CN115882438A - 电源系统和dc/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

一种电源系统，包括：第一电压子系统，其包括经由继电器连接至负载的第一电池；第二电压子系统，其包括具有比第一电池的电压低的电压的第二电池；以及DC/DC转换器，其布置在第一电压子系统与第二电压子系统之间，其中，在继电器切换为闭合之前，DC/DC转换器被配置为：向第一电压子系统提供比第二电池的电压低的电压；随后向第一电压子系统提供第二电池的电压；以及随后将第二电池的电压升高为等于第一电池的电压，并将升高的第二电池的电压提供给第一电压子系统。

Description

电源系统和DC/DC转换器
技术领域
本发明涉及一种具有电压不同的两个子系统的电源系统，以及一种用于在这样的电源系统中使用的DC/DC转换器。
背景技术
传统地，电源系统通常被配置为从12V电池供电的12V电源系统。然而，近年来，越来越多地使用由48V电池供电的48V电源系统。使用具有比传统电源系统高的电压的电源系统能够针对相同功率减小供应的电流。这使得能够由于电力传输期间减少的电力损失和/或减小的电线的粗细而预期车辆重量等的减小。预计未来搭载自动驾驶系统的车辆也将使用48V电源系统。
假设即使在使用48V电源系统时，在车辆内12V电源系统与48V电源系统一起使用一段时间，以使例如车辆中现有的电气和/或电子设备运行。在车辆内将12V系统与48V系统组合可以实现电源冗余系统，其提供电源冗余。
引用列表
专利文献
专利文献1:JP 2021-29078 A
发明内容
图4示出了说明用于汽车的电源系统300的框图，该电源系统300同时具有12V子系统和48V子系统。在12V子系统中，12V电池310向12V负载320供电，如图4所示。在48V子系统中，48V电池330通过主继电器350向48V负载340供电。通常使用机械继电器作为主继电器350。
DC/DC转换器360布置在12V子系统与48V子系统之间，其中，DC/DC转换器360被配置为双向操作，使得能够在12V和48V子系统之间进行相互电力交换。
DC/DC转换器360包括：升降压电路361；12V侧绝缘开关362，其用于对DC/DC转换器360至12V电池310的连接状态进行切换；48V侧绝缘开关363，其用于对DC/DC转换器360至48V电池330的连接状态进行切换；以及控制器364。
12V侧绝缘开关362和48V侧绝缘开关363由MOSFET形成，其中，12V侧绝缘开关362被配置为背对背连接以防止电流回流。控制器364由例如CPU形成，并且被配置为用于控制升降压电路361的升压/降压操作以及12V侧绝缘开关362和/或48V侧绝缘开关363的开/闭操作。
在48V子系统中，电容C与48V负载340并联地存在。该电容C是例如由48V负载340固有的电容分量和/或48V子系统中存在的杂散电容所产生的电容。一般地，在点火开关断开并且主继电器350被切换为打开时，电容C被放电。
在电源系统300中，当在电容C未充电的情况下主继电器350从其打开状态切换为闭合时，高浪涌电流从48V电池330流入主继电器350，这可能导致主继电器350熔接(welding)。
在电源系统300中，通过12V电池310对电容C进行预充电，以防止主继电器350由于这样的浪涌电流而被熔接。更具体地，在将主继电器350切换为闭合之前，电容C用12V电池310提供的12V电压充电，并且DC/DC转换器360随后运行以将电压从12V升高到48V，以对电容C进行充电。通过使用这样的阶段式的充电顺序，在将主继电器350切换为闭合之前消除了48V电池330和电容C之间的电压差。以这种方式，防止主继电器350由于浪涌电流而被熔接。
