CN111315610A - 接触器控制系统和用于控制接触器的方法 - Google Patents

Abstract

一种接触器控制系统(1)，其包括开关元件(10)、高压负载(4)、高压储能器(2)、操作地连接到开关元件(10)的双向DC/DC转换器(5)、操作地连接到高压负载(4)的高压电容器(6)，以及操作地连接到双向DC/DC转换器(5)的低压储能器(3)，其中开关元件(10)适于连接和断开高压储能器(2)与高压负载(4)之间的连接，其中双向DC/DC转换器(5)适于在开关元件(10)闭合前自低压储能器(3)将高压电容器(6)预充电至预定电压值，以及适于在开关元件(10)断开时使高压电容器(6)放电至低压储能器(3)。该接触器控制系统(1)的优点是，可以利用双向DC/DC转换器(5)自低压电池(3)对DC链路电容器(6)进行充放电，能量损失可以因此而最小化。

Description

接触器控制系统和用于控制接触器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于电动或混合动力汽车的接触器控制系统，和一种用于控制电动或混合动力汽车中的接触器的方法。当接触器两侧的电压差低于预定电压值时，控制接触器将高压电池连接到高压负载。

背景技术

包括内燃机的车辆受到多种不同的立法要求和法规的约束。其中一些要求和法规针对的是燃料消耗和废气排放。不同国家或市场可能有不同的要求。用于降低燃料消耗和废气排放的一种措施是为车辆提供电动机。车辆可以是全电动的，也可以是包括电机和内燃机的混合动力车辆。

这种车辆设有适于为诸如电动机、气候控制单元、主动悬架等高能量部件供电的高压电池，高能量部件即会从低压电池中吸取非常大电流的部件。出于这个原因，这些部件自具有200-300伏或更高电压的高压电池供电。车辆还设有适于为诸如电子控制单元、娱乐系统、风扇、仪表盘等车辆的低能量部件供电的低压电池。

车辆设有与高压负载并联的高压电容器。这种电容器被称为X电容器或DC链路电容器。该电容器适于减少和吸收由驱动电动机的例如PWM逆变器引起的高压负载的瞬态，并稳定高压负载的电压。车辆还设有大电流开关元件，诸如用于连接和断开高压负载与高压电池之间的接触器。这样，当车辆出于安全原因停车时，任何负载端子上都不会出现高压。此外，放电电路将对DC链路电容器放电，使得该电容器中不会留下危险的电压或电荷。

当车辆启动时，高压电池必须用开关元件连接到高压负载上。但是，由于DC链路电容器已经放电，并且由于DC链路电容器相对较大，因此通过接触器的高电流峰值将损坏接触器中的触点。DC链路电容器值在600-1200μF之间是常见的，并且高压电池不受电流限制，具有非常低的内阻。

因此，已知使用预充电电路以接近高压电池电压的电压对DC链路电容器进行预充电。这样的预充电电路可以设有限流电阻器，其与DC链路电容器一起形成对DC链路电容器预充电的RC电路。由于电路的时间常数，当开关元件将高压电池连接到高压负载时，预充电电压通常将达到高压电池的约90％。这将减小开关元件闭合时的电流。

使用DC/DC转换器对DC链路电容器进行预充电也是已知的。在这种情况下，DC/DC转换器自低压电池供电，并将向DC链路电容器提供高压。当DC链路电容器的电压达到预定电压水平时，开关元件可以闭合。这将减少通过开关元件的电流浪涌。US 2016/0023559A1、US 9413184 B2和WO 2015/086179 A1都示出了设有包含DC/DC转换器的预充电电路的车辆的例子。

当车辆停止时，DC链路电容器必须放电。DC链路电容器的放电通常是通过放电电阻器进行的，当它连接到DC链路电容器时会形成RC电路。DC链路电容器也可以通过包括例如IGBT或MosFet组件的逆变器放电。这将允许DC链路电容器在相对较短的时间内放电。这种电路将使DC链路电容器完全放电，并且放电能量将转化为电阻的热量。

