CN106684961B - 用以限制大容量电容器浪涌电流的自接通和断开预充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预充电电路，其用于包括电池和负载的车辆。该预充电电路包括：时间延迟电路，其配置为响应于从电池接收到电力而产生第一电压。第一电压从第一值朝第二值增加。该预充电电路包括：开关控制电路，其配置为响应于第一电压而提供跟随第一电压的第二电压。该预充电电路包括：开关电路，其配置为基于第二电压选择性地将电池连接至负载，并且响应于第二电压达到预定阈值而将负载与电池断开。该预充电电路包括：输出电路，其配置为限制通过开关电路从电池提供至负载的电力和浪涌电流的量。

Description

用以限制大容量电容器浪涌电流的自接通和断开预充电电路

技术领域

本公开涉及一种设计用以限制进入负载的浪涌电流的预充电电路。

背景技术

当对电容负载施加DC电力时，电容器在接近稳定状态值之前首先汲取大量电流。因为电容器的电流是由其电容与电压关于时间的变化率的乘积来确定，所以输入电压的阶跃响应将导致大的冲击电流(称为浪涌电流)进入电容器。虽然浪涌电流可以受电容器的等效串联电阻限制，但是浪涌电流仍然可导致在电容器上产生相当大的应力并且可导致电容器过早故障。

限制浪涌电流对于每当需要使用装置(诸如汽车中的控制系统)时需要接通的这些应用来说尤为重要。有效的浪涌电流限制器限制启动瞬间期间的浪涌电流，但是将不会影响正常操作下的电力至负载的传送。这对于每当使用装置时需要接通的应用来说是至关重要的，因为反复的浪涌电流可损坏大容量电容负载。

这里提供的背景描述是为了一般地呈现本公开的上下文的目的。当前署名的发明人的工作就其在所述背景部分所描述的以及在提交时可以不另外被作为是现有技术的多个方面的描述而言既不明确地也不隐含地被认可为是本公开的现有技术。

发明内容

一种用于包括电池和负载的车辆的预充电电路包括：时间延迟电路、开关控制电路、开关电路和输出电路。时间延迟电路配置为响应于从电池接收到电力而产生第一电压。时间延迟电路还配置为允许第一电压从第一值朝第二值增加。开关控制电路配置为响应于第一电压而提供跟随第一电压的第二电压。开关电路配置为基于第二电压将负载选择性地连接至电池。开关电路还配置为响应于第二电压达到预定阈值而将负载与电池断开。输出电路配置为限制通过开关电路从电池提供至负载的电力和浪涌电流的量。

时间延迟电路进一步包括：具有第一电阻的第一电阻器、具有第一电容并且串联连接的第一电容器，以及基于第一电阻与第一电容的乘积的时间延迟电路的时间常数。时间延迟电路的时间常数介于10毫秒与25毫秒之间。

开关控制电路进一步包括：提供第二电压的带内部节点的电阻器网络，以及连接在第一电压与电阻器网络之间的电压跟随器电路。电压跟随器电路进一步包括：PNP晶体管，其具有连接至电阻器网络的射极端子以及接收第一电压的基极端子。

开关电路进一步包括：MOSFET，其具有包括源极端子、栅极端子和漏极端子的端子；接通电压值，其是源极端子与栅极端子之间接通MOSFET的电压差；以及预定阈值，其是导致源极端子与栅极端子之间的电压差下降至接通电压值之下并且随后将MOSFET断开的第二电压的值。开关电路进一步包括：齐纳二极管和电阻器，齐纳二极管防止跨越MOSFET的端子中的两者施加的电压超过MOSFET的额定电压，电阻器连接在栅极端子与开关控制电路之间。

输出电路配置为防止电力从负载返回到开关电路。输出电路进一步包括与电阻器串联连接的二极管，并且输出电路串联连接在开关电路与负载之间。

在其它特征中，预充电电路进一步包括：第二电压，其在第一电压达到第二值之前达到预定阈值。第一电压是时间延迟电路的第一电容器的端子处的电压。第一值约为0伏特，且第二值是电池的电压。负载包括以下各项中的至少一项：燃料泵、三相马达、升压电源、电子控制电路、传动系统控制电路和变速器控制电路。

