DE102016120152A1

DE102016120152A1 - Vorladestromkreis, der sich selbst ein- und ausschaltet zur begrenzung des bulkkondensatoreinschaltstromstosses

Info

Publication number: DE102016120152A1
Application number: DE102016120152.9A
Authority: DE
Inventors: S.M. Nayeem Hasan; Timothy P. Philippart
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-05-11
Also published as: US9954353B2; CN106684961B; US20170133837A1; CN106684961A

Abstract

Ein Vorladestromkreis für ein Fahrzeug mit einer Batterie und einer Last wird offenbart. Der Vorladestromkreis beinhaltet eine Zeitverzögerungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie als Reaktion auf das Empfangen von Strom von der Batterie eine erste Spannung erzeugt. Die erste Spannung steigt von einem ersten Wert hin zu einem zweiten Wert. Der Vorladestromkreis beinhaltet eine Steuerschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie als Reaktion auf die erste Spannung eine zweite Spannung erzeugt, die der ersten Spannung folgt. Der Vorladestromkreis beinhaltet eine Steuerschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie die Batterie und die Last selektiv miteinander verbindet basierend auf der zweiten Spannung und die Last von der Batterie trennt als Reaktion darauf, dass die zweite Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht. Der Vorladestromkreis beinhaltet einen Ausgangsstromkreis, der so konfiguriert ist, dass er eine Menge an Strom und Einschaltstromstoß beschränkt, die der Last von der Batterie durch die Steuerschaltung bereitgestellt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Vorladestromkreis, der dafür entwickelt ist, Einschaltstromstoß in eine Last zu begrenzen.
HINTERGRUND
Wenn Gleichstrom auf eine kapazitive Last angelegt wird, ziehen die Kondensatoren zunächst eine große Menge an Strom, bevor sie sich einem stationären Wert annähern. Da der Strom eines Kondensators durch das Produkt seiner Kapazität und der Änderungsrate der Spannung in Bezug auf die Zeit bestimmt wird, wird die Sprungantwort der Eingangsspannung einen großen Stromstoß in den Kondensator verursachen, was als Einschaltstromstoß bezeichnet wird. Auch wenn der Einschaltstromstoß durch einen entsprechenden Reihenwiderstand des Kondensators begrenzt wird, kann der Einschaltstromstoß dennoch eine erhebliche Menge an Belastung für den Kondensator verursachen und kann verursachen, dass der Kondensator permanent ausfällt.
Die Begrenzung von Einschaltstromstoß ist besonders wichtig für die Anwendungen, die jedes Mal, wenn die Vorrichtung verwendet werden muss, eingeschaltet werden müssen, wie z. B. Steuersysteme in einem Automobil. Ein effizienter Einschaltstromstoßbegrenzer begrenzt den Einschaltstromstoß während der Inbetriebnahme, beeinträchtigt die Stromübertragung an die Last bei Normalbetrieb jedoch nicht. Dies ist wichtig für Anwendungen, die jedes Mal, wenn das Fahrzeug eingeschaltet wird, verwendet werden, da wiederholte Einschaltstromstöße den Großteil der kapazitiven Last beschädigen können.
Die hier bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck der allgemeinen Darstellung des Kontextes der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder – im in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang – sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung nicht anderweitig als Stand der Technik gelten, gelten gegenüber der vorliegenden Offenbarung weder ausdrücklich noch konkludent als Stand der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Vorladestromkreis für ein Fahrzeug mit einer Batterie und einer Last beinhaltet eine Zeitverzögerungsschaltung, eine Steuerschaltung, einen Schaltkreis und einen Ausgangsstromkreis. Die Zeitverzögerungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie als Reaktion auf das Empfangen von Strom von der Batterie eine erste Spannung erzeugt. Die Zeitverzögerungsschaltung ist auch so konfiguriert, dass sie der ersten Spannung ermöglicht, von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert zu steigen. Der Steuerschaltungskreis ist so konfiguriert, dass er als Reaktion auf eine erste Spannung eine zweite Spannung bereitstellt, die der ersten Spannung folgt. Der Schaltkreis ist dafür konfiguriert, die Last mit der Batterie selektiv zu verbinden basierend auf der zweiten Spannung. Der Schaltkreis ist auch dafür konfiguriert, die Last von der Batterie zu trennen als Reaktion darauf, dass die zweite Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht. Der Ausgangsstromkreis ist dafür konfiguriert, eine Menge an Strom und Einschaltstromstoß zu begrenzen, die der Last von der Batterie durch den Schaltkreis bereitgestellt wird.
Die Zeitverzögerungsschaltung beinhaltet ferner einen Widerstand mit einem ersten Widerstand, einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität, die in Reihe geschaltet ist, und eine Zeitkonstante der Zeitverzögerungsschaltung basierend auf einem Produkt des ersten Widerstands und der ersten Kapazität. Die Zeitkonstante der Zeitverzögerungsschaltung beträgt 10 Millisekunden bis 25 Millisekunden.
