用于电动汽车的高压配电盒、电气控制系统和电动汽车的制作方法

本发明涉及汽车电子电力技术，特别涉及一种用于电动汽车的高压配电盒、包含该高压配电盒的电气控制系统和包含该电气控制系统的电动汽车。
背景技术：
：研究表明，化石燃料的大量使用是发生雾霾的主要原因，其中汽车的尾气排放物又是pm2.5颗粒的重要来源之一。此外，随着人类对于化石燃料的大规模使用，大气中的二氧化碳含量正在稳步上升，温室效应日益明显，全球各地极端气候事件频频发生。面对如此危境，如果再不采取有利的措施，将给人类的生存环境带来无可挽救的灾难性后果。对此，汽车业正在投入大量的人力和物力来研发以电力作为动力源的新型汽车，例如混合动力汽车和纯电动汽车。纯电动汽车是指以车载电池为动力源，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。作为动力源的高压车载动力电池是电动汽车的核心部件，其通常配备有高压配电盒。高压配电盒是用于纯电动汽车和插电式混合动力汽车的配电设备，其采用集中配电方案，将高压电源合理分配给各种车载设备。由于高压配电盒工作在高电压大电流的状态下，因此对于其性能有着很高的要求，但是目前的用于电动汽车的高压配电盒一般都沿用工业高压配电箱的设计思想，无法满足安全性、可靠性和耐久性方面的需求。技术实现要素：本发明的目的是提供一种用于电动汽车的高压配电盒，其具有结构紧凑和提供监测功能等优点。按照本发明一个方面的用于电动汽车的高压配电盒包括：直流正母线；直流负母线；外部直流充电端口，其经一对继电器耦合至所述直流正母线和直流负母线；多个输出端口，其与所述直流正母线和直流负母线耦合；以及耦合在所述继电器与外部直流充电端口之间的监测单元，其配置为对所述外部直流电源的供电状态进行监测。优选地，在上述用于电动汽车的高压配电盒中，车载动力电池经电子开关系统与其中一个所述输出端口相连，车载设备与其余的输出端口相连，所述电子开关系统被配置为选择性地使所述车载动力电池与外部直流电源接通或断开。优选地，在上述用于电动汽车的高压配电盒中，所述监测单元包括：第一电阻器组，其串接在所述直流正母线与直流负母线之间并且位于所述继电器与外部直流充电端口之间；第二电阻器组，其串接在所述直流正母线与直流负母线之间并且位于所述继电器与连接至所述电子开关系统的输出端口之间；连接在所述第一电阻器组的抽头与所述第二电阻器组的抽头之间的开关；以及第一运算放大器，其输入端与所述第二电阻器组的抽头耦合，输出端与所述整车控制单元耦合。优选地，在上述用于电动汽车的高压配电盒中，所述整车控制单元根据在所述开关处于闭合状态并且所述继电器处于断开状态下测得的所述第二电阻器组的抽头处的电压来确定所述继电器的状态。优选地，在上述用于电动汽车的高压配电盒中，所述监测单元包含：第三电阻器组，其串接在所述直流正母线与直流负母线之间并且位于所述继电器与外部直流充电端口之间；以及第二运算放大器，其输入端与所述第三电阻器组的抽头耦合，输出端与所述整车控制单元耦合。优选地，在上述用于电动汽车的高压配电盒中，所述整车控制单元根据测得的所述第三电阻器组的抽头处的电压来确定所述直流正母线与直流负母线之间的电压。优选地，在上述用于电动汽车的高压配电盒中，所述监测单元还包含接入所述直流正母线或直流负母线的电流感测元件并且被配置为按照下列方式对供电状态进行监测：在所述外部直流电源对所述车载动力电池充电时，测量流经所述直流正母线或直流负母线的电流并向整车控制单元输出电流信号。本发明的另一个目的是提供一种用于电动汽车的电气控制系统，其通过包含上述高压配电盒而具备上述以及其它优点。