CN108630493B - 驱动电磁继电器的方法及电磁继电器驱动装置、充电桩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种驱动电磁继电器的方法，包括：向继电器传送一控制信号以驱动继电器，其中控制信号包括单周期PWM波形，并确定与继电器并联的续流回路在单周期PWM波形的低电平期间所提供的续流电流值；确定第一占空比，其中采用第一占空比的单周期PWM波形使得续流回路所提供的续流电流值将继电器在相应的单周期内置于不掉电状态；以及向继电器提供一驱动信号，驱动信号包括按照第一占空比的至少一个周期的PWM波形。这种方法能够使得继电器始终处于不掉电的状态，而同时尽可能地降低继电器的功耗。

Description

驱动电磁继电器的方法及电磁继电器驱动装置、充电桩

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，更具体地说，涉及一种驱动电磁继电器的方法及电磁继电器驱动装置。

背景技术

电动汽车已逐渐得到普及，电动汽车在进行充电时需要连接到交流充电桩。而在交流充电桩切换电流的时候，往往会用到功率继电器（尤其是电磁继电器）, 通常来说，12V或者24V的功率继电器在线圈上面的功耗往往大于1.5W，由于交流充电桩内部的高温会对其工作性能产生不利影响，因此，降低线圈的功耗，无论是对于充电桩内部热能的释放还是对于继电器本身的寿命而言都有积极的影响。

目前主要降低继电器线圈功耗的办法有：1、 PWM（脉宽调制）控制法；2、CR电路法；3、开关法。其中，基于PWM信号来驱动继电器的方法相对来说非常有效，但是如果PWM占空比较高的话，则仍然有降低功耗的空间，而PWM占空比过低的话则有继电器掉电关闭的风险，所以需要一种更加完善的基于PWM信号来驱动电磁继电器的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PWM信号驱动继电器的方法，其能够尽可能地降低继电器线圈的功耗，而同时不具有掉电风险。

为实现上述目的，本发明提供一种技术方案如下。

一种驱动电磁继电器的方法，包括：a)、向继电器传送一控制信号以驱动继电器，其中控制信号包括单周期PWM波形，并确定与继电器并联的续流回路在单周期PWM波形的低电平期间所提供的续流电流值；b)、确定第一占空比，其中采用第一占空比的单周期PWM波形使得：续流回路所提供的续流电流值将继电器在相应的单周期内置于不掉电状态；以及c)、向继电器提供一驱动信号以用于驱动继电器，驱动信号包括按照第一占空比的至少一个周期的PWM波形。

优选地，步骤b)具体包括：调节单周期PWM波形的占空比，以确定第一占空比和第二占空比；其中，第二占空比与第一占空比间隔一个调节步长，且第一占空比大于第二占空比；以及其中，按照第二占空比的单周期PWM波形使得继电器在相应的单周期内发生掉电。

优选地，控制信号包括按照第三占空比的单周期PWM波形，第三占空比大于第一占空比。

本发明另一目的在于提供一种电磁继电器驱动装置，其能够尽可能地降低继电器线圈的功耗而不使其发生掉电。

为实现上述目的，本发明提供另一技术方案如下。

一种电磁继电器驱动装置，包括：控制单元，用于向继电器传送微处理器单元所生成的驱动信号以驱动继电器；采样单元，与控制单元耦合，用于确定与继电器并联的续流回路在驱动继电器的单周期PWM波形的低电平期间所提供的续流电流值并反馈至微处理器单元；以及微处理器单元，与控制单元、采样单元分别耦合，用于生成驱动信号；其中，微处理器单元还确定第一占空比，其中按照第一占空比的单周期PWM波形使得续流回路所提供的续流电流值将继电器在相应的单周期内置于不掉电状态。

优选地，控制单元至少包括场效应晶体管，驱动信号经由场效应晶体管传送至继电器。

优选地，采样单元至少包括分流采样电阻、续流二极管以及电压采样模块，其中，续流二极管与分流采样电阻串联以形成续流回路，电压采样模块与分流采样电阻并联以采集分流采样电阻两端的电压。

优选地，微处理器单元配置成：调节单周期PWM波形的占空比，以确定第一占空比和第二占空比；其中，第二占空比与第一占空比间隔一个调节步长，且第一占空比大于第二占空比；以及其中，按照第二占空比的单周期PWM波形使得继电器在相应的单周期内发生掉电。