Die Steuerschaltung beinhaltet ferner ein Widerstandsnetzwerk mit einem internen Knoten, der die zweite Spannung und eine Spannungsfolgerschaltung bereitstellt, die zwischen der ersten Spannung und dem Widerstandsnetzwerk geschaltet ist. Die Spannungsfolgerschaltung beinhaltet ferner einen PNP-Transistor mit einem Emitteranschluss, der mit dem Widerstandsnetzwerk und einem Basisanschluss, das die erste Spannung empfängt, verbunden ist.
Der Schaltkreis beinhaltet ferner einen MOSFET mit Anschlüssen, einschließlich eines Source-Anschlusses, eines Gate-Anschlusses und eines Drain-Anschlusses; einen Einschaltspannungswert, der eine Spannungsdifferenz zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss ist, die den MOSFET einschaltet; und den vorbestimmten Schwellenwert, der ein Wert der zweiten Spannung ist, die die Spannungsdifferenz zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss dazu bringt, unter den Einschaltspannungswert zu fallen und demzufolge den MOSFET auszuschalten. Der Schaltkreis beinhaltet ferner eine Zenerdiode, die eine Spannung, die über zwei der Anschlüsse des MOSFET angelegt wird, daran hindert, einen Spannungswert des MOSFET und eines Widerstands zu übersteigen, der zwischen dem Gate-Anschluss und dem Steuerschaltungskreis verbunden ist.
Der Ausgangsstromkreis ist dafür konfiguriert, zu verhindern, dass Strom von der Last zum Schaltkreis zurückkehrt. Der Ausgangsstromkreis beinhaltet ferner eine Diode, die in Reihe mit einem Widerstand und in Reihe zwischen dem Schaltkreis und der Last geschaltet ist.
In anderen Funktionen beinhaltet der Vorladestromkreis die zweite Spannung, die den vorbestimmten Schwellenwert erreicht, bevor die erste Spannung den zweiten Wert erreicht. Die erste Spannung ist eine Spannung an einem Anschluss des ersten Kondensators der Zeitverzögerungsschaltung. Der erste Wert ist etwa 0 Volt und der zweite Wert ist eine Spannung der Batterie. Die Last beinhaltet eine Kraftstoffpumpe, einen Dreiphasenmotor, eine Bulkstromversorgung, eine elektronische Steuerschaltung, eine Antriebsstrangsteuerschaltung und/oder eine Getriebesteuerschaltung.
In weiteren Funktionen beinhaltet ein System den Vorladestromkreis und ein Relais, das dafür konfiguriert ist, die Batterie mit der Last selektiv zu verbinden als Reaktion auf einen Befehl von einem Mikroprozessor. Der Mikroprozessor empfängt Strom von der Batterie, während die Zeitverzögerungsschaltung Strom von der Batterie empfängt, und die Mikroprozessorlastenanwendungssoftware sendet anschließend den Befehl an das Relais. Das System beinhaltet ferner einen Batterietrennungsschalter, der dafür konfiguriert ist, als Reaktion auf das Einschalten eines Zündsystems des Fahrzeugs die Batterie mit dem Vorladestromkreis und dem Mikroprozessor zu verbinden.
Ein Verfahren zum Laden einer Last unter Verwendung eines Vorladestromkreises beinhaltet das Erzeugen einer ersten Spannung, Verbinden der Batterie mit der Last unter Verwendung eines Schalters und Beginnen des Einschaltens eines Mikroprozessors. Die erste Spannung beginnt bei einem ersten Wert und steigt hin zu einer Spannung der Batterie an. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erzeugen einer zweiten Spannung, die der ersten Spannung folgt, Beschränken einer Menge an Strom und Einschaltstromstoß, die der Last von der Batterie bereitgestellt wird, und Trennen der Last von der Batterie unter Verwendung des Schalters, wenn die zweite Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht.
In anderen Funktionen beinhaltet das Verfahren ferner das Erzeugen einer ersten Spannung, die auf einer analogen Schaltungszeitkonstante basiert, Erzeugen einer zweiten Spannung, die eine um eine Ebene verschobene Version der ersten Spannung ist, und Ausschalten des Schalters, wenn der vorbestimmte Schwellenwert der zweiten Spannung erreicht ist. Das Verfahren beinhaltet ferner das Schließen eines Relais, um die Batterie mit der Last zu verbinden als Reaktion auf das Einschalten und die Ausführung des Anwendungscodes eines Mikroprozessors. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erzeugen einer ersten Spannung, die derart konfiguriert ist, dass die zweite Spannung den vorbestimmten Schwellenwert erreicht, bevor das Einschalten des Mikroprozessors abgeschlossen ist.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und schränken den Umfang der Offenbarung nicht ein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein hochwertiges Funktionsdiagramm eines Vorladestromkreises, der in ein Automobil implementiert ist;
2 ist ein hochwertiges Funktionsdiagramm des Vorladestromkreises;
3 ist ein Schaltplan des Vorladestromkreises; und
4 ist ein Flussdiagramm, das den beispielhaften Betrieb des Vorladestromkreises darstellt.
In den Zeichnungen werden dieselben Referenznummern für ähnliche und/oder identische Elemente verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zur Abschwächung von Einschaltstromstoß wurde eine Vielzahl von Einschaltstrombegrenzern verwendet. Ein fester Widerstand kann in Reihe mit der kapazitiven Last positioniert werden zur Begrenzung des Einschaltstromstoßes in die Kondensatoren. Jedoch ist dieses Verfahren weniger effizient aufgrund der Verlustleistung des Widerstands in Abhängigkeit des Spannungsabfalls über den Widerstand. Dieses Verfahren stiehlt im Wesentlichen Strom von der Last aufgrund der Verlustleistung über den Festwiderstand.
