预充电系统和方法与流程

本公开一般涉及预充电系统和方法，且更为具体地，涉及用于将电池串连接至车辆的直流电(dc)总线的预充电系统和方法。

背景技术：

诸如电动车辆或混合动力车辆的电池供电车辆可以包含连接至dc总线的一个或多个高压电池组。高压电池组可以用作车辆的主电源来驱动各个主负载(如，牵引电动机)和各个辅助负载(如，hvac、照明、泵，等)。为了确保高压安全，高压电池组必须当车辆关闭时与车辆电气系统隔离。因此，每次当车辆发动时，高压电池组需要连接至dc总线。然而，因为负载可以具有大电容并且高压电池组可以仅具有小的电源阻值，高压电池组的初始连接可以产生严重的涌入电流。该涌入电流在典型的车辆设置中可以容易地达到例如10,000a的最高点，还可能损坏车辆的电气组件。

为了限制涌入电流，预充电电路可以耦合在高压电池组与dc总线之间以在高压电池组完全连接至dc总线之前预充电总线电容。照惯例，预充电电路可以包括串联连接的预充电电阻器和预充电接触器(或继电器)。在操作期间，可以闭合预充电接触器以将预充电电阻器连接至高压电池组，从而限制涌入电流。然而，高功率预充电接触器是昂贵且巨大的组件。其不仅增加了车辆的成本，而且很难包装在车辆的有限空间中。

所公开的系统旨在克服以上所描述的问题中的一者或多者和/或现有技术的其他问题。

技术实现要素：

与本公开的一个所公开的实施方式一致，提供了一种用于将电池串连接至车辆的直流(dc)总线的系统。系统可以包括耦合在所述电池串与所述dc总线之间预充电电路。所述预充电电路可以包括第一晶体管。系统还可以包括串联连接至所述预充电电路第一接触器。系统可以进一步包括配置为闭合所述第一接触器并接通所述第一晶体管的控制器。

与本公开的另一所公开的实施方式一致，提供了一种用于将电池串连接至车辆的dc总线的系统。系统可以包括耦合在所述电池串与所述dc总线之间的预充电电路。系统还可以包括连接至所述dc总线的放电电路。系统可以进一步包括配置为减小所述预充电电路的第一阻抗并增加所述放电电路的第二阻抗的控制器。

与本公开的又一所公开的实施方式一致，提供了一种用于将电池串连接至车辆的dc总线的方法。方法可以包括由控制器闭合耦合在所述电池串与所述dc总线之间的第一接触器。方法还可以包括由所述控制器接通串联连接至所述第一接触器和所述电池串的第一晶体管。

以上一般的说明和以下具体的说明是示例性的且仅是解释性的并且不限制权利要求书。

附图说明

结合在本公开中及构成本公开一部分的所附附图示出了各个所公开的实施方式。在附图中：

图1是包括用于将电池串连接至车辆的dc总线的系统的示例性车辆的示意性图解；

图2是根据示例性实施方式的示出了在图1所示出的车辆中使用的示例性电路的示意性图示；

图3是与图2中所示出的电路一致的用于将电池串连接至dc总线的系统的框图；以及

图4是由图3所示的系统执行的方法的流程图。

具体实施方式

出于讨论的目的，本公开的原理与图1所描述的示例性车辆在一起进行描述。本领域技术人员将意识到本公开的原理可以应用于任何类型的车辆或机器来将电池连接至dc总线。

图1是示出了示例性车辆100的部分视图的示意性图示。图1将使用作为车辆100的示例性实施方式的电动车辆进行描述，但是车辆100可以是其他类型的车辆。例如，车辆100可以是至少部分由电功率提供电力的车辆，诸如电动车辆或混合动力车辆。车辆100可以具有任何车体种类，诸如轿车、小轿车、跑车、卡车、旅行车、suv、小型货车或转换型厢式货车。参考图1，车辆100可以包括动力传动机构110(由图1中的实线示出)，动力传动机构110可以进一步包括连接至公共dc总线的一个或多个高压电池组112和电驱动系统114。

