CN111712986A - 预充电电流控制设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个实施例，一种用于控制在电连接第一端子和第二端子时产生的预充电电流的设备可以包括：开关，用于控制在第一端子和第二端子之间流动的电流的大小；第一电阻器，用于产生与在第一端子和第二端子之间流动的预充电电流的大小成比例的第一晶体管的基极电压；第一晶体管，用于当第一电阻器产生的电压等于或大于预定阈值电压时，限制预充电电流的大小；光电耦合器，用于在与第一电源绝缘的状态下接收来自第一电源的光信号并供应电力；电容器，通过由光电耦合器供应的电力充电；第二晶体管，用于基于电容器的充电电压来控制预充电电流的大小；以及第二电阻器，用于与电容器一起控制第二晶体管的操作时间。

Description

预充电电流控制设备
技术领域
本公开涉及预充电电流控制设备。
背景技术
今天，随着电动车辆和能量储存技术的发展，电池组(battery pack)相关技术正在发展，并且这些电池组通常被设计为具有高电压和高容量，以便驱动设备。
在电池组和设备之间的初始连接中，由于设备的电感和/或电容元件，预充电现象经常发生。随着电池的电压和容量增加，如上所述，会出现大的预充电现象。
根据现有技术，为了为这种预充电现象做准备，通过使用能够承受高电流或高电压的元件来设计设备。因此，存在设备制造成本增加的问题。
此外，设备的每个元件的应力由于预充电现象而增加，因此，这可能导致对设备的严重损坏。
发明内容
技术问题
提供了本公开的实施例，其中可以防止瞬间过量电流被供应给设备，从而可以防止设备的故障或构成设备的元件的疲劳增加。
还提供了本公开的实施例，其中可以防止由预充电电流产生的高瞬间功率的产生，从而可以减少在设备的制造和设计中使用高成本器件的需要。
问题的解决方案
根据本公开的一个方面，一种用于控制在电连接第一端子和第二端子时产生的预充电电流的设备，包括：开关，用于控制在第一端子和第二端子之间流动的电流的大小；第一电阻器，用于产生与在第一端子和第二端子之间流动的预充电电流的大小成比例的第一晶体管的基极电压；第一晶体管，用于在第一电阻器产生的电压等于或大于预定阈值电压时限制预充电电流的大小；光电耦合器，用于在与第一电源绝缘的状态下接收来自第一电源的光信号并供应电力；电容器，通过由光电耦合器供应的电力进行充电，第二晶体管，用于基于电容器的充电电压来控制预充电电流的大小；以及第二电阻器，用于与电容器一起控制第二晶体管的操作时间。
电容器的充电电压可以产生第二晶体管的基极电压，并且当通过由光电耦合器提供的电力对电容器充电时，第二晶体管可以降低流过第二晶体管的电流，从而增加开关的栅极电压。
第二晶体管可以降低流过第二晶体管的电流，从而线性增加开关的栅极电压。
开关可以与开关的栅极电压成比例地增加流过开关的电流的大小。
当由第一电阻器产生的电压等于或大于预定阈值电压时，第一晶体管可以降低开关的栅极电压，从而限制预充电电流的大小。
该设备还可以包括用于防止短路的第三电阻器，并且第三电阻器可以电连接光电耦合器和第二电阻器。
第二电源可以电连接到第一端子，负载可以电连接到第二端子。
负载可以包括用于产生预充电电流的电容元件。
当电容元件的充电完成时，预充电电流可以降低，并且当电容元件的充电完成时，开关的栅极电压可以通过由光电耦合器供应的电力保持在预定电压，并且开关可以通过保持在预定电压的栅极电压来保持第一端子和第二端子的短路状态。
公开的有利效果
根据本公开的各种实施例，可以防止瞬间过量电流被供应到设备，从而可以防止设备的故障或构成设备的元件的疲劳增加。
此外，可以防止由预充电电流产生的高瞬间功率的产生，从而可以减少在设备的制造和设计中使用高成本器件的需要。
附图说明
图1示出了根据本公开的实施例的用于控制在电连接第一端子和第二端子时产生的预充电电流的设备的配置。
图2是示出一般预充电电流的一个方面的视图。
图3是示出由根据本公开实施例的预充电电流控制设备控制的预充电电流的一个方面的视图。
图4是用于解释在图3的时间点t0预充电电流控制设备的操作的视图。
图5是用于解释当第一晶体管的基极电压在时间段T1中增加到预定阈值电压时电流控制设备的操作的视图。