Negative Temperaturkoeffizienten(NTC)-Thermistoren, die resistive Vorrichtungen sind, die einen unterschiedlichen Widerstand gemäß ihrer Temperatur haben, wurden auch verwendet. Jedoch hat der NTC-Thermistor inhärente Nachteile aufgrund des begrenzten Temperaturbereichs, in dem er wirksam arbeiten kann, und der Unfähigkeit zur Begrenzung von Einschaltstromstoß für nachfolgende Einschaltungen einer Schaltung als Folge der Zeitdauer, die erforderlich ist, um die NTC-Thermistoren zwischen den Einschaltungen abzukühlen. Mikroprozessor-gesteuerte Einschaltstromstoßbegrenzer wurden verwendet, um den Einschaltstromstoß zu begrenzen. Jedoch haben Mikroprozessor-gesteuerte Einschaltstromstoßbegrenzer den Nachteil, dass sie auf Einflussnahme durch Software angewiesen sind. Weitere, nicht-digitale Schaltungsimplementierungen können kostengünstiger sein.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt einen sich selbst ein- und ausschaltenden Vorladestromkreis, der Einschaltstromstoß begrenzt. Sobald ein Batterietrennungsschalter eingeschaltet wird, lädt die Lastenkapazität unter Verwendung eines RC-Stromkreises, eines Schaltkreises und einer Pufferschaltung. Eine vorbestimmte Ladedauer wird in den RC-Stromkreis implementiert. Nach Ende der Ladedauer trennt der Schaltkreis eine Stromversorgung von der Lastenkapazität. Nachdem ein Mikroprozessor seine Anwendungssoftware lädt, was nicht länger als die in den RC-Stromkreis implementierte Ladedauer dauert, schließt ein Antriebsstrangrelais als Reaktion auf einen Befehl vom Mikroprozessor. Folglich verbindet sich die Batterie mit der Lastenkapazität durch das Antriebsstrangrelais und lädt die Lastenkapazität auf die Eingangsspannung der Stromversorgung. Unter Verwendung der Sprungantwort vom RC-Stromkreis in Verbindung mit der Pufferschaltung und dem Schaltkreis wird die an die Last gelieferte Menge an Einschaltstromstoß wesentlich reduziert.
1 ist ein hochwertiges Funktionsdiagramm eines Vorladestromkreises 140, der im Kontext eines Automobils 100 implementiert ist. Als Reaktion auf das Einschalten eines Zündschalters 120 kann ein Controller Area Network(CAN)-Signal an den Batterietrennungsschalter 130 gesendet werden, der verursacht, dass der Batterietrennungsschalter 130 eine Batterie 110 mit dem Vorladestromkreis 140 verbindet. Die Batterie 110 stellt Strom an den Vorladestromkreis 140 und einen Mikroprozessor 240 bereit, sobald der Batterietrennungsschalter 130 schließt.
In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die Last Bulkkondensatoren 150 und eine Kraftstoffpumpe 170. Weitere Lasten können einen Dreiphasenmotor, eine Bulkstromversorgung, eine elektronische Steuerschaltung, eine Antriebsstrangsteuerschaltung und eine Getriebesteuerschaltung beinhalten. Sobald die Kraftstoffpumpe 170 mit Strom versorgt wurde, kann Kraftstoff von einem Kraftstofftank 180 an einen Motor 180 geliefert werden.
Sobald der Vorladestromkreis 140 der Kraftstoffpumpe 170 und den Bulkkondensatoren 150 Strom für eine vorbestimmte Zeitdauer bereitgestellt hat, schaltet der Vorladestromkreis 140 sich automatisch aus. Nachdem der Vorladestromkreis 140 sich ausgeschaltet hat, beendet der Mikroprozessor 240 die Initialisierung und das Laden der Software und sendet einen Befehl an das Antriebsstrangrelais 230 und weist das Antriebsstrang 230 an zu schließen. Durch das geschlossene Antriebsstrangrelais 230 stellt die Batterie 110 den Bulkkondensatoren 150 und der Kraftstoffpumpe 170 Strom bereit.
2 ist ein hochwertiges Funktionsdiagramm, das die Funktion des Vorladestromkreises 140 darstellt. Die Batterie 110 stellt dem Vorladestromkreis 140 und dem Mikroprozessor 240 Strom bereit, wenn der Batterietrennungsschalter 130 schließt. Sobald der Vorladestromkreis 140 für eine bestimmte vorbestimmte Zeitdauer Strom an die Last 210 bereitstellt, schaltet der Vorladestromkreis 140 sich automatisch aus. Nachdem der Vorladestromkreis 140 sich ausgeschaltet hat, sendet der Mikroprozessor 240 einen Befehl an das Antriebsstrangrelais 230, um das Antriebsstrangrelais 230 zu schließen. Sobald das Antriebsstrangrelais 230 geschlossen ist, nimmt die Batterie 110 die Bereitstellung von Strom an die Last 210 wieder auf.
