用于高压总线预充电的线性电流调节器

摘要

提供为例如混合动力电动车辆内的高压总线以快速、高效以及最佳的方式预充电的线性电流调节器。线性电流调节器包括：电池；总线；具有基极、耦接到总线的集电极和射极的晶体管；耦接到预充电开关和基极之间的电阻；耦接到电池和电阻的预充电开关；以及耦接到电池、射极和总线的主接触器。当预充电开关闭合时，总线通过电阻和晶体管连接到电池，以便为总线充电。当总线和电池的电压几乎相等时，晶体管关闭，预充电开关断开以及主接触器闭合，使车辆正常操作。

说明书

技术领域

本申请总体涉及高压总线预充电，并且尤其涉及利用线性电流调节器 从例如混合动力电动车辆的高压电池为高压总线预充电。

背景技术

混合动力电动车辆利用内燃发动机和电机来推动。电机能够通过通常 在例如200-300伏特的高压的电池供电。电池以及电机能够通过从电池输送 电流到电机和/或车辆其他组件的高压总线彼此电连接。在车辆的正常操作 中，可以通过主接触器将高压总线和电池连接。

在车辆正常操作之前，高压总线的电压可以低于电池的电压。当需要 车辆正常操作时，高压总线通过预充电接触器以及电阻将高压总线连接到 电池来典型地进行预充电，从而高压总线的电压到达电池电压的一定公差 (例如10V)内。在高压总线预充电之后，主接触器可以闭合从而将电池与 高压总线直接连接。但是，虽然这种类型的预充电使高压总线的电压接近 电池的电压，但是高压总线并非是在最快、最高效以及最佳的方式进行预 充电。

相应地，对于通过利用相对便宜的组件在均匀的电流下为高压总线预 充电同时容许高压总线以快速、高效以及最佳的方式完全充电的系统和方 法而言是存在机会的。

发明内容

在一个实施例中，提供为总线预充电的电路。该电路包括：电池；电 阻；耦接到电阻、总线以及主接触器的晶体管；耦接在电池和电阻之间用 于选择性地将总线通过电阻和晶体管连接到电池的预充电开关；以及用于 选择性地将总线直接连接到电池的主接触器。

根据本发明的一个实施例，其中：

电池包括第一端子和第二端子；

总线包括耦接到第一端子的第一总线端子以及第二总线端子；

晶体管包括基极、耦接到总线的集电极以及耦接到第二端子的射极；

电阻耦接到预充电开关和基极之间；

预充电开关耦接到第一端子和电阻；以及

主接触器耦接到第二端子、射极和第二总线端子。

根据本发明的一个实施例，其中：

在初始时刻，总线电压低于电池电压；以及

在初始时刻，主接触器配置为断开，以及预充电开关配置为闭合从而 使总线通过电阻和晶体管连接到电池，以便在初始时刻之后总线的电压线 性地增加，持续预设充电持续时间。

根据本发明的一个实施例，其中在预设充电持续时间之后总线的电压 并不接近电池电压的情况下，预充电开关配置为在预设充电持续时间之后 断开，并保持预设静止持续时间，从而使总线通过电阻和晶体管与电池的 连接断开。

根据本发明的一个实施例，其中预充电开关配置为在预设静止持续时 间之后闭合，从而使总线通过电阻和晶体管连接到电池。

根据本发明的一个实施例，其中在预设充电持续时间之后当总线电压 接近电池电压时，预充电开关配置为断开，以及主接触器配置为闭合从而 将总线直接连接到电池。

根据本发明的一个实施例，其中在预设充电持续时间中当总线电压接 近电池电压时，预充电开关配置为断开，以及主接触器配置为闭合从而将 总线直接连接到电池。

根据本发明的一个实施例，其中在主接触器配置为断开以及预充电开 关配置为闭合之后，总线电压线性地增加到接近电池电压。

根据本发明的一个实施例，其中在主接触器配置为断开以及预充电开 关配置为闭合之后，总线电压线性地增加到接近电池电压减去晶体管基极- 射极电压。

根据本发明的一个实施例，其中预充电开关基于控制模块的命令选择 性地将总线通过电阻和晶体管连接到电池，其中控制模块和预充电开关由 具有低于电池的电压的较低电压的第二总线供电。