图6是用于解释当第二晶体管的基极电压在时间段T2和时间段T3中逐渐增加时电流控制设备的操作的视图。
图7是示出当预充电电流在时间段T4中逐渐降低时预充电电流控制设备的等效电路的视图。
具体实施方式
一种用于控制在电连接第一端子和第二端子时产生的预充电电流的设备，包括：开关，用于控制在第一端子和第二端子之间流动的电流的大小；第一电阻器，用于产生与在第一端子和第二端子之间流动的预充电电流的大小成比例的第一晶体管的基极电压；第一晶体管，用于在第一电阻器产生的电压等于或大于预定阈值电压时限制预充电电流的大小；光电耦合器，用于在与第一电源绝缘的状态下接收来自第一电源的光信号并供应电力；电容器，通过由光电耦合器供应的电力对该电容器进行充电；第二晶体管，用于基于电容器的充电电压来控制预充电电流的大小；以及第二电阻器，用于与电容器一起控制第二晶体管的操作时间。
公开方式
通过参考稍后将参考附图详细描述的实施例，本公开的优点和特征以及实现它们的方式将变得显而易见。然而，本公开不限于下面给出的实施例，而是可以以各种不同的形式实施，并且应当理解，不脱离本公开的精神和技术范围的所有变化、等同物和替代物都包含在本公开中。提供下面给出的实施例是为了使本公开的公开完整，并向本公开所属领域的技术人员充分告知本公开的范围。在本公开的描述中，当认为相关技术的某些详细解释可能不必要地模糊本公开的本质时，省略了这些详细解释。
例如，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本说明书中描述的特定形状、结构和特征可以通过从一个实施例改变到另一个实施例来实现。此外，应当理解，可以改变每个实施例中各个组件的位置或布置，而不脱离本公开的精神和范围。因此，下面的详细描述不意图在限制的意义上进行，并且本公开的范围应当被视为覆盖权利要求及其所有等同物所要求的范围。附图中相似的附图标记在几个方面代表相同或相似的部件。换句话说，描述的具体细节只是简单的示例。具体实现可以不同于这些示例性细节，并且仍然可以被认为在本公开的精神和范围内。
应当理解，尽管术语“第一”、“第二”等可以用于描述各种组件，但是这些组件不应该被这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个组件和其他组件。
本申请中使用的术语仅用于描述特定实施例，并不旨在限制本公开。如这里所使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解，这里使用的术语“包括”和/或“包含”指定所述特征或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征或组件的存在或添加。应当理解，尽管术语“第一”、“第二”等在这里可以用于描述各种组件，但是这些组件不应该被这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个组件和其他组件。
在下文中，将参考附图更详细地描述本公开的实施例。相同或对应的那些组件被赋予相同的附图标记，而不管附图编号如何，并且省略了对它们的冗余描述。
图1示出了根据本公开的实施例的用于控制在电连接第一端子P1和第二端子P2时产生的预充电电流的设备的配置。
参照图1，根据本公开实施例的用于控制预充电电流的设备可以包括第一端子P1、第二端子P2、开关SW、第一晶体管TR1、第二晶体管TR2、第一电阻器R1、第二电阻器R2、第三电阻器R3、电容器C、光电耦合器PT1和第一电源W1。
根据本公开实施例的第一端子P1和第二端子P2可以分别连接到要彼此电连接的两个设备。例如，第二电源可以电连接到第一端子P1，并且由连接到第一端子P1的第二电源驱动的负载可以电连接到第二端子P2。在这种情况下，连接到第一端子P1的第二电源可以是例如用于驱动电动车辆的高电压电池，并且连接到第二端子P2的负载可以是例如用于驱动电动车辆的马达。
此外，连接到第二端子P2的负载可以包括用于产生预充电电流的电容组件和/或电感组件。在这种情况下，预充电可以指这样一种现象，其中由于连接在两个设备之间的设备的电容性和/或电感性组件，能量被瞬间供应给连接在两个设备之间的该设备。例如，当将电源(例如，上述第二电源)连接到负载(例如，上述马达)时，能量被瞬间供应到负载的现象可以对应于这种预充电现象。这种现象经常发生在两个设备之间的初始连接中，由于伴随的瞬间预充电电流，这会导致对设备的严重损坏。
