CN111614237B - 预充电路、配电装置及电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种预充电路、配电装置及电动汽车，其包括：第一晶体管开关和驱动电路，所述第一晶体管开关具有第一电极、第二电极、第三电极；所述驱动电路具有正极信号接收端、负极信号接收端、第一输出端和第二输出端，所述正极信号接收端和负极信号接收端用于接收控制信号，所述第一电极与第一输出端连接，所述第三电极与第二输出端连接，所述第二电极和第三电极用于与BDU主回路的主正继电器并联，所述驱动电路根据控制信号控制所述第一晶体管开关的通断。利用本申请能够避免烧弧粘连等现象，提升开关器件的工作寿命，降低预充电路中开关件的成本，而且结构简单，可减小预充电路中开关件的质量和所占的体积，方便安装和维修。

Description

预充电路、配电装置及电动汽车
技术领域
本申请涉及汽车技术领域，具体涉及一种预充电路、配电装置及电动汽车。
背景技术
电池切断装置(Battery Disconnect Unit，BDU)是电动汽车电池包的动力切断和接通的高压安全装置，是电池包内的关键部件。为保护高压回路负载免受冲击电流的影响，在BDU主回路通过工作电流之前，会先由预充电路对高压负载进行预充电，当电流值下降到高压继电器的正常工作电流后，再接通主回路。
目前，现有BDU包括预充继电器、主负继电器、主正继电器，主负继电器与主正继电器串联形成主回路，预充继电器并联在主正继电器上，形成预充电回路。预充继电器1采用机械式继电器，其一般由壳体、低压线圈、高压触点、高压引脚和低压引脚等组成，其开关功能是由低压线圈通电后，通过磁力保持实现高压触点的接通进而实现高压导通；当低压线圈断电后，高压触点通过复位弹簧的弹力使高压触点断开，从而实验高压电气回路的断开。发明人在实现本申请的过程中发现，预充继电器采用机械式继电器结构复杂，成本较高，高压触点需要足够的磁力吸附运动才能实现导通，开关响应速度慢，且机械式继电器带载切断时，容易发生拉弧现象，烧蚀内部动静触点，尤其电流较大时，会发生燃弧和粘连现象，燃弧现象的日积月累还会增大高压触点的接触电阻，导致机械式继电器的温升性能加速恶化，工作寿命缩短，成本提高。
发明内容
有鉴于此，本申请提出一种预充电路、配电装置及电动汽车，以解决上述技术问题。
本申请提出一种预充电路，其包括：第一晶体管开关和驱动电路，所述第一晶体管开关具有第一电极、第二电极、第三电极；所述驱动电路具有正极信号接收端、负极信号接收端、第一输出端和第二输出端，所述正极信号接收端和负极信号接收端用于接收控制信号，所述第一电极与第一输出端连接，所述第三电极与第二输出端连接，所述第二电极和第三电极用于与BDU主回路的主正继电器并联，所述驱动电路根据控制信号控制所述第一晶体管开关的通断。
可选地，所述驱动电路包括第一电阻、第二电阻、左二极管、三极管、第三电阻和第一电容，所述左二极管的正极与正极信号接收端连接，所述第一电容连接在负极信号接收端和左二极管的负极之间，所述三极管具有基极、发射极和集电极，所述发射极与左二极管的负极连接，所述第一电阻连接在左二极管负极与基极之间，所述第二电阻连接在集电极与第一输出端之间，所述第三电阻连接在第一输出端和第二输出端之间，所述基极、第二输出端均与负极信号接收端连接。
可选地，还包括控制电路，其包括供电电源、第四电阻、第二电容、右二极管和第二晶体管开关，所述第二晶体管开关具有第四极、第五极和第六极，第六极用于接收控制信号，所述供电电源的正极分别与正极信号接收端和第四极连接，第五极分别与右二极管的负极和负极信号接收端连接，右二极管的正极与供电电源的负极连接，所述第二电容、第四电阻均与右二极管并联，所述供电电源的负极、第四电阻、第二电容、右二极管均与车身接地端连接。
