CN109617155A - 一种混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路，串联在负载电容、超级电容之间，包括单片机、MOSFET、电感器、二极管、电压传感器；MOSFET Q2的D极连超级电容正极，MOSFET Q2的S极分别连二极管D5阴极和电感器一端，MOSFET Q2的G极连单片机，二极管D5阳极接电电路负极公共端，电感器另一端分别连MOSFET Q3的S极和二极管D6阴极，MOSFET Q3的D极与负载电容正极相连，MOSFET Q3的G极连单片机，二极管D6阳极接负极公共端；单片机通过检测负载电容、超级电容两端电压传感器得到两端电压差值，判断预充电方向，控制MOSFET Q2、MOSFET Q3的通断实现超级电容和负载电容充电双向充电，直至电压差达到设定值停止。本发明能够实现超级电容和车辆容性负载间的预充电保护功能。

Description

一种混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路

技术领域

本发明涉及电动车辆高压配电技术领域，具体涉及一种混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路。

背景技术

随着电动车辆技术的发展，电动车辆电驱动、电力做动装置等需求增加，车辆大量设备由机械液力形式升级为电动形式，由此带来车辆用电功率大幅增加。为满足电动车辆用电需求，车辆动力电网电压由传统的低压系统提升为幅值成百上千伏的高压系统。与此同时，大量新型高压用电设备在车上应用。这些设备大部分为电机控制器、电源变换装置等负载。为稳定负载输入电压，这些负载输入端均装有大小不等的支撑电容。以某车为例，该车辆电网电压高达900V，车上所有负载支撑电容容量总计超过15000μf。另外，在车辆高压情况下，为了稳定整车电网电压，以及为车辆短时峰值用电提供电能补偿，许多电动车辆上装有超级电容，以某车为例，其配备的超级电容容量超过3F。

因此，在大量电机控制器、电源变换装置、超级电容等高压设备全部挂接在车辆高压电网的情况下，如果车辆高压上电过程中，负载电容电压与超级电容电压如果相差过大，此时直接接通负载配电支路接触器，会在瞬间产生大电流，烧毁负载支撑电容，同时配电支路接触器也会因大电流而粘连、配电支路熔断器也会同时熔断。因此，在车辆上高压电时，首先应通过预充电电路将各容性负载的电容电压与超级电容电压拉平，再接通负载配电接触器，以减少接触器接通时对电网造成的冲击，保证负载和配电系统的安全。

目前传统的预充电方式主要采用限流电阻+高压接触器的方式进行预充电，该模式结构简单、易于实现，但也存在很多缺点。在电压较高、电容较大的情况下，要保证车辆在较短的时间完成预充电，这对预充电电阻的功率有较高的要求。以某车型900V电网电压、15000μf的负载电容为例，选取200欧的预充电电阻，预充电完成时间为12s，在预充过程中瞬时预充功率可达到4.5kw，平均预充电功率为600w左右。这就要求预充电阻需要瞬间耐受5KW，平均功耗600w。这样，造成预充电电阻体积巨大，重量较重，在电动车辆紧凑的内部环境中难以安装。为减少预充电单元体积和重量，一些车辆采用预充电模块的方式进行单向预充电，即用动力电池组或超级电容的高电压给负载电容充电，当负载电容与超级电容或电池组电压持平后，接通配电接触器。但混合电驱动车辆工况较为复杂，有可能出现在上高压电前负载电容电压高于超级电容电压的情况。此时，采用单向预充电无法实现预充电功能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路，能够实现超级电容和车辆容性负载间的预充电保护功能。

本发明的具体实施方式如下：

一种混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路，串联在负载电容、超级电容之间，所述预充电电路包括单片机、MOSFET、电感器L1、二极管、电压传感器及滤波电容；

MOSFET Q2的D极连接超级电容正极，MOSFET Q2的S极分别连接二极管D5的阴极和电感器L1一端，MOSFET Q2的G极连接单片机，二极管D5的阳极接预充电电路的负极公共端，电感器L1的另一端分别连接MOSFET Q3的S极和二极管D6的阴极，MOSFETQ3的D极与负载电容正极相连，MOSFET Q3的G极连接单片机，二极管D6的阳极接预充电电路的负极公共端；所述负载电容、超级电容两端均并联有电压传感器和滤波电容；

