CN109075581B - 电池断连电路和用于控制电池断连电路的方法 - Google Patents

Abstract

各种实施例提供了电池断连电路。电池断连电路包括：第一半导体开关，被配置为要被提供在电池与电子系统之间；继电器，被配置为将电池从电子系统隔离；预充电电路，包括第二半导体开关；以及缓冲器电路，包括第二半导体开关。

Description

电池断连电路和用于控制电池断连电路的方法

技术领域

本发明涉及电池断连电路和用于控制电池断连电路的方法。

背景技术

电动车辆（EV）、混合动力电动车辆（HEV）以及插电式HEV使用一个或多个推进系统以提供原动力。推进系统包括：电气系统，其从诸如电网之类的电力源接收电力以对电池进行充电，驱动马达以使车辆移动并且对配件供能以执行诸如照明之类的功能；以及电池组，其以化学方式存储电力以在将来使车辆运行。在特定情形下，可能想要的是把电气系统从电池组切断。

US 2011/0133677公开了一种用于对电动驱动进行供给的电路布置，至少两个电动能量源可以被连接到该电路布置。该至少两个电动能量源中的至少一个经由至少一个致动元件而至少间歇地对电动驱动进行供给。至少一个电动能量源可以经由开关而被从电动驱动断连。

US 2012/0306264公开了一种用于可以被使用在电动车辆中的断连开关的开关减荷设备。断连开关必须在电池与中间电路之间执行电流断连。为此目的，使用至少一个半导体开关。要被关断的电流被经由半导体开关传导以用于使电动连接断连。断连开关在减少的电压积累下在先前或随后被关断。

发明内容

根据本发明，提供了如在权利要求1中要求保护的电池断连电路。根据本发明，提供了如在权利要求9中要求保护的用于控制电池断连电路的方法。

附图说明

在附图中，贯穿不同的视图，同样的参照标记一般指代相同的部分。附图未必是成比例的，相反重点一般被放在图示本发明的原理上。在以下的描述中，参照以下附图描述各种实施例，在附图中：

图1示出电动车辆（EV）系统中的电池断连单元；

图2和图3示出各种电池断连单元；

图4A是根据各种实施例的电池断连电路；

图4B示出图示用于控制电池断连电路的方法的流程图；

图5示出根据各种实施例的系统的图示；以及

图6示出根据各种实施例的图示切换控制和临界电压以及电流波形的示图。

具体实施方式

根据各种实施例，可以提供用于电动车辆的电池断连单元。

图1示出根据各种实施例的系统100。如在图1中示出那样，电池断连单元（BDU）104可以充当电池组102与电气系统（例如包括充电器108和逆变器112）之间的主要接口。BDU104可以控制从充电器108（其可以被连接到电流源，例如交流电流源106）到电池组102的电流流动以及从电池组102到逆变器112（换言之：马达驱动器）的电流流动这两者，逆变器112例如被配置为驱动马达114和配件（在图1中未示出）。可以在充电器108与逆变器112之间提供电容器（C）110。BDU 104可以包括使电池组102与电气系统之间的高电流路径断开或接通的一个或多个开关以及控制开关的一个控制器。

作为电池组102与车辆的电气系统之间的主要接口，BDU 104可以执行若干个不同的功能。这些功能可以包括：

-通过使其开关保持导通来提供从充电器108到电池组102的导电路径，以对电池组102进行充电。在例如来自外部电动车辆（EV）充电站的插电式充电器108是不可控制的情况下，车辆中央控制器可以通过控制BDU 104对导通和断开进行切换来按照它自己的安排开始或停止对电池组102充电；

-通过控制从电池组102到车辆的其它组件（例如，连接到电动马达114或连接到配件的逆变器112）的电流流动来执行预充电，以保护组件免受电流浪涌；电流浪涌可能在最初激活组件时（例如，当车辆启动时）发生；

-通过使其开关保持导通来提供从电池组102到逆变器112的导电路径，以驱动电动马达114和配件以执行诸如照明之类的功能。车辆中央控制器可以通过控制BDU 104对导通和断开进行切换从而按照来自用户的指令开始或停止对逆变器112和配件供能；

