CN105984353B - 电池电源整合装置以及具有该装置的油电混合车电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池电源整合装置，包括电源转换器、电池控制模块以及继电器。该电源转换器具有输入侧与输出侧，该输入侧连接高压直流电压。该电池控制模块包括继电器控制电路与预充电控制电路。该继电器连接该电源转换器的该输入侧与该电池控制模块。其中该预充电控制电路接收该电源转换器产生预充电致能信号，以对该电源转换器的该输入侧进行预充电。当该继电器控制电路控制该继电器导通时，该电源转换器降压转换该高压直流电压，且于该输出侧输出低压直流电压，进而提供油电混合车内的低压设备所需的电源。在系统发生异常时，继电器控制电路快速地关断继电器，以实现快速保护，提高供电可靠度，还可以简化设计复杂度及降低整体系统的成本。

Description

电池电源整合装置以及具有该装置的油电混合车电源系统
技术领域
本发明涉及车用电池电源技术领域，尤其涉及一种电池电源整合装置以及具有该装置的油电混合车电源系统。
背景技术
在今日环保意识抬头下，油电混合车(hybrid electric vehicle,HEV)可兼顾节能、低污染，更具体而言，油电混合车是一种结合引擎与电动马达零污染特性所设计出输出功率大、续航力佳与噪音低的一种节能、低污染且具环保概念的车辆，如此的优势，使得油电混合车更具有竞争力，有望成为未来市场的主流车种。
油电混合车上通常装设有一组48伏特的高压蓄电池组、一个12伏特的低压电池、直流转换器(DC/DC converter)以及电池管理系统(battery management system,BMS)，该些部件组成车用电源控制系统。此车用电源控制系统通过该直流转换器进行能量转换，并利用该电池管理系统对高压电池组进行管理。对车用电源控制系统而言，该直流转换器为将48伏特的高压直流电源转换成12伏特的低压直流电源，以提供低压电池充电或车内的低压设备或电子装置供电所需。该高压蓄电池组是由多个电池芯(cell)串联连接而成，通过该电池管理系统检测与回报各电池芯的温度与电压状态，并且依据所检测到的不同电压与温度状态对各电池芯进行充放电控制，以延长整体高压电池组的使用寿命。
请参阅图1为现有技术的车用电源转换系统的电路方块图。该车用电源转换系统主要包括一发电装置50A、一低压设备60A、一低压电池40A、一电源转换器20A、一风扇30A以及一高压电池控制管理整合装置10A。值得一提，该高压电池控制管理整合装置10A主要包括一电池控制模块101A、一高压电池102A、一电池管理系统103A以及一继电器104A。其中该电池控制模块101A更包括一继电器控制电路1011A、一预充电控制电路1012A以及一风扇控制电路1013A。
根据图1可看出，现有系统架构将该继电器控制电路1011A、该预充电控制电路1012A以及该风扇控制电路1013A与该电池管理系统103A整合，因此，需要在该电池管理系统端再额外设计该电池控制模块101A所需的电源。如此，将造成整体成本增加，不符合经济效益。
此外，对于现有的车用电源转换系统架构而言，该电源转换器20A仅用于负责将电压降压转换以充电该低压电池40A或提供该低压设备60A所需的电源。并且，该电源转换器20A通过通信界面与该电池管理系统103A沟通，因此将容易受限于通信的延迟致该继电器104A于故障发生时造成关断过慢的状况发生，如此将造成该高压电池102A与该电源转换器20A的损毁。
再者，由于高压侧的该继电器104A的导通、关断控制与预充电控制，以及该风扇30A的控制，由该电池管理系统处理，因此将增加该电池管理系统设计的复杂度。
因此，如何设计出一种电池电源整合装置以及具有该电池电源整合装置的油电混合车电源系统，通过整合电池控制模块与电源转换器，以减少零件数量、简化设计复杂度，以及降低整体系统的成本，并且可于系统发生异常时，快速关断继电器，以达到快速保护，提高供电可靠度，为本发明的发明人所想要克服并加以解决的一大课题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种电池电源整合装置应用于一油电混合车，以克服现有技术的问题。