图2是示出一般预充电电流的一个方面的视图。
参照图2，伴随预充电现象的大预充电电流Ipr在两个设备(例如，电源和负载)的初始连接时间点t0瞬间发生，并且然后预充电电流Ipr呈指数下降。
如上所述，在初始连接时间点t0瞬间发生的预充电电流Ipr超出了设备(例如负载)的最大电流容限，这可能导致对设备的严重损坏和应力。
本公开通过适当地控制预充电电流Ipr来防止对设备的严重损坏，使构成设备的元件的应力最小化，并且进一步防止在设备的设计和制造中使用昂贵的元件为预充电做准备。稍后将提供其详细描述。
根据本公开实施例的开关SW可以基于开关SW的栅极电压来控制上述第一端子P1和第二端子P2之间流动的电流的大小，或者可以中断第一端子P1和第二端子P2之间的电连接。例如，开关SW可以与开关SW的栅极电压成比例地增加流过开关SW的电流的大小。
为此，开关SW可以位于用于电连接第一端子P1和第二端子P2的线上。换句话说，如果开关SW在电连接第一端子P1和第二端子P2的线上，则开关SW可以被布置成与其他组件的相对位置无关。
根据本公开实施例的开关SW可以是场效应晶体管(field effect transistor，FET)、双极结型晶体管(bipolar junction transistor，BJT)和绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar mode transistor，IGBT)中的一种。
然而，这仅仅是一个示例，并且本公开的精神不限于此，并且能够根据栅极的输入电压来控制流过其自身的电流的大小的任何元件都可以无限制地用作本公开的开关SW。
根据本公开实施例的第一晶体管TR1可以在由第一电阻器R1产生的基极电压等于或大于预定阈值电压时限制线上的预充电电流的大小。换句话说，当由第一电阻器R1产生的基极电压等于或大于预定阈值电压时，第一晶体管TR1可以导通，从而降低开关SW的栅极电压，并且因此可以降低流过开关SW的电流的大小，并且可以限制预充电电流的大小。此外，上述第一电阻器R1可以布置在用于电连接第一端子P1和第二端子P2的线上，并且稍后将提供其详细描述。
另一方面，稍后将描述的第二晶体管TR2可以降低流过第二晶体管TR2的电流量，使得第二晶体管TR2的基极电压可以增加。因此，在第一晶体管TR1导通的时间点，第二晶体管TR2的基极电压可以相对较低。因此，在那个时间点，开关SW的栅极电压可以降低到类似于参考电势GND的电平。稍后将提供其详细描述。
根据本公开实施例的第二晶体管TR2可以基于稍后将描述的电容器C的充电电压来控制第一端子P1和第二端子P2之间的预充电电流的大小。更具体地，可以根据预充电电流控制设备的操作而由第一电源W1逐渐增加电容器C的充电电压，并且电容器C的充电电压可以产生第二晶体管TR2的基极电压。
如上所述，当电容器C被充电时，第二晶体管TR2可以降低流过第二晶体管TR2的电流，从而增加开关SW的栅极电压。在这种情况下，第二晶体管TR2可以线性增加开关SW的栅极电压，使得预充电电流可以线性增加。
此外，不管它们的名称如何，上述第一晶体管TR1和第二晶体管TR2可以是FET、BJT晶体管和IGBT中的一种。然而，这仅仅是一个示例，并且本公开的精神不限于此。
根据本公开实施例的第一电阻器R1可以布置在用于电连接第一端子P1和第二端子P2的线上，以便产生限制线上的预充电电流的大小的第一晶体管TR1的基极电压。
根据本公开的实施例的第二电阻器R2可以与电容器C一起控制第二晶体管TR2的操作时间。在这种情况下，当电容器C被充电时，第二晶体管TR2可以降低流过第二晶体管TR2的电流，从而增加开关SW的栅极电压。
因此，在本公开中，第二晶体管TR2的操作时间可以指将流过第二晶体管TR2的电流降低到等于或小于预定量所需的时间，即直到第二晶体管TR2截止所需的时间。随着操作时间增加，预充电电流可以逐渐增加，并且随着操作时间减少，预充电电流可以急剧增加。
根据本公开实施例的第三电阻器R3用于防止短路，并且可以将稍后描述的光电耦合器PT1电连接到第二电阻器R2。
