CN105871026A - 一种电动汽车预充电装置及其预充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车预充电装置及其预充电方法，其中预充电装置包括：并联在主继电器两端的预充电支路；连接在直流母线正负极上的预充电辅助装置，其进一步包括电子控制单元、双向DC/DC变换电路以及储能电容，电子控制单元用于接收直流母线电压信号、储能电容电压信号和动力电池电压信号，并在预充电过程中对储能电容的充放电进行控制；双向DC/DC变换电路用于在电子控制单元控制下，在预充电继电器闭合时把来自动力电池的电能传输给储能电容进行充电，并在储能电容电压达到预设值时，对储能电容放电并将电能传输给高压直流母线电容进行充电。本发明可以大幅减小电动汽车和混动汽车高压电路的预充电时间和主继电器闭合时的突入电流。

Description

一种电动汽车预充电装置及其预充电方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，尤其涉及一种电动汽车预充电装置及其预充电方法。

背景技术

电动汽车以电能为能量来源。电能需要储存在动力电池中。动力电池和相关控制电路等组成电池包，其控制电路称为电池管理***（BMS，Battery Management System）。BMS通过控制继电器控制动力电池和外部高压直流母线的连接。动力电池为电动汽车上的各种高压用电设备（比如驱动电机控制器、DC/DC变换器、高压空调压缩机驱动器等）提供直流电。这些用电设备并联在高压直流母线上，其直流输入端一般都设置有一个直流母线电容。电动汽车启动时，需要闭合主继电器给这些设备供电，由于这些电容的存在，如果直接闭合主继电器K_主（参见图1），那么由于闭合时电池侧和直流母线侧之间巨大电压差的存在，主继电器中将会流过极大的突入电流，直接损坏继电器或造成继电器寿命严重下降。

为了解决这个问题，现行方案一般是在主继电器两端并联一个预充电支路，如图1所示，预充电支路由预充电电阻R_预充和预充电继电器K_预充串联组成。高压***上电时，先闭合预充电继电器，电池通过预充电支路给直流母线侧进行预充电。由于预充电电阻R_预充的限流作用，流过K_预充的电流会被限制在该继电器所能承受的范围内。待直流母线侧电压升至足够高，BMS检测到直流母线侧电压和电池电压相差足够小，BMS控制主继电器K_主闭合，高压上电过程结束。该方案在充电过程中的电流电压波形如图2所示。

上述现行方案中的预充电过程是一个RC暂态过程，理论上电池电压和直流母线电压之间的电压差一直存在，只是随着时间无限趋近于零。实际实践中，高压***的上电时间不能无限长，需要满足规定的时间限制，因此一般只等到直流母线侧电压上升到电池电压的约90%时就闭合主继电器。此时主继电器两端仍然存在着相当大的电压差，因此主继电器闭合瞬间仍然会有相当大的突入电流。过大的突入电流会影响继电器工作的可靠性，降低继电器寿命，而且会产生严重的电磁干扰。而想要在限制时间内尽可能减小主继电器两端的电压差，就需要充电过程尽可能充分。由于高压直流母线侧的电容容量无法调整，就只能减小预充电电阻的阻值。但预充电电阻阻值的减小又会增加K_预充闭合时的突入电流，同样会带来诸多负面影响。

由此可见，现行方案虽然一定程度上减轻了继电器突入电流的问题，但带来了高压***上电时间和继电器突入电流之间的矛盾。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种可以大幅减小汽车高压电路的预充电时间和主继电器闭合时的突入电流，同时能大幅加快高压***上电速度的电动汽车预充电装置及其预充电方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电动汽车预充电装置，包括：

并联在主继电器两端的预充电支路，所述预充电支路包括相互串联的预充电继电器和预充电电阻；

连接在直流母线正负极上的预充电辅助装置，所述预充电辅助装置进一步包括电子控制单元、双向DC/DC变换电路以及储能电容，其中：

所述电子控制单元用于接收直流母线电压信号、储能电容电压信号和动力电池电压信号，并在预充电过程中对所述储能电容的充放电进行控制；

所述双向DC/DC变换电路用于在所述电子控制单元控制下，在所述预充电继电器闭合时把来自动力电池的电能传输给所述储能电容进行充电，并在所述储能电容电压达到预设值时，对所述储能电容进行放电并将放出的电能传输给高压直流母线电容进行充电。

其中，所述双向DC/DC变换电路包括两个功率开关器件以及电感，所述两个功率开关器件组成一个半桥结构，所述半桥结构的正负端并联在对应直流母线正负极上，所述电感一端连接在所述半桥结构的中点，另一端连接所述储能电容。