另一方面，在通过12V电池310对电容C进行预充电的过程中也会产生浪涌电流，其中，浪涌电流将从12V电池310通过DC/DC转换器360流入电容C。此浪涌电流可能导致负荷施加于DC/DC转换器360的内部电路，特别是施加于12V侧绝缘开关362。此问题不仅可能发生在汽车电源系统中，也可能发生在包括两个具有不同电压的不同电池和DC/DC转换器的任何电源系统中。
因此，本发明的目的在于提供一种电源系统，其包括DC/DC转换器和具有不同电压的两个子系统中的电池，使得能够在为了高压侧继电器保护的预充电期间，使DC/DC转换器的内部电路得到保护。
为了实现如上所述的目的，根据本发明的第一方面的电源系统包括：第一电压子系统，该第一电压子系统包括经由继电器连接至负载的第一电池；第二电压子系统，该第二电压子系统包括第二电池，该第二电池具有比所述第一电池的电压低的电压；以及DC/DC转换器，该DC/DC转换器布置在所述第一电压子系统与所述第二电压子系统之间，其中，在所述继电器切换为闭合之前，所述DC/DC转换器被配置为：向所述第一电压子系统提供比所述第二电池的电压低的电压；随后向所述第一电压子系统提供所述第二电池的电压；并且随后将所述第二电池的电压升高为等于所述第一电池的电压并将升高的所述第二电池的电压提供给所述第一电压子系统。
为了实现如上所述的目的，根据本发明的第二方面的DC/DC转换器被配置为布置在第一电压子系统与第二电压子系统之间，其中，所述第一电压子系统包括经由继电器连接至负载的第一电池，并且所述第二电压子系统包括第二电池，该第二电池具有比所述第一电池的电压低的电压，其中，在所述继电器切换为闭合之前，所述DC/DC转换器被配置为：向所述第一电压子系统提供比所述第二电池的电压低的电压；随后向所述第一电压子系统提供所述第二电池的电压；并且随后将所述第二电池的电压升高为等于所述第一电池的电压并将升高的所述第二电池的电压提供给所述第一电压子系统。
附图说明
图1示出根据实施例的电源系统的配置；
图2示出了升降压电路的示例性配置；
图3示出根据实施例的电源系统的操作的例示；并且
图4示出了配备有两个子系统的电池的传统电源系统的配置。
参考标记列表
100 电源系统
110 12V电池
120 12V负载
130 48V电池
140 48V负载
150 主继电器
160 DC/DC转换器
161 升降压电路
161a 线圈
161b 电容器
161c 开关元件
161d 开关元件
161e 驱动部
162 12V侧绝缘开关
163 48V侧绝缘开关
164 控制器
165 预充电开关
166 电压传感器
167 电子设备
具体实施方式
下面将参考附图详细地描述本发明的实施例。图1示出根据实施例的电源系统的配置。电源系统100是同时包括两个电压子系统的汽车电源系统，在本实例中，两个电压子系统为12V电压子系统和48V电压子系统。然而，需要注意的是，本发明不限于具有12V子系统和48V子系统的汽车电源系统，还可以应用于具有不同电压的两种不同电池的多种电源系统。
如图1所示，12V子系统包括12V电池110和12V负载120，其中，12V电池110向12V负载120供电。48V子系统包括48V电池130和48V负载140，其中，48V电池130经由主继电器150向48V负载140供电。此外，可以设置ISG(具有发动机功能的发电机)用于向48V负载140供电。机械继电器用作主继电器150，其中，主继电器150被配置为例如经由作为点火开关已经接通的指示的点火开关信号而切换为闭合。
DC/DC转换器160布置在12V子系统和48V子系统之间，其中，DC/DC转换器360被配置为双向操作，使得能够在12V子系统和48V子系统之间进行相互电力交换。例如，DC/DC转换器160可以增大12V的电压以便对48V电池130充电，并且/或者降低48V的电压以便对12V电池110充电。此外，在一个电池发生故障时，可以由另一个电池补偿。此外，两个电池都可以为一个负载供电。
