CN107017673B - 电压断开结构 - Google Patents

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Abstract

与具有电池组以及正极和负极总线轨的***一起使用的断开结构包括中间组低功率(LP)继电器、保险丝、半导体开关和定序器电路。中间组LP继电器设置在电池组的中间堆栈点处的轨线之间，并当被命令打开时划分遍及电池组的电压。保险丝设置在中间组LP继电器和正极总线轨之间，并且响应于***的完全短路状况而打开。半导体开关设置成与中间组LP继电器电平行。定序器电路选择性地开启半导体开关并由此响应于***的检测的部分短路状况而协调通过半导体开关和中间组LP继电器的电流的流动。***包括电池组、总线轨和断开结构。

Description

电压断开结构
技术领域
本发明涉及一种电压断开结构。
背景技术
电池组在各种固定和移动***中使用，以对一个或多个电机和电子设备供电。电动发电机单元是通常用于将电能提供或存储到***中的一种类型的电机。例如，电动机/发电机单元可从电池组获取电能以将转矩传递到动力传输***的一个或多个齿轮组或其他旋转构件。这种发动机/发电机单元还可用于发电而不是消耗电，并由此对电池组再充电或对电子设备供电。
由于适用于某些应用的电压水平可能较高，故用于将电池组连接到***的其余部分的任何电子电路需要电压隔离。典型地，当***被关闭时或者在电气故障期间，包括高功率保险丝和高压机械接触器的电池断开单元用于将DC电压总线与电池组隔离并提供电隔离。然而，高压接触器和保险丝的大小、重量和成本可能不是最佳。
发明内容
本公开涉及电压断开结构，即，使电压断开过程机械化的***和其附属器具，当用于具有相对高电压水平的***中时其特别重要。该结构降低了对以上所述类型的重型机械接触器的需求。该结构可消除对预充电电阻器的需求以最初地对DC总线轨充电至所需电压水平。如本领域所公知，预充电电阻器与接触器或其他机械开关(二者均与另一个机械接触器电平行放置)典型地串联连接。预充电电阻器提供电子电路中充足的电阻以便防止来自电池组的大电压差和高涌入电流，二者均可潜在地损坏或焊接接触器。因此，预充电电路的增加成本和大小可经由本文所公开的结构和方法来消除。
公开了与具有电池组、正极总线轨和负极总线轨的***一起使用的断开结构的特定实施例。该结构包括设置在正极和负极总线轨之间、在电池组的中间堆栈点处或附近的保险丝组和中间组低功率(LP)继电器，其中LP继电器设置在保险丝组和负极总线轨之间。当中间组LP继电器被命令打开时，为高电压/电流LP继电器的中间组LP继电器与保险丝组战略地结合放置以便划分遍及电池组的电压。所公开结构还包括与中间组LP继电器电平行设置的一对半导体开关。此外，定序器电路配置为响应于***的检测的部分短路状况(例如本文所述的过电流或紧急非过电流状况)而协调通过半导体开关和中间组LP继电器的电流的流动。
断开结构可包括各自设置在正极和负极总线轨的相应一个上的一对高电流/LP继电器。LP继电器可选择性地打开以提供***中的电隔离，例如，当***被关闭时。
还公开了包括具有多个电池的电池组、正极和负极总线轨和上述断开结构的***。
当结合附图时，根据实施本公开的最佳模式的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将显而易见。
附图说明
图1是描述了本文所述的断开结构的示例性实施例的示意性电子电路。
图2是根据另一个实施例描述了图1的断开结构的示意性电子电路。
图3是可以用作图1和2所示的断开结构的一部分的定序器电路的示意性电子电路。
图4是可用作图1和2所示的断开结构的一部分的示意性三门驱动器电路。
图5A-C是分别以过电流、紧急非过电流和正常推进/充电情形的形式示出了示例性故障状况的各种压力和电流幅度的时间曲线图。
图6是描述了用于图4的驱动器电路的三个可能逻辑状态的表。
具体实施方式
参照附图，其中在整个几幅视图中，相同的标号表示相同的部件，示例性电压断开结构10示意性地描述于图1和2中。断开结构10可用作***13的一部分，该***13包括电池组20和分别具有正极(+)和负极(-)总线轨11A和11B的电压总线。电池组20可实施为多单元锂离子、镍金属氢化物或其他可再充电电池组。如本文所设想，电压总线的DC电压水平可以相对高，例如高于200VDC，而不将电压水平限制到这种水平。