可选地，还包括过温保护电路，其包括第一驱动电源、第二驱动电源、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、热敏电阻、比较器和第一处理器，所述比较器具有第一输入端、第二输入端和第三输出端，热敏电阻与第一驱动电源连接，第五电阻连接于热敏电阻与车身接地端之间，第六电阻连接于热敏电阻与第一输入端之间，第七电阻与第二驱动电源连接，第八电阻连接于第七电阻与车身接地端之间，所述第七电阻与第二输入端连接，所述第三输出端和供电电源的正极均向第一处理器输入信号，所述第一处理器根据输入信号得到处理信号，并将处理信号发送至正极信号接收端。
可选地，所述第一晶体管开关和第二晶体管开关均为MOS管或IGBT。
可选地，还包括第二处理器和用于监测电流或者通电时间的电流检测器，所述电流检测器串联在第三电极与BDU主回路之间，所述电流检测器将监测的电流或者通电时间发送至第二处理器，所述供电电源的正极向第二处理器发送控制信号，所述第二处理器根据电流或者通电时间和控制信号得到处理信号，并将处理信号发送至正极信号接收端。
可选地，还包括用于限流的预充电阻，所述预充电阻串联在第三电极与BDU主回路之间。
本申请还提供一种配电装置，其包括主正继电器和如上所述的预充电路，所述预充电路的第一晶体管开关通过第二电极、第三电极与主正继电器并联。
可选地，还包括主负继电器、直流正母线、直流负母线、外部直流充电端口以及至少一个输出端口；所述外部充电端口经由所述主正继电器、主负继电器耦合至所述直流正母线和直流负母线上；所述至少一个输出端口与所述直流正母线和直流负母线耦合；所述第二电极连接于所述主正继电器和所述外部充电端口之间，所述第三电极连接于所述主负继电器和所述至少一个输出端口之间。
本申请还提供一种电动汽车，其包括如上所述的配电装置。
本申请提供的预充电路、配电装置及电动汽车通过设置驱动电路和第一晶体管开关，通过驱动电路控制第一晶体管开关的通断，第一晶体管开关为电压驱动型器件，只要栅极和源极间给一个适当电压，就可形成源极和漏极间的通路，与机械式继电器相比，整个通断过程没有机械动作，带载切断能力及开关响应速度快，可避免烧弧粘连等现象，提升开关器件的工作寿命，降低预充电路中开关件的成本，而且结构简单，可减小预充电路中开关件的质量和所占的体积，方便安装和维修。
附图说明
图1是本申请的预充电路的电路连接图。
图2是本申请的控制电路的电路连接图。
图3是本申请的过温保护电路与第一晶体管开关的电路连接图。
图4是本申请的电流检测器与第一晶体管开关的电路连接图。
具体实施方式
以下结合附图以及具体实施例，对本申请的技术方案进行详细描述。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
图1示出了本申请的预充电路的电路连接图，如图1所示，本申请提供的预充电路，其包括：第一晶体管开关10和驱动电路。
所述第一晶体管开关10具有第一电极、第二电极、第三电极；所述驱动电路具有正极信号接收端11、负极信号接收端12、第一输出端13和第二输出端14。
所述正极信号接收端11和负极信号接收端12用于接收控制信号，所述第一电极与第一输出端13连接，所述第三电极与第二输出端14连接。
第一晶体管开关10通过第二电极和第三电极与BDU主回路的主正继电器3并联，所述驱动电路根据控制信号控制所述第一晶体管开关10的通断。
在一个具体实施例中，第一晶体管开关10可采用MOS管(MOSFET金属-氧化物半导体场效应晶体管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。