在其他特征中，一种系统包括：预充电电路和继电器，继电器配置为响应于来自微处理器的命令而将电池选择性地连接至负载。微处理器在时间延迟电路从电池接收电力的同时从电池接收电力，且微处理器加载应用程序软件并且随后将命令发送至继电器。该系统进一步包括：电池隔离开关，其配置为响应于车辆的点火系统开启而将电池连接至预充电电路和微处理器。

一种使用预充电电路对负载充电的方法包括：产生第一电压、使用开关将电池连接至负载，以及开始对微处理器通电。第一电压开始于第一值并且朝电池的电压增加。该方法进一步包括：产生跟随第一电压的第二电压、限制从电池提供至负载的电力和浪涌电流的量，以及当第二电压达到预定阈值时使用开关将负载与电池断开。

在其它特征中，该方法进一步包括：产生基于模拟电路时间常数的第一电压、产生是第一电压的电平移位版本的第二电压，以及当第二电压达到预定阈值时将开关断开。该方法进一步包括：响应于微处理器的通电和微处理器的应用程序代码的执行而将继电器闭合以将电池连接至负载。该方法进一步包括：产生第一电压，第一电压经配置使得第二电压在微处理器完成通电之前达到预定阈值。

通过具体实施方式、权利要求书和附图，本公开的其他适用领域将显而易见。具体实施方式和具体实例只旨在用于说明目的并且不旨在限制本公开的范围。

附图说明

图1是在汽车中实施的预充电电路的高层次功能方框图；

图2是预充电电路的高层次功能方框图；

图3是预充电电路的电路图；以及

图4是说明预充电电路的示例性操作的流程图。

在图示中，参考数字可以被重新使用来识别类似和/或相似元件。

具体实施方式

为了缓解浪涌电流，已经使用各种浪涌电流限制器。固定电阻器可被放置为与电容负载串联以限制进入电容器的浪涌电流。然而，此方法归因于作为跨电阻器的电压降的函数的电阻器的耗电而低效。此方法归因于跨固定电阻器的耗电而本质上从负载盗用电力。

还使用了负温度系数(NTC)热敏电阻器，其是电阻根据它们的温度改变的电阻装置。然而，NTC热敏电阻器归因于其中它们可有效操作的有限的温度范围以及在电路的连续通电时由于将NTC热敏电阻器冷却所需要的时间在通电之间而无法限制浪涌电流而具有固有缺点。受微处理器控制的浪涌电流限制器用于限制浪涌电流。然而，受微处理器控制的浪涌电流限制器具有需要软件介入的确定。另外，非数字电路实施方案可能更具成本效益。

本公开描述了限制浪涌电流的自接通和断开预充电电路。只要电池隔离开关接通，预充电电路便使用RC电路、开关电路和缓冲电路对负载电容充电。预定充电持续时间是在RC电路中实施。在经过充电持续时间之后，开关电路将电源与负载电容断开。在微处理器载入其应用程序软件(消耗的时间长于在RC电路中实施的充电持续时间)之后，传动系统继电器将响应于来自微处理器的命令而闭合。因此，电池通过传动系统继电器连接至负载电容并且将负载电容充电至电源的输入电压。结合缓冲电路和开关电路利用RC电路的阶跃响应，被输送至负载的浪涌电流的量显著减小。

图1是在汽车100的背景中实施的预充电电路140的高层次功能方框图。响应于点火开关120接通，可以将控制器区域网络(CAN)信号发送至电池隔离开关130，这导致电池隔离开关130将电池110连接至预充电电路140。一旦电池隔离开关130闭合，电池110便对预充电电路140和微处理器240供电。

在各个实施例中，负载包括大容量电容器150和燃料泵170。其它负载可以包括三相马达、升压电源、电子控制电路、传动系统控制电路和变速器控制电路。一旦燃料泵170被供电，来自燃料箱180的燃料可以被输送至发动机180。