-通过使其开关保持导通来提供从逆变器112到电池组102的导电路径，以在车辆制动阶段期间对电池组102充电。马达114可以通过在整流器模式下操作逆变器112从而在制动阶段期间执行为发电机以对电池组102充电；

-当电流的量值或者电流处在该量值的持续时间（在该持续时间内电流处在所述量值）大于预定值时，通过中断电池组102与电气系统之间的电流流动来保护电路；

-通过测量BDU 104输入电压（电池侧）和输出电压（DC（直流电流）链接侧）以及通过电池组102与电气系统之间的高电流路径的电流流动来采集临界参数（诸如电压和电流）。可以将所采集的参数发送到车辆中央控制器以用于实现高级功能。

图2示出包括BDU 204、电池202（换言之：电池组）以及逆变器206的系统的图示200。两个高电压高电流机电继电器210和216可以被配置为将电气系统从电池组202连接或断连。可以使用高电压但是低电流的机械继电器（例如，预充电继电器212和功率电阻器214）以对逆变器206进行预充电以避免高涌入电流。可以使用保险丝208以通过将电气系统从电池组202永久断连来保护电池组202免受过电流放电。因为机械继电器210、216可能需要一定空间来在关断期间抑制电弧放电，所以该解决方案可能造成具有低可靠性、慢切换、短寿命以及高成本的庞大设备。

图3示出具有电池302（换言之：电池组）、BDU 304以及逆变器306的系统300的图示。在图2中示出的两个高电压高电流机械继电器被功率电子开关替代，功率电子开关例如是两对IGBT（绝缘栅双极晶体管）308、310、312和314，所述两对IGBT 308、310、312和314进一步使用多个二极管316、318、320、322而以共发射极配置彼此连接。由于快速且无电弧放电的切换，该系统可以具有紧凑的大小、高的可靠性以及长的寿命。此外，该系统与图2中示出的基于机械继电器的解决方案相比可以是更便宜的。然而，由于跨半导体设备的电压降，系统效率可能相当地更低得多。该电压降可能不仅导致造成电池组302的增加的大小的能量浪费而且还导致可能是热耗散问题的热生成。

根据各种实施例，可以提供用于电动车辆的具有降低的系统成本和系统尺寸的BDU。

根据各种实施例，功率电子开关可以与机械继电器组合以实现低成本和小体积。

根据各种实施例，一个高频有源开关可以被用于预充电电路和缓冲器复位电路这两者以降低成本和体积。

图4A示出根据各种实施例的电池断连电路400。电池断连电路400可以包括被配置为要被提供在电池与电子系统之间的第一半导体开关402。电池断连电路400可以进一步包括被配置为将电池从电子系统隔离（例如当电子系统关闭时）的继电器404。电池断连电路400可以进一步包括：包括第二半导体开关的预充电电路406；以及包括所述第二半导体开关的缓冲器电路408。第一半导体开关402、继电器404、预充电电路406以及缓冲器电路408可以如由线410指示那样彼此耦合，例如电耦合（例如使用线或线缆）和/或机械耦合。

换言之，可以提供其中预充电电路406和缓冲器电路408联合地使用半导体开关的电池断连电路400。

根据各种实施例，第一半导体开关可以是功率半导体开关。

根据各种实施例，继电器404可以是机械继电器、机电继电器或接触器。

根据各种实施例，第一半导体开关可以包括两个晶体管和两个二极管。

根据各种实施例，预充电电路406可以包括晶体管、两个二极管以及被配置为降压转换器的电感器。

根据各种实施例，缓冲器电路408可以包括晶体管、五个二极管、变压器、电感器以及电容器。

根据各种实施例，缓冲器电路408可以被配置为抑制电压浪涌。

根据各种实施例，缓冲器电路408可以被配置为将存储在电容器中的能量转移到电池。

根据各种实施例，半导体开关可以包括或者可以是MOSFET，或者可以是IGBT，或者可以是任何其它类型的半导体开关。

根据各种实施例，预充电电路406可以被配置为对电子系统进行预充电。

根据各种实施例，预充电电路406可以进一步包括两个二极管以及电感器。

根据各种实施例，缓冲器电路408可以被配置为抑制跨定向的功率电子开关的电压浪涌。

根据各种实施例，功率电子开关402可以包括两个进一步的半导体开关和两个二极管。

根据各种实施例，缓冲器电路408可以进一步包括多个二极管、电感器以及电容器。

根据各种实施例，功率电子开关402可以包括或可以是双向功率电子开关。

图4B示出图示用于控制电池断连电路的方法的流程图412。在414中，可以控制被配置为要被提供在电池与电子系统之间的第一半导体开关。在416中，可以控制继电器以将电池从电子系统隔离（例如当电池断开时，或者例如当电子系统关闭时）。在418中，可以控制包括第二半导体开关的预充电电路。在420中，可以控制包括所述第二半导体开关的缓冲器电路。