断开结构10可包括各自设置在总线轨11A和11B的相应一个上的一对高电流/低功率(LP)继电器14A，以及设置在所示电池组20的中间堆栈点处或附近的高电压/LP继电器14B。为清楚起见，且为了与位于总线轨11A和11B上的任选附加LP继电器14A区分，LP继电器14B在下文称为中间组LP继电器14B。电流传感器15可以用于确定在所描述电路中流动的感测电流(IS)。如本文所使用，术语“高”和“低”用于限制术语“电流”、“电压”、和“功率”，并旨在相对于典型的辅助或低电压/电流水平而言。在非限制性示例性实施例中，例如，当电池组20用于对电机(比如车辆上或动力装置内的牵引电机)进行供电时，用于高功率应用的示例性功率阈值为约100kW或更高。
图1和2的断开结构10包括一对平行的半导体开关40。可以设置成所示的反串联结构，即具有相反的相对极性的半导体开关40可以实施为图1中所示的IGBT切换对、图2中所示的MOSFET切换对、或实施为WBG切换对(未示出)或其他合适的半导体切换对。半导体开关40设置成与中间组LP继电器14B电平行。也就是说，如果电池组20具有192个电池，则半导体开关40可设置在第96和第97个电池之间。额定用于电池组20的全电压的保险丝组12P设置在半导体开关40和正极总线轨11A之间，即，半导体开关40的正上方。这种保险丝组12P以及位于断开结构10中的其他保险丝12和12S配置成在完全短路的情况下打开，而不依赖于半导体开关40和中间组LP继电器14B的任何控制操作。
下面参照图3和4所述，对于故障状况而不是完全短路状况，半导体开关40的切换控制与保险丝组12P和中间组LP继电器14B的操作紧密地逻辑协调。也就是说，校准半导体开关40的控制以便覆盖保险丝组12P的设定限制之下的故障区。因此，对低电流和/或高电阻短路的精密控制成为可能，从而使保险丝组12P处理任何完全短路状况。以这种方式，保险丝组12P不需要以通常方式将大小设计成用于大量电流或负载。
断开结构10还包括或者连接到具有保险丝12S、电流限制电阻器R以及本领域已知类型的隔离的差动放大器17(其共同检测适当电压隔离)的传统隔离检测电路16。由于在电池组20的中间堆栈点处的保险丝组12P和半导体开关40的使用，用于隔离检测电路16中的保险丝12S的额定电压可以降低到他们正常的最大额定电压(Vm)的一半，如图1和2中注释0.5Vm所示。
断开结构10旨在提供相对于现有电池断开***的许多各异的性能优势。具体地，在使用断开结构的任何***的关断模式期间，例如车辆的停火/切断事件，断开结构10使遍及总线轨11A和11B的电压水平划分成两半。这反过来允许保险丝12S的额定值降低到他们通常的最大额定值的50％，同时还在任何电气故障期间降低在断开结构10中流动的电势和电流。此外，保险丝组12P可以大小设计成提供最大电流保护，其中其隔离功能与半导体开关40的操作紧密地协调，以便允许电阻性短路期间合适的分区保护，以及提供附加的硬件优化。此外，总线轨11A和11B或者任何链路电容器(未示出)的预充电在不使用传统的预充电电阻器的情况下成为可能，其中在使用断开结构10的任何***的正常操作期间，总是维持内部短路保护。
图1和2的电池组可以用于对电气***30供电。在非限制性示例性实施例中，电气***30可包括多个电子部件，该多个电子部件例如包括车载充电模块(OBCM)31、辅助电源模块(APM)32、空气调节控制模块(ACCM)33、和/或功率逆变器模块。附加保险丝12和另一个高电流/低功率继电器14A可以用于以通常方式保护部件。
如本领域所知，当断开结构10用作停在充电站或车库中的车辆的一部分时，OBCM31可***外部多相/交流(AC)电源供应器以对电池组20充电。APM 32可实施为操作用于将DC电压水平降低到辅助水平，例如12-15VDC的电压调节器。ACCM 33可用于控制空气调节压缩机(未示出)和其他气候控制功能。PIM 34可以为具有必需半导体开关的功率逆变器设备，以及例如经由脉宽调制或其他合适的切换技术将AC电压输入转换成DC电压输出(反之亦然)所需的设备。这种示例性部件或未在图1和2的简化示例性实施例中示出的其他电子部件可提供本文所述的断开结构10内的其他高压功能，或者与本文所述的断开结构10结合提供其他高压功能。