Der Vorladestromkreis 140 beinhaltet interne Schaltungen, die in Verbindung miteinander funktionieren, um für eine vorbestimmte Zeitdauer Strom an die Last 210 bereitzustellen. Eine Zeitverzögerungsschaltung 320, ein Steuerschaltungskreis 330 und ein Schaltkreis 340 sind alle mit dem Batterietrennungsschalter 130 parallel zum Antriebsstrangrelais 230 verbunden. Die Zeitverzögerungsschaltung 320 stellt die vorbestimmte Zeitdauer ein, die der Vorladestromkreis 140 eingeschaltet bleibt, bis er sich automatisch selbst ausschaltet. Die Zeitverzögerungsschaltung 320 stellt als Reaktion auf das Empfangen von Strom von der Batterie eine erste Spannung bereit, die von einem ersten Wert hin auf einen zweiten Wert steigt.
Der Steuerschaltungskreis 330 stellt als Reaktion auf die erste Spannung eine zweite Spannung bereit, die der ersten Spannung folgt. Der Schaltkreis 340 verbindet die Batterie 110 selektiv mit der Last 210 basierend auf der zweiten Spannung und trennt die Last 210 von der Batterie 110 basierend darauf, dass die zweite Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht. Der vorbestimmte Schwellenwert hängt von der Auswahl eines Schalters 446 ab. Ein Ausgangsstromkreis 350 beschränkt die Menge an Strom und Einschaltstromstoß, die der Last 210 von der Batterie 110 durch den Schaltkreis 340 bereitgestellt wird.
3 ist ein Schaltplan einer beispielhaften Implementierung eines Vorladestromkreises. Der Batterietrennungsschalter 130 beinhaltet ein Relais, einen Feldeffekttransistor oder einen Bipolartransistor, die als Schalter dienen. In verschiedenen Ausführungsformen wird ein P-Kanal Verarmungs-MOSFET als der Schalter verwendet, der die Batterie 110 mit dem Vorladestromkreis 140 und der Last 210 verbindet. Ein MOSFET ist einem Bipolartransistor möglicherweise vorzuziehen, der einen Bias-Strom an seiner Basis erfordert. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Ein- und Ausschalten des Batterietrennungsschalters 130 durch ein CAN-Signal gesteuert werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Source-Anschluss eines P-Kanal MOSFET mit einem positiven Anschluss der Batterie 110 verbunden sein und ein Drain-Anschluss des P-Kanal MOSFET kann mit dem Vorladestromkreis 140 verbunden sein.
Die Zeitverzögerungsschaltung 320 stellt als Reaktion auf das Empfangen von Strom von der Batterie eine erste Spannung bereit, die von einem ersten Wert hin zu einem zweiten Wert ansteigt. In verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Wert 0 V sein und der zweite Wert kann eine Spannung der Batterie sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Zeitverzögerungsschaltung 320 einen ersten Widerstand 421 mit einem ersten Ende, das mit dem Batterietrennungsschalter 130 verbunden ist, und einem gegenüberliegenden Ende, das mit einem ersten Anschluss eines ersten Kondensators 423 verbunden ist, beinhalten. Ein gegenüberliegender Anschluss des ersten Kondensators 423 ist mit einem geerdeten Anschluss der Batterie 110 verbunden. Da der erste Widerstand 421 und der erste Kondensator 423 in Reihe geschaltet sind, ist die Zeitverzögerungsschaltung 320 ein RC-Netzwerk. Eine Aufladungsrate des RC-Netzwerks ist die Zeitkonstante der Zeitverzögerungsschaltung 320, die auf dem Produkt eines Widerstands des ersten Kondensators 421 und einer Kapazität des ersten Kondensators 423 (τ = RC) basiert.
Im Vorladestromkreis 140 bestimmt die Zeitkonstante, wie lange der Vorladestromkreis 140 eingeschaltet bleibt, bevor er sich automatisch ausschaltet. Die Spannung über den ersten Kondensator 423 kann 1,7 bis 2 Zeitkonstanten dauern, bis sie 80 % bis 85 % der Batteriespannung erreicht. Nach 1,7 bis 2 Zeitkonstanten kann die zweite Spannung, die erforderlich ist, um die Ausschaltschwellenwertspannung des Schaltkreises 340 zu erreichen, erreicht werden in Abhängigkeit von einem Batteriespannungswert.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Widerstand 421 einen Widerstand R = 50 kΩ haben und der erste Kondensator 423 kann eine Kapazität C = 130 nF haben. Somit beträgt die Zeitkonstante der Zeitverzögerungsschaltung 320 6,5 Millisekunden und 1,7 Zeitkonstanten entsprechen 11 Millisekunden. Jedoch können zusätzliche elektrische Komponenten, wie der Steuerschaltungskreis 330, parallel zum RC-Netzwerk verbunden werden. Daher steigt die Menge an in den ersten Kondensator 423 fließende Menge an Strom um eine kleine Menge aufgrund des Basisstroms eines PNP-Transistors 431. Somit kann die tatsächliche Zeit, die der Vorladestromkreis 140 eingeschaltet verbleibt, etwas kleiner sein als 11 Millisekunden. Jedoch kann die vorbestimmte Aufladedauer im Bereich von 10 bis 25 Millisekunden liegen, um die Größe des Schaltkreises 340 und des Ausgangsstromkreises 350 zu optimieren.