虽然图1显示了位于底盘中且接近车辆100后部的电池组112，但是电池组112可以位于车辆100的任何其他分隔空间中，诸如，例如在引擎盖区域内或均匀分布在底盘中。电池组112可以包括并联连接的一个或多个高压电池串。每一个电池串可以进一步包括串联或并联连接的多个电池单元。每一个电池串可以供给高压dc(如，400v)至电驱动系统114。车辆100可以使用并联连接的多个电池串来改善系统稳定性和功率可用性。电池串的并联配置可以有助于确保一个电池串与车辆100的dc总线的连接或断开连接不会对其他电池串的操作产生很大影响。因而，每一个电池串可以独立于其他电池串操作，以便于连续的车辆操作，尽管其他电池串中的一者或多者故障。

电池组112可以与用于管理电池串以安全且可靠的方式使用和充电的电池管理系统(bms，未示出)相关联。特别地，bms可以不断地监控电池充电状态(soc)和健康状态(soh)。例如，bms可以监控每一个电池串的输出电压、电池串中独立单元的电压、流入电池串和/或从电池串流出的电流等。

电驱动系统114可以包括各种负载和控制单元，诸如具有动力电子设备(如，逆变器系统)和冷却系统的电动机、包括差动齿轮的传动装置、制动系统、用于车辆内部气候控制的高压空调等等。例如，当车辆100加速或维持在恒定速度时，逆变器系统可以将由电池组112供给的dc转变为用于驱动电动机的交流电(ac)。然而，当车辆100以再生制动模式操作时，电动机可以操作作为输出ac的发电机，ac由逆变器系统转变为用于充电电池组112和/或驱动动力传动机构110的其他负载的dc。

电驱动系统114可以包括作为各种目的的许多负载电容器。例如，逆变器系统可以将滤波电容器用于移除不需要的频率。作为另一示例，大的集成电容器可以在车辆100中提供以为一个或多个负载提供电力。因此，电驱动系统114可以具有大输入电容。为了防止电池组112的初始连接至电驱动系统114时产生严重涌入电流，每一个电池串将相应的预充电电路用于对负载电容器进行预充电。

车辆100可以将高功率接触器或继电器(未示出)用于切换高压。接触器可以包括与电枢相关联的线圈、机械耦合至电枢的活动触点、及固定触点。当与接触器相关联的控制器将电流引导至线圈时，在线圈中产生的得到的磁场可以吸引电枢。因为活动触点机械耦合至电枢，所以接触器可以将吸引力用于将活动触点与固定触点耦合。两个触点的耦合可以允许电流从电池串流至负载。当控制器停止供给电流至线圈时，磁场中止且活动触点受到外力(诸如，例如弹力或重力)返回至其释放状态。因此，电池串与负载之间的电连接中断，防止电流从电池串流至负载。在所谓的“锁住”接触器或继电器的其他实现中，接触器可以包含多个电枢并具有两个机械稳定状态，在一状态中，触点是相连的，在另一状态中，触点是未相连的。激励特定电枢可以使接触器从一个状态过渡至另一状态。

车辆100可以在不同位置使用许多接触器以切换高电压。例如，车辆100中的每一个电池串可以具有两个主要接触器，一者连接电池串的正极端子而另一者连接电池串的负极端子。每一个电池串还可以具有预充电接触器以连接或不连接相应的预充电电路。然而，诸如机械继电器的接触器包含活动部分并且是巨大的组件。这些接触器很难在车辆100的有限空间中包装，并且给其他部件和组件留有很小的空余。如以下所描述的，在与本公开一致的示例性实施方式中，车辆100可以采用预充电系统，其使用功率晶体管来切换高电压。小型化晶体管在包装时提供了更大的灵活性。

图2是根据示例性实施方式的用于将串连接至dc总线的示例性电路200的示意性图示。例如，电路200可以在图1所示出的车辆100中使用。参考图2，电路200可以包括dc总线210、一个或多个高压电池串220、多个接触器230、监控电路250、接触器螺线管驱动器263、一个或多个栅极驱动器267、一个或多个预充电电路270、各种负载280、负载电容器281和放电电路290。

dc总线210可以包括电连接车辆100的动力传动机构的各个组件的正极供电线和负极供电线，诸如高压电池串220、负载280和负载电容器281，这可以与以上所描述的高压电池组112和电驱动系统114类似。

每一个高压电池串220可以配备有切换设备，诸如接触器230，以在不同条件下将电池串220与dc总线210连接和/或断开连接。例如，如果车辆100的操作者发动车辆，那么这会闭合接触器230(即，将电池串220连接至dc总线210)并激活其他操作系统。并且，例如，如果车辆100包含多个电池串220，那么车辆100可能仅需要以电池串220中的一些电池串运行。然而，当需要更多电力时，车辆100可以通过闭合各自的接触器230将另外的电池串220连接至dc总线210。