图1和2的断开结构10还包括操作用于控制半导体开关40的所有切换操作的定序器电路50。如下参照图3更详细地描述，定序器电路50可包括窗口比较器电路52和驱动器电路70，该驱动器电路70操作用于提供断开结构10内的半自动、电子、和完全可复位断开功能。此外，高于半导体开关40的阈值额定电流的任何电流的处理经由定序器电路50的操作与保险丝12和12P的操作电气协调以提供短路/高功率保护。电气协调允许校准的分区保护，即，可复位断开功能成为可能。
定序器电路50的非限制性示例性实施例示意性地示出在图3中。定序器电路50操作用于响应于预定故障比如检测的部分短路状况而生成输出电压。特别地，窗口比较器电路52配置为自动地区分相对于分区校准阈值的电流水平，其反过来控制中间堆栈点处的半导体开关40和中间组LP继电器14B的定时。在完全短路状况的情况下，即，当短路路径具有零或接近零电阻时，半导体开关40保持闭合，且总线轨11A和11B上的保险丝组12P和LP继电器14A打开以便断开电池组20。然而，在不存在完全短路状况下，比如仍在半导体开关40的电流容量内的电阻性短路或过电流状况的存在下，窗口比较器电路52可自动地精确确定何时打开半导体开关40，以及使电流穿梭于半导体开关40和中间组LP继电器14B之间。
在短路的情况下，半导体开关40足够“灵敏”地保持闭合。主保险丝组12P是高功率断开设备。继电器14A用作进一步的电隔离。由于他们仅在主保险丝组12P之后打开，故LP继电器14A可成本降低到相对于传统配置的低功率设计，因为LP继电器14A不需要断开高功率电路。在短路事件中，LP继电器14A可打开以隔离轨线11A和11B。然而，本领域普通技术人员将理解，当通过保险丝组12P的操作而断开电池组20时，可以完全地实现放弃使用LP继电器14A的实施例。
窗口比较器电路52可经由其电阻器R1、R2、R3和R4以及通过知道感测电压(VIS)调整到所需性能。如果感测电压(VIS)的值落入校准窗口内，则半导体开关40可被信号通知以经由输出电压(VO)的传送而打开，如图3中示出的阶跃信号60所示。窗口比较器电路52的输出电压(VO)传送到OR逻辑门53，其二元逻辑输出(即VOR)作为脉冲信号59输出到单稳态单触发电路(1SH)54。如本领域所公知，这种单触发电路具有稳定的状态以及不稳定但瞬时的另一状态。因此，窗口比较器电路52的输出电压(VO)用作触发器，该触发器使单触发电路54在返回其稳定状态之前进入其瞬时/不稳定状态设定时间量。单触发电路54输出单触发二元信号(VSH)作为另一个脉冲信号62。单触发二元信号(VSH)被传送到上述驱动器电路70，下面参照图4描述其实施例。
图3的OR逻辑门53具有以控制电压(其可以从控制模块25提供)形式的另一个输入。例如，示例性车辆实施例中的控制模块25可包括混合控制器25A和电池***管理器(BSM)25B。混合控制器25A和/或电池***管理器25B可接收多个输入信号(CCI)。示例性输入信号(CCI)可包括电流/电压电弧检测信号(AD)，隔离信号的DC和AC损耗(DC LOI和ACLOI)以及其他状态信号比如正常操作(NRML)、推进模式检测(PROP)、电池组20的命令的正常充电(NRM CHRG)、和电池组(PC)的命令的预充电。在本领域确定这些信号的方式是常规的，例如，响应于作为结构10的操作的一部分的检测状态或计算值而以控制模块25的逻辑确定。
基于这些汇集输入，控制电压(VCNTL)作为二元值输出到AND逻辑门55。AND逻辑门55的高输出值在断开结构10的正常操作期间是故障输出，这导致半导体开关40保持闭合/导电。二极管对56，例如与所示齐纳二极管背对背布置的传统二极管，与上述中间组LP继电器14B并联连接。因此AND逻辑门55的输出控制线圈电压(VC)的水平，并因此控制中间组LP继电器14B的操作。
然而，当控制电压(VCNTL)为低/0时，会发生相反的结果，即，半导体开关40打开且遍及中间组LP继电器14B的电压降低。无电流流经中间组LP继电器14B，从而减小中间组LP继电器14B上的电流负载。这个结果反过来允许中间组LP继电器14B在大小和成本上降低。一旦半导体开关40打开，则示出在图1和2的其他LP继电器14A(所有这些LP继电器14A均保持独立可控)可响应于短路延迟之后的控制电压(VCTRL)而打开。
