处的电压超过所述车辆电子系统处的电压达短路门限时检测到所述短路。
7.根据权利要求6所述的设备，其中当所述电池和启动器电路处的所述电压等于或高于所述车辆电子系统处的所述电压的一半时，达到所述短路门限。
8.根据权利要求5所述的设备，其中所述快栅放电电路电连接到所述保护电路，并且所述快栅放电电路被配置为在短路的情况下建立到地的路径。
9.一种用于在双电池系统中的电流控制的装置，包括：
电力板，包括电连接到车辆电子系统电流和电池和启动器电流的场效应晶体管；以及
控制板，被配置成从发动机控制单元接收控制信号，且该控制板连接到所述车辆电子系统电流和所述电池和启动器电流，其中
所述控制板包括
升压变换器模块，被配置为提供比用于所述多个场效应晶体管的源极电压大预定电压的用于该多个场效应晶体管的栅极电压，以及
快速栅极放电模块，被配置为建立到地的可切换的接地路径路径；以及
所述控制板被配置成输出信号到所述电力板，其中
处于第一电平的所述控制信号被配置为将所述多个场效应晶体管切换到第一状态，以允许车辆电子系统与电池和启动器电路之间的电流流动，以及关闭所述升压变换器模块；以及
处于第二电平的所述控制信号被配置为将所述多个场效应晶体管切换到第二状态，以允许从所述电池和启动器电路到所述车辆电子系统的电流流动，以及接通所述升压变换器模块。
10.根据权利要求9所述的装置，其中在所述控制信号在所述第二电平的情况下禁止电流从所述车辆电子系统流向所述电池和启动器电路。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述控制板还包括：
滤波模块，被配置成提供滤波和用于所述车辆电子系统和所述电池和启动器电路的过电压、过电流和反向电池保护；
经由逻辑电路电连接到所述升压变换器模块和快速栅极放电模块的保护模块，其中在短路的情况下，所述逻辑电路被配置为输出关闭信号，所述保护模块被配置为同时关闭所述多个场效应晶体管，并且所述快速栅极放电模块被配置为建立到地的路径。
12.根据权利要求11所述的装置，其中当所述电池和启动器电路处的电压超过在所述车辆电子系统处的电压达短路门限时检测到所述短路。
13.根据权利要求12所述的装置，其中当所述电池和启动器电路处的所述电压等于或高于所述车辆电子系统处的所述电压的一半时，达到所述短路门限。
14.一种用于在双电池系统中的电流控制的方法，该方法包括：
在车辆电子系统与电池和启动器电路之间连接多个场效应晶体管；
将控制电路连接到所述多个场效应晶体管，其中该控制电路包含升压变换器电路和快速栅极放电电路，
通过所述控制电路从发动机控制单元接收控制信号；以及
响应于所述控制信号在第一电平将所述多个场效应晶体管切换到第一状态以允许在所述车辆电子系统与电池和启动器电路之间的电流流动，以及响应于所述控制信号在第二电平将所述多个场效应晶体管切换到第二状态以允许从所述电池和启动器电路到所述车辆电子系统的电流流动；其中
在所述第一状态下，所述方法还包括关断所述升压变换器电路并关闭所述多个场效应晶体管，以及
在所述第二状态下，所述方法还包括接通所述升压变换器电路，以将用于所述多个场效应晶体管的每个栅极的栅极电压升高到比用于所述多个场效应晶体管的每个源极的源极电压大预定电压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在所述控制信号在所述第二电平的情况下，禁止电流从所述车辆电子系统流向所述电池和启动器电路。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
通过确定在电池和启动器电路处的电压是否比车辆电子系统的电压超过短路门限来检测短路状况；
生成关闭信号；以及
在检测到短路时，同时关闭所述多个场效应晶体管并且建立到地的快速栅极放电路径，其中当所述电池和启动器电路处的所述电压等于或高于所述车辆电子系统处的电压的一半时，达到所述短路门限。
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