因此本发明该电池电源整合装置包括一电源转换器、一电池控制模块以及一继电器。该电源转换器具有一输入侧与一输出侧，该输入侧连接一高压直流电压。该电池控制模块包括一继电器控制电路与一预充电控制电路。该继电器连接该电源转换器的该输入侧与该电池控制模块。其中该预充电控制电路接收该电源转换器产生一预充电致能信号，以对该电源转换器的该输入侧进行预充电；当该继电器控制电路控制该继电器导通时，该电源转换器以降压转换该高压直流电压，且于该输出侧输出一低压直流电压，进而提供该油电混合车内的低压设备所需的电源。
本发明的另一目的在于提供一种具有电池电源整合装置的油电混合车电源系统，以克服现有技术的问题。因此本发明该具有电池电源整合装置的油电混合车电源系统包括一电池电源整合装置、一高压电池模块以及一低压电池。该电池电源整合装置包括一电源转换器、一电池控制模块以及一继电器。该电源转换器具有一输入侧与一输出侧，该输入侧连接一高压直流电压。该电池控制模块包括一继电器控制电路与一预充电控制电路。该继电器连接该电源转换器的该输入侧与该电池控制模块。
该高压电池模块包括一高压电池与一电池管理单元。该高压电池通过该继电器连接至该电源转换器的该输入侧，以提供该高压直流电压。该电池管理单元连接该高压电池，以管理该高压电池的操作。该低压电池连接至该电源转换器的该输出侧；
其中该预充电控制电路接收该电源转换器产生一预充电致能信号，以对该电源转换器的该输入侧进行预充电；当该继电器控制电路控制该继电器导通时，该电源转换器以降压转换该高压直流电压，且于该输出侧输出一低压直流电压，进而提供该油电混合车内的低压设备所需的电源以及对该低压电池充电。
本发明提供的电池电源整合装置及具有该整合装置的油电混合车电源系统，对电源转换器结合继电器控制电路，根据系统状态以及通过继电器控制电路的设计，可在系统发生异常时，快速地关断继电器，以实现快速保护，提高供电可靠度；利用该电源转换器原有的辅助电源来供电，如此可使得该电池管理单元的设计集中于对该高压电池的管理，并且可减少零件数量、省略通信界面、简化设计复杂度，以及降低整体系统的成本。
为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而说明书附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1为现有技术的车用电源转换系统的电路方块图；
图2为本发明电池电源整合装置的电路方块图；
图3为本发明具有电池电源整合装置的油电混合车电源系统的电路方块图；
图4为本发明电池电源整合装置的继电器控制电路方块图；及
图5为本发明电池电源整合装置的预充电控制电路方块图。
附图标记说明：
﹝现有技术﹞
10A 高压电池控制管理整合装置
20A 电源转换器
30A 风扇
40A 低压电池
50A 发电装置
60A 低压设备
101A 电池控制模块
102A 高压电池
103A 电池管理系统
104A 继电器
1011A 继电器控制电路
1012A 预充电控制电路
1013A 风扇控制电路
VHV 高压直流电压
VLV 低压直流电压
﹝本发明﹞
10 电池电源整合装置
20 高压电池模块
30 风扇
40 低压电池
101 电源转换器
102 电池控制模块
103 继电器
1021 继电器控制电路
1022 预充电控制电路
1023 风扇控制电路
10211 辅助电源
10212 继电器线圈电流检测线路
10213 第一输入电压检测线路
10214 第二输入电压检测线路
10215 控制信号产生电路
10221 切换开关
10222 驱动电路
10223 控制集成电路
201 高压电池
202 电池管理单元
Q1 第一
Q2 第二开关
Q3 第三开关
QH 高侧晶体管
QL 低侧晶体管
Rc 限流电阻
Sen 预充电致能信号
Spcc 预充电控制信号
SQ1 第一开关控制信号
SQ2 第二开关控制信号
SQ3 第三开关控制信号
VHV 高压直流电压
VLV 低压直流电压
Lp1 第一操作路径
Lp2 第二操作路径
具体实施方式