优选地，MOS管采用N-MOSFET管，第一电极、第二电极、第三电极依次为栅极(G极)、漏极(D极)、源极(S极)；所述IGBT为N-IGBT型，所述第一电极、第二电极、第三电极依次为其门极、集电极、发射极。
现以N-MOSFET管为例，说明本申请的预充电路的工作原理，具体如下：
在稳态下，当主负继电器2闭合，G极不导通时，D极与S极之间有漏电流(约100uA)，S极电势为0V，此时预充电路处于断开状态。
当G极通直流电压(约12V)时，D极与S极导通，此时预充电路处于导通状态。
在动态下，G极通电瞬间，D极与S极之间电阻稳定，随着整车负载电容6的充电百分比增加，预充回路中的充电电流逐渐减小，D极与S极间电压逐渐减小。N-MOSFET管工作在可变电阻区间，预充电路由断开向导通转换。
预充回路的电流随着整车负载电容6的充电而逐渐减小，主正继电器3闭合将预充回路短路，同时预充电路的G极电压断开，导致D极与S极间呈现高阻抗，阻断预充电路的电流。
同时，假设预充回路呈现长时间通电(在预充电路短路时)，N-MOSFET管的G极电压切断，使得N-MOSFET的D极与S极之间呈现高阻抗，依然可以切断高压回路电流，预充电路由导通向断开转换。
预充电路工作时，如图1所示，整车控制器(VCM)5接收到用户的上电操作信号后，向正极信号接收端11和负极信号接收端12发送控制信号，闭合第一晶体管开关10，并向主负继电器2发送控制信号，闭合主负继电器2。
在整车负载电容6充电达到预定比例(例如，98％)时，闭合主正继电器3将预充电路短路，高压回路导通，断开第一晶体管开关10来断开预充回路，即可完成整车负载电容6的充电。
当检测到整车负载电容6的正负极之间的电压差达一定值时，整车控制器5依次控制主负继电器2、主正继电器3断开，第一晶体管开关10则在断电过程中不参与工作。
本申请提供的预充电路通过设置驱动电路和第一晶体管开关，通过驱动电路控制第一晶体管开关的通断，第一晶体管开关为电压驱动型器件，只要栅极和源极间给一个适当电压，就可形成源极和漏极间的通路，与机械式继电器相比，整个通断过程没有机械动作，带载切断能力及开关响应速度快，可避免烧弧粘连等现象，提升开关器件的工作寿命，降低预充电路中开关件的成本，而且结构简单，可减小预充电路中开关件的质量和所占的体积，方便安装和维修。
本申请采用第一晶体管开关10，与机械式继电器相比，预充电路的体积可减小80％，质量减小80％，成本每车降低10元。机械式继电器带载的使用寿命为7.5万次，第一晶体管开关10带载寿命为10万次以上，带载寿命大幅度延长。
进一步地，所述驱动电路可采用滤波隔离电路。在图1的实施例中，驱动电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、左二极管D1、三极管、第三电阻R3和第一电容C1。
所述左二极管D1的正极与正极信号接收端11连接，所述第一电容C1连接在负极信号接收端12和左二极管D1的负极之间。
所述三极管具有基极、发射极和集电极，所述发射极与左二极管D1的负极连接，所述第一电阻R1连接在左二极管D1的负极与基极之间，所述第二电阻R2连接在集电极与第一输出端13之间，所述第三电阻R3连接在第一输出端13和第二输出端14之间，所述基极、第二输出端14均与负极信号接收端12连接。
将驱动电路设置为第一电阻R1、第二电阻R2、左二极管D1、三极管、第三电阻R3和第一电容C1，可精简驱动电路的结构，更大程度地降低成本。
优选地，如图2所示，预充电路还包括控制电路，其包括供电电源U1、第四电阻R4、第二电容C2、右二极管D2和第二晶体管开关Q。
所述第二晶体管开关Q具有第四极、第五极和第六极。第六极用于接收控制信号，例如用户的上电操作信号。控制信号可以采用电压形式给入第六极。
在一个具体实施例中，第二晶体管开关Q也可采用N-MOSFET管或者N-IGBT型。