在另一个实施例中，提供为带有电路的总线预充电的方法，该电路包 括耦接到电池和电阻之间的预充电开关、耦接到电阻、总线以及主接触器 的晶体管。该方法包括闭合预充电开关从而将总线通过电阻和晶体管连接 到电池，以及当总线电压接近电池电压时，断开预充电开关并且闭合主接 触器从而将总线直接连接到电池。

根据本发明的一个实施例，其中：

闭合预充电开关包含闭合耦接到电池第一端子和电阻的预充电开关， 从而使总线通过电阻和晶体管连接到电池；

电阻耦接在预充电开关和晶体管基极之间；

晶体管的集电极耦接到总线；

晶体管的射极耦接到电池的第二端子；以及

闭合主接触器包含闭合耦接到第二端子、射极以及总线的主接触器， 从而使总线直接连接到电池。

根据本发明的一个实施例，进一步包含在初始时间断开主接触器；其 中：

在初始时刻，总线电压低于电池电压；以及

闭合预充电开关包含在初始时刻闭合预充电开关，以便在初始时刻之 后总线电压线性地增加，持续预设充电持续时间。

根据本发明的一个实施例，进一步包含在预设充电持续时间之后总线 电压不接近电池电压的情况下，在预设充电持续时间之后预充电开关断开， 持续预设静止持续时间，从而使总线通过电阻和晶体管与电池的连接断开。

根据本发明的一个实施例，进一步包含在预设静止持续时间之后闭合 预充电开关使总线通过电阻和晶体管连接到电池。

根据本发明的一个实施例，进一步包含在预设充电持续时间之后当总 线电压接近电池电压时，断开预充电开关以及闭合主接触器，从而使总线 直接连接到电池。

根据本发明的一个实施例，进一步包含在预设充电持续时间中当总线 电压接近电池电压时，断开预充电开关以及闭合主接触器，从而使总线直 接连接到电池。

根据本发明的一个实施例，其中闭合预充电开关包含闭合预充电开关 以便总线电压线性地增加到接近电池电压。

根据本发明的一个实施例，其中闭合预充电开关包含闭合预充电开关 以使总线电压线性地增加到接近电池电压减去晶体管基极-射极电压。

根据本发明的一个实施例，其中：

闭合预充电开关包含基于控制模块的第一命令来闭合预充电开关；

断开预充电开关包含基于控制模块的第二命令来断开预充电开关；

控制模块以及预充电开关可以通过具有低于电池电压的较低电压的第 二总线来供电。

从下面详细的说明以及附图中这些以及其他实施方式以及各种组合将 会显而易见并且更充分地理解，所给出的说明性实施例表明在本发明的原 理内可以采用各种方式。

附图说明

图1是为高压总线预充电的线性电流调节器的预充电电路的实施例的 示意图；

图2是为高压总线预充电的线性电流调节器的预充电电路的另一个实 施例的示意图；

图3是说明利用预充电开关、电阻、晶体管以及主接触器为高压总线 预充电的操作的流程图；

图4是利用线性电流调节器预充电电路的高压总线的电压与时间的示 例性图表。

具体实施方式

下面所述的说明是示出并举例说明了根据本发明的原理的一个或多个 特定的实施例。提供这样的说明并非是将本发明限制为此处描述的实施例， 而是为了以这样的方式解释和教导本发明的原理，从而使本领域的技术人 员能够理解这些原理，在理解后不仅可以应用他们实践此处给出的实施例， 而且也可以根据这些原理想到其他的实施例。本发明的范围意在覆盖了字 面上或在等同原地落入所附权利要求的范围内的所有这样实施例。

图1示出了用于高压总线114的线性电流调节器预充电电路100的一个 实施例的示意图，高压总线114可以连接到例如混合动力电动车辆内的高压 电池102，以便高压总线114能够为一个或多个电机(未示出)供电以推动 车辆。高压总线114也能够为利用高压的其他车辆组件供电。电池102可以 是200V、300V或另一个合适的电压。图1中示出的高压总线114的电容 器112代表了在高压总线114的例如电机或其他组件的各种负载的集总电 容。电容器112可以具有例如1600μF的电容容量或另一合适的电容容量。