单片机根据电压传感器检测得到超级电容、负载电容两端电压差值，判断预充电方向，控制MOSFET Q2、MOSFET Q3的通断实现超级电容向负载电容充电或者负载电容向超级电容充电，直至电压差达到设定值停止充电。

进一步地，所述预充电电路进一步包括MOSFET Q1、MOSFET Q4，MOSFET Q1串联在超级电容与MOSFET Q2之间的线路上，MOSFET Q1的S极与MOSFET Q2的D极相连，MOSFET Q1的D极与超级电容正极相连；MOSFET Q4串联在负载电容与MOSFET Q3之间的线路上，MOSFETQ4的S极与MOSFET Q3的D极相连，MOSFET Q4的D极与负载电容正极相连。通过单片机控制MOSFET Q1、MOSFET Q4的分断来切断故障情况下的预充电回路。

进一步地，所述预充电电路进一步包括电流传感器，所述电流传感器串联在电感器L1与MOSFET Q3相连的电路上，单片机通过电流传感器判断充电电流，来调整相应MOSFET的斩波频率和占空比。

进一步地，所述单片机通过CAN总线与上位机通信，接收上位机预充电指令，并实时发送预充电状态信息。

进一步地，所述单片机具有I/O接口，当CAN总线失效时，通过I/O接口接收上位机指令对预充电进行控制。

有益效果：

1、本发明采用MOSFET、电感器、二极管等电子元器件构成双向预充电保护电路，在高压上电过程中采集超级电容、负载电容两端电压，根据两设备电压高低判断预充电方向，直至两负载电压充电至设定电压差时停止充电，此时闭合超级电容与容性负载之间的接触器，完成高压上电。本双向预充电电路在车辆上高压电过程中可以平衡超级电容和负载电容之间的电压，以避免容性负载接通时产生的瞬时大电流对负载支撑电容、配电支路接触器和熔断器等器件的冲击，取代以往大功率电阻加接触器的方式，能够大大减小车辆预充电保护单元体积，提高了功率密度，达到小型化、智能化的设计目的。由于单片机监测电压的功能，在遇到故障时发现电压与预期电压值不符，预充电单元执行保护动作，停止预充电，并发出故障报警信号。

2、本发明的MOSFET Q1、MOSFET Q4主要起安全作用，在预充电电路完成自检之前，以及在未收到预充电指令前关闭预充电通道；在预充电电路中出现故障时，通过控制MOSFET Q1、MOSFET Q4的分断来可靠的切断预充电工作回路。

3、本发明设置的电流传感器，单片机通过电流传感器采集充电电流，单片机根据此电流值调整相应MOSFET的斩波频率和占空比，进而控制充电电流的大小，还可以据此及时判断后端负载状态是否正常，即负载是否处于短路、断路或其他故障状态，这样有效避免了由于负载状态不明而盲目上高压电对负载和整车电网带来的风险。

附图说明

图1为本发明的双向预充电电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路，串联在负载电容、超级电容之间，适用于配备超级电容和大容量容性负载(<20000μf)的900V(及以下)配电体制的电驱动车辆。如图1所示，预充电电路包括单片机、MOSFET、电感器、二极管、电压传感器、电流传感器及滤波电容。

超级电容正极连接MOSFET Q2的D极，MOSFET Q2的S极分别连接二极管D5的阴极和电感器L1一端，MOSFET Q2的G极连接单片机，二极管D5的阳极接预充电电路的负极公共端，电感器L1的另一端分别连接MOSFET Q3的S极和二极管D6的阴极，MOSFET Q3的D极与负载电容正极相连，MOSFET Q3的G极连接单片机，二极管D6的阳极接预充电电路的负极公共端。MOSFET Q1串联在超级电容与MOSFET Q2之间的线路上，MOSFET Q1的S极与MOSFET Q2的D极相连，MOSFET Q1的D极与超级电容正极相连；MOSFET Q4串联在负载电容与MOSFET Q3之间的线路上，MOSFET Q4的S极与MOSFET Q3的D极相连，MOSFET Q4的D极与负载电容正极相连。电流传感器串联在电感器与MOSFET Q3相连的电路上。电压传感器V1一端连接MOSFET Q1的D极，另一端连接负极公共端，用于测量超级电容的电压；滤波电容C1一端连接MOSFET Q1的D极，另一端连接负极公共端，电压传感器V2一端连接MOSFET Q4的D极，另一端连接负极公共端，用于测量负载电容的电压；滤波电容C2一端连接MOSFET Q4的D极，另一端连接负极公共端，C1、C2主要起滤波作用。