每一个高压电池串220可以与两个接触器230配对，该两个接触器230包括配置为连接(接触器闭合)或断开连接(接触器断开)电池串220的正极端子的第一接触器230及配置为连接或断开连接电池串220的负极端子的第二接触器230。从而，电池串220可以在两个接触器230断开时完全与车辆电动系统分隔开。

每一个接触器230可以是包括可活动触点和固定触点的高功率接触器。可活动触点可以机械耦合至与线圈相关联的电枢。线圈可以进一步连接至接触器螺线管驱动器263。当接触器螺线管驱动器263激励线圈时，可以在线圈中引起磁场。磁场可以与电枢中的金属材料相互作用并使电枢和可活动触点移动。因而，接触器螺线管驱动器263可以控制接触器230的闭合和断开。虽然图2显示了与一对接触器230连接的接触器螺线管驱动器263，但是其他接触器230可以连接至相同或不同接触器螺线管驱动器263并由相同或不同接触器螺线管驱动器263控制。

虽然图2仅显示了一个预充电电路270，但是每一个电池串220可以与其自身的预充电电路270连接。此外，预充电电路270可以放置在电池串220的正极端子或负极端子。每一个预充电电路270可以串联连接至第一接触器230，并且并联连接至第二接触器230’。在示例性实施方式中，预充电电路270可以包括预充电晶体管271和预充电电阻器272。

预充电晶体管271可以是高功率晶体管，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或绝缘栅双极晶体管(igbt)。每一个预充电晶体管271连接至栅极驱动器267，栅极驱动器267可以接通和切断预充电晶体管271和/或在线性区域中控制预充电晶体管271。虽然图2显示了预充电晶体管271与栅极驱动器267之间的连接，但是其他预充电晶体管271可以连接至相同或不同的栅极驱动器267并由相同或不同的栅极驱动器267控制。在电池串220正常操作期间和/或当车辆100关闭时，栅极驱动器267可以切断预充电晶体管271以防止电流流过预充电电路270。然而，在负载电容器281的预充电期间，栅极驱动器267可以接通预充电晶体管271以允许涌入电流流过预充电电路270。

对于选择在电路200中使用的适当的预充电晶体管来说可以给出各种考虑。预充电晶体管271可以具有高额定电流(即，mosfet的id和igbt的ic)以允许当晶体管271接通时高涌入电流流过且电池串220对电容器281进行预充电。此外，预充电晶体管271还可以具有高额定电压(即，mosfet的vdss和igbt的vces)并且能够当晶体管271切断时阻止与整个总线电压一样高的电压。额定电流和额定电压可以留下足够的余量来考虑在车辆电动系统中常见的电压和电流尖峰。在一些实施方式中，作为功率模块中离散组件的或集成在一起的多个晶体管可以用于切换高电流。例如，多个mosfet可以并行连接以增加电流处理和效率。

当涌入电流流过预充电电路270时，预充电电阻器272的存在可以限制涌入电流的电平。预充电电阻器272的阻值可以基于电容器281的总电容和用于预充电电容器281的时间来选择。

电路200还可以包括配置为检测dc总线210的电压的监控电路250。监控电路250可以连接至接触器螺线管驱动器263和栅极驱动器267。在负载电容器281的预充电期间，在检测dc总线210的电压达到稳定状态之后，监控电路250可以发送信号至接触器螺线管驱动器263和栅极驱动器267以分别闭合接触器230和切断预充电晶体管271。以这种示例性方式，可以完成预充电阶段并且电池串220可以完全连接至dc总线210。

在一些实施方式中，为了防止预充电晶体管271过压，监控电路250可以进一步配置为检测预充电晶体管271上的电压。当预充电晶体管271接通且大量涌入电流流过预充电晶体管271时，可以使用去饱和机制来确保不会达到预充电晶体管271的最大饱和限制。例如，如果预充电晶体管271上的电压接近或超过mosfet的vds(饱和)或igbt的vbe(饱和)，那么监控电路250可以触发栅极驱动器267立即或以最小延迟切断预充电晶体管271，和/或触发接触器螺线管驱动器263立即或以最小延迟断开第一接触器230。