Die Zeitverzögerungsschaltung 320 erzeugt eine erste Spannung bei Knoten 422, der zwischen dem ersten Kondensator 423 und dem ersten Widerstand 421 liegt. Wenn Strom auf den Vorladestromkreis 140 angelegt wird, beginnt die erste Spannung, von null auf die Batteriespannung anzusteigen in logarithmischer Weise.
Der Steuerschaltungskreis 330 stellt als Reaktion auf die erste Spannung eine zweite Spannung bei Knoten 434 bereit, die der ersten Spannung folgt. Der Steuerschaltungskreis 330 beinhaltet ein Widerstandsnetzwerk, das die zweite Spannung 434 bereitstellt, und eine Spannungsfolgerschaltung, die das Widerstandsnetzwerk antreibt. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Spannungsfolgerschaltung eine Emitterfolgerschaltung, wobei der PNP-Transistor 431 einen Kollektoranschluss beinhaltet, der mit einem Erdungsanschluss und einem Basisanschluss verbunden, der mit einem vierten Widerstand 432 verbunden ist. Der vierte Widerstand 432 hat ein gegenüberliegendes Ende, das mit dem positiven Anschluss des ersten Kondensators 423 verbunden ist. Ein Emitteranschluss des PNP-Transistors 431 ist mit dem Spannungsteilernetzwerk verbunden. In anderen Ausführungsformen kann der vierte Widerstand entfernt werden und die Basis des PNP-Transistors 431 kann direkt mit der ersten Spannung V_B 422 verbunden sein.
Wenn die Spannung des ersten Kondensators 423 ansteigt, steigt auch die Spannung des Basisanschlusses des PNP-Transistors 431. Da der Emitteranschluss des PNP-Transistors 431 der Spannung des Basisanschlusses des PNP-Transistors 431 aufgrund eines etwa 0,7 V Potenzials über eine P-N-Kreuzung des Emitter- und Basisanschlusses des PNP-Transistors 431 folgt, steigt die Emitteranschlussspannung, wenn die erste Spannung steigt. Aufgrund dieser Emitterfolgerschaltungseigenschaften agiert die Spannung des Emitteranschlusses als ein Pegelwandler, wobei die Spannung des Emitteranschlusses etwa 0,7 V höher als die Spannung des Basisanschlusses sein wird.
Das Widerstandsnetzwerk beinhaltet einen zweiten Widerstand 435 mit einem Ende, das mit dem Batterietrennungsschalter 130 verbunden ist, und einem gegenüberliegenden Ende, das mit einem Ende des dritten Widerstands 433 verbunden ist. Das gegenüberliegende Ende des dritten Widerstands 433 ist mit dem Emitteranschluss eines PNP-Transistors 431 verbunden. Der zweite Widerstand 435, der parallel zu einer Zenerdiode 442 geschaltet ist, schafft eine glatte Differenzspannung zwischen einem Gate-Anschluss und einen Source-Anschluss eines MOSFET 446. Der dritte Widerstand 433 begrenzt den Strom, der durch den PNP-Transistor 431 und die Zenerdiode 442 fließt. Der zweite und dritte Widerstand 435 und 433 agieren als Spannungsteiler im Steuerschaltungskreis 330, wenn eine Spannung über die Zenerdiode 442 unter einer Klemmspannung liegt (V₄₃₄ = V_{PNP_emitter} + (V_batt – V_{PNP_emitter})·R₄₃₃/(R₄₃₃ + R₄₃₅)).
Der dritte Widerstand 433 kann so ausgewählt werden, dass er Strom durch den PNP-Transistor 431 und die Zenerdiode 442 begrenzen kann, wenn die Spannung über die Zenerdiode 442 die Klemmspannung erreicht. Das Verhältnis des zweiten Widerstands 435 und des dritten Widerstands 433 kann so ausgewählt werden, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Emitteranschluss des PNP-Transistors 431 und dem Knoten 434 sehr klein ist. Da die Spannung am Knoten 434 der Spannung am Knoten 422 mit einer kleinen Differenz folgt, schaltet der MOSFET 446 ab, nachdem die Zeitverzögerungsschaltung 320 bis auf einen bestimmten Pegel aufgeladen ist. Ein Einschaltspannungswert des MOSFET 446 ist ein Differenzwert in einer Gate-Anschlussspannung und einer Source-Anschlussspannung, unter dem der MOSFET 446 aufhört zu leiten.
Zum Beispiel kann eine Gleichspannung von 13,5 V an der Batterie 110 vorhanden sein und der zweite Widerstand 435 kann einen Widerstandswert von 33 kΩ haben und der dritte Widerstand 433 kann einen Widerstandswert von 1 kΩ haben. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Batterietrennungsschalter 130 dem Vorladestromkreis 140 Strom bereitstellt, ist der BJT 431 eingeschaltet und leitet, und die Spannung über den zweiten Widerstand 435 ist etwa die Klemmspannung der Zenerdiode 442 (V_Z), d. h. die Spannung am Knoten 434 beträgt etwa 13,5 V–V_Z.