因此，还有改进用于车辆的接触器控制系统的余地。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种改进的接触器控制系统，其将减少车辆启动和停止时的能量损失。本发明的另一个目的在于提供一种用于在车辆中对DC链路电容器进行充放电的改进的方法。

根据本发明的上述问题的解决方案，描述在关于接触器控制系统的权利要求1的特征部分、关于车辆的权利要求9和关于方法的权利要求11中。其他权利要求包含有创新的供电单元和车辆的有益的进一步改进。权利要求还包含用于执行这种方法的计算机程序和计算机程序产品。

接触器控制系统包括开关元件、高压负载、高压储能器装置、操作地连接到开关元件的双向DC/DC转换器、操作地连接到高压负载的高压电容器、以及操作地连接到双向DC/DC转换器的低压储能器，其中开关元件适于连接和断开高压储能器与高压负载之间的连接，在这种接触器控制系统中，本发明的目的通过如下方式实现，双向DC/DC转换器被配置成在开关元件闭合前自低压储能器将高压电容器预充电至预定电压值，并且被配置成在开关元件断开时使高压电容器放电至低压储能装置。

根据本发明的接触器控制系统的第一种实施方式，提供了一种接触器控制系统，其将控制双向DC/DC转换器用于对DC链路电容器预充电和用于对DC链路电容器放电。这将最大限度减少开关元件的损坏，并且还将减少DC链路电容器预充放电过程中的能量损失。

为了减少开关元件的损坏，从而减少能量损失，输入侧的电压和输出侧的电压相似或相等是很重要的。在使用限流电阻器的预充电电路中，当开关元件闭合时，电压差可能高达10％。在一个例子中，电压差被设置为零，即DC/DC转换器被设置成将DC链路电容器预充电至等于高压负载电压的电压。系统设有两个电压传感器。第一电压传感器测量开关元件的输出侧的电压，即DC链路电容器和DC/DC转换器的电压，第二电压传感器测量开关元件的输入侧的电压，即高压负载的电压。

控制单元接收所测量的电压值并确定何时可以闭合开关元件。由于电气系统中的噪声和干扰以及测量系统中的分辨率，很难确定输入侧和输出侧的电压何时完全相等。例如，在400伏系统中，8位AD转换器将提供大于1伏的分辨率。为此，可以为预定电压值设有公差。该公差可以例如设定为1伏或2伏，或者例如设定为高压负载电压的1％。

在一个例子中，预定电压被设置为高于高压负载的电压。通过将DC链路电容器预充电至略高于高压负载电压的电压，减少了开关元件的损坏。在相同电压差下，当高压储能器的电压稍高时，DC链路电容器所能传递的电流峰值将小于高压负载所能传递的电流峰值。

在一个例子中，预定电压值被设置为在有时低于高压存储器的电压和有时高于高压负载的电压的电压值之间交替。这样，由于电流峰值分布到开关元件的两个接触点上，因而减少了开关元件每个接触点的损坏。在一个例子中，每当开关元件闭合时，电压在较高值和较低值之间交替，但是这种交替可以被设置为任何合适的数。

DC/DC转换器还用于使DC链路电容器放电至低压存储器，以降低能量损耗。当车辆停止并且开关元件断开时，DC链路电容器必须放电。通过DC/DC转换器使得DC链路电容器放电，DC链路电容器中存储的能量可用于对低压存储器充电。

在一个例子中，可以将DC链路电容器的电压设置为与零不同的电压值，即DC链路电容器不完全放电。这将使系统进一步减少能量损失。例如，在400伏系统中，DC链路电容器可以放电至48伏的电压值，这一电压值被认为是安全电压，并且其可能是车辆连接器端子上存在的电压。下一次车辆启动时，DC/DC转换器必须自48伏而非0伏起对DC链路电容器进行预充电，由此可以节省时间和能量。