按照本发明另一个方面的用于电动汽车的电气控制系统包含：整车控制单元；高压配电盒，其包括：直流正母线；直流负母线；外部直流充电端口，其经一对继电器耦合至所述直流正母线和直流负母线；多个输出端口，其与所述直流正母线和直流负母线耦合；以及耦合在所述继电器与外部直流充电端口之间的监测单元，其配置为对所述外部直流电源的供电状态进行监测；以及电子开关系统，其中，车载动力电池经所述电子开关系统与所述高压配电盒的其中一个输出端口相连，车载设备与其余的输出端口相连，所述电子开关系统被配置为在所述整车控制单元的控制下，选择性地使所述车载动力电池与外部直流电源接通或断开。优选地，在上述电气控制系统中，所述整车控制单元被配置为当未接收到来自所述监测单元的供电状态监测信号时，生成使所述继电器断开的命令。本发明的还有一个目的是提供一种电动汽车，通过包含上述电气控制系统而具备上述以及其它优点。按照本发明另一个方面的电动汽车包含：上述电气控制系统；以及车载动力电池。附图说明本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：图1为按照本发明一个实施例的用于电动汽车的电气控制系统的示意图。图2为图1所示电气控制系统中的高压配电盒的示意图。图3为图2所示高压配电盒中的监测单元的示例性电路原理图。图4为应用于图3所示监测单元的用于确定继电器触点状态的方法的示例性流程图。具体实施方式下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，从而使对本发明保护范围的理解更为全面和准确。诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。按照本发明的一个方面，外部直流充电端口经一对继电器接入高压配电盒内的直流正母线和直流负母线，车载动力电池和车载设备耦合至直流正母线和直流负母线，借助于电子开关系统来选择性地使车载动力电池接通外部直流电源和使车载动力电池接通车载设备。车载动力电池和车载设备的这种总线接入方式使得高压配电盒的内部结构更为简单并且提高了可靠性。按照本发明的另一方面，通过在外部直流充电端口与继电器之间接入监测单元，可以实现对充电状态的实时监测，并在检测到故障时作出及时的响应。例如，当外部直流电源对车载动力电池进行充电时，监测单元可测量外部直流充电端口处的电压并将测量的电压信号提供至整车控制单元，或者测量流经直流正母线或直流负母线的电流并向整车控制单元输出电流测量信号。再者，当外部直流电源结束对所述车载动力电池的充电时，监测单元可检测继电器的触点状态(例如闭合或断开)并且将检测到的触点状态输出至整车控制单元。整车控制单元则基于监测单元提供的检测信号，确定充电操作是否处于正常状态并且在出现异常时作出相应的响应(例如指示外部直流电源停止功率输出等)。虽然在外部直流电源侧也提供了对充电电压的监测功能，但是通过在高压配电盒侧配置电压测量功能将提供冗余机制，从而提高充电过程的安全性。以下借助附图具体描述本发明的实施例。图1为按照本发明一个实施例的用于电动汽车的电气控制系统的示意图。图1所示的电气控制系统1包括高压配电盒10、整车控制单元20和电子开关系统30。在本实施例中，高压配电盒10经接口p110与外部直流电源2耦合，经输出端口p121与车载动力电池3耦合，并且经输出端口p122-p126与各种车载设备(未画出)耦合。这里所述的车载设备例如包括但不限于下列中的至少一种：直流-直流变换器、直流-交流变换器、高压电加热系统、电加热器、微控制器和机载控制器。整车控制单元20能够与高压配电盒10通信，其一方面从高压配电盒接收各种测量信号，另一方面向高压配电盒发送控制命令。车载动力电池3经电子开关系统30与输出端口p121相连。优选地，电子开关系统30可以采用高压主继电器的形式，其被配置为在整车控制单元20的控制下，选择性地使车载动力电池3与外部直流电源2接通或断开。图2为图1所示电气控制系统中的高压配电盒的示意图。