在48V子系统中，电容C与48V负载140并联地存在。该电容C是例如由48V负载140固有的电容分量和/或48V子系统中存在的杂散电容所产生的电容。
DC/DC转换器160包括升降压电路161、12V侧绝缘开关162、48V侧绝缘开关163和控制器164。12V侧绝缘开关162布置于升降压电路161的降压输出侧，并连接至12V子系统。12V侧绝缘开关162由以背靠背方式连接的两个MOSFET形成。48V侧绝缘开关163布置于升降压电路161的升压输出侧，并连接至48V子系统。48V侧绝缘开关163由MOSFET形成，其中MOSFET的体二极管以正向朝向48V侧的方式布置。
DC/DC转换器160还在升降压电路161与12V侧绝缘开关162之间包括预充电开关165和电压传感器166，其中，预充电开关165被配置为对10V电源的连接/断开进行切换。然而，将预充电开关165布置在DC/DC转换器160的比12V侧绝缘开关162更靠近48V子系统的一侧即可。
作为10V电源，例如可以应用由12V电池110供电并且已经设置为例如用于对电子设备167供电的传统电池，电子设备167诸如包括在DC/DC转换器160中的IC。使用这种现有的电源消除了对用于10V电源的新的额外电源电路的需要。这里，要注意，电源不限于10V电源，也可以是具有比12V电池110所提供的12V更低的、用于使包括在DC/DC转换器160中的电子设备运行的电压的任何电源。
可以应用现有的电路作为升降压电路161。例如，升降压电路161可以如图2所示地配置。在该图的实例中，线圈161a和开关元件161c在升降压电路161的降压输出侧和升压输出侧之间串联连接，其中，电容器161b连接在降压输出侧与地之间。在此，开关元件161c布置为使得其体二极管的正向朝向升压输出侧。
此外，开关元件161d连接在地与线圈161a和开关元件161c之间的节点之间。在此，开关元件161d布置为使得其体二极管的正向与地相反。
驱动部161e被配置为在控制器164的控制下驱动开关元件161c和开关元件161d。更具体地，对于降压操作，驱动部161e驱动开关元件161c在开关元件161d处于断开状态的情况下被接通/关断。对于升压操作，驱动部161e驱动开关元件161d以在开关元件161c处于断开状态的情况下接通/关断。
控制器164由例如CPU形成，并且被配置为根据点火开关信号和电压传感器166的检测结果，控制升降压电路161的升压和降压操作以及下文所述的12V侧绝缘开关162、48V侧绝缘开关163和预充电开关165的开/闭操作，其中，点火开关信号指示点火开关接通。
接下来，将参照图3描述根据本实施例的电源系统的操作。图3示出由上位系统控制的主继电器150(M-R)的开/闭状态、由控制器164控制的12V侧绝缘开关162(12V I-Sw)、48V侧绝缘开关163(48VI-Sw)和预充电开关165的开/闭状态、升降压电路161的运行状态、以及电容C的充电电压的时序过程。
首先，在点火开关(PC-Sw)关断的初始状态T0时，主继电器150处于打开状态，其中电容C被放电并且具有0V的电压。控制器164控制12V侧绝缘开关162、48V侧绝缘开关163和预充电开关165打开，并且使升降压电路161不工作。
当点火开关信号在T1提供至控制器164时，其中，点火开关信号指示点火开关接通，控制器164在主继电器150在T4被上位系统切换至闭合之前在T1至T3进行下列控制。
首先，在T1，控制器164控制预充电开关165闭合。以该方式，在升降压电路161与12V侧绝缘开关162之间施加10V的电压，并且电容C经由处于不工作状态的升降压电路161中的开关元件161c和48V侧绝缘开关163的体二极管充电至10V。