在一个例子中，延迟时间被应用于DC链路电容器的放电。在这个例子中，当开关元件打开时，DC链路电容器不直接放电。当车辆停车时间较短时，这是一个优势，例如当驾驶员在快餐店快速停车购买东西时，或当混合动力车在加油站停车时。延迟时间可以是例如几分钟，也可以是例如半小时。当延迟时间过去时，DC/DC转换器将DC链路电容器放电至低能量存储器。

在一个例子中，双向DC/DC转换器被配置成自高压电容器对低压储能器进行充电。由此，高压电容器的能量保存在系统中，而不会在任何组件中消耗掉，从而降低系统的能耗。

在一个例子中，双向DC/DC转换器被配置成当开关元件断开时自高压电容器向低压储能器充电。

一种方法，用于在包括高压负载和高压储能器的车辆中的高压电容器充放电，包括以下步骤：在车辆启动前用双向DC/DC转换器自低压储能器向高压电容器预充电，当开关元件的输入侧和输出侧之间的电压差低于预定值时将高压储能器连接到带有开关元件的高压负载，在车辆停止后，将高压储能器与高压负载断开连接，以及用双向DC/DC转换器使高压电容器放电至低压储能器。

通过该方法的第一实施例，该方法将能够在DC链路电容器的预充电和放电期间减少车辆中的能量损失。DC链路电容器从低压储能器预充电，并且DC链路电容器放电至低压储能器。

在一个例子中，该方法包括额外的步骤：用双向DC/DC转换器自高压电容器向低压储能器充电。

在一个例子中，用双向DC/DC转换器自高压电容器向低压储能器充电的步骤，在用双向DC/DC转换器自高压电容器向低压储能器充电的步骤之后执行。

在一个例子中，用双向DC/DC转换器自高压电容器向低压储能器充电的步骤，在车辆停止后从高压负载断开连接高压储能器的步骤之后执行。

附图说明

下面将参照附图更详细地描述本发明，其中

图1示出了根据本发明的一种开关控制系统的示意图，

图2示出了一种车辆的示意图，该车辆包括根据本发明的开关控制系统，

图3示出了根据本发明的一种用于对DC链路电容器进行充放电的方法的流程图。

具体实施方式

下面描述的具有进一步改进的本发明的实施例仅被视为例子，并且不以任何方式限制本专利的权利要求所提供的保护范围。在所描述的例子中，开关控制系统用于车辆，但开关控制系统可以用于将高压储能器连接到包括相对较大的电容器的高压负载的任何类型的设备。

图1示出了开关控制系统1的示意图，其包括高压储能器2、低压储能器3、高压负载4、双向DC/DC转换器5、高压DC链路电容器6和高压开关元件10。在这个例子中，高压储能器是高压电池，例如锂离子电池，具有大约400伏的标称电压。在这个例子中，低压储能器是12伏铅酸电池，但也可以是其他类型的电池，以及与超级电容器并联的电池。也可以并联地使用铅酸电池和锂离子电池，其中电池由例如二极管隔开。双向DC/DC转换器适于将低压电池的电压提升到与高压电池的电压相对应的电压，在这个例子中为400伏。双向DC/DC转换器还适于将DC链路电容器的电压降到与低压电池的电压相对应的电压，在这个例子中为12伏。

通过使用双向DC/DC转换器，可以将能量从低压电池转移到高压的DC链路电容器，并且也可以转移到高压负载，或者甚至转移到高压电池，并将能量从DC链路电容器以及从高压电池转移到低压电池。例如，如果低压电池是空的，则可以从高压电池向低压电池充电，如果高压电池完全耗尽，则可以从低压电池向高压负载提供高压。