Die Zenerdiode 442 schützt den Gate-Anschluss des MOSFET 446 vor Überspannung und kann gewählt werden basierend auf dem Spannungswert des Gate-Anschlusses des MOSFET 446. Somit übersteigt die Spannungsdifferenz zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des MOSFET 446 die Klemmspannung der Zenerdiode 442 V_Z nicht. Die Spannung an dem Source-Anschluss (Knoten 449) des MOSFET 446 ist inzwischen 13,5 V. Die Differenz zwischen der Gate- und der Source-Spannung des MOSFET 446 liegt über dem Ausschaltspannungsschwellenwert und das MOSFET 446 wird eingeschaltet bleiben, bis die Differenz zwischen der Gate- und der Source-Spannung unter den Abschaltspannungsschwellenwert fällt.
Wenn der erste Kondensator 423 auflädt, steigt die erste Spannung an Knoten 422. Da diese Spannung an den Basisanschluss des PNP-Transistors 431 angelegt wird, steigt auch der Emitter-Anschluss des PNP-Transistors 431. Die Gate-Spannung des MOSFET 446 nähert sich daher der Source-Spannung des MOSFET 446 an. Die Differenz zwischen der Gate-Spannung und der Source-Spannung wird unter den Abschaltschwellenwert sinken und folglich den MOSFET 446 abschalten.
In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Schaltkreis 340 die Zenerdiode 442, die parallel zu dem ersten Widerstand 435 geschaltet ist, wobei ein Kathoden-Ende mit dem Batterietrennungsschalter 130 verbunden ist und ein Anoden-Ende mit dem gegenüberliegenden Ende des zweiten Widerstands 435 verbunden ist. Ein fünfter Widerstand 444 kann zwischen einem Anoden-Ende der Zenerdiode 442 und dem Gate-Anschluss des MOSFET 446 verbunden sein. Der MOSFET 446 kann ein P-Kanal MOSFET sein aufgrund seines geringen Einschaltwiderstands. Der MOSFET 446 weist einen Source-Anschluss auf, der mit dem Kathoden-Ende der Zenerdiode 442 verbunden ist, und ein Drain-Anschluss, der mit dem Ausgangsstromkreis 350 verbunden ist. Eine intrinsische Body-Diode 448 des MOSFET 446 ist zwischen dem Drain- und Source-Anschluss des MOSFET 446 vorhanden.
Wenn die Spannung des ersten Kondensators 423 steigt, steigt auch die Spannung des Basisanschlusses des PNP-Transistors 431. Da der Emitteranschluss des PNP-Transistors 431 der Spannung des Basisanschlusses aufgrund eines etwa 0,7 V Potenzials über eine P-N-Kreuzung des Basis- und Emitteranschlusses folgt, steigt die Emitteranschlussspannung zeitgleich mit der Spannung des ersten Kondensators 423. Da der Gate-Anschluss der MOSFET 446 mit dem Emitter-Anschluss des PNP-Transistors 431 durch den dritten Widerstand 433 verbunden ist, steigt die Spannung an dem Gate-Anschluss des MOSFET 446 als Folge des Anstiegs der Spannung des Emitter-Anschlusses. Wenn die Spannung am Gate-Anschluss des MOSFET 446 (Knoten 434) steigt, sinkt die Differenz zwischen der Source-Anschlussspannung und der Gate-Anschlussspannung des MOSFET 446 und nähert sich einem minimalen Einschaltspannungswert. Sobald die Spannungsdifferenz unter den minimalen Einschaltspannungswert des MOSFET 446 als Folge des Anstiegs der Gate-Anschlussspannung fällt, schaltet der MOSFET 446 sich aus und unterbricht die Stromzufuhr zur Last 210.
Der Ausgangsstromkreis 350 ist dafür konfiguriert, eine Menge an Strom zu beschränken, die der Ladung 210 von der Batterie 110 durch den Vorladestromkreis 140 bereitgestellt wird. Der Ausgangsstromkreis 350 ist dafür konfiguriert, zu verhindern, dass Strom von der Last 210 an den Schaltkreis 340 zurückkehrt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Ausgangsstromkreis 350 zwischen dem Schaltkreis 340 und der Last 210 in Reihe geschaltet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Diode 452 mit einem sechsten Widerstand 454 in Reihe geschaltet sein. Die Diode 452 hat ein Anoden-Ende, das mit dem Drain-Anschluss des MOSFET 446 verbunden ist, und ein Kathoden-Ende, das mit dem sechsten Widerstand 454 verbunden ist.
Der sechste Widerstand 454 beschränkt die Menge an Einschaltstromstoß, die an die Last 210 geliefert wird. Der sechste Widerstand 454 kann so gewählt werden, dass ein Kompromiss zwischen einer Beschränkung der Menge an Strom, die der Last 210 bereitgestellt wird, und der erhöhten Verlustleistung des Ausgangsstromkreises 350 mit der Ergänzung des sechsten Widerstands 454 besteht. Die Diode 452 kann implementiert werden, um zu verhindern, dass Strom von der Last 210 zum Schaltkreis 340 zurückkehrt. Der sechste Widerstand 454 kann basierend auf einer Ladungsdauer, Impulsleistungsfrequenz des Widerstands und Einschaltstromvorstoßfähigkeiten der Last 210 gewählt werden.