现有关本发明的技术内容及详细说明，配合说明书附图说明如下：
请参阅图2为本发明电池电源整合装置的电路方块图。该电池电源整合装置10应用于一油电混合车(hybrid electric vehicle,HEV)。该电池电源整合装置10包括一电源转换器101、一电池控制模块102以及一继电器103。该电源转换器101具有一输入侧与一输出侧，该输入侧通过该继电器103连接一高压直流电压VHV。其中该电源转换器101为一直流转直流转换器(DC-to-DC converter)。
该电池控制模块102包括一继电器控制电路1021与一预充电控制电路1022。该继电器103连接该电源转换器101的该输入侧与该电池控制模块102。
该预充电控制电路1022接收该电源转换器101产生一预充电致能信号Sen，以对该电源转换器101的该输入侧进行预充电；当该继电器控制电路1021控制该继电器103导通时，该电源转换器101以降压转换该高压直流电压VHV，且于该输出侧输出一低压直流电压VLV，进而提供该油电混合车内的低压设备所需的电源。
换言之，在该继电器控制电路1021控制该继电器103导通之前，该预充电控制电路1022接收该预充电致能信号Sen，以对该电源转换器101的该输入侧进行预充电。因此，当该预充电控制电路1022对该电源转换器101的该输入侧进行预充电时，该输入侧的电压将提高，使得高压电池201与该电源转换器101的该输入侧两者间的电压差降低，进而减小该继电器103导通时，瞬间流入该电源转换器101的该输入侧的电流，以达到保护该继电器103的接点，而延长该继电器103的使用寿命。至于该电池电源整合装置10应用于该油电混合车的操作，将在后文中有详细的说明。
请参阅图3为本发明具有电池电源整合装置的油电混合车电源系统的电路方块图。该具有电池电源整合装置的油电混合车电源系统包括一电池电源整合装置10、一高压电池模块20以及一低压电池40。该电池电源整合装置10包括一电源转换器101、一电池控制模块102以及一继电器103。该电源转换器101具有一输入侧与一输出侧，该输入侧连接一高压直流电压VHV。该电池控制模块102包括一继电器控制电路1021与一预充电控制电路1022。该继电器103连接该电源转换器101的该输入侧与该电池控制模块102。
该高压电池模块20包括一高压电池201与一电池管理单元202。该高压电池201通过该继电器103连接至该电源转换器101的该输入侧，以提供该高压直流电压VHV。该电池管理单元202连接该高压电池201，以管理该高压电池201的操作。该低压电池40连接至该电源转换器101的该输出侧。
其中该预充电控制电路1022接收该电源转换器101产生一预充电致能信号Sen，以对该电源转换器101的该输入侧进行预充电；当该继电器控制电路1021控制该继电器103导通时，该电源转换器101以降压转换该高压直流电压VHV，且于该输出侧输出一低压直流电压VLV，进而提供该油电混合车内的低压设备所需的电源以及对该低压电池40充电。
此外，该电池控制模块102还包括一风扇控制电路1023。该风扇控制电路1023根据该电源转换器101所检测的系统温度，以控制一风扇30提供该电池电源整合装置10的散热。
请参阅图4为本发明电池电源整合装置的继电器控制电路方块图。该继电器控制电路1021主要包括一辅助电源10211、一继电器线圈电流检测线路10212、一第一输入电压检测线路10213、一第二输入电压检测线路10214、一控制信号产生电路10215、一第一开关Q1、一第二开关Q2、一第三开关Q3以及一限流电阻Rc。其中该控制信号产生电路10215以产生一第一开关控制信号SQ1、一第二开关控制信号SQ2以及一第三开关控制信号SQ3分别对应控制该第一开关Q1、一第二开关Q2、一第三开关Q3。再者，以本实施方式为例，该第一开关控制信号SQ1与该第二开关控制信号SQ2为pnp型双极性晶体管，该第三开关控制信号SQ3为npn型双极性晶体管，但不以此为限制。
该辅助电源10211为该电源转换器101本身的辅助电源，亦即该辅助电源10211所提供的电压大小为12伏特。该第二开关Q2与该限流电阻Rc串联后，再与该第一开关Q1并联。该第一开关Q1、该第二开关Q2与该限流电阻Rc连接后再连接于该继电器103线圈的一端。再者，该第三开关Q3连接该继电器103线圈的另一端。