超级电容、负载电容的电压经电压传感器通过分压、隔离，进入单片机的AD采集通道，单片机通过AD采样，判断超级电容、负载电容两端电压差值，并自动判断预充电方向，从而控制MOSFET Q2、MOSFET Q3的通断实现超级电容向负载电容充电或者负载电容向超级电容充电。预充电过程中，单片机通过电流传感器判断充电电流，来调整相应MOSFET的斩波频率和占空比。以有效控制充电电流大小，并实现后端电压的线性增长。单片机通过判断两端电压<20V视为预充结束，发预充完成信号。此时闭合超级电容与容性负载之间的接触器，完成高压上电。如果预充电一段时间后电压与预期电压值不符(大大低于或高于)，停止预充，并发报警信号。

超级电容向负载电容充电主要通过MOSFET Q2斩波实现，当Q2接通时，充电电流通过Q2、L1、D3形成充电回路，超级电容向负载电容充电，电感器L1储能；接近饱和时Q2断开，充电电流通过L1、D3、D5形成充电回路，由电感器L1继续向负载电容充电。

负载电容向超级电容充电通过MOSFET Q3斩波实现，当Q3接通时，充电电流通过Q3、L1、D2形成充电回路，负载电容向超级电容充电，电感器L1储能；接近饱和时Q3断开，充电电流通过L1、D2、D6形成充电回路，由电感器L1继续向超级电容充电。

MOSFET Q1和MOSFET Q4作为开关管，主要起安全作用，在预充电电路完成自检之前，以及在未收到预充电指令前关闭预充电通道；在预充电电路中出现故障时，通过控制Q1、Q4分断来可靠的切断预充电工作回路。

预充电电路的单片机通过CAN总线与上位机通信，接收上位机预充电指令，并实时发送预充电状态信息。其次，还留有I/O控制操作功能，此功能可以在CAN通讯故障，与上位机通讯不畅的情况下，通过外部电平信号控制预充电操作。

以900V双向预充电为例，经试验台架连续多次验证，两个方向均能够在10s内实现容量20000μf容性负载从0V充电至900V的充电功能。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路，串联在负载电容、超级电容之间，其特征在于，所述预充电电路包括单片机、MOSFET、电感器L1、二极管、电压传感器及滤波电容；

MOSFET Q2的D极连接超级电容正极，MOSFET Q2的S极分别连接二极管D5的阴极和电感器L1一端，MOSFET Q2的G极连接单片机，二极管D5的阳极接预充电电路的负极公共端，电感器L1的另一端分别连接MOSFET Q3的S极和二极管D6的阴极，MOSFETQ3的D极与负载电容正极相连，MOSFET Q3的G极连接单片机，二极管D6的阳极接预充电电路的负极公共端；所述负载电容、超级电容两端均并联有电压传感器和滤波电容；

单片机根据电压传感器检测得到超级电容、负载电容两端电压差值，判断预充电方向，控制MOSFET Q2、MOSFET Q3的通断实现超级电容向负载电容充电或者负载电容向超级电容充电，直至电压差达到设定值停止充电。

2.如权利要求1所述的混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路，其特征在于，所述预充电电路进一步包括MOSFET Q1、MOSFET Q4，MOSFET Q1串联在超级电容与MOSFET Q2之间的线路上，MOSFET Q1的S极与MOSFET Q2的D极相连，MOSFET Q1的D极与超级电容正极相连；MOSFET Q4串联在负载电容与MOSFET Q3之间的线路上，MOSFET Q4的S极与MOSFET Q3的D极相连，MOSFET Q4的D极与负载电容正极相连。通过单片机控制MOSFET Q1、MOSFET Q4的分断来切断故障情况下的预充电回路。

3.如权利要求1所述的混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路，其特征在于，所述预充电电路进一步包括电流传感器，所述电流传感器串联在电感器L1与MOSFET Q3相连的电路上，单片机通过电流传感器判断充电电流，来调整相应MOSFET的斩波频率和占空比。

4.如权利要求1所述的混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路，其特征在于，所述单片机通过CAN总线与上位机通信，接收上位机预充电指令，并实时发送预充电状态信息。

5.如权利要求4所述的混合电驱动特种车辆高压双向预充电电路，其特征在于，所述单片机具有I/O接口，当CAN总线失效时，通过I/O接口接收上位机指令对预充电进行控制。