因为预充电晶体管271在其切断状态可能产生漏电流，所以电路200可以进一步包括放电电路290，放电电路290连接至dc总线210并配置为在电池串220从dc总线210分离之后移除漏电流。放电电路290可以包括串联连接的放电晶体管291和放电电阻器292。放电晶体管291可以是与预充电晶体管271类似的功率晶体管。放电晶体管291可以连接至栅极驱动器267并由栅极驱动器267控制。在示例性实施方式中，在车辆100关闭之后，栅极驱动器267可以接通放电晶体管291以允许漏电流流过放电电阻器292并作为热量消耗。相反，在电池串220正常操作期间或当预充电晶体管271接通时，可以切断放电晶体管291以防止功率损失。监控电路250可以进一步被配置为检测流过放电电路290的漏电流。当漏电流已经减小至接近零时，监控电路250可以发送信号至栅极驱动器267以切断放电晶体管291。

图3是与图2中所示出的电路一致的用于将电池串连接至dc总线310的示例性系统300的框图。例如，系统300可以用于图1所示出的车辆100中。参考图3，系统300可以包括一个或多个电池串320、接触器330、监控电路350、控制器360、一个或多个预充电电路370及放电电路390。

与图2一致，dc总线310、电池串320、接触器330、监控电路350、预充电电路370及放电电路390的结构和功能分别与dc总线210、电池串220、接触器230、监控电路250、预充电电路270及放电电路290的结构和功能类似。特别地，预充电电路370可以包括预充电晶体管371以控制涌入电流的流动，并且放电电路390可以包括放电晶体管391以控制预充电晶体管371产生的漏电流的流动。

控制器360可以采取多种形式，包括例如基于计算机的系统、基于微处理器的系统、与存储器操作耦合的微控制器或微处理器、电子控制模块(ecm)、电子控制单元(ecu)或任何其他合适的控制电路或系统。控制器360还可以包括专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)和逻辑电路中的一者或多者以允许控制器360根据所公开的实施方式运行。在一些实施方式中，控制器360特别地被配置有用于执行系统300的功能的硬件和/或软件模块。例如，控制器360可以包括接触器驱动模块364和栅极控制模块368。模块可以实现为集成在控制器360内的专用电路系统和/或控制器360可执行的专用软件。模块的功能在关于图4的进一步描述中进行讨论。

在示例性实施方式中，控制器360可以包括以下组件(未示出)中的一者或多者：存储器、诸如与存储器操作耦合的微控制器或微处理器的处理组件、存储设备、输入/输出(i/o)接口及通信组件。

处理组件可以被配置为从车辆100的板上或板外其他电子线路接收信号并处理信号以确定系统300的一个或多个操作条件。处理组件可以进一步被配置为经由例如i/o接口产生并传送控制信号以将电池串320连接至dc总线310。在操作中，处理组件可以执行储存在存储器和/或储存设备中的计算机指令。

存储器和存储设备可以包括任何合适类型的存储媒介。存储器可以包括非暂时性计算机可读存储介质，非暂时性计算机可读存储介质包括用于处理组件可执行的应用或方法的指令。存储器还可以储存用于连接电池串320的数据，该数据诸如电池串320的输出电压、负载的输入电容等。例如，非暂时性计算机可读存储介质可以是只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、闪存存储器、存储器芯片(或集成电路)等。存储设备可以包括易失性的或非易失性的、磁的、半导体、磁带、光的、可移除的、不可移除的或其他类型的存储设备或计算机可读介质以为控制器360提供额外的存储空间。

i/o接口可以包括允许控制器360与其他系统和设备通信的一个或多个数字和/或模拟通信设备。例如，i/o接口可以从监控电路350接收指示了dc总线310的电压已经达到稳定状态的信号，并发送信号至处理组件以进行进一步处理。i/o接口还可以从处理组件接收一个或多个控制信号，并发送控制信号至接触器330、预充电电路370和/或放电电路390以用于将电池串320连接至dc总线310。

通信组件可以被配置为便于在控制器360与包括bms和/或用户接口的其他设备之间进行有线或无线通信。通信组件可以基于诸如wifi、lte、2g、3g、4g、5g等的一个或多个通信标准接入无线网络。在一个示例性实施方式中，通信组件包括近场通信(nfc)模块以便于在控制器360与其他设备之间进行近距离通信。在其他实施方式中，通信组件可以基于射频识别(rfid)技术、红外数据关联(irda)技术、超宽带(uwb)技术、蓝牙(bt)技术或其他技术来实现。