电路100能够快速、高效并且最佳地使高压总线114通过电池102预充 电，以及电路100能够包括预充电开关104、电阻106、NPN型晶体管108 以及主接触器110。高压总线114能够预充电到接近电池102的电压，以便 电池102随后能够通过主接触器110直接连接到高压总线114使车辆正常操 作。尤其地，高压总线114能够利用电路100在均匀的电流下预充电到接近 电池102的电压减去晶体管108的基极-射极电压V_BE。相应地，如果电池 102的电压是300V，那么高压总线114能够预充电到接近300V，不同于 在非均匀的电流下将高压总线预充电仅到电池电压的公差(例如10V)之 内的现有的预充电策略。因此，利用例如预充电开关104以及主接触器110 的组件可以在相对便宜以及占据较少的重量和空间的电路100内能够通过 均匀的电流使高压总线114预充电到接近电池102的电压。

预充电开关104能够耦接在例如正极端子的电池102的端子和电阻106 之间，从而选择性地将电池102通过电阻106和晶体管108连接到高压总 线114。预充电开关104可以是光隔离器或另一类型的开关。车辆内的控制 模块(未示出)可以与预充电开关104通信来发送闭合和断开预充电开关 104的命令。例如，控制模块可以是也能够控制其他相关电池功能——例如 热量控制、泄漏检测以及其他电池控制功能——的高压电池控制模块。控 制模块和预充电开关104可以通过例如在12V低压的总线的低于高压总线 114的不同电压的另一总线来供电。如果光隔离器或类似的开关被用作预充 电开关104，出于安全的原因，控制模块和预充电开关104可以与高压总线 114电隔离。预充电开关104可以闭合和断开从而使电池102通过电阻106 和晶体管108与高压总线114的连接分别连接或断开，如下面所述。

电阻106能够耦接在预充电开关104和晶体管108的基极之间。当预 充电开关104闭合激活晶体管108时，电阻106的电阻值确定进入晶体管 108的基极的基极电流I_B。例如，电阻106的电阻值可以是2500Ω(2.5kΩ) 或者另一合适的电阻。尤其地，如果电池102的电压是300V并且电阻106 的电阻值是2500Ω，那么当晶体管108激活时，基极电流I_B是120mA。

NPN型晶体管108能够是具有连接到电阻106的基极、连接到电容器 112和高压总线114的集电极以及连接到主接触器110和例如负极端子的电 池102的端子的射极的双极结型晶体管。当高压总线114预充电时，晶体管 108能够通过闭合预充电开关104而激活，以便电池102通过预充电开关 104、电阻106和晶体管108连接到高压总线114。当晶体管108激活时， 晶体管108的电流增益β确定了作为基极电流I_B的函数的进入晶体管108 的集电极的集电极电流I_C。尤其地，当晶体管108激活时，集电极电流I_C约等于晶体管108的电流增益β乘以基极电流I_B(I_C＝β*I_B)。例如，晶体管 108的电流增益β可以是40或者另一合适的数值。

主接触器110可以耦接到例如负极端子的电池102的端子、晶体管108 的射极以及高压总线114，从而选择性地将电池102直接连接到高压总线 114。尤其地，当车辆关闭或不在正常操作时，主接触器110可以断开，以 便电池102不会直接连接到高压总线114。在这种情况下，高压总线114预 充电(即预充电开关104闭合并且晶体管108激活)。当车辆开启并且在正 常操作时，主接触器110可以闭合，以便使电池102直接连接到高压总线 114。在这种情况下，高压总线114已经充电(即预充电开关104断开并且 晶体管108关闭)。例如，主接触器110可以是继电器。命令模块可以向主 接触器110传送命令来使其断开和闭合。

图2示出了用于高压总线214的线性电流调节器预充电电路200的另 一个实施例的示意图。预充电电路200类似于如上所述的图1中的电路100， 其用于将高压电池202连接到高压总线214，但相反的其包括PNP型晶体 管208。包括电池202、预充电开关204、电阻206以及主接触器210和电 容212的电路200的其他组件可以类似于上述图1电路100中所对应的组 件来发挥作用。