4 ist ein Flussdiagramm, das den beispielhaften Betrieb des Vorladestromkreises 140 darstellt. Die Steuerung beginnt bei 500, wo die Steuerung bestimmt, ob der Zündschalter eingeschaltet wird. Wenn ja, fährt die Steuerung bei 502 fort; ansonsten kehrt die Steuerung zurück zu 500.
In 502 schließt die Steuerung basierend darauf, ob der Zündschalter eingeschaltet ist (beispielsweise, wie angezeigt durch eine CAN-Nachricht), den Batterietrennungsschalter und verbindet die Batterie mit dem Vorladestromkreis und dem Mikroprozessor. Die Steuerung fährt bei 503 fort, wo der Mikroprozessor beginnt hochzufahren und eine Zeitverzögerungsschaltung initiiert wird. In 503 schließt die Steuerung auch das Schaltmodul des Vorladestromkreises, um die Batterie mit der Last zu verbinden. Die Steuerung fährt bei 506 fort, wo der Ausgabespannung eines Steuerschaltungskreises der Ausgabespannung der Zeitverzögerungsschaltung folgt.
Die Steuerung fährt bei 508 fort, wo die Steuerung bestimmt, ob der Batterietrennungsschalter noch geschlossen ist. Wenn der Batterietrennungsschalter geöffnet ist, fährt die Steuerung zu 510 fort, wo die Batterie vom Vorladestromkreis getrennt wird. In 511 bestimmt die Steuerung, ob der Zündschalter ausgeschaltet ist. Wenn ja, kehrt die Steuerung zurück zu 500; ansonsten kehrt die Steuerung zu 511 zurück und wartet darauf, dass der Zündschalter ausgeschaltet wird.
Bestimmt die Steuerung bei 508, dass der Batterietrennungsschalter noch immer geschlossen ist, fährt die Steuerung bei 512 fort. Die Steuerung bestimmt bei 512, ob die Ausgabespannung des Steuerschaltungskreises größer als die vorbestimmte Schwellenwertspannung ist, die den Vorladestromkreis ausschaltet. Bestimmt die Steuerung bei 512, dass die Ausgabespannung die Schwellenwertspannung erreicht hat, fährt die Steuerung bei 516 fort, ansonsten kehrt die Steuerung zu 508 zurück.
In 516 öffnet die Steuerung den Schaltkreis und trennt die Batterie von der Last. In 518 hat der Mikroprozessor das Laden der Anwendungssoftware abgeschlossen, die notwendig ist, um das Antriebsstrangrelais zu schließen. In 520 schließt die Steuerung das Antriebsstrangrelais und verbindet die Batterie mit der Last durch das Relais. Die Steuerung bestimmt bei 521, ob der Zündschalter ausgeschaltet ist. Wenn ja, kehrt die Steuerung zurück zu 500; ansonsten kehrt die Steuerung zurück zu 521 und wartet darauf, dass der Zündschalter ausgeschaltet wird.
Die vorhergehende Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Anwendungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt, und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Ansprüchen hervor. Es sei darauf hingewiesen, dass einer oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern. Ferner, obwohl jede der Ausführungsformen oben dahingehend beschrieben ist, dass sie bestimmte Merkmale aufweist, kann/können eines oder mehrere dieser Funktionen, die in Bezug auf jede Ausführungsform der Offenbarung beschrieben sind, in jeder der anderen Ausführungsformen implementiert und/oder kombiniert werden, selbst wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben wird. Mit anderen Worten ausgedrückt schließen sich die beschriebenen Ausführungsformen nicht gegenseitig aus, und Permutationen von einer oder mehreren Ausführungsformen gegeneinander bleiben innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung.
Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Schaltungen) werden unter Verwendung von verschiedenen Begriffen beschrieben, einschließlich „verbunden”, „in Eingriff stehend”, „gekoppelt”, „benachbart”, „neben”, „oben auf”, „über”, „unter” und „angeordnet”. Sofern nicht ausdrücklich als „direkt” beschrieben, kann eine Beziehung eine direkte Beziehung sein, wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und zweiten Element in der oben genannten Offenbarung beschrieben wird, wenn keine anderen intervenierenden Elemente zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden sind, kann jedoch auch eine indirekte Beziehung sein, wenn eines oder mehrere intervenierende Elemente (entweder räumlich oder funktional) zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden ist/sind. Wie hierin verwendet, sollte der Satz „mindestens eines von A, B und C” so zu verstehen sein, dass damit eine Logik gemeint ist (A ODER B ODER C), unter Verwendung eines nicht ausschließlichen logischen ODER, und sollte nicht dahingehend zu verstehen sein, dass gemeint ist „mindestens eines von A, mindestens eines von B und mindestens eines von C.”
Der Begriff „Schaltung” kann als Folgendes bezeichnet werden, Teil von Folgendem sein, oder Folgendes beinhalten: einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit, ASIC); eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge, oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein Field Programmable Gate Array (FPGA); oder eine Kombination von einigen oder allen der obengenannten Elemente, wie z. B. ein System-on-Chip.