本发明各实施例所提供的驱动电磁继电器的方法，能够用来确定控制信号的优选占空比，采用这样的占空比，用于电磁继电器的驱动信号将使得继电器始终处于不掉电的状态，而同时尽可能地降低继电器的功耗。所提供的电磁继电器驱动装置也能够始终有效地驱动继电器而同时降低继电器线圈的功耗。进而，继电器的使用寿命得到提高，在应用于交流充电桩的场合，交流充电桩能够稳定、可靠地长期工作，而无需频繁地进行维护。

附图说明

图1示出本发明第一实施例提供的驱动电磁继电器的方法的流程示意图。

图2示出本发明第二实施例提供的电磁继电器驱动装置的模块结构示意图。

具体实施方式

在以下描述中提出具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域的技术人员将清楚地知道，即使没有这些具体细节也可实施本发明的实施例。在本发明中，可进行具体的数字引用，例如“第一元件”、“第二装置”等。但是，具体数字引用不应当被理解为必须服从于其字面顺序，而是应被理解为“第一元件”与“第二元件”不同。

本发明所提出的具体细节只是示范性的，具体细节可以变化，但仍然落入本发明的精神和范围之内。术语“耦合”定义为表示直接连接到组件或者经由另一个组件而间接连接到组件。

以下通过参照附图来描述适于实现本发明的方法、***和装置的优选实施例。虽然各实施例是针对元件的单个组合来描述，但是应理解，本发明包括所公开元件的所有可能组合。因此，如果一个实施例包括元件A、B和C，而第二实施例包括元件B和D，则本发明也应被认为包括A、B、C或D的其他剩余组合，即使没有明确公开。

如图1所示，本发明第一实施例提供一种驱动电磁继电器的方法。其包括如下各步骤。

步骤S10、向继电器传送一个控制信号以驱动继电器，并确定续流回路在信号低电平期间所提供的续流电流值。

在本发明的优选实施例中，继电器设置于交流充电桩内部，用于进行电流切换的相关操作。继电器可以为电磁继电器，工作电压例如为24V。但是，应理解，本发明的思想可以应用于降低继电器放热而不使其掉电的所有场合中，并能达成相同的技术效果，而与继电器的应用场所以及型号无关。

具体来说，控制信号至少包括一个单周期的PWM信号，PWM信号包括高电平期间和低电平期间。控制信号可以由任何适当的控制单元来生成，例如，适当型号的单片机、信号处理器。

在接收到控制信号后，继电器能够在高电平期间处于正常工作状态。与继电器（具体地，继电器的线圈）相并联的是一个续流回路，该续流回路能够在PWM信号的低电平期间向继电器提供续流电流。

优选情况下，初始地传送至继电器以驱动继电器的控制信号采用较大的第三占空比（例如，70%）的PWM波形。预先设置初始PWM占空比为70%，照这样，最初能够从70%的占空比逐步向下试探，以试图找到最低的适合的占空比，使得继电器始终处于不掉电的状态。

在该步骤中，通过电流测量装置采集续流回路在单周期PWM信号的低电平期间所提供的续流电流值。

步骤S12、确定第一占空比，其中按照第一占空比的单周期PWM波形使得续流电流值将继电器置于不掉电状态。

其中，在第一占空比的单周期PWM波形的低电平期间，继电器能够从续流回路获得足够的续流电流，从而可以保持于不掉电状态。第一占空比可以在相当大程度的动态范围内变动，例如，50%至70%。以占空比为50%的单周期PWM波形为例，可以理解，若以这种PWM波形来持续地驱动电磁继电器，电磁继电器的功耗将显著低于占空比为70%的PWM信号所对应的继电器功耗。

虽然如此，单周期PWM波形的占空比有可能更小，从而使得尽可能地降低继电器线圈的功耗，而同时继电器不具有掉电风险。

因此，作为进一步的改进，步骤S12可以按照如下方式来执行：调节单周期PWM信号的占空比，以确定第一占空比和第二占空比。

具体来说，可以多次执行步骤S10，每传送一种占空比的单周期PWM控制信号，即测量相应的续流电流值。逐渐减少占空比，每次减少量为一个调节步长（例如，将占空比减少1%），重复以上过程，直到确定续流电流值已无法保证继电器在控制信号的低电平期间仍保持不掉电为止，这时相应的占空比为最优占空比，其能够使得继电器线圈的功耗获得最大程度的降低，同时，继电器始终不会掉电。