根据各种实施例，缓冲器电路可以将存储在电容器中的能量转移到电池。

根据各种实施例，预充电电路可以对电子系统进行预充电。

根据各种实施例，缓冲器电路可以抑制跨定向的功率电子开关的电压浪涌。

根据各种实施例，半导体开关可以包括或可以是MOSFET、IGBT或其它类型的半导体开关。

图5示出根据各种实施例的具有电池502、BDU 554（换言之：电池断连电路）以及马达驱动器或逆变器558的系统500。

根据各种实施例，具有共发射极配置的双向功率电子开关可以包括第一晶体管522、第一二极管524、第二晶体管526和第二二极管528。第一晶体管522和第二晶体管526可以是IGBT或MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）或者是任何其它类型的半导体开关。第一二极管524和第二二极管528可以是续流二极管。该双向功率电子开关可以由BDU控制器520控制以开始/停止电池502与电子系统（例如包括马达驱动器或逆变器558）之间的大的电流流动。

可以提供机械继电器542。机械继电器542可以由BDU控制器520控制，以在它断开时隔离电池组502和电子系统以避免在BDU 554输出处的静态残留电压。

可以提供预充电单元（换言之：预充电电路），其包括第三晶体管540（其可以例如是MOSFET或IGBT或任何其它种类的半导体开关）、第三二极管548、第四二极管530以及可以作为降压转换器起作用的电感器544。可以控制电感器544中的电流以适当地对DC链路进行充电。

可以提供缓冲器电路，其包括第三晶体管540、第四二极管530、第五二极管534、第六二极管536（其可以是齐纳二极管）、第七二极管516、第八二极管538、变压器518/532（其中两个线圈518和532可以共享公共的金属芯，如由方框560和562所指示的那样）、电感器544以及电容器546。该缓冲器可以在双向功率电子开关402关断以切断电池组502与电子系统之间的大的电流流动时抑制跨双向功率电子开关402的电压浪涌。该缓冲器可以在双向功率电子开关402和机械继电器542这两者变为断开之后将存储在电容器546中的能量转移回到电池组502。二极管538可以为变压器初级532中的电流提供路径以对电容器546进行充电。

电池502可以提供可以经由电阻器508、510连接的正电势504和负电势506，其中电阻器508、510的连接可以被接地，如由512指示的那样。

可以提供第一电压传感器514、第二电压传感器552（其可以被配置为感测DC链路电压556）以及电流传感器550。第一电压传感器514可以由串联的电阻器、由集成电路（IC）、由霍尔效应传感器或者由来自电池502中的电池管理系统的信号提供。第二电压传感器552可以由串联的电阻器、由集成电路（IC）、由霍尔效应传感器或者由来自马达驱动器或逆变器558的信号提供。电流传感器550可以由分流器、由变压器或者由霍尔效应传感器提供。

根据各种实施例，BDU控制系统可以通过监测电压（电池组电压和DC链路电压）和电流（例如在电池组与电子系统之间的流动，例如在变压器518/532的初级侧中的流动，例如在电感器544中的流动）来控制包括第一晶体管522、第二晶体管526、第三晶体管540和机械继电器542的所有有源开关。在图6中图示了切换控制和临界电压以及电流波形。

图6示出图示图5中所示出的电路的各种元件的切换控制和临界电压以及电流波形的示图600。将理解的是，图6中的波形的图示是用于说明性的目的，并且因此没有给出绝对值。对于晶体管522、526、540以及开关542而言，更低的值意味着“断开”，并且更高的值意味着“导通”。竖向轴604指示波形中所图示的相应的变量。为了简洁起见，利用与图5中示出的对应的元件相同的参照标号标记图6中的波形。横向轴602指示具有如下时间点的时间：（1）初始状态；（2）机电继电器542导通；（3）对DC链路进行预充电；（4）DC链路准备好；（5）正常工作；（6）DC链路短路故障发生；（7）晶体管522和526关断；（8）电容器546充满电；（9）机械继电器542断开；（10）电容器546放电；（11）系统关闭。