当该继电器控制电路1021初始控制时，通过该控制信号产生电路10215产生该第一开关控制信号SQ1导通该第一开关Q1，该第二开关控制信号SQ2关断该第二开关Q2，以及第三开关控制信号SQ3导通该第三开关Q3。因此，该辅助电源10211以通过一第一操作路径Lp1，也就是经由该第一开关Q1、该继电器103线圈，以及该第三开关Q3的路径，对该继电器103提供初始导通。
等到该继电器103完全导通之后，该控制信号产生电路10215先产生该第二开关控制信号SQ2导通该第二开关Q2，再使该第一开关控制信号SQ1关断该第一开关Q1。因此，该辅助电源10211以通过一第二操作路径Lp2，亦也就是经由该第二开关Q2、该限流电阻Rc、该继电器103线圈，以及该第三开关Q3的路径，使该继电器103提供持续导通，并利用该限流电阻Rc达到省电功能。也就是，等到该继电器103完全导通之后，可由该第一操作路径Lp1转换为该第二操作路径Lp2，改成具该限流电阻Rc的操作路径以降低功耗。
值得一提，该继电器线圈电流检测线路10212连接该第三开关Q3的射极，用于检测该继电器103的电流，并且当该继电器103的电流过大时，提供过电流保护(over-currentprotection)。此外，该限流电阻Rc以限制流经该第二操作路径Lp2的电流大小，使得该继电器103线圈上的电压降低，以实现自我诊断、省电节能以及该继电器103线圈过电压与过电流保护的功效。
再者，该第一输入电压检测线路10213与该第二输入电压检测线路10214分别连接于该第一开关Q1与该第二开关Q2的射极与集极两端。通过检测该第一开关Q1与该第二开关Q2两端电压，并且与该电池管理单元202以及该电源转换器101相互配合操作，可达成ASIL-C(automotive safety integrity level-class C)车用功能安全性的要求。
请参阅图5为本发明电池电源整合装置的预充电控制电路方块图。该预充电控制电路1022主要包括一切换开关10221、一驱动电路10222。其中该高侧晶体管QH与该低侧晶体管QL为该电源转换器101的两晶体管开关。该切换开关10221具有两输入端、一控制端以及一输出端。该两输入端分别接收一预充电控制信号Spcc与一控制集成电路10223；该控制端以接收该电源转换器101内的一微控制器所产生的该预充电致能信号Sen。
当该电源转换器101产生高电平的该预充电致能信号Sen输入至该控制端，启动预充电操作，因此，该切换开关10221切换为该驱动电路10222接收该预充电控制信号Spcc。其中该预充电控制信号Spcc可由一微控制器单元(microcontroller,MCU)产生或控制集成电路(IC)产生，并不以此为限制。以本实施方式为例，当该预充电操作启动后，能够通过将低压侧的12伏特电压升压至48伏特，经由该驱动电路10222驱动该电源转换器101的该高侧晶体管QH与该低侧晶体管QL，使得该电源转换器101的该输入侧的电压提高，以降低该高压电池201与该电源转换器101的该输入侧两者间的电压差，进而减小该继电器103导通时，瞬间流入该电源转换器101的该输入侧的电流，以达到保护该继电器103的接点，而延长该继电器103的使用寿命。
反之，当该预充电操作完成后，该电源转换器101产生低电平的该预充电致能信号Sen输入至该控制端，使得该切换开关10221切换为该驱动电路10222接收该控制集成电路10223所产生的PWM控制信号，以进行常态动作的控制。
综上所述，本发明具有以下的优点：
1、整合该电池控制模块102与该电源转换器101，利用该电源转换器101原有的辅助电源(auxiliary power)来供电，如此可使得该电池管理单元202的设计集中于对该高压电池201的管理，并且可减少零件数量、省略通信界面(SPI界面)、简化设计复杂度，以及降低整体系统的成本；
2、对该电源转换器101结合该继电器控制，根据系统状态以及通过该继电器控制电路1021的设计，可于系统发生异常时，快速地关断该继电器103，以达到快速保护，提高供电可靠度；