按照上述思想，在改进实施方案中，第二占空比（例如，35%）低于第一占空比（例如，36%），且仅与第一占空比间隔一个调节步长（例如，1%）。按照第二占空比的单周期PWM波形将使得继电器在相应的单周期内（具体地，在低电平期间）刚好发生掉电。

步骤S14、向继电器提供驱动信号。

在本发明中，控制信号可以具体化为单周期PWM控制信号，而驱动信号表示用于驱动继电器的持续信号（包括多个周期）。

在该步骤中，驱动信号优选地采用按照所确定的第一占空比的PWM波形。例如，驱动信号包括多个单周期PWM波形，各单周期PWM波形均采用第一占空比。

这种驱动信号能够确保继电器始终不会掉电，即处于工作状态，同时尽可能地降低继电器线圈的功耗。进而，充电桩内部的热能积聚相对较慢，继电器使用寿命能够得到提高。

在适当场合，可以使得驱动信号的占空比稍大于第一占空比，以确保继电器工作状态的稳定性。

如图2所示，本发明第二实施例提供一种电磁继电器驱动装置，其包括微处理器单元10、控制单元20、采样单元30。

其中，微处理器单元10生成驱动信号并提供给控制单元20，控制单元20向继电器40传送该驱动信号以驱动继电器40，采样单元30则采集在不同的PWM控制信号下续流电路（与继电器并联）提供的续流电流值并反馈至微处理器单元10，以供微处理器单元10确定合适的驱动信号。

作为示例，控制单元20包括场效应晶体管Q1以及可选的分流电阻R1、R2。这里，PWM控制信号（优选为单周期PWM波形）可以由微处理器单元10生成，并用于驱动继电器40，以试图通过多次尝试性驱动来确定用于驱动信号的最合适占空比。应理解，PWM控制信号也可以由其他外部装置或电路来生成（附图未示出）。本示例中，PWM控制信号由微处理器单元10的一个I/O接口输出至控制单元20，再经由场效应晶体管Q1传送至继电器40。

更具体地，继电器40一端连接Vcc电源（9V-24V电压），另一端连接场效应晶体管Q1的源极，场效应晶体管Q1的漏极接地。

采样单元30与控制单元20耦合，用于确定与继电器40并联的续流回路（R3和D1串联回路）在单周期PWM波形的低电平期间所提供的续流电流值并反馈至微处理器单元10。

具体来说，采样单元30包括分流采样电阻R3、续流二极管D1以及电压采样模块301。其中，续流二极管D1与分流采样电阻R3串联形成续流回路，电压采样模块与分流采样电阻R3并联以采集分流采样电阻R3两端的电压。

可以理解，采样单元30以及相应的续流回路可以采用任何适当的电路结构，只要能够在单周期PWM控制信号的低电平期间向继电器提供续流电流并测量得到续流电流值，均可用于实现本发明。

作为进一步的改进，可使用采样单元30对继电器线圈电流进行实时监控（例如，经由一个电流采样模块），以便于保证继电器工作在低功耗的稳定模式下。此外，通过监控线圈电流，也能够实时监控继电器线圈的异常工作状态，进而提高继电器的自检能力。

电压采样模块301耦合至微处理器单元10的一个A/D转换接口，采样得到的模拟电压信号经模拟-数字转换提供至微处理器单元10的内核以供其分析处理。

微处理器单元10与控制单元20、采样单元30分别耦合，其不仅生成PWM控制信号，还能够确定第一占空比，其中按照第一占空比的单周期PWM波形使得续流回路（R3和D1串联回路）所提供的续流电流值将继电器40在相应的单周期内置于不掉电状态。

微处理器单元10可以利用试探法分多次产生不同占空比的单周期PWM控制信号，将控制信号经由控制单元20传送至继电器40，并通过采样单元30来测量对应的续流电流值，进而基于续流电流值判断继电器40能否在单周期控制信号的低电平期间保持不掉电。当前一次试探得到的续流电流值能够保持继电器正常工作而（紧邻）的随后试探所得到的续流电流值刚好使得继电器具有掉电风险时，试探过程停止，这时前一次试探采用的占空比将对应于第一占空比，随后试探采用的占空比则对应于第二占空比。

更具体来说，微处理器单元10所确定的第一占空比能够使得继电器40在单周期控制信号的低电平期间保持不掉电，而比第一占空比低一个调节步长（例如，占空比降低1%）的第二占空比会使得继电器40刚好发生掉电。