优选地，MOS管采用N-MOSFET管，第四极、第五极和第六极依次为漏极、源极、栅极；所述IGBT为N-IGBT型，所述第四极、第五极和第六极依次为集电极、发射极、门极。
所述供电电源U1的正极分别与正极信号接收端11和第四极连接，第五极分别与右二极管D2的负极和负极信号接收端12连接。
右二极管D2的正极与供电电源U1的负极连接，所述第二电容C2、第四电阻R4均与右二极管D2并联。
所述供电电源U1的负极、第四电阻R4、第二电容C2、右二极管D2均与车身接地端连接。
通过设置控制电路，以便更好地控制预充电路的通断。在本实施例中，控制电路可内置于整车控制器5内。
进一步地，如图3所示，预充电路还包括过温保护电路，其包括第一驱动电源U2、第二驱动电源U3、第五电阻R6、第六电阻R7、第七电阻R8、第八电阻R9、热敏电阻R5、比较器8和第一处理器6。
所述比较器8具有第一输入端、第二输入端和第三输出端，第一输入端、第二输入端输入电压值。比较器8根据第一第二输入端输入的电压值计算电压差值，并根据电压差值输出信号。
例如，当电压差值大于预定差值时，输出断开信号，当电压差值小于预定差值时，输出接通信号。
热敏电阻R5与第一驱动电源U2连接，第五电阻R6连接于热敏电阻R5与车身接地端之间，第六电阻R7连接于热敏电阻R5与第一输入端之间。
第七电阻R8与第二驱动电源U3连接，第八电阻R9连接于第七电阻R8与车身接地端之间，所述第七电阻R8与第二输入端连接。
所述第三输出端和供电电源U1的正极均向第一处理器6输入信号，所述第一处理器6根据输入信号得到处理信号，并发送至正极信号接收端11。
当过温保护电路发送的信号为接通信号，且控制电路发送的信号也为接通信号时，第一处理器6才向正极信号接收端11发送接通信号，否则，第一处理器6向正极信号接收端11发送断开信号。
通过设置过温保护电路，可当温度超过第一预定温度(例如80℃)时，断开预充电路，温度低于第二预定温度(例如70℃)时，自动闭合预充电路，不仅可防止预充电路承受电气负载冲击过热造成伤害，而且还可在预充电路发生短路的情况下，及时切断预充电路来保障安全。
在图3的实施例中，比较器8串联在第三驱动电源U4和车身接地端之间。其中，供电电源U1、第一驱动电源U2、第二驱动电源U3、第三驱动电源U4均可采用12V直流电源。
较佳地，如图1所示，预充电路还包括用于限流的预充电阻R0，所述预充电阻R0串联在第三电极与BDU主回路之间。即，预充电阻R0与第一晶体管开关10串联后再与主正继电器3并联。
通过设置预充电阻R0，可限制预充时的电流，避免整车负载电容6因受电流冲击而损坏。
优选地，如图4所示，预充电路还包括第二处理器16和用于监测电流或者通电时间的电流检测器15，所述电流检测器15串联在第三电极与BDU主回路之间，即电流检测器15与第一晶体管开关10并联后，再与主正继电器3并联。
所述电流检测器15将监测的电流或者通电时间发送至第二处理器16，所述供电电源U1的正极向第二处理器16发送控制信号。
所述第二处理器16根据电流和控制信号或者通电时间和控制信号得到处理信号，并将处理信号发送至正极信号接收端11。
当电流小于预定电流，且供电电源U1的正极向第二处理器16发送控制信号为接通信号时，或者，通电时间小于预定时间且供电电源U1的正极向第二处理器16发送控制信号为接通信号时，第二处理器16向驱动电路的正极信号接收端11发送接通指令，控制第一晶体管开关10闭合。在其他情况下，第二处理器16发出的指令均为断开指令。
通过设置电流检测器15，对预充电路进行过流保护，避免第一晶体管开关10因电流过大受到损害，而且还可防止短路的发生，保护预充电路的正常工作。
本申请还提供一种配电装置，其包括主正继电器3和如上所述的预充电路，所述预充电路的第一晶体管开关10通过第二电极、第三电极与主正继电器3并联。
