CN213292001U - 预充电路、采用该预充电路的配电装置以及电动汽车 - Google Patents

Abstract

一种预充电路，包括晶体管开关及其驱动电路；晶体管开关包括第一电极、第二电极、第三电极；驱动电路包括正极信号接收端、负极信号接收端、第一输出端、第二输出端；第一、三电极分别与第一、二输出端连接；第二电极、第三电极将晶体管开关并联于BDU主回路的主正继电器两端，第三电极和BDU主回路之间串联有限流单元；驱动电路根据正极信号接收端、负极信号接收端接收到的信号，控制晶体管开关的通断。本实用新型还提供了采用该预充电路的配电装置及采用该配电装置的电动汽车，本实用新型可降低BDU中预充电路开关件成本，提高带载切断能力及开关响应速度，避免烧弧粘连、爆炸现象，提升器件工作寿命，且减小了预充电路中开关件的质量和所占的体积。

Description

预充电路、采用该预充电路的配电装置以及电动汽车

技术领域

本实用新型属于电池技术领域，涉及预充电路，并涉及一种采用该预充电路的配电装置及电动汽车。

背景技术

电池切断装置(Battery Disconnect Unit，BDU)是电动汽车电池包的动力切断和接通的高压安全装置，是电池包内的关键部件。为保护高压回路负载免受冲击电流的影响，在BDU主回路通过工作电流之前，会先由预充电路对高压负载进行预充电，当电流值下降到高压继电器的正常工作电流后，再接通主回路。目前BDU内的预充电路中，主要使用机械式继电器进行预充电路的开关控制。

参考图1，现有BDU包括预充继电器1、主负继电器2、主正继电器3、BDU 壳体4、高压采样接插件5、低压电源及通信接插件6、紧固螺栓7、预充电阻8 以及电流传感器9等，其预充电路如图2所示，电路中还包括了保险丝16、手动开关15等基础元件，并设置A、B、C三个电压采样点。

机械式继电器的工作原理是线圈两端加上一定的电压，线圈中通过的电流会产生电磁效应，衔铁在电磁力作用下克服复位弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合，实现导通。当线圈断电后，磁场消失，电磁衔铁失去电磁力的作用，复位弹簧会使动触点与原来的静触点(常闭触点)分离，实现电气回路断开，从而达到BDU预充电路的导通、切断的目的。

其中，预充继电器一般由壳体、低压线圈、高压触点、高压引脚和低压引脚等组成，其开关功能是由低压线圈通电后，通过磁力保持实现高压触点的接通进而实现高压导通；当低压线圈断电后，高压触点通过复位弹簧的弹力使高压动静触点断开，从而实验高压电气回路的断开。

参考图3，为预充电路的控制原理，在稳态下，预充继电器1的低压线圈不通电，高压触点断开，预充电路处于断开状态；低压线圈通12V电后，高压触点导通，预充电路处于导通状态。在动态(继电器由断开到闭合时)下，预充继电器1的高压触点带载吸合，预充电路由断开向导通转换；在动态(继电器由闭合到断开时)下，继电器高压触点带载断开，预充电路由导通向断开转换。

机械式继电器成本较高，开关响应速度慢，带载切断时容易发生拉弧现象，而且其带载吸合和带载断开会烧蚀内部动静触点，尤其是在大电流下会发生燃弧和粘连，甚至发生爆炸现象。燃弧现象的日积月累还会增大触点间的接触电阻，继电器的温升性能会继续恶化，工作寿命也会下降。

在专利CN108177613A中，公开了一种无触点智能低压配电盒，采用进口大功率芯片替代保险丝和继电器，虽然提高了寿命和可靠性，然而其进口大功率芯片的成本更高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种预充电路，以期快速实现预充电路切断，避免其应用于高压回路开关过程中出现烧弧粘连、爆炸等现象，本实用新型还提供了采用该预充电路的配电装置以及采用该配电装置的电动汽车。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型的第一目的在于提供了一种预充电路，其包括：晶体管开关及其驱动电路；