当基于来自电压传感器166的输出信号检测到电容C已经充电到10V时，控制器164在T2控制12V侧绝缘开关162闭合。以该方式，从12V电池110经由12V侧绝缘开关162施加12V的电压，并且电容C经由处于不工作状态的升降压电路161中的开关元件161c的体二极管和48V侧绝缘开关163的体二极管充电至12V。为了防止在此过程中回流至10V电源，预充电开关165在T2切换为打开。
就在开始将电容C充电至12V之前，电容C通过预充电开关165充电至10V。因此，仅对应于2V的差的浪涌电流将流入处于闭合状态下的12V侧绝缘开关162，这导致施加于12V侧绝缘开关162的负荷充分降低。
当基于来自电压传感器166的输出信号检测到电容C已经被充电到12V时，控制器164在T4控制升降压电路161进行升压操作以将由12V电池110供应的12V的电压升高至48V，其中，控制器164同时控制48V侧绝缘开关163闭合。以这种方式，电容C被充电至48V。电容C可以在48V侧绝缘开关163保持为打开状态的情况下经由48V侧绝缘开关163的体二极管充电至48V。
然后，上位系统在T4控制主继电器150闭合。由于预先将电容C充电至48V，因此不会产生浪涌电流，并且主继电器150也不会被熔接。应注意，在T4之后，控制器164保持预充电开关165打开，同时例如，根据汽车的行驶状态和/或电池的充电状态而由控制器164适应性地控制12V侧绝缘开关162、48V侧绝缘开关163的开/闭状态以及升降压电路161的运行状态。
如上所述，根据本实施例的电源系统100被配置为进行阶段式的预充电，其中，电容C以低于12V电池110提供的12V的电压充电，并且随后以12V电压充电。以这种方式，仅与12V和较低电压之间的电压差对应的浪涌电流将流入DC/DC转换器160的内部电路。因此，能够保护DC/DC转换器160的内部电路在预充电期间免受浪涌电流损害。
此外，对于低于12V的电压，可以施加由作为电压源的12V电池110提供的电压，并且该电压提供给包括在DC/DC转换器160中的电子设备167。因此，无需为利用低于12V的电压的预充电提供新的额外电源，其中预充电可以通过简化配置实现。

Claims (4)

1.一种电源系统，包括：
第一电压子系统，该第一电压子系统包括经由继电器连接至负载的第一电池；
第二电压子系统，该第二电压子系统包括第二电池，该第二电池具有比所述第一电池的电压低的电压；以及
DC/DC转换器，该DC/DC转换器布置在所述第一电压子系统与所述第二电压子系统之间，
其中，在所述继电器切换为闭合之前，所述DC/DC转换器被配置为：
向所述第一电压子系统提供比所述第二电池的电压低的电压；
随后向所述第一电压子系统提供所述第二电池的电压；并且
随后将所述第二电池的电压升高为等于所述第一电池的电压，并将升高的所述第二电池的电压提供给所述第一电压子系统。
2.根据权利要求1所述的电源系统，
其中，所述DC/DC转换器包括电子设备，该电子设备被配置为以比所述第二电池的电压低的电压运行。
3.根据权利要求1或2所述的电源系统，
其中，所述DC/DC转换器包括开关，该开关被配置为对所述DC/DC转换器与所述第二电池的连接状态进行切换，并且
其中，所述DC/DC转换器被配置为从相对于所述开关更靠近所述第一电压子系统的一侧向所述第一电压子系统提供比所述第二电池的电压低的电压。
4.一种DC/DC转换器，该DC/DC转换器被配置为布置在第一电压子系统与第二电压子系统之间，其中，所述第一电压子系统包括经由继电器连接至负载的第一电池，并且所述第二电压子系统包括第二电池，该第二电池具有比所述第一电池的电压低的电压，
其中，在所述继电器切换为闭合之前，所述DC/DC转换器被配置为：
向所述第一电压子系统提供比所述第二电池的电压低的电压；
随后向所述第一电压子系统提供所述第二电池的电压；并且
随后将所述第二电池的电压升高为等于所述第一电池的电压，并将升高的所述第二电池的电压提供给所述第一电压子系统。
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