本申请提供的配电装置通过设置驱动电路和第一晶体管开关，通过驱动电路控制第一晶体管开关的通断，第一晶体管开关为电压驱动型器件，只要栅极和源极间给一个适当电压，就可形成源极和漏极间的通路，与机械式继电器相比，整个通断过程没有机械动作，带载切断能力及开关响应速度快，可避免烧弧粘连等现象，提升开关器件的工作寿命，降低预充电路中开关件的成本，而且结构简单，可减小预充电路中开关件的质量和所占的体积，方便安装和维修。
进一步地，配电装置还包括主负继电器2、直流正母线1、直流负母线4、外部直流充电端口以及至少一个输出端口。
所述外部充电端口经由所述主正继电器3、主负继电器2耦合至所述直流正母线1和直流负母线4上。主正继电器3、主负继电器2串联。
所述至少一个输出端口与所述直流正母线1和直流负母线4耦合；所述第二电极连接于所述主正继电器3和所述外部充电端口之间，所述第三电极连接于所述主正继电器3和所述至少一个输出端口之间。
如图1所示，输出端口上可以接PDU(Power Distribution Unit，电源分配单元)，从而向车载设备进行配电。
进一步地，配电装置还包括电流检测单元9，所述电流检测单元9与所述主正继电器3或主负继电器2串联，以获取电路中的电流数据。在本实施例中，电流检测单元9、电流检测器15均可采用电流传感器。
本申请还提供一种电动汽车，其包括如上所述的配电装置。电动汽车还包括电池包、整车控制器5、整车负载电容6。
电池包与配电装置的外部直流充电端口连接，为车载设备(例如，PTC(PositiveTemperature Coefficient，正温度系数热敏材料)空调加热，A/C电动空调压缩机，DC/DC直流转换器，OBC车载充电机等,INV马达)提供电源。
整车负载电容6连接于直流正母线、直流负母线之间，均与主正继电器3和主负继电器2串联。主正继电器3和主负继电器2分别受整车控制器5驱动控制。
驱动电路的正极信号接收端11、负极信号接收端12分别与整车控制器连接，并接受整车控制器5的输出信号。
整车控制器5通过对输出至正极信号接收端11、负极信号接收端12、主正继电器3、主负继电器2的信号控制，实现对第一晶体管开关10、主正继电器3、主负继电器2的通断控制，进而实现对整车负载电容6的充电、放电控制。
本申请提供的电动汽车通过设置驱动电路和第一晶体管开关，通过驱动电路控制第一晶体管开关的通断，第一晶体管开关为电压驱动型器件，只要栅极和源极间给一个适当电压，就可形成源极和漏极间的通路，与机械式继电器相比，整个通断过程没有机械动作，带载切断能力及开关响应速度快，可避免烧弧粘连等现象，提升开关器件的工作寿命，降低预充电路中开关件的成本，而且结构简单，可减小预充电路中开关件的质量和所占的体积，方便安装和维修。
以上，结合具体实施例对本申请的技术方案进行了详细介绍，所描述的具体实施例用于帮助理解本申请的思想。本领域技术人员在本申请具体实施例的基础上做出的推导和变型也属于本申请保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预充电路，其特征在于，包括：第一晶体管开关和驱动电路，所述第一晶体管开关具有第一电极、第二电极、第三电极；所述驱动电路具有正极信号接收端、负极信号接收端、第一输出端和第二输出端，所述正极信号接收端和负极信号接收端用于接收整车控制器发送的控制信号，所述第一电极与第一输出端连接，所述第三电极与第二输出端连接，所述第二电极和第三电极用于与BDU主回路的主正继电器并联，所述驱动电路根据控制信号控制所述第一晶体管开关的通断；
其中，当所述预充电路工作时，整车控制器接收到用户的上电操作信号后，向正极信号接收端和负极信号接收端发送控制信号，闭合第一晶体管开关，并向主负继电器发送控制信号，闭合主负继电器；
