CN105914829B - 一种电动汽车的预充电装置及其预充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供本发明提供一种电动汽车的预充电装置，包括：连接在直流母线正负极上的预充电辅助装置，所述预充电辅助装置进一步包括电子控制单元和反击变换电路，其中：所述电子控制单元用于接收直流母线电压信号和动力电池电压信号，并在预充电过程中对以来自车载储能器件的电能给高压直流母线电容的充电进行控制；所述反击变换电路用于在所述电子控制单元控制下，在预充电开始时把来自车载储能器件的电能传输给高压直流母线电容进行充电。本发明可以大幅减小电动汽车和混动汽车高压电路的预充电时间和主继电器闭合时的突入电流。

Description

一种电动汽车的预充电装置及其预充电方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，尤其涉及一种电动汽车的预充电装置及其预充电方法。

背景技术

电动汽车以电能为能量来源。电能需要储存在动力电池中。动力电池和相关控制电路等组成电池包，其控制电路称为电池管理系统（BMS，Battery Management System）。BMS通过控制继电器控制动力电池和外部高压直流母线的连接。动力电池为电动汽车上的各种高压用电设备（比如驱动电机控制器、DC/DC变换器、高压空调压缩机驱动器等）提供直流电。这些用电设备并联在高压直流母线上，其直流输入端一般都设置有一个直流母线电容。电动汽车启动时，需要闭合主继电器给这些设备供电，由于这些电容的存在，如果直接闭合主继电器K_主（参见图1），那么由于闭合时电池侧和直流母线侧之间巨大电压差的存在，主继电器中将会流过极大的突入电流，直接损坏继电器或造成继电器寿命严重下降。

为了解决这个问题，现行方案一般是在主继电器两端并联一个预充电支路，如图1所示，预充电支路由预充电电阻R_预充和预充电继电器K_预充串联组成。高压系统上电时，先闭合预充电继电器，电池通过预充电支路给直流母线侧进行预充电。由于预充电电阻R_预充的限流作用，流过K_预充的电流会被限制在该继电器所能承受的范围内。待直流母线侧电压升至足够高，BMS检测到直流母线侧电压和电池电压相差足够小，BMS控制主继电器K_主闭合，高压上电过程结束。该方案在充电过程中的电流电压波形如图2所示。

上述现行方案中的预充电过程是一个RC暂态过程，理论上电池电压和直流母线电压之间的电压差一直存在，只是随着时间无限趋近于零。实际实践中，高压系统的上电时间不能无限长，需要满足规定的时间限制，因此一般只等到直流母线侧电压上升到电池电压的约90%时就闭合主继电器。此时主继电器两端仍然存在着相当大的电压差，因此主继电器闭合瞬间仍然会有相当大的突入电流。过大的突入电流会影响继电器工作的可靠性，降低继电器寿命，而且会产生严重的电磁干扰。而想要在限制时间内尽可能减小主继电器两端的电压差，就需要充电过程尽可能充分。由于高压直流母线侧的电容容量无法调整，就只能减小预充电电阻的阻值。但预充电电阻阻值的减小又会增加K_预充闭合时的突入电流，同样会带来诸多负面影响。

由此可见，现行方案虽然一定程度上减轻了继电器突入电流的问题，但带来了高压系统上电时间和继电器突入电流之间的矛盾。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种可以大幅减小汽车高压电路的预充电时间和主继电器闭合时的突入电流，同时能大幅加快高压系统上电速度的电动汽车的预充电装置及其预充电方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电动汽车的预充电装置，包括：

连接在直流母线正负极上的预充电辅助装置，所述预充电辅助装置进一步包括电子控制单元和反击变换电路，其中：

所述电子控制单元用于接收直流母线电压信号和动力电池电压信号，并在预充电过程中对以来自车载储能器件的电能给高压直流母线电容的充电进行控制；

所述反击变换电路用于在所述电子控制单元控制下，在预充电开始时把来自车载储能器件的电能传输给高压直流母线电容进行充电。

其中，所述反击变换电路包括功率开关器件、二极管和变压器，所述变压器的输入端与车载储能器件相连接，所述变压器的输出端并联在直流母线正负极上。

其中，所述电动汽车的预充电装置还包括：

并联在主继电器两端的预充电支路，所述预充电支路包括相互串联的预充电继电器和预充电电阻，所述预充电支路用于在预充电开始时把来自动力电池的电能传送给高压直流母线电容进行充电。

