CN107972496B - 电动车辆动力电池预充***及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了电动车辆动力电池预充***及装置，所述动力电池预充装置包括预充电路，所述预充电路由电流源电路和母线电容构成，其中所述电流源电路提供对所述母线电容充电的电流，其中，所述电流源电路包括三极管、第一电阻和第二电阻、以及至少两个高压MOSFET晶体管。本发明所公开的电动车辆动力电池预充***及装置具有高的充电效率、低成本以及低失效率。

Description

电动车辆动力电池预充***及装置
技术领域
本发明涉及预充***及装置，更具体地，涉及电动车辆动力电池预充***及装置。
背景技术
目前，随着纯电动/混合动力车辆的日益发展和普及，对电动车辆的动力电池***进行快速有效的预充变得越来越重要。
现有的电动车辆电驱动***典型地包括电池包子***和电机子***，其中，所述电池包子***通常包括电池组、电池管理***以及配电盒，而所述电机子***通常包括逆变器和电机。
图1是现有的电动车辆动力电池预充***的电池包子***的示意图。如图1所示，电池包子***包括电池组1和配电盒2，其中，所述电池组1进一步包括多个电池管理单元3和多个电芯4，所述多个电芯4被串联连接以形成高压电池，所述电池管理单元3用于监控所述多个电芯4的电压、电流、容量等等。所述配电盒2用于控制电池包子***对外连接的通断，其电器连接典型地由主正继电器Relay+，主负继电器Relay-，预充继电器Pre-charge、以及预充电阻R_precharge组成（其中，B+是电池正极，B-是电池负极，P+是电池包输出正极，P-是电池包输出负极）。如图1所示，现有的电动车辆动力电池预充***的工作原理如下：在上电时，主负继电器Relay-首先被闭合，随后闭合预充继电器Pre-charge，致使预充回路对电机子***的母线电容充电（例如典型地通过一阶阻容电路给母线电容充电），以避免直接闭合主正继电器时产生的瞬间充电电流过大而烧毁继电器和逆变器，随后，在满足预定的条件后结束预充电过程并闭合主正继电器Relay+而实施充电。
然而，上述现有的技术方案存在如下问题：（1）由于采用阻-容充电结构，故在充电后期电阻上压差变小而使充电电流呈指数减小，由此造成充电时间长，充电效率低下；（2）由于继电器等电气分配装置通常被置于配电盒中，而预充继电器和电阻的加入增加了配电盒的成本，使得原本狭小的配电盒内空间更为拥挤，并且预充电阻在每次预充期间充当发热装置，故使得整个配电盒的失效率显著增加，同时也增加了***控制和诊断的负担；（3）由于预充电阻在继电器刚闭合时要承受整个电池包的高压，故预充电阻选型困难，即，如果选择相应额定功率电阻，由于最大电流时间极短，造成参数浪费，而如果超出额定功率使用，如果外部电容等参数发生变化，则容易造成电阻过热，增加失效率。
因此，存在如下需求：提供具有高的预充效率、低成本以及低失效率的电动车辆动力电池预充***及装置。
发明内容
为了解决上述现有技术方案所存在的问题，本发明提出了具有高的预充效率、低成本以及低失效率的电动车辆动力电池预充***及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种电动车辆动力电池预充装置，所述动力电池预充装置包括预充电路，所述预充电路由电流源电路和母线电容C构成，其中所述电流源电路提供对所述母线电容C充电的电流nI，其中，所述电流源电路包括三极管Q0a、第一电阻R1和第二电阻R2、以及至少两个高压MOSFET晶体管Q0b和Q1…Qn。
在上面所公开的方案中，优选地，所述母线电容C位于第二正电极P+和第二负电极P-之间。
在上面所公开的方案中，优选地，所述三极管Q0a的基极与电压源V0相连接，所述三极管Q0a的发射极与所述第二电阻R2的第一端相连，并且所述三极管Q0a的集电极与所述第一电阻R1的第一端相连接。
在上面所公开的方案中，优选地，所述第二电阻R2的第二端与所述第一负电极B-相连接，并且所述第一电阻R1的第二端与所述至少两个高压MOSFET晶体管 Q0b和Q1…Qn中的每个的栅极相连接。
在上面所公开的方案中，优选地，所述至少两个高压MOSFET晶体管 Q0b和Q1…Qn中的每个的漏极均与所述第一正电极B+相连接，并且所述高压MOSFET晶体管 Q1…Qn中的每个的源极均与所述第二正电极P+相连接。
在上面所公开的方案中，优选地，所述高压MOSFET晶体管 Q0b的源极与所述第一电阻R1的第二端相连接。
在上面所公开的方案中，优选地，在所述电压源V0提供电压时产生流过所述第二电阻R2的电流I，并且所述电流I的大小由所述电压源V0提供电压的值和所述第二电阻R2的值决定。
在上面所公开的方案中，优选地，当所述高压MOSFET晶体管Q1至Qn均处于饱和态时，如果流过所述第二电阻R2的电流I被产生，则所述高压MOSFET晶体管 Q1…Qn并联输出对所述母线电容C充电的电流nI，其中，所述电流nI的大小是所述电流I的n倍。