高压DC链路电容器6与高压负载4并联。高压负载包括适于驱动车辆的电动机，但也可包括压缩机或加热器或任何其他高能量部件。DC链路电容器适于减少和吸收由驱动电动机的例如PWM逆变器引起的高压负载的瞬态，并在高压负载下稳定电压。DC链路电容器通常在600μF-1200μF之间的范围内。电容值是电容器充电时间和高压稳定度之间的折衷值。较大的电容值将提供更好的高压过滤，从而获得更平滑和更稳定的高压，但当使用常规预充电电路时，将增加电容器的充电时间。根据创新的预充电方法，如果需要，可以使用更大的电容值而不影响预充电时间。

当车辆启动时，DC链路电容器被预充电至预定电压值。理想情况下，预定电压应与高压储能器的电压相同，这样当开关元件闭合时，不会有能量从高压储能器转移到DC链路电容器。开关元件上的电压差会在开关元件的连接器端子中引起火花，从而损坏连接器端子。将DC链路电容器预充电至与高压储能器相同的电压的另一个优点是降低了感应电磁干扰(EMI)。

为了尽可能减少连接器端子的损坏，这也将减少能量损失，开关元件的输入侧和开关元件的输出侧之间的电压差越小越好。在一个例子中，电压差被设置为零，即DC/DC转换器被设置为将DC链路电容器预充电至等于高压负载电压的电压。系统设有两个电压传感器，第一电压传感器12适于测量开关元件10的输出侧8上的电压，即DC链路电容器4的电压，第二电压传感器13测量开关元件10的输入侧7上的电压，即高压负载2的电压。

开关控制单元11接收所测量的电压值并确定何时可以闭合开关元件10。由于电气系统中的噪声和干扰以及测量系统中的分辨率，很难确定输入侧和输出侧的电压何时完全相等。例如，在400伏系统中，8位AD转换器将提供大于1伏的分辨率。为此，可以为预定电压值提供允许的公差。该公差可设置为几伏，例如1伏或2伏，或设置为高压负载电压的1％。公差范围的设置取决于高压负载的电压和控制系统的测量分辨率。

开关元件的输入侧和输出侧之间的电压差将在开关元件的触点端子之间产生火花。这种火花会损坏接触端子，并可能最终使开关元件发生故障。在一个例子中，预定电压被设置为高于高压负载的电压。通过将DC链路电容器预充电至略高于高压负载电压的电压，减少了开关元件上的损坏。在相同电压差下，当高压储能器的电压稍高时，DC链路电容器所能传递的电流峰值将小于高压负载所能传递的电流峰值。这样可以减少开关元件的损坏。

在一个例子中，DC链路电容器的预定电压值被设置为在有时低于高压存储器的电压和有时高于高压负载的电压之间交替。这样，由于电流峰值分布到开关元件的两个接触端子上，因而减少了开关元件的每个接触端子上的损坏。每次开关元件闭合时，预定电压值可以在较高的值和较低的值之间交替，但是可以将交替周期设置为任何合适的数。

当开关元件闭合，且高压储能器连接到高压负载时，双向DC/DC转换器关闭。如有必要，可以用双向DC/DC转换器在车辆行驶时为低压储能器充电。

当车辆停止且暂时不使用时，必须断开高压负载与高压储能器的连接。在此，由于开关元件的输入侧和输出侧的电压相同，因此可以在不产生火花的情况下断开开关元件。当开关元件断开时，DC链路电容器中的高压将保持不变。DC链路电容器的电量应被排空，以避免危险情况，例如当用户打开引擎盖并意外地接触到高压负载的接触点时。

由于这个原因，双向DC/DC转换器适于使得DC链路电容器放电至低压储能器，以降低能量损耗。通过DC/DC转换器使DC链路电容器放电，DC链路电容器中存储的能量可用于对低压存储器充电。

在一个例子中，可以将DC链路电容器的放电电压设置为与零不同的电压值，即DC链路电容器未完全放电。这将使系统进一步减少能量损失。例如，在400伏系统中，DC链路电容器可以放电至48伏的电压值，这一电压值被认为是安全电压，并且其可能是车辆连接器端子上存在的电压。下一次启动车辆时，DC/DC转换器必须自48伏而非0伏起对DC链路电容器进行预充电，这样可以节省时间和能量。