所述晶体管开关包括第一电极、第二电极、第三电极；

所述驱动电路包括正极信号接收端、负极信号接收端、第一输出端、第二输出端；

所述第一电极与所述第一输出端连接，第三电极与所述第二输出端连接；

所述第二电极、第三电极将所述晶体管开关并联于BDU主回路的主正继电器两端上，所述第三电极和BDU主回路之间串联有限流单元；

所述驱动电路根据正极信号接收端、负极信号接收端接收到的信号，控制所述晶体管开关的通断。

优选地，所述晶体管开关为MOS管或IGBT。

优选地，所述MOS管为N-MOS型，所述第一电极、第二电极、第三电极依次为其栅极、漏极、源极；所述IGBT为N-IGBT型，所述第一电极、第二电极、第三电极依次为其门极、集电极、发射极。

优选地，所述驱动电路为滤波隔离电路。

优选地，所述驱动电路包括：

连接在所述正极信号接收端的二极管；

连接在该二极管负极和所述负极信号接收端之间的电容；

连接在该二极管负极和所述负极信号接收端之间的三极管；

连接于该二极管负极与该三极管基极之间的第一电阻；

连接于所述第一输出端与该三极管集电极之间的第二电阻；

连接于其第二输出端与第一输出端之间的第三电阻；

其中，所述负极信号接收端与该三极管基极以及所述第二输出端连接。

优选地，所述限流单元为预充电阻。

本实用新型的第二目的在于提供一种配电装置，包括主正继电器、主负继电器、直流正母线、直流负母线、外部直流充电端口、至少一个输出端口以及前述的预充电路；

所述外部直流充电端口经由所述主正继电器、主负继电器耦合至所述直流正母线和直流负母线上；

所述至少一个输出端口与所述直流正母线和直流负母线耦合；

所述预充电路通过第二电极、第三电极并联于所述直流正母线上，所述第二电极连接于所述主正继电器和所述外部直流充电端口之间，所述第三电极连接于所述主负继电器和所述至少一输出端口之间。

优选地，所述配电装置还包括一电流检测单元，所述电流检测单元与所述主正继电器或主负继电器串联。

本实用新型的第三目的在于提供一种电动汽车，包括电池包、整车控制器、整车负载电容以及所述的配电装置；

所述整车负载电容连接于所述直流正母线、直流负母线之间；

所述主正继电器和所述主负继电器分别受所述整车控制器驱动控制；

所述驱动电路的正极信号接收端、负极信号接收端分别与所述整车控制器连接，并接受所述整车控制器的输出信号；

所述电池包与所述配电装置连接，为车载设备(PTC空调加热，A/C电动空调压缩机，DC/DC直流转换器，OBC车载充电机等)提供电源；

所述整车控制器通过对输出至所述正极信号接收端、负极信号接收端、主正继电器、主负继电器的信号控制，实现对所述晶体管开关、主正继电器、主负继电器的通断控制，进而实现对所述整车负载电容的充电、放电控制。

与现有技术相比，本实用新型可降低BDU中预充电路开关件的成本，提高带载切断能力及开关响应速度，避免烧弧粘连、爆炸等现象，提升器件工作寿命，且减小了预充电路中开关件的质量和所占的体积。

附图说明

图1是现有电池切断装置结构示意图。

图2是现有电池切断装置电气原理图。

图3是现有电池切断装置预充电路的详细原理图。

图4是本实用新型预充电路的详细原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。

本实用新型预充电路采用晶体管开关10作为开关器件，以提高带载切断能力及开关响应速度。具体地，在本实用新型的一个实施例中，晶体管开关10采用N-MOSFET管，MOSFET管是电压驱动型器件，只要栅极和源极间给一个适当电压，源极和漏极间的通路就能形成。将预充继电器替换为高压MOSFET，可以提高开关响应速度，带载切断能力，降低成本，减小预充回路组件所占体积及质量。