3、通过先执行预充电控制程序后，再执行继电器导通控制，使得该电源转换器101的该输入侧的电压提高，以降低该高压电池201与该电源转换器101的该输入侧两者间的电压差，进而减小该继电器103导通时，瞬间流入该电源转换器101的该输入侧的电流，以达到保护该继电器103的接点，而延长该继电器103的使用寿命，以及可利用该电源转换器101的内部元件来达成预充电的目的，因此可减少零件数量，降低整体成本；及
4、本发明的电路架构可应用在所有与电池整合的隔离型与非隔离型的直流转换器，包括降压式转换器(buck converter)、升压式转换器(boost converter)以及升降压式转换器(buck-boost converter)。
然而，以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与说明书附图，本发明的特征并不局限于此，并非用于限制本发明，本发明的所有范围应以权利要求书的保护范围为准，凡合于本发明申请保护范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包括于本发明的范畴中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可容易想到的变化或修饰皆可涵盖在以下本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种电池电源整合装置，应用于一油电混合车，其特征在于，所述电池电源整合装置包括：
一电源转换器，具有一输入侧与一输出侧，所述输入侧连接一高压直流电压；
一电池控制模块，包括：
一继电器控制电路与一预充电控制电路；及
一继电器，连接所述电源转换器的所述输入侧与所述电池控制模块；
其中所述预充电控制电路接收所述电源转换器产生一预充电致能信号，以对所述电源转换器的所述输入侧进行预充电；当所述继电器控制电路控制所述继电器导通时，所述电源转换器以降压转换所述高压直流电压，且于所述输出侧输出一低压直流电压，进而提供所述油电混合车内的低压设备所需的电源，其中，所述预充电控制电路连接于具有一高侧晶体管与一低侧晶体管的所述电源转换器的所述输入侧，所述预充电控制电路包括：
一切换开关，具有至少一输入端、一控制端以及一输出端；其中所述输入端接收一预充电控制信号，所述控制端接收所述预充电致能信号；及
一驱动电路，连接所述切换开关的所述输出端；
其中当所述电源转换器产生高电平的所述预充电致能信号输入至所述控制端，启动预充电操作时，所述切换开关切换为所述驱动电路接收所述预充电控制信号，经由所述驱动电路驱动所述高侧晶体管与所述低侧晶体管，使得所述电源转换器的所述输入侧的电压提高，以降低高压电池与所述电源转换器的所述输入侧两者间的电压差。
2.如权利要求1所述的电池电源整合装置，其特征在于，所述电池控制模块还包括：
一风扇控制电路，根据所述电源转换器所侦测的系统温度，以控制一风扇提供所述电池电源整合装置的散热。
3.如权利要求1所述的电池电源整合装置，其特征在于，所述继电器控制电路包括：
一第一开关，连接所述电源转换器所提供的一辅助电源；
一第二开关，连接所述辅助电源；
一限流电阻，串联连接所述第二开关形成一串联支路，所述串联支路并联连接所述第一开关，再连接至所述继电器的一端；
一第三开关，连接所述继电器的另一端；及
一控制信号产生电路，产生一第一开关控制信号、一第二开关控制信号以及一第三开关控制信号对应控制所述第一开关、所述第二开关以及所述第三开关；
其中所述第一开关控制信号导通所述第一开关，所述第二开关控制信号关断所述第二开关，以及第三开关控制信号导通所述第三开关，对所述继电器提供初始导通；当所述继电器完全导通后，所述第一开关控制信号关断所述第一开关，所述第二开关控制信号导通所述第二开关，以及第三开关控制信号导通所述第三开关，对所述继电器提供持续导通。
4.如权利要求3所述的电池电源整合装置，其特征在于，所述继电器控制电路还包括：
一继电器线圈电流检测线路，连接所述第三开关，以检测所述继电器的电流，且当所述继电器的电流过大时，提供过电流保护。