在一个例子中，延迟时间被应用于DC链路电容器的放电过程。在这个例子中，当开关元件断开时，DC链路电容器不会直接放电。当车辆停车时间较短时，这是一个优势，例如当驾驶员在快餐店快速停车购买东西时，或当混合动力车在加油站停车时。延迟时间可以是例如几分钟，也可以是例如半小时。当延迟时间过去时，DC/DC转换器将DC链路电容器放电至低能量存储器中。

在一个例子中，双向DC/DC转换器被配置成从高压电容器向低压储能器进行充电。这使得来自高压电容器的能量保存在系统中，而不会在任何组件中烧掉，从而可以降低系统的能耗。

在一个例子中，双向DC/DC转换器被配置成当开关元件断开时自高压电容器向低压储能器充电。

图2示出了车辆30，其包括根据本发明的开关控制系统1。该开关控制系统可以位于车辆中的任何适当位置，但优选地布置成靠近高压储能器或高压负载，以使得高压电缆的电缆长度最短。高压的高压侧和低压侧都需要单独的电缆。低压系统设有接地连接处9。

图3示出了在包括高压负载和高压储能器的车辆中对高压电容器进行充放电的方法的流程图。该方法在车辆启动前和车辆停止后执行，并且车辆可以是纯电动车辆或混合动力车辆。方法步骤优选地通过车辆中电子控制单元包含并运行的计算机程序和计算机程序产品来执行。

在步骤100中，在车辆启动前，用双向DC/DC转换器从低压储能器向DC链路高压电容器进行预充电。当纯电动汽车要启动时，激活开关被激活，将车辆设置为待机模式。对于混合动力车辆，点火开关设置在第一位置。车辆的低压电气系统现在处于激活状态，灯、娱乐系统、导航系统等都处于激活状态。同时，用双向DC/DC变换器从低压储能器向DC链路电容器预充电。DC链路电容器被预充电至与高压储能器基本相同的电压。

在步骤110中，高压储能器通过开关元件连接到高压负载。当开关元件的输入侧和输出侧之间的电压差低于预定值时，开关元件闭合。现在车辆可以由用户驾驶了。

在步骤120中，车辆已停止。激活开关或点火开关已转到断开位置，表示车辆暂时不使用，即将关闭。高压储能器现在将与高压负载断开。

在步骤130中，利用双向DC/DC转换器使得DC链路电容器放电。用双向DC/DC变换器将DC链路电容器的电压转换至低压储能器的电压，从而将DC链路电容器的能量转移至低压储能器。然后，可以关闭该开关控制单元。

在一个例子中，该方法包括额外的步骤：用双向DC/DC转换器5自高压电容器6向低压储能器3充电。

在一个例子中，在用双向DC/DC转换器5自高压电容器6向低压储能器3进行充电的步骤之后，执行用双向DC/DC转换器5自高压电容器6向低压储能器3进行充电的步骤。

在一个例子中，从高压电容器6向低压储能器3充电的步骤，在车辆停止后从高压负载断开高压储能器的步骤之后执行。

本发明不应被视为仅限于上述实施例，在随后的专利的权利要求的范围内可以进行许多其他的变型和修改。

附图标记

1：开关控制系统

2：高压电池

3：低压电池

4：高压负载

5：双向DC/DC转换器

6：DC链路电容器

7：输入侧

8：输出侧

9：地

10：高压开关元件

11：开关控制单元

12：第一电压传感器

13：第二电压传感器

30:车辆

Claims (20)