在上面所公开的方案中，优选地，在充电过程中，所述对所述母线电容C充电的电流nI保持恒定，以致所述母线电容C上的电压随时间线性增加。
在上面所公开的方案中，优选地，所述电流源电路位于印刷电路板上。
本发明的目的也可以通过以下技术方案实现：
一种电动车辆动力电池预充***，其包括电池组、动力电池预充装置和控制器。所述电池组包括多个串联连接的电芯用以向电动车辆的电子子***提供电力，所述动力电池预充装置在上电后对所述电池组中的电芯实施充电，所述控制器用于控制所述动力电池预充装置的充电特性，其中，所述动力电池预充装置进一步包括预充电路，所述预充电路由电流源电路和母线电容C构成，其中所述电流源电路提供对所述母线电容C充电的电流nI，并且所述电流源电路包括三极管Q0a、第一电阻R1和第二电阻R2、以及至少两个高压MOSFET晶体管Q0b和Q1…Qn。
本发明所公开的电动车辆动力电池预充***及装置具有以下优点：（1）由于每个高压MOSFET晶体管仅需输入充电电流的n分之一，故最高电流显著减小，由此能够用电子器件（诸如MOSFET晶体管）替代电气器件（诸如继电器），并因此显著降低了成本且节省空间；（2）由于最高电流显著减小，故无需高压线束，且减少了发热量，从而降低了失效率；（3）由于充电电流恒定，即充电电流不随电容电压的增加而显著减小，故能够显著提高预充效率并且简化外部电路的诊断。
附图说明
结合附图，本发明的技术特征以及优点将会被本领域技术人员更好地理解，其中：
图1是现有的电动车辆动力电池预充***的电池包子***的示意图；
图2是根据本发明的实施例的电动车辆动力电池预充***的示意图。
具体实施方式
图2是根据本发明的实施例的电动车辆动力电池预充***的示意图。如图2所示，本发明所公开的电动车辆动力电池预充***包括电池组9、动力电池充电装置10和控制器11。所述电池组9包括多个串联连接的电芯（未示出）用以向电动车辆的电子子***提供电力。所述动力电池预充装置10在上电后对所述电池组9中的电芯实施充电。所述控制器11用于控制所述动力电池预充装置10的充电特性。其中，所述电池组9借助于第一正电极B+和第一负电极B-与所述动力电池预充装置10连接。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，所述动力电池预充装置10进一步包括预充电路，所述预充电路由电流源电路和母线电容C构成，其中所述电流源电路提供对所述母线电容C充电的电流nI。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，所述母线电容C位于第二正电极P+和第二负电极P-之间。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，所述电流源电路包括三极管Q0a、第一电阻R1和第二电阻R2（如图2所示，电阻R2的作用是确定要输出的电流。由于三极管基极与发射极之间电压随电流变化很小，因此电流I=(V0-Vth)/R2, Vth为三极管的阈值电压。电阻R1的作用在于：对应不同的母线电压（如从200V到500V）和不同的输出电流，承担部分压降，从而使三极管和MOSFET晶体管工作在合理电压区间内，其具体计算方式如下：假定MOSFET晶体管DS间压降为V1，电阻R1上压降为V2，三极管CE间压降为V3，则应满足以下三个条件V1+V2+V3=VB，而kV1=V2/R1=(V0-Vth)/R2（k是MOSFET晶体管参数）,V3>V0-Vth）、以及至少两个高压MOSFET晶体管（金属-氧化物半导体场效应晶体管）Q0b和Q1…Qn。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，所述三极管Q0a的基极与电压源V0相连接，所述三极管Q0a的发射极与所述第二电阻R2的第一端相连，并且所述三极管Q0a的集电极与所述第一电阻R1的第一端相连接。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，所述第二电阻R2的第二端与所述第一负电极B-相连接，并且所述第一电阻R1的第二端与所述至少两个高压MOSFET晶体管 Q0b和Q1…Qn中的每个的栅极相连接。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，所述至少两个高压MOSFET晶体管 Q0b和Q1…Qn中的每个的漏极均与所述第一正电极B+相连接，并且所述高压MOSFET晶体管 Q1…Qn中的每个的源极均与所述第二正电极P+相连接。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，所述高压MOSFET晶体管 Q0b的源极与所述第一电阻R1的第二端相连接。