其中，所述双向DC/DC变换电路包括两个功率开关器件以及电感，所述两个功率开关器件组成一个半桥结构，所述半桥结构的正负端分别并联在所述储能电容两端，所述电感一端连接所述半桥结构的中点，另一端连接直流母线正极。

其中，所述电子控制单元还用于在所述储能电容放电过程中通过所述双向DC/DC变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，使得高压直流母线侧电压最终稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

其中，所述电子控制单元包括反馈控制电路，用于以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，两者做差后得到电压误差，将所述电压误差经过控制算法运算后，得到DC/DC双向变换电路中两个功率开关器件的驱动信号，用所述驱动信号对DC/DC双向变换电路进行控制，以使高压直流母线侧的电压和动力电池电压保持相等。

本发明还提供一种所述的电动汽车预充电装置的预充电方法，包括：

步骤S1，预充电开始时，闭合预充电继电器，动力电池的电能的一部分经过预充电支路流向高压直流母线侧，给高压直流母线电容充电，另一部分经过双向DC/DC变换电路给储能电容充电；

步骤S2，当储能电容电压上升达到预设值时，预充电辅助装置的电子控制单元控制双向DC/DC变换电路给储能电容放电，放出的电能通过双向DC/DC变换电路给高压直流母线电容充电；

步骤S3，在高压直流母线电容电压达到稳态，并且主继电器两侧的电压相等时闭合主继电器；

步骤S4，在主继电器完全闭合后断开预充电继电器，预充电结束。

其中，所述预充电方法还包括：在储能电容的放电过程中，电子控制单元通过双向DC/DC变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，以使高压直流母线侧电压能稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

其中，所述电子控制单元通过双向DC/DC变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，具体包括：

电子控制单元以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，对两者做差后得到电压误差，将该电压误差经过控制算法运算后，得到DC/DC双向变换电路中两个功率开关器件的驱动信号，用所述驱动信号对DC/DC双向变换电路进行控制，使主继电器两侧的电压相等。

实施本发明实施例将带来如下有益效果：由于预充电辅助装置分走了一部分预充电电流，本实施例的预充电装置可以在大幅小于现行预充电方案的时间内将高压直流母线侧电压充电至动力电池电压；并且，预充电辅助装置的电子控制单元可以对高压直流侧电压进行反馈控制，使得主继电器闭合前高压直流母线侧电压和动力电池电压几乎相等，因此主继电器闭合时突入电流很小，从而很好地保护了继电器，延长了继电器的寿命，提高了继电器工作的可靠性，同时也大大减少了电磁干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有电动汽车预充电电路原理示意图。

图2是现有电动汽车在充电过程中的电流电压波形示意图。

图3是本发明实施例一电动汽车预充电装置的结构示意图。

图4是本发明实施例一电动汽车预充电装置的另一结构示意图。

图5是本发明实施例一电动汽车预充电装置的预充电过程波形图。

图6是本发明实施例二电动汽车预充电装置的预充电方法的流程示意图。

具体实施方式

下面参考附图对本发明的优选实施例进行描述。

请参照图3所示，本发明实施例一提供一种电动汽车预充电装置，包括：

并联在主继电器两端的预充电支路，该预充电支路包括相互串联的预充电继电器和预充电电阻；

连接在直流母线正负极上的预充电辅助装置，该预充电辅助装置进一步包括电子控制单元、双向DC/DC变换电路以及储能电容，其中：

电子控制单元用于接收直流母线电压信号、储能电容电压信号和动力电池电压信号，并在预充电过程中对储能电容的充放电进行控制；

双向DC/DC变换电路用于在电子控制单元控制下，在预充电继电器闭合时把来自动力电池的电能传输给储能电容进行充电，并在储能电容电压达到预设值时，对储能电容进行放电并将放出的电能传输给高压直流母线电容进行充电。

由上可知，本发明在现行方案的基础上增加了一个预充电辅助装置。具体来说，该预充电辅助装置中，双向DC/DC变换电路包括两个功率开关器件Q1、Q2以及电感L_DC/DC，Q1和Q2组成一个半桥结构，该半桥结构的正负端并联在对应直流母线正负极上，电感L_DC/DC一端连接在半桥结构的中点，另一端连接储能电容C_储能。

请再参照图4所示，为本发明实施例一电动汽车预充电装置的另一结构示意图，其与图3所示的电动汽车预充电装置的结构相比，区别在于双向DC/DC变换电路的内部连接方式不同，该双向DC/DC变换电路同样包括两个功率开关器件Q1、Q2以及电感L_DC/DC，Q1和Q2组成一个半桥结构，该半桥结构的正负端分别并联在储能电容C_储能两端，电感L_DC/DC一端连接半桥结构的中点，另一端连接直流母线正极。