电路200也可以快速、高效并且最佳地使高压总线214预充电到接近 电池202的电压，以便电池202之后可以通过主接触器210直接连接到高 压总线214，使车辆正常操作。尤其地，高压总线214可以在均匀的电流下 利用电路200预充电到接近电池202的电压减去晶体管208的基极-射极电 压V_BE。预充电开关204可以选择性地将电池202通过电阻206和晶体管 208连接到高压总线214。

PNP型晶体管208能够是具有连接到电阻206的基极、连接到电容器 212和高压总线214的集电极以及连接到主接触器210和例如负极端子的电 池202的端子的射极的双极结型晶体管。当高压总线214预充电时，晶体 管208能够通过闭合预充电开关204而激活，以便电池202通过预充电开 关204、电阻206和晶体管208连接到高压总线214。当晶体管208激活时， 晶体管208的电流增益β确定了作为基极电流I_B的函数的流出晶体管208 的集电极的集电极电流I_C。尤其地，当晶体管208激活时，集电极电流I_C约等于晶体管208的电流增益β乘以基极电流I_B(I_C＝β*I_B)。例如，晶体管 208的电流增益β可以是40或者另一合适的数值。例如，当晶体管208激 活时，流出晶体管208的基极电流I_B可以是120mA，如果电池202的电压 是300V并且电阻206的电阻值是2500Ω。

在操作中，当高压总线114、214的电压低于电池102、202的电压时， 电路100、200能够使高压总线114、214预充电。例如，在初始时间t＝0的 情况，例如车辆关闭和并非常规操作时，高压总线114、214的电压可以是 0V。使高压总线114、214预充电是为了使高压总线114、214的电压升高 到接近电池102、202的电压，以便主接触器110、210随后可以闭合来开始 车辆的正常操作。

高压总线114、214预充电的时间可以根据车辆以及车辆系统的特定规 格以及需求而变化。例如，可以设定的是，高压总线114、214应该在100ms 内预充电到300V。当车辆启动并开始正常操作时，预充电开关104、204 可以闭合，以便使电池102、204通过电阻106、206和晶体管108、208连 接到高压总线114、214，如图3中程序300的步骤302。如上所述，例如， 控制模块可以传送命令使预充电开关104、204闭合。

当电池102、202通过电阻106、206和晶体管108、208连接到高压总 线114、214时，晶体管108、208基极的基极电流I_B控制晶体管108、208 的集电极的集电极电流I_C。尤其地，晶体管108、208的集电极电流I_C受晶 体管108、208的基极电流I_B的限制。例如，如果基极电流I_B是120mA(如 上所述的当电阻106、206的电阻值是2500Ω并且电池102、202的电压是 300V时)，以及晶体管108、208的电流增益β是40时，那么当晶体管108、 208激活时，集电极电流I_C是4.8A。当电容器112、212是1600μF，为了 使高压总线114、214在100ms内到达300V，需要集电极电流I_C是4.8A， 在这个示例中(I＝(C*V)/t或(1600μF*300V)/100ms＝4.8A)。在这种情 况下，在时间t＝0时，通过晶体管108、208的功率瞬时为1400W。因此， 由于通过预充电开关104、204的峰值电流是较低的，所以预充电开关104、 204能够相对便宜的并且占据较少的重量和空间。此外，在电路100、200 的其他组件——例如电阻106、206、晶体管108、208以及主接触器110、 210——也可以相对便宜并且占据较少的重量和空间。

例如4.8A的集电极电流I_C可以是均匀的，并且能够使电容器112、212 以及高压总线114、214以恒定和线性的方式充电，以便满足电压和计时要 求。图4示出了利用电路100、200和程序300时高压总线114、214的电压 与时间的图表。尤其地，当预充电开关104、204闭合并且晶体管108、208 激活时，高压总线114、214的电压随着时间线性地上升直至高压总线114、 214与电池102、202的电压几乎相等。在图4所示的示例中，高压总线114、 214的电压在时间t＝0的0V线性地上升至t＝100ms的接近300V。在时间 t＝100ms，通过晶体管108、208的功率从t＝0时的1440W下降至0W。