一旦预充电电路140已对燃料泵170和大容量电容器150供电持续预定时间段，预充电电路140自动地端开。在预充电电路140断开之后，微处理器240完成软件的初始化和载入，并且发送指示传动系统继电器230闭合的命令至传动系统继电器230。通过闭合的传动系统继电器230，电池110对大容量电容器150和燃料泵170供电。

图2是说明预充电电路140的功能的高层次功能方框图。当电池隔离开关130闭合时，电池110对预充电电路140和微处理器240供电。一旦预充电电路140已对负载210供电持续某个预定时间段，预充电电路140自动地端开。在预充电电路140断开之后，微处理器240将发送命令至传动系统继电器230以将传动系统继电器230闭合。一旦传动系统继电器230闭合，电池110恢复向负载210供电。

预充电电路140包括内部电路，其结合彼此而操作以向负载210供电持续预定时间段。时间延迟电路320、开关控制电路330和开关电路340全部连接至电池隔离开关130且与传动系统继电器230并联。时间延迟电路320设置预充电电路140在将其自身自动断开之前保持接通的预定时间段。时间延迟电路320响应于从电池接收到电力而提供从第一值朝第二值增加的第一电压。

开关控制电路330响应于第一电压而提供跟随第一电压的第二电压。开关电路340基于第二电压将电池110选择性地连接至负载210并且基于第二电压达到预定阈值而将负载210与电池110断开。预定阈值取决于开关446的选择。输出电路350限制通过开关电路340从电池提供110提供至负载210的电力和浪涌电流的量。

图3是预充电电路的示例性实施方案的电路示意图。电池隔离开关130包括继电器、场效应晶体管或双极晶体管来充当开关。在各个实施例中，耗尽模式的P沟道MOSFET用作开关并且将电池110连接至预充电电路140和负载210。对于MOSFET来说双极晶体管可为优选的，双极晶体管需要在其基极处具有偏压电流。在各个实施例中，电池隔离开关130的接通和断开可以由CAN信号控制。在各个实施例中，P沟道MOSFET的源极端子可以连接至电池110的正端子，且P沟道MOSFET的漏极端子可以连接至预充电电路140。

时间延迟电路320响应于从电池接收到电力而提供从第一值朝第二值增加的第一电压。在各个实施例中，第一值可以是0V且第二值可以是电池的电压。

在各个实施例中，时间延迟电路320包括第一电阻器421，其第一端连接至电池隔离开关130且相对端连接至第一电容器323的第一端子。第一电容器423的相对端子连接至电池110的接地端子。因为第一电阻器421和第一电容器423串联连接，所以时间延迟电路320是RC网络。RC网络的充电率是时间延迟电路320的时间常数，其是基于第一电阻器421的电阻与第一电容器423的电阻的乘积(τ＝RC)。

在预充电电路140中，时间常数确定预充电电路140在将其自身自动断开之前有多长时间保持接通。跨第一电容器423的电压可以采用1.7至2的时间常数以达到电池电压的80％至85％。在经过1.7至2的时间常数之后，取决于电池电压值，可以达到实现开关电路340的断开阈值电压所需要的第二电压。

在各个实施例中，第一电阻器421可以具有电阻R＝50kΩ且第一电容器423可以具有电容C＝130nF。因此，时间延迟电路320的时间常数是6.5毫秒，且1.7的时间常数等于11毫秒。然而，诸如开关控制电路330的另外电气部件可以并联连接至RC网络。因此，流入第一电容器423的电流量归因于PNP晶体管431的基极电流而增加极小的量。因此，预充电电路140保持接通的实际时间可以稍小于11毫秒。然而，预定充电时间段可以在10至25毫秒的范围中以优化开关电路340和输出电路350的大小。

时间延迟电路320在节点422处产生第一电压，所述节点422介于第一电容器423与第一电阻器421之间。当对预充电电路140施加电力时，第一电压开始以对数方式从零增加至电池电压。

开关控制电路330响应于第一电压而在节点434处提供跟随第一电压的第二电压。开关控制电路330包括提供第二电压434的电阻器网络和驱动电阻器网络的电压跟随器电路。在各个实施例中，电压跟随器电路是射极跟随器电路，其中PNP晶体管431包括连接至接地端子的集电极端子和连接至第四电阻器432的基极端子。第四电阻器432具有连接至第一电容器423的正端子的相对端。PNP晶体管431的射极端子连接至分压器网络。在其它实施例中，第四电阻器可以被移除，且PNP晶体管431的基极可以直接连接至第一电压VB 422。