图4是用于将电池串连接至dc总线的示例性方法400的流程图。例如，方法400可以由系统300执行。示例性系统300的操作现在结合图4进行描述。

在步骤402中，控制器360可以闭合串联连接至预充电电路370的第一接触器330。车辆100可以包括一个或多个电池串。当车辆100发动或需要另外的电池串提供更多的电力时，控制器360可以发起操作来将电池串320连接至dc总线310。在一些实施方式中，控制器360可以被配置为确定是否需要预充电电路370将电池串320连接至dc总线310。例如，控制器360可以分别从bms和监控电路350接收指示了电池串320的输出电压和dc总线310的当前电压的信号。控制器360然后可以计算电池串320的输出电压与dc总线310的当前电压的差值。如果该差值超过预定阈值(这意味着大的涌入电流可以产生)，那么控制器360可以将预充电电路370用于在将电池串320完全连接至dc总线310之前对负载电容器进行预充电。

在电池串320连接至dc总线310之前，两个接触器330可以保持断开以将电池串320与车辆100的剩余部分隔离。为了连接预充电电路370，接触器驱动模块364可以闭合串联连接至预充电电路370的第一接触器330，并维持断开并联连接至预充电电路370的第二接触器330’。

在步骤404中，控制器360可以减小预充电电路370的第一阻抗并增加放电电路390的第二阻抗。栅极控制模块368可以通过分别接通或切断预充电晶体管371和放电晶体管391来调节第一阻抗和第二阻抗。为了开始预充电过程，栅极控制模块368可以接通预充电晶体管391以允许涌入电流流过预充电电路370。包括在预充电电路370中的电阻管可以将涌入电流限制在期望水平。在一些示例性实施方式中，栅极控制模块368还可以在线性区域中控制预充电晶体管371以进一步增加和/或减小第一阻抗，从而调节预充电时间和控制涌入电流电平。

栅极控制模块368还可以通过切断放电晶体管391来增加第二阻抗。所增加的第二阻抗可以防止涌入电流通过放电电路390消耗，从而限制能量损失并缩短预充电时间。

在步骤406中，在dc总线310的电压达到稳定状态之后，控制器360可以闭合并联连接至预充电电路370的第二接触器330’。在预充电阶段期间，监控电路350可以不断地监控dc总线310的电压。在电压达到稳定状态之后，监控电路350可以发送信号至接触器驱动模块364以触发并联连接至预充电电路370的第二接触器330’的闭合。因而，两个接触器330被闭合并且电池串320完全连接至dc总线310。所闭合的第二接触器330使预充电电路370短路。

在步骤408中，控制器360可以在车辆100进入正常操作模式之后增加预充电电路370的第一阻抗。在电池串320完全连接至dc总线310之后，车辆100可以进入正常操作模式。为了减少预充电电路370中的能量损失，栅极控制模块368可以切断预充电晶体管371以进一步防止电流流过预充电电路370。同时，栅极控制模块368可以将放电晶体管391维持在切断状态或维持在高阻抗，以防止电流流过放电电路390。

在步骤410中，控制器360可以在电池串320与dc总线310断开时减小放电电路390的第二阻抗。例如，电池串320需要与dc总线310断开以关闭车辆100。这样做，接触器驱动模块364可以断开用于电池串320的两个接触器330。栅极控制模块368还可以将预充电晶体管371维持在切断状态或维持在高阻抗，以进一步将电池串320与dc总线310隔离。同时，栅极控制模块368可以接通放电晶体管391以允许由预充电晶体管371产生的漏电流被消耗。与步骤404类似，栅极控制模块368还可以在线性区域中临时控制放电晶体管391以在条件需要的情况下增加和/或减小放电电路390的第二阻抗。

以上所公开的系统可以提供多个利处。第一，基于硅的晶体管没有活动部分并使预充电电路和放电电路的大部分组件能够集成在小型电路板上。电路板具有小的大小并容易被更换。因此，所公开的系统在包装上提供了更多的灵活性。进一步地，晶体管可以比接触器更节省成本，因为晶体管一般成本较低、需要较小功率并且操作起来比接触器快很多。

对本领域技术人员显而易见的是可以对所公开的系统和方法进行各种修改和改变。通过考虑本公开的说明和实例，其他实施方式对本领域技术人员来说将是显而易见的。本说明书和示例仅应被视为是示例性的，实际范围由以下权利要求书及其等同所指示。