1.一种开关控制系统(1)，其包括开关元件(10)、高压负载(4)、高压储能器(2)、操作地连接到所述开关元件(10)的双向DC/DC转换器(5)、操作地连接到所述高压负载(4)的高压电容器(6)，以及操作地连接到所述双向DC/DC转换器(5)的低压储能器(3)，其中，所述开关元件(10)适于将所述高压储能器(2)连接至所述高压负载(4)以及将所述高压储能器(2)从所述高压负载(4)处断开连接，其特征在于，所述双向DC/DC转换器(5)被配置成在所述开关元件(10)闭合前自所述低压储能器(3)将所述高压电容器(6)预充电至预定电压值，以及被配置成在所述开关元件(10)断开时使所述高压电容器(6)放电至所述低压储能器(3)。

2.根据权利要求1所述的开关控制系统，其特征在于，所述系统包括操作地连接到所述开关元件(10)的第一侧的第一电压传感器(12)和操作地连接到所述开关元件(10)的第二侧的第二电压传感器(13)。

3.根据权利要求2所述的开关控制系统，其特征在于，所述系统包括控制单元(11)，所述控制单元(11)适于接收来自所述第一电压传感器(12)和所述第二电压传感器(13)的电压值，以确定预定电压值并根据所确定的预定电压值控制所述开关元件(10)。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的开关控制系统，其特征在于，所述预定电压值取决于所述高压储能器(3)的电压。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的开关控制系统，其特征在于，所述预定电压值等于所述高压储能器的电压(3)。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的开关控制系统，其特征在于，所述预定电压值与所述高压储能器(3)的电压差小于1％。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的开关控制系统，其特征在于，所述预定电压值高于所述高压储能器的电压(3)。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的开关控制系统，其特征在于，所述低压储能器(3)包括第一铅酸电池和不同的第二低压储能器。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的开关控制系统，其特征在于，所述双向DC/DC转换器被配置成能够自所述高压电容器(6)向所述低压储能器(3)充电。

10.根据权利要求9所述的开关控制系统，其特征在于，所述双向DC/DC转换器被配置成当所述开关元件(10)打开时自所述高压电容器(6)向所述低压储能器(3)充电。

11.一种车辆，其中，所述车辆(30)包括根据上述权利要求中任意一项所述的开关控制系统(1)。

12.根据权利要求11所述的车辆，其中，所述车辆(1)是混合动力车辆。

13.一种用于对车辆中的高压电容器(6)进行充放电的方法，所述车辆包括带有高压电容器(6)的高压负载(4)以及高压储能器(2)，所述方法包括以下步骤：

-在车辆启动前，用双向DC/DC转换器(5)自低压储能器(3)将所述高压电容器预充电至预定电压值，

-当开关元件的输入侧和输出侧之间的电压差低于预定值时，用开关元件(10)将所述高压储能器连接到所述高压负载，

-在车辆停车后，将所述高压储能器从所述高压负载断开连接，

-用所述双向DC/DC转换器使所述高压电容器放电至所述低压储能器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述预定电压值高于车辆的一个启动时刻的所述高压储能器的电压，并且所述预定电压值低于车辆的另一个启动时刻的所述高压储能器的电压。

15.根据权利要求13或14所述的方法，还包括额外的步骤：在用所述双向DC/DC转换器将所述高压电容器放电之前，等待预定时间间隔。

16.根据权利要求13至15中任意一项所述的方法，还包括额外的步骤：用所述双向DC/DC转换器(5)自所述高压电容器(6)向所述低压储能器(3)充电。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，用所述双向DC/DC转换器(5)自所述高压电容器(6)向所述低压储能器(3)充电的步骤，在用所述双向DC/DC转换器(5)自所述高压电容器(6)向所述低压储能器(3)充电的步骤之后执行。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，用所述双向DC/DC转换器(5)自所述高压电容器(6)向所述低压储能器(3)充电的步骤，在车辆停止后将所述高压储能器从所述高压负载断开连接的步骤之后执行。

19.一种计算机程序，其包括用于在计算机上运行所述程序时执行如权利要求13-18所述的所有步骤的程序代码装置。

20.一种计算机程序产品，包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置，所述程序代码装置用于在计算机上运行所述程序产品时执行如权利要求13-19所述的所有步骤。

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