最终，微处理器单元10生成一组控制信号，该组控制信号至少包括采用第一占空比的单个周期或多个周期的PWM控制信号，也可以包括采用更高占空比的PWM控制信号。即使在仅包括采用第一占空比的单个周期PWM控制信号的情况下，在该单个周期内，继电器40的发热量相对于现有技术也会明显降低。

上述电磁继电器驱动装置尤其适合于驱动交流充电桩中的各种继电器，其有利于降低继电器线圈功耗、降低继电器工作温度，进而，交流充电桩能够稳定、可靠地长期工作，而无需频繁地进行维护。

本发明进一步提供一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，这些可执行指令在由处理器执行时，相应地实现上述第一实施例提供的驱动电磁继电器的方法。

本发明还提供一种充电桩，尤其是交流充电桩，用于对电动汽车充电，这种充电桩包括上述第二实施例提供的驱动装置或其任何简单变形。这种交流充电桩使用寿命显著提高，维护成本降低。

上述说明仅针对于本发明的优选实施例，并不在于限制本发明的保护范围。本领域技术人员可能作出各种变形设计，而不脱离本发明的思想及附随的权利要求。

Claims (12)

1.一种驱动电磁继电器的方法，包括：

a)、向继电器传送一控制信号以驱动所述继电器，其中所述控制信号包括单周期PWM波形，并确定与所述继电器并联的续流回路在所述单周期PWM波形的低电平期间所提供的续流电流值；

b)、确定第一占空比，其中采用所述第一占空比的单周期PWM波形使得：所述续流回路所提供的续流电流值将所述继电器在相应的单周期内置于不掉电状态；以及

c)、向所述继电器提供一驱动信号以用于驱动所述继电器，所述驱动信号包括按照所述第一占空比的至少一个周期的PWM波形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)具体包括：

调节所述单周期PWM波形的占空比，以确定所述第一占空比和第二占空比；

其中，所述第二占空比与所述第一占空比间隔一个调节步长，且所述第一占空比大于所述第二占空比；以及

其中，按照所述第二占空比的单周期PWM波形使得所述继电器在相应的单周期内发生掉电。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制信号包括按照第三占空比的所述单周期PWM波形，所述第三占空比大于所述第一占空比。

4.一种电磁继电器驱动装置，包括：

控制单元，用于向所述继电器传送微处理器单元所生成的驱动信号以驱动所述继电器；

采样单元，与所述控制单元耦合，用于确定与所述继电器并联的续流回路在驱动所述继电器的单周期PWM波形的低电平期间所提供的续流电流值并反馈至所述微处理器单元；以及

所述微处理器单元，与所述控制单元、所述采样单元分别耦合，用于生成所述驱动信号；

其中，所述微处理器单元还确定第一占空比，其中按照所述第一占空比的所述单周期PWM波形使得所述续流回路所提供的续流电流值将所述继电器在相应的单周期内置于不掉电状态。

5.根据权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，所述控制单元至少包括场效应晶体管，所述驱动信号经由所述场效应晶体管传送至所述继电器。

6.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，所述控制单元耦合至所述微处理器单元的一个I/O接口。

7.根据权利要求6所述的驱动装置，其特征在于，所述继电器一端连接Vcc电源，另一端连接所述场效应晶体管的源极，所述场效应晶体管的漏极接地。

8.根据权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，所述采样单元至少包括分流采样电阻、续流二极管以及电压采样模块，其中，所述续流二极管与所述分流采样电阻串联以形成所述续流回路，所述电压采样模块与所述分流采样电阻并联以采集所述分流采样电阻两端的电压。

9.根据权利要求8所述的驱动装置，其特征在于，所述电压采样模块耦合至所述微处理器单元的一个A/D接口。

10.根据权利要求4-9中任一项所述的驱动装置，其特征在于，所述微处理器单元配置成：

调节所述单周期PWM波形的占空比，以确定所述第一占空比和第二占空比；

其中，所述第二占空比与所述第一占空比间隔一个调节步长，且所述第一占空比大于所述第二占空比；以及

其中，按照所述第二占空比的单周期PWM波形使得所述继电器在相应的单周期内发生掉电。

11.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，所述可执行指令在由处理器执行时，实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。

12.一种充电桩，用于为电动汽车充电，所述充电桩包括如权利要求4-10中任一项所述的电磁继电器驱动装置。