其中，所述预充电辅助装置在主继电器闭合前停止并结束工作。

其中，所述电子控制单元还用于在高压直流母线电容的充电过程中通过所述反击变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，使得高压直流母线侧电压最终稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

其中，所述电子控制单元包括反馈控制电路，用于以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，两者做差后得到电压误差，将所述电压误差经过控制算法运算后，得到所述反击变换电路中功率开关器件的驱动信号，用所述驱动信号对所述反击变换电路进行控制，以使高压直流母线侧的电压和动力电池电压保持相等。

其中，所述车载储能器件是车载12V蓄电池、车载18V蓄电池、车载24V蓄电池及车载48V蓄电池中的任一种。

本发明还提供一种电动汽车的预充电装置的预充电方法，包括：

步骤S1，预充电开始时，通过预充电辅助装置将车载储能器件的电能传送给高压直流母线电容进行充电；

步骤S2，在高压直流母线电容电压达到稳态，并且主继电器两侧的电压相等时闭合主继电器，预充电结束。

其中，所述预充电方法还包括步骤：

在预充电开始时，通过预充电支路将动力电池的电能传送给高压直流母线电容进行充电。

其中，预充电辅助装置在主继电器闭合前停止并结束工作。

其中，在高压直流母线电容的充电过程中，预充电辅助装置的电子控制单元通过反击变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，以使高压直流母线侧电压能稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

其中，所述电子控制单元通过反击变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，具体包括：

电子控制单元以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，对两者做差后得到电压误差，将该电压误差经过控制算法运算后，得到反击变换电路中功率开关器件的驱动信号，用所述驱动信号对反击变换电路进行控制，使主继电器两侧的电压相等。

实施本发明实施例将带来如下有益效果：一方面，通过合理设计，只要预充电辅助装置输出能力足够大，就能满足预充电过程的时间限制要求，甚至完全可以做到现行方案更快的充电速度，因此不存在充电时间和继电器突入电流之间的矛盾。另一方面，预充电辅助装置的电子控制单元可以对高压直流母线侧电压进行反馈控制，使得主继电器闭合前高压直流母线侧电压和动力电池电压几乎相等，因此主继电器闭合时突入电流很小，从而很好地保护了继电器，延长了继电器的寿命，提高了继电器工作的可靠性，同时也大大减少了电磁干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有电动汽车预充电电路原理示意图。

图2是现有电动汽车在充电过程中的电流电压波形示意图。

图3是本发明实施例一电动汽车的预充电装置的结构示意图。

图4是本发明实施例一电动汽车的预充电装置的预充电过程波形图。

图5是本发明实施例二电动汽车的预充电装置的结构示意图。

图6是本发明实施例二电动汽车的预充电装置的预充电过程波形图。

图7是本发明实施例三电动汽车的预充电装置的预充电方法的流程示意图。

具体实施方式

下面参考附图对本发明的优选实施例进行描述。

请参照图3所示，本发明实施例一提供一种电动汽车的预充电装置，包括：

并联在主继电器两端的预充电支路，该预充电支路包括相互串联的预充电继电器和预充电电阻，用于在预充电开始时把来自动力电池的电能传送给高压直流母线电容进行充电；

连接在直流母线正负极上的预充电辅助装置，该预充电辅助装置进一步包括电子控制单元和反击变换电路，其中：

电子控制单元用于接收直流母线电压信号和动力电池电压信号，并在预充电过程中对以来自车载储能器件的电能给高压直流母线电容的充电进行控制；

反击变换电路用于在电子控制单元控制下，在预充电继电器闭合时把来自车载储能器件的电能传输给高压直流母线电容进行充电；

该预充电辅助装置在主继电器闭合前停止并结束工作。

由上可知，本发明在现行方案的基础上增加了一个预充电辅助装置。具体来说，该预充电辅助装置中，反击变换电路包括功率开关器件Q、二极管D和变压器T，变压器T的输入端与车载储能器件相连接，变压器T的输出端并联在直流母线正负极上。可以理解的是，本实施例中，车载储能器件通常是指车载12V蓄电池，也可以是例如车载18V蓄电池、车载24V蓄电池或车载48V蓄电池等其他车载储能器件。