以下结合图5对本实施例的电动汽车预充电装置的工作过程及原理进行说明。

本实施例的电动汽车预充电装置具有两个工作状态，即储能状态和释能状态。

0时刻，电动汽车开始预充电，BMS闭合预充电继电器K_预充。与此同时，预充电辅助装置进入储能状态：电子控制单元控制双向DC/DC变换电路给储能电容C_储能充电，此时能量从动力电池经过预充电支路流向高压直流母线侧，其中一部分用于给高压直流母线电容（即图3、图4所示的等效直流母线电容C_等效）充电，另一部分经过双向DC/DC变换电路给储能C_储能充电。

1时刻，储能电容C_储能电压上升达到预设值，预充电辅助装置进入释能状态：电子控制单元控制双向DC/DC变换电路给储能电容C_储能放电，放出的电能通过双向DC/DC变换电路给高压直流电容（C_等效）充电。放电过程中，电子控制单元通过双向DC/DC变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，使得高压直流母线侧电压最终稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

2时刻，高压直流母线侧电压已经达到稳态，而且在预充电辅助装置的控制下，动态地跟踪电池电压，主继电器K_主两侧的电压差几乎为零。此时BMS控制主继电器K_主闭合。因为主继电器K_主闭合前两侧的电压差很小，因此闭合时产生的突入电流也极小。

3时刻，预充电继电器K_预充在主继电器K_主完全闭合后断开，预充电流程结束。

与现行方案相比，由于本实施例增加了预充电辅助装置，其带来的技术效果在于：

在0→1时间段，预充电辅助装置分走了一部分预充电电流，因此相比现行方案（图5中虚线），这段时间内高压直流母线侧的电压较小，动力电池和高压直流母线侧的电压差更大，因此这段流过预充电支路的电流更大，释放出来的能量更多。通过合理设计，可以在大幅小于现行方案预充电所需时间内，使得足够完成预充电的能量通过预充电支路中释放出来，并让其中一部分存储到储能电容C_储能中。

在1→2时间段，储能电容C_储能中的能量通过双向DC/DC变换电路迅速释放到高压直流母线上，使得高压直流母线侧的电压和动力电池电压几乎相等。由于储能电容C_储能的能量释放是通过双向DC/DC变换电路实现的，因此该过程十分迅速，时间可以很短。

因此，综合以上两段时间，本实施例的预充电装置可以在大幅小于现行预充电方案的时间内将高压直流母线侧电压充电至动力电池电压。

不仅如此，由于在1→2时间段内的储能电容C_储能放电过程中，预充电辅助装置的电子控制单元可以对高压直流侧电压进行反馈控制，使得主继电器K_主闭合前高压直流母线侧电压和动力电池电压几乎相等，因此主继电器K_主闭合时突入电流很小，从而很好地保护了继电器，延长了继电器的寿命，提高了继电器工作的可靠性，同时也大大减少了电磁干扰。具体来说，电子控制单元内部设置有反馈控制电路，以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，两者做差后得到电压误差，将该电压误差经过控制算法运算后，得到DC/DC双向变换电路中两个功率开关器件Q1、Q2的驱动信号，用该驱动信号对DC/DC双向变换电路进行控制，如此高压直流母线侧的电压就会被控制。上述反馈控制的效果就是反馈值（即高压直流侧电压）会最终跟随参考值（动力电池电压），高压直流母线侧电压会和动力电池电压保持大小相等，两者之间只会存在很小的波动误差，如果动力电池电压变化，那么高压直流母线侧电压会稍微滞后一点变化，但最终仍会变成和动力电池电压一样大小，于是主继电器K_主闭合时突入电流就很小，克服了现行方案中突入电流较大的缺陷。

还需说明的是，电子控制单元除了接收直流母线电压信号、储能电容电压信号和动力电池电压信号之外，根据具体实现的要求，还可以采集电感L_DC/DC的电流。一般情况下，为了防止电感L_DC/DC的电流过大导致故障，一般都会采集电感电流；另一方面，采集电感L_DC/DC的电流并参与对储能电容C_储能的充放电控制，可以提高控制品质。例如，假设储能电容电压的预设值是50V，在充电过程中，有可能会发生电压突变，充电至60V再慢慢回退至50V；而通过采集电感L_DC/DC的电流，可以对电感电流进行直接控制控制，防止电感电流过流，提高控制的稳定性和鲁棒性，使储能电容的充放电过程更加平稳。

请再参照图6所示，本发明实施例二提供一种电动汽车预充电装置的预充电方法，包括：

步骤S1，预充电开始时，闭合预充电继电器，动力电池的电能的一部分经过预充电支路流向高压直流母线侧，给高压直流母线电容充电，另一部分经过双向DC/DC变换电路给储能电容充电；