根据本公开实施例的电容器C可以由稍后描述的光电耦合器PT1供应的电力进行充电，使得预充电电流可以逐渐增加。上述电容器C的充电电压可以产生第二晶体管TR2的基极电压。另外，开关SW的栅极电压可以由第二晶体管TR2的基极电压改变。因此，预充电电流可以根据电容器C的充电而逐渐增加。
此外，电容器C可以与上述第二电阻器R2一起控制第二晶体管TR2的操作时间。因为上面已经提供了其描述，所以将省略它。
根据本公开实施例的光电耦合器PT1可以在与第一电源W1绝缘的状态下接收来自第一电源W1的光信号，并且可以供应电力。更详细地，光电耦合器PT1可以将由第一电源W1供应的电力转换成光信号，并且可以再次接收光信号，使得右侧电路可以在由第一电源W1形成的电路和用于接收电力的电路彼此绝缘的状态下接收电力。
此外，第一电源W1可以是与连接到上述第一端子P1的第二电源不同的电路。例如，当根据本公开的实施例的预充电电流控制设备被设置在电动车辆中时，第一电源W1可以是被提供用于启动车辆或驱动电子设备的电池，并且第二电源可以是被提供用于驱动车辆(即驱动车辆)的电池。然而，这仅仅是一个示例，并且本公开的精神不限于此。
在下文中，将参照图3至图7描述根据本公开实施例的预充电电流控制设备根据时间流逝的操作。此外，假设第二电源W2连接到第一端子P1，并且电容性负载CL连接到根据本公开实施例的预充电电流控制设备的第二端子P2。
图3是示出由根据本公开实施例的预充电电流控制设备控制的预充电电流的一个方面的视图。
与图2相比，由根据本公开实施例的预充电电流控制设备控制的预充电电流没有急剧增加。另外，当检查电流随着时间的推移的大小时，可以提供电流不流动的时间段T1(或者电流细微流动的时间段)、电流线性增加的时间段T2、电流保持在恒定水平的时间段T3以及电流降低的时间段T4。
在下文中，将主要描述预充电电流控制设备在时间段T1至T4的每一个中或者在特定时间点t0的操作。
图4是用于解释在图3的时间点t0预充电电流控制设备的操作的视图。为了便于解释，假设第一电源W1的电力供应从时间点t0开始。
在上述假设下，光电耦合器PT1可以从第一电源W1接收光信号，以向设备的右侧电路供应电力。电容器C的充电可以由于光电耦合器PT1供应的电力产生的电流I1而开始。
由于光电耦合器PT1供应的电力，预定电压可以被施加到开关SW的栅极。因此，细微的电流I2可以在第一端子P1和第二端子P2之间流动。
在时间点t0之后，随着施加到开关SW的栅极的电压增加，细微的电流I2可以逐渐增加。因此，第一晶体管TR1的基极电压可以通过第一电阻器R1增加到预定的阈值电压。
图5是用于解释当第一晶体管TR1的基极电压在时间段T1中增加到预定阈值电压时电流控制设备的操作的视图。
当流过第一电阻器R1的电流(见图4的I2)根据关于图4描述的过程增加，并且因此第一晶体管TR1的基极电压等于或大于预定阈值电压时，第一晶体管TR1可以降低开关SW的栅极电压，并且可以限制预充电电流Ipr的大小。
换句话说，当由第一电阻器R1产生的基极电压等于或大于预定阈值电压时，第一晶体管TR1可以导通，从而可以产生诸如CP1的路径。因此，开关SW的栅极电压可以降低到类似于参考电势GND的电平。
当开关SW的栅极电压降低到类似于参考电势GND的电平时，开关SW可以限制第一端子P1和第二端子P2之间的预充电电流Ipr，如图3的时间段T1中所示。
图6是用于解释当第二晶体管TR2的基极电压在时间段T2和时间段T3中逐渐增加时电流控制设备的操作的视图。
如参照图5所述，在时间点t1(即，在时间段T1中)，开关SW的栅极电压可以通过诸如图5的CP1的路径降低到类似于参考电势GND的电平。
在时间点t1之后，第二晶体管TR2的基极电压可以基于电容器C的充电电压而增加。第二晶体管TR2可以随着基极电压的增加而降低流过第二晶体管TR2的电流。因此，开关SW的栅极电压可以增加。
在这种情况下，第二晶体管TR2可以线性地增加开关SW的栅极电压，使得预充电电流Ipr可以线性地增加，如图3的时间段T2中所示。
此外，根据光电耦合器PT1产生的电压，预充电电流Ipr可以被限制到预定值，如图3的时间段T3中那样。
图7是示出当预充电电流在时间段T4中逐渐降低时预充电电流控制设备的等效电路的视图。