5.如权利要求3所述的电池电源整合装置，其中所述继电器控制电路还包括：
一第一输入电压检测线路，连接所述串联支路的一端，以检测所述串联支路的所述端电压；及
一第二输入电压检测线路，连接所述串联支路的另一端，以检测所述串联支路的所述另一端电压；
其中通过所检测的多个端电压大小，配合电池管理单元操作，达成车用功能安全性的要求。
6.一种具有电池电源整合装置的油电混合车电源系统，其特征在于，包括：
一电池电源整合装置，包括：
一电源转换器，具有一输入侧与一输出侧，所述输入侧连接一高压直流电压；
一电池控制模块，包括：
一继电器控制电路与一预充电控制电路；及
一继电器，连接所述电源转换器的所述输入侧与所述电池控制模块；
一高压电池模块，包括：
一高压电池，通过所述继电器连接至所述电源转换器的所述输入侧，以提供所述高压直流电压；及
一电池管理单元，连接所述高压电池，以管理所述高压电池的操作；及
一低压电池，连接至所述电源转换器的所述输出侧；
其中所述预充电控制电路接收所述电源转换器产生一预充电致能信号，以对所述电源转换器的所述输入侧进行预充电；当所述继电器控制电路控制所述继电器导通时，所述电源转换器以降压转换所述高压直流电压，且于所述输出侧输出一低压直流电压，进而提供所述油电混合车内的低压设备所需的电源以及对所述低压电池充电，其中，所述预充电控制电路连接于具有一高侧晶体管与一低侧晶体管的所述电源转换器的所述输入侧，所述预充电控制电路包括：
一切换开关，具有至少一输入端、一控制端以及一输出端；其中所述输入端接收一预充电控制信号，所述控制端接收所述预充电致能信号；及
一驱动电路，连接所述切换开关的所述输出端；
其中当所述电源转换器产生高电平的所述预充电致能信号输入至所述控制端，启动预充电操作时，所述切换开关切换为所述驱动电路接收所述预充电控制信号，经由所述驱动电路驱动所述高侧晶体管与所述低侧晶体管，使得所述电源转换器的所述输入侧的电压提高，以降低所述高压电池与所述电源转换器的所述输入侧两者间的电压差。
7.如权利要求6所述的油电混合车电源系统，其特征在于，还包括：
一发电装置，连接所述电源转换器的所述输入侧，以产生一输入直流电源；其中所述电源转换器以转换所述输入直流电源，且于所述输出侧提供一输出直流电源。
8.如权利要求6所述的油电混合车电源系统，其特征在于，所述电池控制模块更包括：
一风扇控制电路，根据所述电池管理单元或所述电源转换器所检测的系统温度，以控制一风扇，提供所述电池电源整合装置的散热。
9.如权利要求6所述的油电混合车电源系统，其特征在于，所述继电器控制电路包括：
一第一开关，接收所述电源转换器所提供的一辅助电源；
一第二开关，接收所述辅助电源；
一限流电阻，串联连接所述第二开关形成一串联支路，所述串联支路并联连接所述第一开关，再连接至所述继电器的一端；
一第三开关，连接所述继电器的另一端；及
一控制信号产生电路，产生一第一开关控制信号、一第二开关控制信号以及一第三开关控制信号对应控制所述第一开关、所述第二开关以及所述第三开关；
其中所述第一开关控制信号导通所述第一开关，所述第二开关控制信号关断所述第二开关，以及第三开关控制信号导通所述第三开关，对所述继电器提供初始导通；当所述继电器完全导通后，所述第一开关控制信号关断所述第一开关，所述第二开关控制信号导通所述第二开关，以及第三开关控制信号导通所述第三开关，对所述继电器提供持续导通。
10.如权利要求9所述的油电混合车电源系统，其特征在于，所述继电器控制电路还包括：
一继电器线圈电流检测线路，连接所述第三开关，以检测所述继电器的电流，且当所述继电器的电流过大时，提供过电流保护。
11.如权利要求9所述的油电混合车电源系统，其特征在于，所述继电器控制电路还包括：
一第一输入电压检测线路，连接所述串联支路的一端，以检测所述串联支路的所述端电压；及
一第二输入电压检测线路，连接所述串联支路的另一端，以检测所述串联支路的所述另一端电压；
其中通过所检测的所述多个端电压大小，配合所述电池管理单元操作，达成车用功能安全性的要求。
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