Keines der in den Ansprüchen genannten Elemente ist als „Mittel für eine Funktion” (so genannte „means plus function”) gemäß 35 U.S.C. §112(f) zu verstehen, es sei denn ein Element wird ausdrücklich unter Verwendung des Ausdrucks „means for” (Mittel für) beschrieben oder falls in einem Verfahrensanspruch die Ausdrücke „Operation für” oder „Schritt für” verwendet werden.

Claims

Vorladestromkreis für ein Fahrzeug mit einer Batterie und einer Last, wobei der Vorladestromkreis Folgendes umfasst: eine Zeitverzögerungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, als Reaktion auf das Empfangen von Strom von der Batterie, eine erste Spannung zu erzeugen, worin die erste Spannung von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ansteigt; einen Steuerschaltungskreis, der dafür konfiguriert, als Reaktion auf die erste Spannung, eine zweite Spannung bereitzustellen, die der ersten Spannung folgt; einen Schaltkreis, der dafür konfiguriert ist, (i) die Last mit der Batterie selektiv zu verbinden basierend auf der zweiten Spannung und (ii) die Last von der Batterie zu trennen als Reaktion darauf, dass die zweite Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht; und einen Ausgangsstromkreis, der dafür konfiguriert ist, eine Menge an Strom und Einschaltstromstoß zu beschränken, die der Last von der Batterie durch den Schaltkreis bereitgestellt wird.
Vorladestromkreis nach Anspruch 1, worin die Last eine Kraftstoffpumpe, einen Dreiphasenmotor, eine Bulkstromversorgung, eine elektronische Steuerschaltung, eine Antriebsstrangsteuerschaltung und/oder eine Getriebesteuerschaltung beinhaltet.
Vorladestromkreis nach Anspruch 1, worin: die zweite Spannung den vorbestimmten Schwellenwert erreicht, bevor die erste Spannung den zweiten Wert erreicht; und der erste Wert etwa 0 Volt und der zweite Wert eine Spannung der Batterie ist.
Vorladestromkreis nach Anspruch 1, worin: der Ausgangsstromkreis dafür konfiguriert ist, zu verhindern, dass Strom von der Last zum Schaltkreis zurückkehrt; der Ausgangsstromkreis eine Diode umfasst, die in Reihe mit einem Widerstand verbunden ist; und der Ausgangsstromkreis in Reihe zwischen den Schaltkreis und die Last geschaltet ist.
System, das Folgendes umfasst: den Vorladestromkreis nach Anspruch 1; einen Mikroprozessor, der Strom von der Batterie empfängt zur gleichen Zeit, wenn die Zeitverzögerungsschaltung Strom von der Batterie empfängt; und ein Relais, das dafür konfiguriert ist, die Batterie mit der Last selektiv zu verbinden als Reaktion auf einen Befehl vom Mikroprozessor, worin der Mikroprozessor Anwendungssoftware lädt und anschließend den Befehl zum Relais sendet.
System, das Folgendes umfasst: den Vorladestromkreis nach Anspruch 1; und einen Batterietrennungsschalter, der dafür konfiguriert ist, als Reaktion auf das Einschalten eines Zündsystems des Fahrzeugs die Batterie mit dem Vorladestromkreis und einem Mikroprozessor zu verbinden.
Vorladestromkreis nach Anspruch 1, worin die Zeitverzögerungsschaltung Folgendes umfasst: einen ersten Widerstand mit einem ersten Widerstand; und einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität und in Reihe geschaltet, worin eine Zeitkonstante der Zeitverzögerungsschaltung auf einem Produkt des ersten Widerstands und der ersten Kapazität basiert.
Vorladestromkreis nach Anspruch 1, worin die erste Spannung eine Spannung an einem Anschluss eines ersten Kondensators der Zeitverzögerungsschaltung ist.
Vorladestromkreis nach Anspruch 1, worin der Batterietrennungsschalter Folgendes umfasst: ein Widerstandsnetzwerk mit einem internen Knoten, das die zweite Spannung bereitstellt; und eine Spannungsfolgerschaltung, die zwischen der ersten Spannung und dem Widerstandsnetzwerk geschaltet ist, worin die Spannungsfolgerschaltung einen PNP-Transistor mit einem Emitter-Anschluss umfasst, der mit dem Widerstandsnetzwerk verbunden ist, und worin der PNP-Transistor einen Basisanschluss beinhaltet, der die erste Spannung empfängt.
Vorladestromkreis nach Anspruch 1, worin: der Schaltkreis Folgendes umfasst: einen MOSFET mit Anschlüssen, einschließlich eines Source-Anschlusses, eines Gate-Anschlusses und es Drain-Anschlusses; eine Zenerdiode, die verhindert, dass eine Spannung, die über zwei der Anschlüsse des MOSFET angelegt wird, einen Spannungswert des MOSFET übersteigt; und einen Widerstand, der zwischen den Gate-Anschluss und dem Schaltkreis geschaltet ist; ein Einschaltspannungswert eine Spannungsdifferenz zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss ist, und somit den MOSFET einschaltet; und der vorbestimmte Schwellenwert ein Wert der zweiten Spannung ist, der verursacht, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Source-Anschluss und dem Gate-Anschluss unter den Einschaltspannungswert fällt und folglich den MOSFET ausschaltet.