预充电电流可以指这样一种现象，其中由于连接到设备的电容性负载CL，能量被瞬间供应给该设备。因此，预充电电流的量是被限制的，并且预充电电流可能仅在两个设备之间的初始连接中瞬间发生。
当连接到设备的电容性负载CL的充电完成时，预充电电流可以降低，如图3的时间段T4中所示。在这种情况下，开关SW的栅极电压可以通过光电耦合器PT1供应的电力保持在预定电压。另外，由于栅极电压保持在预定电压，开关SW可以保持第一端子P1和第二端子P2的短路状态。
以这种方式，本公开可以防止瞬间过大的电流被供应给设备，从而可以防止设备的故障或构成设备的元件的疲劳增加。
本公开可以防止由预充电电流产生的高瞬间功率的产生，从而可以减少在设备的制造和设计中使用高成本器件的需要。
已经参考其示例性实施例具体示出和描述了本公开。本领域技术人员将理解，可以在形式和细节上进行各种改变，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。示例性实施例应该仅被认为是描述性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围不是由本发明的详细描述限定的，而是由所附权利要求限定的，并且该范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。

Claims (9)

1.一种用于控制在电连接第一端子和第二端子时产生的预充电电流的设备，所述设备包括：
开关，用于控制在第一端子和第二端子之间流动的电流的大小；
第一电阻器，用于产生与在第一端子和第二端子之间流动的所述预充电电流的大小成比例的第一晶体管的基极电压；
第一晶体管，用于当第一电阻器产生的电压等于或大于预定阈值电压时，限制所述预充电电流的大小；
光电耦合器，用于在与第一电源绝缘的状态下接收来自第一电源的光信号并供应电力；
电容器，通过由所述光电耦合器供应的电力充电；
第二晶体管，用于基于所述电容器的充电电压来控制所述预充电电流的大小；和
第二电阻器，用于与所述电容器一起控制第二晶体管的操作时间。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电容器的充电电压产生第二晶体管的基极电压，并且
当通过由所述光电耦合器供应的电力对所述电容器充电时，所述第二晶体管降低流过所述第二晶体管的电流，从而增加所述开关的栅极电压。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第二晶体管降低流过所述第二晶体管的电流，从而线性增加所述开关的栅极电压。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述开关与所述开关的栅极电压成比例地增加流过所述开关的电流的大小。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，当由所述第一电阻器产生的电压等于或大于预定阈值电压时，
所述第一晶体管降低所述开关的栅极电压，从而限制所述预充电电流的大小。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括用于防止短路的第三电阻器，
其中，所述第三电阻器电连接所述光电耦合器和第二电阻器。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，第二电源电连接到所述第一端子，并且
负载电连接到所述第二端子。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述负载包括用于产生所述预充电电流的电容元件。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，当所述电容元件的充电完成时，所述预充电电流降低，并且
当所述电容元件的充电完成时，所述开关的栅极电压通过由所述光电耦合器供应的电力保持在预定电压，并且
所述开关通过保持在所述预定电压的栅极电压来保持第一端子和第二端子的短路状态。
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