参考图4，N-MOSFET匹配有驱动电路，驱动电路配置有两个信号接收端和两个信号输出端，分别为正极信号接收端11、负极信号接收端12、第一输出端13、第二输出端14。正极信号接收端11、负极信号接收端12接收控制信号，第一输出端13、第二输出端14分别与N-MOSFET的栅极、源极连接，向 N-MOSFET提供驱动信号。N-MOSFET的漏极和源极并联在BDU主回路的主正继电器3两端，并在源极串联限流单元预充电阻8作为限流单元。

在图4的具体实施例中，驱动电路包括：连接在正极信号接收端11的二极管；连接在该二极管负极和负极信号接收端12之间的电容；连接在该二极管负极和负极信号接收端13之间的三极管(PNP管)；连接于该二极管负极与该三极管基极之间的第一电阻；连接于第一输出端13与该三极管集电极之间的第二电阻；连接于第二输出端14与第一输出端13之间的第三电阻；其中，负极信号接收端12与该三极管基极以及第二输出端14连接。

驱动电路根据正极信号接收端11、负极信号接收端12所接收到的信号，控制N-MOSFET的通断，其具体工作原理为：

在稳态下，当主负继电器2闭合，G端不导通时，DS之间有漏电流(100uA)， N-MOSFET的S极电势为0V，此时预充电路处于断开状态；当N-MOSFET的 G端通12V电压时，DS导通，此时预充电路处于导通状态。

在动态下，G端通电瞬间，DS间电阻稳定，随着负载电容充电百分比的增加，预充回路中的充电电流逐渐减小，DS间电压减小，N-MOSFET工作在可变电阻区，预充电路由断开向导通转换，预充回路的电流随着负载电容的充电而逐渐减小，主正继电器3闭合将预充回路短路，同时预充回路G端电压断开导致DS间呈现高阻抗，夹断预充回路电流；同时，假设预充回路呈现长时间通电 (在预充回路短路时)，N-MOSFET管G端电压的切断，使得N-MOSFET的DS端呈现高阻抗，依然可以切断高压回路电流，预充电路由导通向断开转换。

在本实用新型的其它实施例中，晶体管开关10还可以为其它类型的MOS、 IGBT管器件。

基于该预充电路，本实用新型还提供了一种配电装置，除该预充电路外，还包括主正继电器3、主负继电器2、直流正母线、直流负母线、外部直流充电端口以及至少一个输出端口。其中外部直流充电端口经由主正继电器3、主负继电器2耦合至直流正母线和直流负母线上；输出端口也与直流正母线和直流负母线耦合。

预充电路通过N-MOSFET的漏极和源极并联在并联于直流正母线上，其中漏极连接于主正继电器3和外部直流充电端口之间，源极连接于主负继电器2 和输出端口之间。

该配电装置还可包括一电流检测单元，例如电流传感器9，电流检测单元与主正继电器3或主负继电器2串联，并可继续保留ABC三个电压采样点。

基于该配电装置，本实用新型还提供了一种电动汽车，除该配电装置外，还包括电池包、整车控制器(VCM)、整车负载电容等。

电池包与配电装置连接，为车载设备(PTC空调加热，A/C电动空调压缩机，DC/DC直流转换器，OBC车载充电机等)提供电源；

整车负载电容连接于直流正母线、直流负母线之间；

主正继电器3和主负继电器2分别受整车控制器(VCM)驱动控制。

驱动电路的正极信号接收端11、负极信号接收端12分别与整车控制器连接，并接受整车控制器的输出信号；

整车控制器通过对输出至正极信号接收端11、负极信号接收端12、主正继电器3、主负继电器2的信号控制，实现对晶体管开关10、主正继电器3、主负继电器2的通断控制，进而实现对整车负载电容的充电、放电控制。

具体地，当整车控制器接收到用户的上电操作命令后(即操作IG_ON)，依次闭合晶体管开关10，闭合主负继电器2，在整车负载电容充电至达预定比例时(98％)，闭合主正继电器3将预充电路短路，高压回路导通，断开晶体管开关10来断开预充回路，即可完成整车负载电容充电。当检测到整车负载电容的正负极板之间的电压查达一定值时，整车控制器依次控制主负继电器2、主正继电器3断开，晶体管开关10则在断电过程中不参与工作。