以下结合图4对本实施例的电动汽车的预充电装置的工作过程及原理进行说明。

0时刻，电动汽车开始预充电，BMS闭合预充电继电器K_预充。与此同时，预充电辅助装置开始工作，电子控制单元控制反击变换电路将车载储能器件中的电能传送到高压直流母线上。此时高压直流母线上的电容（即图3所示的等效直流母线电容C_等效）一方面通过预充电支路从动力电池获得电能，另一方面又通过预充电辅助装置从车载储能器件获得电能，因此充电速度要比现有方案中单纯通过预充电支路获取电能要快得多。

0→1时间段，预充电辅助装置的电子控制单元会对高压直流母线侧电压进行反馈控制，反馈控制的目标是使得高压直流母线侧电压跟踪动力电池电压。在反馈控制中，还可以优选地对预充电辅助装置的输出电流进行控制，防止输出电流超过反击变换电路的承受能力，并提升反馈控制的控制品质。在该阶段末期，高压直流母线侧电压达到动力电池电压，而且在预充电辅助装置的控制下动态地跟踪动力电池电压。

需要说明的是，反击变换电路的输出电流为高频脉动电流，图4所示为该高频脉动电流经过低通滤波（比如以开关器件Q的开关周期为长度进行移动平均）之后的波形。

1时刻，在主继电器K_主闭合前，预充电辅助装置停止并结束工作。要在主继电器K_主闭合前停止预充电辅助装置，是因为主继电器K_主闭合后高压直流母线侧电压不再可控，预充电辅助装置无法对高压直流母线电压进行正常控制。预充电辅助装置停止工作后，由于高压直流母线侧有微小的漏电流存在，因此高压直流母线侧电压会有轻微的下降。但是由于漏电流很小，等效的漏电电阻很大（10k欧姆以上），而预充电支路电阻较小（10欧姆左右），因此因漏电流造成高压直流母线侧电压和动力电池电压之间的差异极小，完全可以忽略。

2时刻，在预充电辅助装置停止工作后，BMS控制主继电器K_主闭合。高压直流母线侧电压已经达到稳态，而且在预充电辅助装置的控制下，动态地跟踪动力电池电压，主继电器K_主两侧的电压差几乎为零，因此闭合时产生的突入电流也极小。

3时刻，预充电继电器K_预充在主继电器K_主完全闭合后断开，预充电流程结束。

与现行方案相比，由于本实施例增加了预充电辅助装置，其带来的技术效果在于：

在0→1时间段，由于预充电辅助装置和预充电支路同时给高压直流母线侧充电，因此预充电速度要比现行方案（图4中虚线）快很多。因此，本发明实施例可以在大幅小于现行方案的时间内将高压直流母线侧电压充电至动力电池电压。

不仅如此，由于在0→1时间段内，预充电辅助装置的电子控制单元可以对高压直流母线侧电压进行反馈控制，使得主继电器K_主闭合前高压直流母线侧电压和动力电池电压几乎相等，因此主继电器K_主闭合时突入电流很小，从而很好地保护了继电器，延长了继电器的寿命，提高了继电器工作的可靠性，同时也大大减少了电磁干扰。具体来说，电子控制单元内部设置有反馈控制电路，以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，两者做差后得到电压误差，将该电压误差经过控制算法运算后，得到开关器件Q的驱动信号，用该驱动信号对反击变换电路进行控制，如此高压直流母线侧的电压就会被控制。上述反馈控制的效果就是反馈值（即高压直流侧电压）会最终跟随参考值（动力电池电压），高压直流母线侧电压会和动力电池电压保持大小相等，两者之间只会存在很小的误差波动，如果动力电池电压变化，那么高压直流母线侧电压会稍微滞后一点变化，但最终仍会变成和动力电池电压一样大小，于是主继电器K_主闭合时突入电流就很小，克服了现行方案中突入电流会增大的缺陷。

还需说明的是，电子控制单元除了接收直流母线电压信号和动力电池电压信号之外，根据具体实现的要求，还采集开关器件Q的电流。一般情况下，为了防止开关器件Q的电流过大导致开关器件Q或变压器T故障，一般都会采集开关器件Q的电流并进行闭环控制；另一方面，采集开关器件Q的电流并参与充电控制，可以提高控制的稳定性和鲁棒性。