随着第一电容器423的电压的增加，PNP晶体管431的基极端子的电压也随之增加。当PNP晶体管431的射极端子归因于跨PNP晶体管431的射极和基极端子的P-N结的约0.7V电势而跟随PNP晶体管431的基极端子的电压时，射极端子电压随着第一电压的增加而增加。归因于这些射极跟随器电路特性，射极端子的电压充当电压电平移位器，其中射极端子的电压将比基极端子的电压高约0.7V。

电阻器网络包括第二电阻器435，其一端连接至电池隔离开关130且相对端连接至第三电阻器433的一端。第三电阻器433的相对端连接至PNP晶体管431的射极端子。并联连接至齐纳二极管442的第二电阻器435在MOSFET 446的栅极端子与源极端子之间产生平稳的差分电压。第三电阻器433限制通过PNP晶体管431和齐纳二极管442的电流。当跨齐纳二极管442的电压低于钳位电压(V₄₃₄＝V_{PNP_emitter}+(V_batt-V_{PNP_emitter})*R₄₃₃/(R₄₃₃+R₄₃₅))时，第二电阻器435和第三电阻器433充当开关控制电路330中的分压器。

第三电阻器433可以被选择使得当跨齐纳二极管442的电压达到钳位电压时，第三电阻器433可限制通过PNP晶体管431和齐纳二极管442的电流。第二电阻器435与第三电阻器433的比可以被选择使得PNP晶体管431的射极端子与节点434之间的电压差极小。由于节点434处的电压以小的差值跟随节点422处的电压，MOSFET 446在时间延迟电路320充电至某个电平之后断开。MOSFET 446的接通电压值是栅极端子电压与源极端子电压之间的差值，在低于所述源极端子电压时，MOSFET 446停止导电。

作为实例，电池110上可以存在13.5V的DC电压，且第二电阻器435可以具有电阻值33kΩ，且第三电阻器433可以具有电阻值1kΩ。在电池隔离开关130向预充电电路140供电的时刻，BJT 431接通并导电，且跨第二电阻器435的电压约为齐纳二极管442的钳位电压(V_Z)，从而使节点434处的电压约为13.5V-V_Z。

齐纳二极管442保护MOSFET 446的栅极端子以防过电压并且可以基于MOSFET 446的栅极端子额定电压而选择。因此，MOSFET 446的栅极端子与源极端子之间的电压差将不会超过齐纳二极管442的钳位电压V_Z。MOSFET 446的源极端子(节点449)处的电压同时为13.5V。MOSFET 446的栅极电压与源极电压之间的差值高于接通电压阈值，且MOSFET 446将保持接通直至栅极电压与源极电压之间的差值下降至接通电压阈值之下为止。

由于第一电容器423充电，节点422处的第一电压增加。由于施加此电压至PNP晶体管431的基极端子，PNP晶体管431的射极端子也增加。MOSFET 446的栅极电压因此接近MOSFET 446的源极电压。栅极电压与源极电压之间的差值将下降至接通阈值之下并且随后将MOSFET 446断开。

在各个实施例中，开关电路340包括并联连接至第二电阻器435的齐纳二极管442，其中阴极端连接至电池隔离开关130且阳极端连接至第二电阻器435的相对端。第五电阻器444可以连接在齐纳二极管442的阳极端与MOSFET 446的栅极端子之间。MOSFET 446归因于低接通电阻而为P沟道MOSFET。MOSFET 446具有连接至齐纳二极管442的阴极端的源极端子以及连接至输出电路350的漏极端子。MOSFET 446的本征体二极管448存在于MOSFET 446的漏极端子与源极端子之间。