根据各种实施例的设备和方法可以提供用于BDU的电子学拓扑和控制策略，其可以例如通过如下来降低系统总成本：用低成本功率电子开关来替代高电压和高电流的机电继电器210；用低电压高电流且慢速的继电器来替代高电压高电流且快速的机电继电器216；通过实现通过将缓冲器电路的部分操作为降压转换器的预充电功能来省略高电压低电流的机械继电器212以及功率电阻器214；省略保险丝208。

根据各种实施例的设备和方法可以提供用于BDU的电子学拓扑和控制策略，其可以增加寿命。由于可以通过功率电子开关402来切断高工作电流，因此机械继电器404可以总是以零电流（减载操作）来对导通和断开进行切换，并且因此可以不要求电弧放电隔板和快速切换能力，从而系统可以使用更便宜且更小的继电器。

根据各种实施例的设备和方法可以提供用于BDU的电子学拓扑和控制策略，其可以提供小的几何形状。功率电子开关402可以是具有紧凑大小的无电弧放电开关。机械继电器404可以总是以零电流来对导通和断开进行切换，这意味着没有电弧放电隔板，因此其可以具有小的大小。

可以提供各种实施例以针对用于电动车辆的电子电池断连单元来进行使用。

虽然已经参照具体实施例特定地示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中做出形式和细节方面的各种改变。因此，本发明的范围由所附权利要求指示，并且因此意图涵盖落入到权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变。

Claims (8)

1.一种电池断连电路，包括：

第一半导体开关，被配置为要被提供在电池与电子系统之间；

继电器，被配置为将电池从电子系统隔离；

预充电电路，包括第二半导体开关；以及

缓冲器电路，包括作为晶体管的所述第二半导体开关，其中缓冲器电路还包括：五个二极管；变压器；电感器；以及电容器，并且缓冲器电路被配置为抑制电压浪涌，

其中，电容器和变压器串联连接，所述第二半导体开关与该串联电路并联连接，该并联电路的一端经电感器连接到第一半导体开关的一端，并且该并联电路的另一端经所述五个二极管中的第一二极管连接到第一半导体开关的另一端，所述五个二极管中的第二二极管和第三二极管反串联并且与变压器并联，所述五个二极管中的第四二极管经另一变压器与电池反并联，以及所述五个二极管中的第五二极管与所述第二半导体开关反并联。

2.如权利要求1所述的电池断连电路，其中第一半导体开关包括功率半导体开关。

3.如权利要求1所述的电池断连电路，其中继电器包括机械继电器、机电继电器或接触器中的至少一个。

4.如权利要求1所述的电池断连电路，其中第一半导体开关包括两个晶体管和两个二极管。

5.如权利要求1所述的电池断连电路，其中预充电电路包括：晶体管；两个二极管；以及被配置为降压转换器的电感器。

6.如权利要求1所述的电池断连电路，其中缓冲器电路被配置为将存储在电容器中的能量转移到电池。

7.一种用于控制电池断连电路的方法，所述方法包括：

控制被配置为要被提供在电池与电子系统之间的第一半导体开关；

控制将电池从电子系统隔离的继电器；

控制包括第二半导体开关的预充电电路；以及

控制包括作为晶体管的所述第二半导体开关的缓冲器电路，缓冲器电路还包括五个二极管、变压器、电感器、以及电容器，并且被配置为抑制电压浪涌，

其中，电容器和变压器串联连接，所述第二半导体开关与该串联电路并联连接，该并联电路的一端经电感器连接到第一半导体开关的一端，并且该并联电路的另一端经所述五个二极管中的第一二极管连接到第一半导体开关的另一端，所述五个二极管中的第二二极管和第三二极管反串联并且与变压器并联，所述五个二极管中的第四二极管经另一变压器与电池反并联，以及所述五个二极管中的第五二极管与所述第二半导体开关反并联。

8.如权利要求7所述的方法，其中缓冲器电路将存储在电容器中的能量转移到电池。

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