请参照图5所示，本发明实施例二提供一种电动汽车的预充电装置，包括：

连接在直流母线正负极上的预充电辅助装置，该预充电辅助装置进一步包括电子控制单元和反击变换电路，其中：

电子控制单元用于接收直流母线电压信号和动力电池电压信号，并在预充电过程中对以来自车载储能器件的电能给高压直流母线电容的充电进行控制；

反击变换电路用于在电子控制单元控制下，在预充电继电器闭合时把来自车载储能器件的电能传输给高压直流母线电容进行充电；

该预充电辅助装置在主继电器闭合前停止并结束工作。

与前述本发明实施例一的电动汽车的预充电装置相比，本实施例的电动汽车的预充电装置区别在于，本实施例取消了预充电支路，在预充电过程中，高压直流母线上的电容（即图5所示的等效直流母线电容C_等效）仅通过预充电辅助装置从车载储能器件获得电能，只要预充电辅助装置输出能力足够大，就能满足预充电过程的时间限制要求，甚至完全可以做到比现行方案更快的充电速度，因此不存在充电时间和继电器突入电流之间的矛盾。

以下结合图6对本实施例的电动汽车的预充电装置的工作过程及原理进行说明。

0时刻，预充电辅助装置开始工作，电子控制单元控制反击变换电路将车载储能器件中的电能传送到高压直流母线上。

0→1时间段，预充电辅助装置的电子控制单元可以对高压直流母线侧电压进行反馈控制，反馈控制的目标是使得高压直流母线侧电压跟踪动力电池电压。在反馈控制中，还可以优选地对预充电辅助装置的输出电流进行控制，防止输出电流超过反击变换电路的承受能力，并提升反馈控制的控制品质。在该阶段末期，高压直流母线侧电压达到动力电池电压，而且在预充电辅助装置的控制下动态地跟踪动力电池电压。

需要说明的是，反击变换电路的输出电流为高频脉动电流，图6所示为该高频脉动电流经过低通滤波（比如以开关器件Q的开关周期为长度进行移动平均）之后的波形。

1时刻，在主继电器K_主闭合前，预充电辅助装置停止并结束工作。要在主继电器K_主闭合前停止预充电辅助装置，是因为主继电器K_主闭合后高压直流母线侧电压不再可控，预充电辅助装置无法对高压直流母线电压进行正常控制。

2时刻，在预充电辅助装置停止工作后，BMS控制主继电器K_主闭合。高压直流母线侧电压已经达到稳态，而且在预充电辅助装置的控制下，动态地跟踪动力电池电压，主继电器K_主两侧的电压差几乎为零，因此闭合时产生的突入电流也极小。

需要说明的是，预充电辅助装置在1时刻停止工作后，由于高压直流母线侧有微小的漏电流存在，因此高压直流母线侧电压开始缓慢下降。但是由于漏电流很小，等效的漏电电阻很大（10k欧姆以上），该等效漏电电阻和高压直流侧等效电容C_等效组成的RC电路时间常数很长（比如等效电容1000μF，漏电等效电阻10kΩ时，时间常数为10s），远大于1→2时间段（预充电辅助装置停止过程+主继电器K_主闭合时间，一般不超过50ms），因此2时刻因漏电流造成高压直流母线侧电压和动力电池电压之间的差异极小，完全可以忽略。

与现行方案相比，本实施例带来的技术效果在于：

一方面，通过合理设计，只要预充电辅助装置输出能力足够大，就能满足预充电过程的时间限制要求，甚至完全可以做到现行方案更快的充电速度，因此不存在充电时间和继电器突入电流之间的矛盾。

另一方面，预充电辅助装置的电子控制单元可以对高压直流母线侧电压进行反馈控制，使得主继电器K_主闭合前高压直流母线侧电压和动力电池电压几乎相等，因此2时刻主继电器K_主闭合时突入电流很小，从而很好地保护了继电器，延长了继电器的寿命，提高了继电器工作的可靠性，同时也大大减少了电磁干扰。具体来说，电子控制单元内部设置有反馈控制电路，以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，两者做差后得到电压误差，将该电压误差经过控制算法运算后，得到开关器件Q的驱动信号，用该驱动信号对反击变换电路进行控制，如此高压直流母线侧的电压就会被控制。上述反馈控制的效果就是反馈值（即高压直流侧电压）会最终跟随参考值（动力电池电压），高压直流母线侧电压会和动力电池电压保持大小相等，两者之间只会存在很小的误差波动，如果动力电池电压变化，那么高压直流母线侧电压会稍微滞后一点变化，但最终仍会变成和动力电池电压一样大小，于是主继电器K_主闭合时突入电流就很小，克服了现行方案中突入电流会增大的缺陷。