随着第一电容器423的电压的增加，PNP晶体管431的基极端子的电压也随之增加。由于PNP晶体管431的射极端子归因于跨射极和基极端子的P-N结的约0.7V电势而跟随基极端子的电压，射极端子电压保持与第一电容器423的电压一起增加。由于MOSFET 446的栅极端子通过第三电阻器433连接至PNP晶体管431的射极端子，MOSFET 446的栅极端子处的电压由于射极端子电压增加而增加。由于MOSFET 446的栅极端子(节点434)处的电压增加，MOSFET 446的源极端子电压与栅极端子电压之间的差值下降并且接近最小接通电压值。一旦电压差由于栅极端子电压增加而下降至MOSFET 446的最小接通电压之下，MOSFET 446断开并且切断对负载210的供电。

输出电路350配置为限制通过预充电电路140从电池110提供至负载210的电量。输出电路350配置为防止电力从负载210返回至开关电路340。

在各个实施例中，输出电路350可以串联连接在开关电路340与负载210之间。在各个实施例中，二极管452可以与第六电阻器454串联连接。二极管452具有连接至MOSFET 446的漏极端子的阳极端以及连接至第六电阻器454的阴极端。

第六电阻器454限制被输送至负载210的浪涌电流的量。第六电阻器454可以被选择使得被提供至负载210的电量的限制与附加第六电阻器454的输出电路350的电力损耗增加之间存在折衷。二极管452可以被实施为防止电力从负载210返回至开关电路340。第六电阻器454可以基于充电周期、电阻器的脉冲额定功率以及负载210的浪涌电流容量来选择。

图4是说明预充电电路140的示例性操作的流程图。控制开始于500，其中控制确定点火开关是否已接通。如果是，那么控制在502处继续；否则，控制返回至500。

在502处，基于点火开关接通(例如，如由CAN消息指示)，控制将电池隔离开关闭合并且将电池连接至预充电电路和微处理器。控制在503处继续，其中微处理器开始通电且启动时间延迟电路。控制在503处还将预充电电路的开关模块闭合以将电池连接至负载。控制在506处继续，其中开关控制电路的输出电压跟随时间延迟电路的输出电压。

控制在508处继续，其中控制确定电池隔离开关是否仍然是闭合的。如果电池隔离开关是断开的，那么控制继续进行至510，其中电池与预充电电路断开。控制在511处确定点火开关是否已断开。如果是，那么控制返回至500；否则，控制返回至511并且等待点火开关断开。

如果控制在508处确定电池隔离开关仍然是闭合的，那么控制在512处继续。控制在512处确定开关控制电路的输出电压是否大于将预充电电路断开的预定阈值电压。如果控制在512处确定输出电压已达到阈值电压，那么控制在516处继续；否则，控制返回至508。

在516处，控制将开关电路断开并且将电池与负载断开。在518处，微处理器已完成载入将传动系统继电器闭合所需要的应用程序软件。在520处，控制将传动系统继电器闭合并且通过继电器将电池连接至负载。控制在521处确定点火开关是否已断开。如果是，那么控制返回至500；否则，控制返回至521并且等待点火开关断开。

以上描述的本质仅仅是说明性的并且决不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可通过各种形式来实施。因此，虽然本公开包括特定实例，但是本公开的真实范围不应当局限于此，因为当研究图式、说明书和以下权利要求书之后将明白其它修改。应当理解的是，方法内的一个或多个步骤可以不同次序(或同时)执行且不更改本公开的原理。另外，虽然每个实施例在上述被描述为具有某些特征，但是关于本公开的任何实施例描述的任何一个或多个这样的特征均可在任何其它实施例的特征中和/或结合任何其它实施例的特征来实施，即便所述组合没有明确描述。换句话来说，所描述实施例并不相互排斥，且一个或多个实施例彼此的置换保留在本公开的范围内。

元件之间(例如，电路之间)的空间和功能关系是使用各种术语来描述，所述术语包括“连接”、“接合”、“联接”、“相邻”、“紧靠”、“在……顶部上”、“在……上方”、“在……下方”和“设置”。除非明确描述为“直接”，否则当在上述公开中描述第一元件与第二元件之间的关系时，所述关系可为其中第一元件与第二元件之间不存在其它介入元件的直接关系，但是也可为其中第一元件与第二元件之间(空间上或功能上)存在一个或多个介入元件的间接关系。如本文所使用，短语A、B和C中的至少一个应被理解为意味着使用非排他性逻辑OR的逻辑(A OR B OR C)，且不应被理解为意味着“至少一个A、至少一个B和至少一个C”。