本实用新型中，在预充电路中的设置限流单元，即预充电阻8，用于对负载电容充电时对回路电流进行限制；I＝U/R，当回路中没有预充电阻时，可以理解回路阻抗为mΩ级，回路中的电流将达到千安量级左右，回路负载在上述电流的冲击下将损坏；回路中设计了预充电阻8后，可将峰值电流限制在十安以内，避免整车负载电容因受电流冲击而损坏。

Claims (9)

1.一种预充电路，其特征在于，包括：晶体管开关及其驱动电路；

所述晶体管开关包括第一电极、第二电极、第三电极；

所述驱动电路包括正极信号接收端、负极信号接收端、第一输出端、第二输出端；

所述第一电极与所述第一输出端连接，第三电极与所述第二输出端连接；

所述第二电极、第三电极将所述晶体管开关并联于BDU主回路的主正继电器两端，所述第三电极和BDU主回路之间串联有限流单元；

所述驱动电路根据正极信号接收端、负极信号接收端接收到的外部信号，控制所述晶体管开关的通断。

2.根据权利要求1所述的预充电路，其特征在于，所述晶体管开关为MOS管或IGBT。

3.根据权利要求2所述的预充电路，其特征在于，所述MOS管为N-MOS型，所述第一电极、第二电极、第三电极依次为其栅极、漏极、源极；所述IGBT为N-IGBT型，所述第一电极、第二电极、第三电极依次为其门极、集电极、发射极。

4.根据权利要求1所述的预充电路，其特征在于，所述驱动电路为滤波隔离电路。

5.根据权利要求1所述的预充电路，其特征在于，所述驱动电路包括：

连接在所述正极信号接收端的二极管；

连接在该二极管负极和所述负极信号接收端之间的电容；

连接在该二极管负极和所述负极信号接收端之间的三极管；

连接于该二极管负极与该三极管基极之间的第一电阻；

连接于所述第一输出端与该三极管集电极之间的第二电阻；

连接于其第二输出端与第一输出端之间的第三电阻；

其中，所述负极信号接收端与该三极管基极以及所述第二输出端连接。

6.根据权利要求1所述的预充电路，其特征在于，所述限流单元为预充电阻。

7.一种配电装置，包括主正继电器、主负继电器、直流正母线、直流负母线、外部直流充电端口以及至少一个输出端口；

所述外部直流充电端口经由所述主正继电器、主负继电器耦合至所述直流正母线和直流负母线上；

所述至少一个输出端口与所述直流正母线和直流负母线耦合；

其特征在于，所述配电装置还包括如权利要求1-6中任一项所述的预充电路；

其中，所述预充电路通过第二电极、第三电极并联于所述直流正母线上，所述第二电极连接于所述主正继电器和所述外部直流充电端口之间，所述第三电极连接于所述主负继电器和所述至少一个输出端口之间。

8.根据权利要求7中所述的配电装置，其特征在于，所述配电装置还包括一电流检测单元，所述电流检测单元与所述主正继电器或主负继电器串联。

9.一种电动汽车，包括电池包、整车控制器、整车负载电容，其特征在于，所述汽车还包括如权利要求7-8中任一项所述的配电装置；

所述整车负载电容连接于所述直流正母线、直流负母线之间；

所述主正继电器和所述主负继电器分别受所述整车控制器驱动控制；

所述驱动电路的正极信号接收端、负极信号接收端分别与所述整车控制器连接，并接受所述整车控制器的输出信号；

所述电池包与所述配电装置连接，为车载设备提供电源；

所述整车控制器通过对输出至所述正极信号接收端、负极信号接收端、主正继电器、主负继电器的信号控制，实现对所述晶体管开关、主正继电器、主负继电器的通断控制，进而实现对所述整车负载电容的充电、放电控制。

Images