步骤S2，当储能电容电压上升达到预设值时，预充电辅助装置的电子控制单元控制双向DC/DC变换电路给储能电容放电，放出的电能通过双向DC/DC变换电路给高压直流母线电容充电；

步骤S3，在高压直流母线电容电压达到稳态，并且主继电器两侧的电压相等时闭合主继电器；

步骤S4，在主继电器完全闭合后断开预充电继电器，预充电结束。

其中，还包括：储能电容的放电过程中，电子控制单元通过双向DC/DC变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，以使高压直流母线侧电压能稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

具体来说，电子控制单元以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，对两者做差后得到电压误差，将该电压误差经过控制算法运算后，得到DC/DC双向变换电路中两个功率开关器件Q1、Q2的驱动信号，用该驱动信号对DC/DC双向变换电路进行控制，使主继电器两侧的电压相等。

需要说明的是，主继电器两侧的电压相等是指高压直流母线侧电压和动力电池电压保持大小相等，两者之间只会存在很小的波动误差，如果动力电池电压变化，那么高压直流母线侧电压会稍微滞后一点变化，但最终仍会变成和动力电池电压一样大小。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种电动汽车预充电装置，其特征在于，包括：

并联在主继电器两端的预充电支路，所述预充电支路包括相互串联的预充电继电器和预充电电阻；

连接在直流母线正负极上的预充电辅助装置，所述预充电辅助装置进一步包括电子控制单元、双向DC/DC变换电路以及储能电容，其中：

所述电子控制单元用于接收直流母线电压信号、储能电容电压信号和动力电池电压信号，并在预充电过程中对所述储能电容的充放电进行控制；

所述双向DC/DC变换电路用于在所述电子控制单元控制下，在所述预充电继电器闭合时把来自动力电池的电能传输给所述储能电容进行充电，并在所述储能电容电压达到预设值时，对所述储能电容进行放电并将放出的电能传输给高压直流母线电容进行充电。

2.根据权利要求1所述的电动汽车预充电装置，其特征在于，所述双向DC/DC变换电路包括两个功率开关器件以及电感，所述两个功率开关器件组成一个半桥结构，所述半桥结构的正负端并联在对应直流母线正负极上，所述电感一端连接在所述半桥结构的中点，另一端连接所述储能电容。

3.根据权利要求1所述的电动汽车预充电装置，其特征在于，所述双向DC/DC变换电路包括两个功率开关器件以及电感，所述两个功率开关器件组成一个半桥结构，所述半桥结构的正负端分别并联在所述储能电容两端，所述电感一端连接所述半桥结构的中点，另一端连接直流母线正极。

4.根据权利要求1-3任一项所述的电动汽车预充电装置，其特征在于，所述电子控制单元还用于在所述储能电容放电过程中通过所述双向DC/DC变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，使得高压直流母线侧电压最终稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

5.根据权利要求4所述的电动汽车预充电装置，其特征在于，所述电子控制单元包括反馈控制电路，用于以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，两者做差后得到电压误差，将所述电压误差经过控制算法运算后，得到DC/DC双向变换电路中两个功率开关器件的驱动信号，用所述驱动信号对DC/DC双向变换电路进行控制，以使高压直流母线侧的电压和动力电池电压保持相等。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的电动汽车预充电装置的预充电方法，包括：

步骤S1，预充电开始时，闭合预充电继电器，动力电池的电能的一部分经过预充电支路流向高压直流母线侧，给高压直流母线电容充电，另一部分经过双向DC/DC变换电路给储能电容充电；

步骤S2，当储能电容电压上升达到预设值时，预充电辅助装置的电子控制单元控制双向DC/DC变换电路给储能电容放电，放出的电能通过双向DC/DC变换电路给高压直流母线电容充电；

步骤S3，在高压直流母线电容电压达到稳态，并且主继电器两侧的电压相等时闭合主继电器；

步骤S4，在主继电器完全闭合后断开预充电继电器，预充电结束。

7.根据权利要求6所述的预充电方法，其特征在于，还包括：在储能电容的放电过程中，电子控制单元通过双向DC/DC变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，以使高压直流母线侧电压能稳定至动力电池电压且保持动态跟踪。

8.根据权利要求7所述的预充电方法，其特征在于，所述电子控制单元通过双向DC/DC变换电路对高压直流母线侧电压进行反馈控制，具体包括：

电子控制单元以动力电池电压为参考值，以高压直流母线侧电压为反馈值，对两者做差后得到电压误差，将该电压误差经过控制算法运算后，得到DC/DC双向变换电路中两个功率开关器件的驱动信号，用所述驱动信号对DC/DC双向变换电路进行控制，使主继电器两侧的电压相等。