当整车负载电容充电达到预定比例时，整车控制器闭合主正继电器以将预充电路短路，以使所述第一晶体管开关在高压作用下自动断开，进而使整车负载电容停止充电；
当检测到整车负载电容的正负极之间的电压差达一定值时，整车控制器依次控制主负继电器和主正继电器断开，所述第一晶体管开关在断电过程中不参与工作。
2.如权利要求1所述的预充电路，其特征在于，所述驱动电路包括第一电阻、第二电阻、左二极管、三极管、第三电阻和第一电容，所述左二极管的正极与正极信号接收端连接，所述第一电容连接在负极信号接收端和左二极管的负极之间，所述三极管具有基极、发射极和集电极，所述发射极与左二极管的负极连接，所述第一电阻连接在左二极管负极与基极之间，所述第二电阻连接在集电极与第一输出端之间，所述第三电阻连接在第一输出端和第二输出端之间，所述基极、第二输出端均与负极信号接收端连接。
3.如权利要求2所述的预充电路，其特征在于，还包括控制电路，其包括供电电源、第四电阻、第二电容、右二极管和第二晶体管开关，所述第二晶体管开关具有第四极、第五极和第六极，第六极用于接收控制信号，所述供电电源的正极分别与正极信号接收端和第四极连接，第五极分别与右二极管的负极和负极信号接收端连接，右二极管的正极与供电电源的负极连接，所述第二电容、第四电阻均与右二极管并联，所述供电电源的负极、第四电阻、第二电容、右二极管均与车身接地端连接。
4.如权利要求3所述的预充电路，其特征在于，还包括过温保护电路，其包括第一驱动电源、第二驱动电源、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、热敏电阻、比较器和第一处理器，所述比较器具有第一输入端、第二输入端和第三输出端，热敏电阻与第一驱动电源连接，第五电阻连接于热敏电阻与车身接地端之间，第六电阻连接于热敏电阻与第一输入端之间，第七电阻与第二驱动电源连接，第八电阻连接于第七电阻与车身接地端之间，所述第七电阻与第二输入端连接，所述第三输出端和供电电源的正极均向第一处理器输入信号，所述第一处理器根据输入信号得到处理信号，并将处理信号发送至正极信号接收端。
5.如权利要求4所述的预充电路，其特征在于，所述第一晶体管开关和第二晶体管开关均为MOS管或IGBT。
6.如权利要求3所述的预充电路，其特征在于，还包括第二处理器和用于监测电流或者通电时间的电流检测器，所述电流检测器串联在第三电极与BDU主回路之间，所述电流检测器将监测的电流或者通电时间发送至第二处理器，所述供电电源的正极向第二处理器发送控制信号，所述第二处理器根据电流或者通电时间和控制信号得到处理信号，并将处理信号发送至正极信号接收端。
7.如权利要求2所述的预充电路，其特征在于，还包括用于限流的预充电阻，所述预充电阻串联在第三电极与BDU主回路之间。
8.一种配电装置，其特征在于，包括主正继电器和如权利要求1-7任一所述的预充电路，所述预充电路的第一晶体管开关通过第二电极、第三电极与主正继电器并联。
9.如权利要求8所述的配电装置，其特征在于，还包括主负继电器、直流正母线、直流负母线、外部直流充电端口以及至少一个输出端口；所述外部直流充电端口经由所述主正继电器、主负继电器耦合至所述直流正母线和直流负母线上；所述至少一个输出端口与所述直流正母线和直流负母线耦合；所述第二电极连接于所述主正继电器和所述外部直流充电端口之间，所述第三电极连接于所述主负继电器和所述至少一个输出端口之间。
10.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求8-9中任一项所述的配电装置。
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