图2所示的高压配电盒10包括直流正母线dc+、直流负母线dc-、外部直流充电端口p110、输出端口p121-p126以及监测单元130。在本实施例中，外部直流充电端口p110经一对继电器s1、s2耦合至直流正母线dc+和直流负母线dc-。如图2所示，监测单元130测量继电器s1、s2与外部直流充电端口p110之间的电压信号，从而确定外部直流充电端口p110在高压配电盒一侧的电压值。图2所示的监测单元130还配置为检测继电器s1、s2的触点状态，其具体实施方式将在下面作进一步的描述。可选地，监测单元130还包含接入直流正母线dc+的电流感测元件a以测量流经直流正母线dc+的电流。电流感测元件a也可以通过接入直流负母线dc-来测量流经其的电流。监测单元130测得的供电状态监测信号(例如外部直流充电端口p110在高压配电盒一侧的电压信号、流经直流正母线或负母线的电流信号以及代表继电器触点状态的状态信号)被输出至整车控制单元20，后者基于监测单元130输出的供电状态监测信号，确定充电操作是否处于正常状态并且在出现异常时作出相应的响应。继续参见图2，输出端口p121-p126也与直流正母线dc+和直流负母线dc+耦合，其中，输出端口p121与车载动力电池3相连，而输出端口p122-p126则与车载设备(未画出)相连。为了防止大电流的冲击，如图2所示，在输出端口p122-p126与直流正母线或直流负母线之间还串接熔丝断路器f1-f5。以下描述图2所示电气控制系统的工作原理。当欲使用外部直流电源2对车载动力电池3进行充电时，在整车控制单元20的控制下，高压配电盒10的继电器s1、s2的触点闭合，车载动力电池3被接入直流正母线dc+和直流负母线dc-，从而使车载动力电池3与外部直流电源2接通。此时，监测单元130定期或不定期地测量外部直流充电端口p110在高压配电盒一侧的电压信号，并将测量信号馈送至整车控制单元20。可选地，监测单元130还定期或不定期地测量流经直流正母线或负母线的电流信号，并且测量信号馈送至整车控制单元20。当充电结束时，整车控制单元20指示继电器s1、s2断开，监测单元130检测继电器s1、s2的触点状态并且将检测到的状态输出至整车控制单元20。有关继电器s1、s2状态的具体检测方式将在下面作进一步的描述。优选地，检测到的状态以编码形式被输出至整车控制单元20，例如可以采用两个比特的编码来表示继电器状态，其中高位比特和低位比特取值1时代表继电器的触点处于闭合状态而取值为0时代表继电器的触点处于断开状态。当欲利用车载动力电池3向车载设备供电时，在整车控制单元20的控制下，高压配电盒10的继电器s1、s2的触点被断开，车载动力电池3被接入直流正母线dc+和直流负母线dc-，从而使车载动力电池3向车载设备供电。在本实施例中，当整车控制单元20未接收到来自监测单元130的供电状态监测信号时，将生成停止充电的命令和使继电器s1和s2的触点断开的命令。图3为图2所示高压配电盒中的监测单元的示例性电路原理图。图3所示的监测单元130包含继电器状态检测单元和充电电压检测单元，其中，继电器状态检测单元包括电阻器r1-r6、第一运算放大器a1和开关s，充电电压检测单元包括电阻器r7、r8、第二运算放大器a2。如图3所示，在继电器状态检测单元中，电阻器r1-r6、第一运算放大器a1和开关s。如图3所示，电阻器r1、r3串接在直流正母线dc+与直流负母线dc-之间并且位于继电器s1和继电器s2与外部直流充电端口p110之间，电阻器r2、r4串接在直流正母线dc+与直流负母线dc-之间并且位于继电器s1和继电器s2与输出端口p121之间。开关s连接在电阻器r1、r3的共接点或抽头与电阻器r2、r4的共接点或抽头之间，其可以是继电器、光耦合器件、场效应管或三极管等。开关s被配置为在整车控制单元20的控制下处于断开状态或闭合状态。