为了取得所需目的，控制电压(VCNTL)可以馈送到延迟块57(td)比如简单的RC电路。延迟控制电压(VLP)从延迟块57输出到图1和2示出的DC总线轨11A和11B上的LP继电器14A。以此方式，半导体开关40的操作可以被协调以便用于DC保险丝，该DC保险丝与断开结构10的各种LP继电器和保险丝的操作紧密电气协调。
馈送有预充电电压信号(VPC)和偏压电压(VB)并以三个可能状态之一中的驱动电压(VDR)输出的图3的驱动器电路70进一步详细地示出在图4中。这种特定电路元件接收三种输入：单触发电路54的输出电压(VSH)、预充电电压信号(VPC)和偏压电压(VB)。当需要电压总线的预充电时，通过图3中示出的控制模块25或者另一合适的控制器来命令二元预充电电压信号1或另一高/非零值。预充电电压信号(VPC)连同图4的单触发电路54的电压输出(VSH)被馈送到另一逻辑门155。OR逻辑门155的输出作为第一门电压(VG1)提供给第一三级逻辑门75，例如本领域已知类型的p通道MOSFET(PMOS)。单触发电路54(VSH)的输出也经由逻辑逆变器71转换并作为第二门电压(VG2)馈送到n通道MOSFET或NMOS形式的另一个三级逻辑门175。
相对于三级逻辑门75和175，来自OR逻辑门155的相应门电压VG1和VG2根据需要开启或关闭逻辑门75和175，并由此产生具有三个可能状态S1、S2或S3之一的波形78。如本领域所知，当供给到逻辑门比如图4的逻辑门75和175的门电压高于校准阈值电压时，逻辑门开启并达到逻辑状态S3，即较高值或1。在这种情况下，LP继电器14B关闭。逻辑门75或175关闭以取得逻辑状态S1，其较低或为0，低于这种电压阈值。在这种情况下，LP继电器14B打开。在电压阈值处或附近，逻辑门75或175部分开启，从而取得介于0和1之间的中间逻辑状态S2。当部分开启时，协调发生在半导体开关40和LP继电器14B之间。
对于实施为PMOS的逻辑门75，开启逻辑门75导致正极轨线11A的短路。逻辑门75可关闭以造成负极轨线11B的短路。当逻辑门75和175均关闭时，逻辑状态可以经由可变电阻器R6而控制，其中其他电阻器R5和R7被校准和固定以提供所需响应。
快速参照图6，其描述了单触发电路54的电压输出(VSH)、预充电电压信号(VPC)、和由图4的电路70中的高(H)和低(L)值的特定组合产生的切换状态(SS)，当图3的单触发电路54的电压输出(VSH)变高(H)时，图4的逻辑门175关闭/变低。当不需要预充电时，VPC发送的高，例如通过控制模块25。在此情况下，驱动器电路70用作电阻器以便取得中间状态S2，其中处于状态S2的半导体开关40的操作与中间组LP继电器14B的操作协调以降低LP继电器14B上的电流负载。
如果单触发电路54的电压输出(VSH)被命令为高且预充电电压(VPC)被命令为低(L)时，提供高逻辑状态S3且开启半导体开关40。总线轨11A和11B的预充电成为可能。然而，当单触发电路54低时(L)，提供低逻辑状态S1，无论预充电电压(VPC)的高/地状态。在输出(VSH)低的情况下，图4的逻辑门175开启，无论预充电信号(VPC)的状态。
图5A-C分别描述了示例性过电流、紧急非过电流、和正常推进/充电场景，其中时间(t)绘制在每个图的水平轴上，给定测量参数的幅度绘制在每个垂直轴线上。图5A-C中的每一个描述了来自图1的断开结构10的参数，其包括遍及图1和2的电流传感器15的感测或计算电流(IS)、来自隔离检测电路16的感测或计算电压(VIS)和图3中示出的窗口比较器52的输出(VO)。附加的参数包括控制电压(VCTRL)、线圈电压(VC)、来自图4所示的驱动器电路70的输出电压(VDR)，以及从图3所示的延迟块57输出的LP继电器14A的延迟控制电压(VLP)。
对于图5A的示例性过电流状况，控制窗口(W)通过如上所述的窗口比较器52的配置而建立。检测的高于第一阈值(I1)的感测电流(IS)可指示完全短路状况，而低于较低第二阈值(I2)的感测电流(IS)可指示无短路。在窗口(W)内，图3的窗口比较器52的输出(VO)响应于阈值感测电压(VIS)的检测而升高，其中短路延时归因于由Δt所示的窗口比较器52的处理。
控制电压(VCTRL)的值响应于通过控制器25的操作的检测的过电流状态而变低或降至0。来自图4所示的驱动器电路70的输出电压(VDR)同时变高并被传送到半导体开关40。如上所述，这种动作最终导致半导体开关40打开，并且因此，没有电流流经LP继电器14B，由零线圈电压(VC)所示的结果。在校准时间量之后，延迟控制电压(VLP)随之，并被传送到图1和2的LP继电器14A，从而导致LP继电器14A打开用于附加电隔离。