例如图3中所示程序300的步骤304，能够监测高压总线114、214的 电压，从而确定高压总线114、214的电压是否在电池102、202的电压减去 晶体管108、208的基极-射极电压V_BE。例如上述的高压电池控制模块的控 制模块可以监测高压总线114、214的电压。在利用电路100、200完成预充 电之后，由于一旦高压总线114、214的电压在晶体管108、208的阈值电压 之内——例如基极-射极电压V_BE——晶体管108、208就会关闭，因此高压 总线114、214的电压并不是必须完全等于电池102、202的电压。

在步骤304中，如果高压总线114、214的电压是在电池102、202的电 压减去晶体管108、208的基极-射极电压V_BE，那么程序300会在步骤306 中继续。当晶体管108、208在该点关闭时，电池102、202不再通过电阻 106、206以及晶体管108、208连接到高压总线114、214。随后预充电开关 104、204在步骤306中会断开。例如，在步骤306中，命令模块可以向预 充电开关传递断开预充电开关104、204的命令。

在步骤306中，由于高压总线114、214的电压接近电池102、202的电 压，例如300V，例如在程序300的步骤308中，主接触器110、210可以 闭合从而将电池102、202直接与高压总线114、214连接。在该点，高压总 线114、214的电压是电池102、202的电压减去晶体管108、208的基极- 射极电压V_BE。相应地，当主接触器110、210闭合时，与现有的预充电策 略相比，该预充电的高压总线114、214更加接近电池102、202的电压。在 步骤308中主接触器110、210闭合之后，车辆能够正常操作，以便电池102、 202为高压总线114、214上的电机以及其他组件直接供电。

但是，回到参照步骤304，如果高压总线114、214的电压不是在电池 102、202的电压减去晶体管108、208的基极-射极电压V_BE，那么程序300 会在步骤310中继续。在步骤310中可以确定高压总线114、214是否已经 预充电了预设充电持续时间，例如100ms。例如，如上所述的高压电池控 制模块的控制模块可以监测和确定是否已经达到了预设充电持续时间。预 设充电持续时间可以设定为在预充电开关104、204在初始时间闭合之后的 高压总线114、214预充电的最大的时间限制。例如，如果电容器112、212 的电容容量大于预期和/或如果在高压总线114、214上存在短路，那么可以 设定预设充电持续时间来保护高压总线114、214。在步骤310中，如果没 有达到预设充电持续时间，那么高压总线114、214可以利用电池102、202 通过电阻106、206和晶体管108、208继续预充电。如上所述，程序300 可以返回到步骤304从而继续监测高压总线114、214的电压，并且确定高 压总线114、214的电压是否在电池102、202的电压减去晶体管108、208 的基极-射极电压V_BE。

但是，在步骤310中如果达到了预设充电持续时间，那么程序300在 步骤312中继续。在步骤312中，预充电开关104、204可以断开。例如， 在步骤312中命令模块可以向预充电开关104、204传送断开的命令。当在 步骤312中断开预充电开关104、204时，电池102、202不再通过电阻106、 206和晶体管108、208连接到高压总线114、214。在步骤314中，预充电 开关104、204可以在预设的静止持续时间——例如一秒——内保持断开。 预设的静止持续时间可以在预充电继续之前使晶体管108、208冷却。例如， 如上所述的高压电池控制模块的控制模块可以监测和确定是否达到了预设 静止持续时间。在预设静止持续时间之后，程序300可以返回到步骤302 来闭合预充电开关104、204从而使高压总线114、214从电池102、202通 过电阻106、206和晶体管108、208继续预充电，如上所述。

本发明意在说明如何根据该技术制作以及利用各种实施例，而并非是 限制其真实的、意图的以及等同的范围和精神。上述说明并非意为穷举的 或限制为所公开的精确形式。根据上述教导，改变以及变化是可能的。所 选择和说明的实施例提供了所述技术的原理以及其实践应用的最佳说明， 并且使本领域技术人员利用该技术于各种实施例以及适用于可以想到的特 定应用的各种改变。所有这样的变化和改变都在由所附权利要求所确定的 实施例的范围之内(该权利要求在专利申请的未决期间可以进行修改)，并 且在当根据其公平地、合法地以及同等地享有的范围解释时的其所有等同 范围之内。