基于前述本发明实施例一和实施例二的电动汽车的预充电装置，请再参照图7所示，本发明实施例三提供一种电动汽车的预充电装置的预充电方法，包括：

步骤S1，预充电开始时，通过预充电辅助装置将车载储能器件的电能传送给高压直流母线电容进行充电；

步骤S2，在高压直流母线电容电压达到稳态，并且主继电器两侧的电压相等时闭合主继电器，预充电结束。

其中，对于设置了预充电支路的预充电辅助装置，本实施例的预充电方法，还包括步骤：

在预充电开始时，通过预充电支路将动力电池的电能传送给高压直流母线电容进行充电。

其中，预充电辅助装置在主继电器闭合前停止并结束工作。

其中，在高压直流母线电容的充电过程中，预充电辅助装置的电子控制单元通过反击变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，以使高压直流母线侧电压能稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

电子控制单元通过反击变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，具体包括：

电子控制单元以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，对两者做差后得到电压误差，将该电压误差经过控制算法运算后，得到反击变换电路中功率开关器件的驱动信号，用所述驱动信号对反击变换电路进行控制，使主继电器两侧的电压相等。

需要说明的是，主继电器两侧的电压相等是指高压直流母线侧电压和动力电池电压保持大小相等，两者之间只会存在很小的误差波动，如果动力电池电压变化，那么高压直流母线侧电压会稍微滞后一点变化，但最终仍会变成和动力电池电压一样大小。

有关本实施例的工作原理及带来的有益效果请参照前述本发明实施例一和实施例二的说明，此处不再赘述。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种电动汽车的预充电装置，其特征在于，包括：

并联在主继电器两端的预充电支路，所述预充电支路包括相互串联的预充电继电器和预充电电阻，所述预充电支路用于在预充电开始时把来自动力电池的电能传送给高压直流母线电容进行充电；

连接在直流母线正负极上的预充电辅助装置，所述预充电辅助装置进一步包括电子控制单元和反击变换电路，其中：

所述电子控制单元用于接收直流母线电压信号和动力电池电压信号，并在预充电过程中对以来自车载储能器件的电能给高压直流母线电容的充电进行控制；

所述反击变换电路用于在所述电子控制单元控制下，在预充电开始时把来自车载储能器件的电能传输给高压直流母线电容进行充电。

2.根据权利要求1所述的电动汽车的预充电装置，其特征在于，所述反击变换电路包括功率开关器件、二极管和变压器，所述变压器的输入端与车载储能器件相连接，所述变压器的输出端并联在直流母线正负极上。

3.根据权利要求2所述的电动汽车的预充电装置，其特征在于，所述预充电辅助装置在主继电器闭合前停止并结束工作。

4.根据权利要求3所述的电动汽车的预充电装置，其特征在于，所述电子控制单元还用于在高压直流母线电容的充电过程中通过所述反击变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，使得高压直流母线侧电压最终稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

5.根据权利要求4所述的电动汽车的预充电装置，其特征在于，所述电子控制单元包括反馈控制电路，用于以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，两者做差后得到电压误差，将所述电压误差经过控制算法运算后，得到所述反击变换电路中功率开关器件的驱动信号，用所述驱动信号对所述反击变换电路进行控制，以使高压直流母线侧的电压和动力电池电压保持相等。

6.根据权利要求1-5任一项所述的电动汽车的预充电装置，其特征在于，所述车载储能器件是车载12V蓄电池、车载18V蓄电池、车载24V蓄电池及车载48V蓄电池中的任一种。

7.一种如权利要求1所述的电动汽车的预充电装置的预充电方法，包括：

步骤S1，预充电开始时，通过预充电辅助装置将车载储能器件的电能传送给高压直流母线电容进行充电，并通过预充电支路将动力电池的电能传送给高压直流母线电容进行充电；

步骤S2，在高压直流母线电容电压达到稳态，并且主继电器两侧的电压相等时闭合主继电器，预充电结束。

8.根据权利要求7所述的预充电方法，其特征在于，预充电辅助装置在主继电器闭合前停止并结束工作。

9.根据权利要求8所述的预充电方法，其特征在于，在高压直流母线电容的充电过程中，预充电辅助装置的电子控制单元通过反击变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，以使高压直流母线侧电压能稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

10.根据权利要求9所述的预充电方法，其特征在于，所述电子控制单元通过反击变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，具体包括：

电子控制单元以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，对两者做差后得到电压误差，将该电压误差经过控制算法运算后，得到反击变换电路中功率开关器件的驱动信号，用所述驱动信号对反击变换电路进行控制，使主继电器两侧的电压相等。