对于图5B的示例性紧急、非过电流状态，使用如上所述的窗口比较器52的相同控制窗口(W)，控制电压响应于检测状况而降至低电流水平I0处的0。来自图4所示的驱动器电路70的输出电压(VDR)变高并被传送到半导体开关40。这最终导致半导体开关40打开，并因此，电流将流经中间组LP继电器14B仅半导体开关40打开之前的状态的一部分持续时间。在校准时间量之后，延迟控制电压(VLP)将随之，并被传送到图1和2的LP继电器14A，导致LP继电器14A如图5A中的情况打开。
图5C描述了图1和2的结构10没有经历故障的正常操作状况。感测电流(IS)保持水平且感测电压(VIS)保持低，表明正常操作和从电池组20汲取的电流。在此状况下，窗口比较器52的输出(VO)保持低且控制电压(VCTRL)保持高。因此，遍及电池组20的中间堆栈点处的中间组LP继电器14B的线圈电压(VC)保持高，使得电池组20的完全最大电压可用于对电气***30供电。不像图5A和5B的状态，来自示出在图4中的驱动器电路70的输出电压(VDR)在不存在故障下保持低。因此，半导体开关40保持打开，且所有的电流流经中间组LP继电器14B。
因此，参照图3-5C描述的图1和2的断开结构10优化相对于现有方案具有降低成本和质量的电压总线的机械化，这样做而不会牺牲断开强度或增加设计复杂性。连同以上所述的益处，断开结构10可通过引入固态开关(即，半导体开关40和较小更经济的继电器)代替重型机械接触器而降低HV接触器上的瞬时高电流和电压额定值。双轨电流隔离被维持在最小成本，且当用于车辆上时，通过控制模块25或其他专用控制器对各种LP继电器14A和14B的独立控制总是被维持。
详细说明和附图或图支持和描述本公开，但本公开的范围仅由权利要求限定。尽管已经详细描述了实施要求保护的教导的一些最佳模式和其他实施例，但存在用于实践所附权利要求中限定的公开内容的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种断开***，其包括：
具有多个电池的电池组；
正极和负极总线轨；和
断开结构，其具有：
中间组低功率继电器，其设置在所述电池组的中间堆栈点处的所述正极和负极总线轨之间，并当被命令打开时操作用以划分遍及所述电池组的电压；
保险丝组，其设置在所述中间组低功率继电器和所述正极总线轨之间，并且配置成响应于所述***的完全短路状况而打开；
一对半导体开关，其设置成与所述中间组低功率继电器电平行；和
定序器电路，其配置成选择性地开启所述半导体开关并由此响应于所述***的检测的部分短路状况而协调通过所述半导体开关和所述中间组低功率继电器的电流的流动。
2.根据权利要求1所述的断开***，其进一步包括连接在所述正极和负极总线轨之间的多个电子部件。
3.根据权利要求2所述的断开***，其中所述多个电子部件包括车载充电模块、辅助电源模块、空气调节控制模块和功率逆变器模块中的一个或多个。
4.根据权利要求1所述的断开***，其中所述半导体开关设置成反串联结构。
5.根据权利要求1所述的断开***，其中所述定序器电路包括具有差动放大器、一对二极管、和多个电阻器的窗口比较器电路，且其中所述定序器电路操作用于响应所述检测的部分短路状况而生成输出电压。
6.根据权利要求5所述的断开***，其中所述定序器电路进一步包括具有一对三级逻辑门的驱动器电路。
7.根据权利要求6所述的断开***，其中所述一对三级逻辑门包括NMOS和PMOS。
8.根据权利要求6所述的断开***，其中所述定序器电路包括单稳态单触发电路，所述单稳态单触发电路操作用于响应于来自所述窗口比较器电路的所述输出电压而将瞬时脉冲信号输出到所述驱动器电路，从而在所述检测的部分短路状况期间开启所述半导体开关。
9.根据权利要求8所述的断开***，其中所述驱动器电路包括可变电阻器，且其中当所述一对三级逻辑门均关闭时，经由所述可变电阻器来控制来自所述驱动器电路的逻辑状态输出。
10.根据权利要求1所述的断开***，其中所述断开***的特征在于不存在预充电电阻器。
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