术语“电路”可以指代以下项或是以下项的部分或包括以下项：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合式模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合式模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；或某些或所有上述的组合，诸如在片上系统中。

在《美国法典》第35标题的第112节(f)(35U.S.C.§112(f))的含义内，权利要求书中叙述的元件均不旨在是装置加功能元件，除非元件使用短语“用于……的装置”明确叙述或在使用短语“用于……的操作”或“用于……的步骤”的方法权利要求书的情况中。

Claims (10)

1.一种用于包括电池和负载的车辆的预充电电路，所述预充电电路包括：

时间延迟电路，其配置为响应于从所述电池接收到电力而产生第一电压，其中所述第一电压从第一值朝第二值连续不断地增加，并且所述第二值是电池电压；

开关控制电路，其配置为响应于所述第一电压而提供跟随所述第一电压的第二电压；

开关电路，其配置为(i)基于所述第二电压选择性地将所述负载连接至所述电池和(ii)响应于所述第二电压达到预定阈值而将所述负载与所述电池断开，其中，所述预定阈值小于所述电池电压；以及

输出电路，其配置为限制通过所述开关电路从所述电池提供至所述负载的电力和浪涌电流的量。

2.根据权利要求1所述的预充电电路，其中所述负载包括以下各项中的至少一项：燃料泵、三相马达、升压电源、电子控制电路、动力系控制电路和变速器控制电路。

3.根据权利要求1所述的预充电电路，其中：

所述第二电压在所述第一电压达到所述第二值之前达到所述预定阈值；以及

所述第一值为0伏特。

4.根据权利要求1所述的预充电电路，其中：

所述输出电路配置为防止电力从所述负载返回到所述开关电路；

所述输出电路包括与电阻器串联连接的二极管；以及

所述输出电路串联连接在所述开关电路与所述负载之间。

5.一种用于包括电池和负载的车辆的系统，其包括：

权利要求1所述的预充电电路；

微处理器，其在所述时间延迟电路从所述电池接收电力的同时从所述电池接收电力；以及

继电器，其配置为响应于来自所述微处理器的命令而选择性地将所述电池连接至所述负载，

其中所述微处理器加载应用程序软件并且随后将所述命令发送至所述继电器。

6.一种用于包括电池和负载的车辆的系统，其包括：

权利要求1所述的预充电电路；以及

电池隔离开关，其配置为响应于所述车辆的点火系统开启而将所述电池连接至所述预充电电路和微处理器。

7.根据权利要求1所述的预充电电路，其中所述时间延迟电路包括：

具有第一电阻的第一电阻器；以及

具有第一电容并且串联连接的第一电容器，

其中所述时间延迟电路的时间常数基于所述第一电阻与所述第一电容的乘积。

8.根据权利要求1所述的预充电电路，其中所述第一电压是所述时间延迟电路的第一电容器的端子处的电压。

9.根据权利要求1所述的预充电电路，其中所述开关控制电路包括：

提供所述第二电压的带内部节点的电阻器网络；以及

连接在所述第一电压与所述电阻器网络之间的电压跟随器电路，其中所述电压跟随器电路包括具有连接至所述电阻器网络的射极端子的PNP晶体管，且其中所述PNP晶体管包括接收所述第一电压的基极端子。

10.根据权利要求1的所述预充电电路，其中：

所述开关电路包括：

MOSFET，其具有包括源极端子、栅极端子和漏极端子的端子；

齐纳二极管，其防止跨所述MOSFET的所述端子中的两者施加的电压超过所述MOSFET的额定电压；以及

电阻器，其连接在所述栅极端子与所述开关控制电路之间；

接通电压值是所述源极端子与所述栅极端子之间的接通所述MOSFET的电压差；以及

所述预定阈值是导致所述源极端子与所述栅极端子之间的所述电压差下降至所述接通电压值之下并且随后将所述MOSFET断开的所述第二电压的值。