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，在所述电压源V0提供电压时产生流过所述第二电阻R2的电流I，并且所述电流I的大小由所述电压源V0提供电压的值和所述第二电阻R2的值决定。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，当所述高压MOSFET晶体管Q1至Qn均处于饱和态（即第一正电极B+的电压减去第二正电极P+的电压的差大于所述高压MOSFET晶体管的驱动电压减去所述高压MOSFET晶体管阈值）时，如果流过所述第二电阻R2的电流I被产生，则所述高压MOSFET晶体管 Q1…Qn并联输出对所述母线电容C充电的电流nI，其中，所述电流nI的大小是所述电流I的n倍（即所述高压MOSFET晶体管 Q1…Qn形成n倍的电流镜像电路）。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，所述控制器11通过控制所述电压源V0提供电压的大小和/或所述第二电阻R2的大小来控制对所述母线电容C充电的电流nI的大小。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，所述控制器11实时监控所述第一正电极B+、所述第一负电极B-、以及所述第二正电极P+，以根据监控结果确定控制策略。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，在充电过程中，所述对所述母线电容C充电的电流nI保持恒定，以致所述母线电容C上的电压随时间线性增加。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充***中，所述电流源电路位于印刷电路板（PCB）上。
由上可见，本发明所公开的电动车辆动力电池预充***具有下列优点：（1）由于每个高压MOSFET晶体管仅需输入充电电流的n分之一，故最高电流显著减小，由此能够用电子器件（诸如MOSFET晶体管）替代电气器件（诸如继电器），并因此显著降低了成本且节省空间；（2）由于最高电流显著减小，故无需高压线束，且减少了发热量，从而降低了失效率；（3）由于充电电流恒定，即充电电流不随电容电压的增加而显著减小，故能够显著提高预充效率并且简化外部电路的诊断。
如图1所示，本发明提出了一种电动车辆动力电池预充装置10，所述动力电池预充装置10包括预充电路，所述预充电路由电流源电路和母线电容C构成，其中所述电流源电路提供对所述母线电容C充电的电流nI。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置中，所述母线电容C位于第二正电极P+和第二负电极P-之间。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置中，所述电流源电路包括三极管Q0a、第一电阻R1和第二电阻R2（如图2所示，电阻R2的作用是确定要输出的电流。由于三极管基极与发射极之间电压随电流变化很小，因此电流I=(V0-Vth)/R2, Vth为三极管的阈值电压。电阻R1的作用在于：对应不同的母线电压（如从200V到500V）和不同的输出电流，承担部分压降，从而使三极管和MOSFET晶体管工作在合理电压区间内，其具体计算方式如下：假定MOSFET晶体管DS间压降为V1，电阻R1上压降为V2，三极管CE间压降为V3，则应满足以下三个条件V1+V2+V3=VB，而kV1=V2/R1=(V0-Vth)/R2（k是MOSFET晶体管参数）,V3>V0-Vth）、以及至少两个高压MOSFET晶体管（金属-氧化物半导体场效应晶体管）Q0b和Q1…Qn。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置中，所述三极管Q0a的基极与电压源V0相连接，所述三极管Q0a的发射极与所述第二电阻R2的第一端相连，并且所述三极管Q0a的集电极与所述第一电阻R1的第一端相连接。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置中，所述第二电阻R2的第二端与所述第一负电极B-相连接，并且所述第一电阻R1的第二端与所述至少两个高压MOSFET晶体管 Q0b和Q1…Qn中的每个的栅极相连接。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置中，所述至少两个高压MOSFET晶体管 Q0b和Q1…Qn中的每个的漏极均与所述第一正电极B+相连接，并且所述高压MOSFET晶体管 Q1…Qn中的每个的源极均与所述第二正电极P+相连接。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置中，所述高压MOSFET晶体管 Q0b的源极与所述第一电阻R1的第二端相连接。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置中，在所述电压源V0提供电压时产生流过所述第二电阻R2的电流I，并且所述电流I的大小由所述电压源V0提供电压的值和所述第二电阻R2的值决定。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置中，当所述高压MOSFET晶体管Q1至Qn均处于饱和态（即第一正电极B+的电压减去第二正电极P+的电压的差大于所述高压MOSFET晶体管的驱动电压减去所述高压MOSFET晶体管阈值）时，如果流过所述第二电阻R2的电流I被产生，则所述高压MOSFET晶体管 Q1…Qn并联输出对所述母线电容C充电的电流nI，其中，所述电流nI的大小是所述电流I的n倍（即所述高压MOSFET晶体管 Q1…Qn形成n倍的电流镜像电路）。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置中，在充电过程中，所述对所述母线电容C充电的电流nI保持恒定，以致所述母线电容C上的电压随时间线性增加。
优选地，在本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置中，所述电流源电路位于印刷电路板（PCB）上。
由上可见，本发明所公开的电动车辆动力电池预充装置具有下列优点：（1）由于每个高压MOSFET晶体管仅需输入充电电流的n分之一，故最高电流显著减小，由此能够用电子器件（诸如MOSFET晶体管）替代电气器件（诸如继电器），并因此显著降低了成本且节省空间；（2）由于最高电流显著减小，故无需高压线束，且减少了发热量，从而降低了失效率；（3）由于充电电流恒定，即充电电流不随电容电压的增加而显著减小，故能够显著提高预充效率并且简化外部电路的诊断。
尽管本发明是通过上述的优选实施方式进行描述的，但是其实现形式并不局限于上述的实施方式。应该认识到：在不脱离本发明主旨和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明做出不同的变化和修改。

Claims (10)

1.一种电动车辆动力电池预充装置，所述动力电池预充装置包括预充电路，所述预充电路由电流源电路和母线电容C构成，其中所述电流源电路提供对所述母线电容C充电的电流nI，其中，所述电流源电路包括三极管Q0a、第一电阻R1和第二电阻R2、以及至少两个高压MOSFET晶体管Q0b和Q1…Qn，所述母线电容C位于电池包正电极P+和电池包负电极P-之间，所述三极管Q0a的基极与电压源V0相连接，所述三极管Q0a的发射极与所述第二电阻R2的第一端相连，并且所述三极管Q0a的集电极与所述第一电阻R1的第一端相连接。
2.根据权利要求1所述的电动车辆动力电池预充装置，其特征在于，所述第二电阻R2的第二端与电池负电极B-相连接，并且所述第一电阻R1的第二端与所述至少两个高压MOSFET晶体管Q0b和Q1…Qn中的每个的栅极相连接。
3.根据权利要求2所述的电动车辆动力电池预充装置，其特征在于，所述至少两个高压MOSFET晶体管Q0b和Q1…Qn中的每个的漏极均与电池正电极B+相连接，并且所述高压MOSFET晶体管Q1…Qn中的每个的源极均与所述电池包正电极P+相连接。
4.根据权利要求3所述的电动车辆动力电池预充装置，其特征在于，所述高压MOSFET晶体管Q0b的源极与所述第一电阻R1的第二端相连接。
5.根据权利要求4所述的电动车辆动力电池预充装置，其特征在于，在所述电压源V0提供电压时产生流过所述第二电阻R2的电流I，并且所述电流I的大小由所述电压源V0提供电压的值和所述第二电阻R2的值决定。
6.根据权利要求5所述的电动车辆动力电池预充装置，其特征在于，当所述高压MOSFET晶体管Q1至Qn均处于饱和态时，如果流过所述第二电阻R2的电流I被产生，则所述高压MOSFET晶体管Q1…Qn并联输出对所述母线电容C充电的电流nI，其中，所述电流nI的大小是所述电流I的n倍。
7.根据权利要求6所述的电动车辆动力电池预充装置，其特征在于，在充电过程中，对所述母线电容C充电的电流nI保持恒定，以致所述母线电容C上的电压随时间线性增加。
8.根据权利要求7所述的电动车辆动力电池预充装置，其特征在于，所述电流源电路位于印刷电路板上。
9.一种电动车辆动力电池预充***，其包括电池组、控制器和如权利要求1所述的动力电池预充装置。
10.根据权利要求9所述的***，其中，所述电池组包括多个串联连接的电芯用以向电动车辆的电子子***提供电力，所述动力电池预充装置在上电后对所述电池组中的电芯实施充电，所述控制器用于控制所述动力电池预充装置的充电特性。
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