电阻器r2、r4的共接点经电阻器r5、r6连接至直流负母线dc-。第一运算放大器a1的输入端与电阻器r5、r6的共接点相连，输出端与整车控制单元20相连。以下描述继电器状态控制单元的工作原理。表1和2示例性地给出了监测单元130中各个电路元件的电气参数。表1r13.992mohmr23.992mohmr33.992mohmr43.992mohmr53.493mohmr62.73kohm第一运算放大器增益24-表2r73.992mohmr82.73kohm第二运算放大器增益12-在图3所示的监测单元130中，继电器s1、s2以及开关s的状态的不同组合将导致电阻器r1-r6具有各不相同的连接关系，从而在第一运算放大器a1的输出端产生相应取值的电压信号。以表1和表2给出的电气参数为例，可以得到如表3所示的电压信号列表。表3在表3中，s1、s2、s列下的数字0表示继电器s1、s2和开关s处于断开状态，数字1表示继电器s1、s2和开关s处于闭合状态，vbatt表示车载动力电池的电压，vo1表示在继电器s1、s2以及开关s的状态的不同组合下，第一运算放大器a1输出的电压信号值。由表3可见，在开关s处于闭合状态的情况下，继电器s1和s2的四种状态组合将在第一运算放大器a1的输出端产生4个不同的电压信号值，因此可通过将第一运算放大器a1的当前输出值与表3中的电压信号值vo1比较来确定继电器s1、s2的触点状态。可选地，也可以将当前输出值按照下式(1)变换为与车载动力电池的电压无关的变换值t并将该变换值与表3中最右栏中的取值(以下称为特征值)进行比较以确定继电器的触点状态：t＝1000*vo1'/vbatt(1)这里vo1'为第一运算放大器a1的当前输出值，vbatt为车载动力电池的电压。图4为应用于图3所示监测单元的用于确定继电器触点状态的方法的示例性流程图。在图4所示的示例中，假设监测单元130中各个电路元件具有表1和2所示的电气参数。当监测到外部直流电源2断开与外部直流充电端口p110的连接时启动图4所示的方法。如图4所示，在步骤410，在继电器s1和s2以及接入车载动力电池3的回路内的高压主继电器s3，s4保持闭合状态并且开关s处于断开状态的情况下，整车控制单元20读取第一运算放大器a1输出的电压信号值(以下记为vo11)。随后，进入步骤420，整车控制单元20促使继电器s1和s2的触点断开，使高压主继电器s3，s4继续保持闭合状态，将开关s置于闭合状态，并且在继电器s1-s4和开关s的上述状态组合下，读取第一运算放大器a1输出的电压信号值(以下记为vo12)。接着进入步骤430，整车控制单元20计算车载动力电池的电压vbatt并且由得到的vbatt计算数值1000*vo12/vbatt，其中，电压vbatt可根据下式(2)，由电压信号值vo11计算：vbatt＝vo11/0.00597(2)随后进入步骤440，整车控制单元20将变换值1000*vo12/vbatt与表3中的特征值进行比较以确定继电器s1、s2的触点状态。例如，如果1000*vo12/vbatt接近于5.97(例如二者的误差在+/-0.5之间)，则可以确定继电器s1、s2的触点均处于断开状态，如果1000*vo12/vbatt接近于4.53(例如二者的误差在+/-0.5之间)，则可以确定继电器s1的触点处于断开状态而继电器s2的触点处于闭合状态，如果1000*vo12/vbatt接近于9.06(例如二者的误差在+/-0.5之间)，则可以确定继电器s1的触点处于闭合状态而继电器s2的触点处于断开状态，如果1000*vo12/vbatt接近于7.29(例如二者的误差在+/-0.5之间)，则可以确定继电器s1、s2的触点均处于闭合状态。如图3所示，在充电电压检测单元中，电阻器r7、r8串接在直流正母线dc+与直流负母线dc-之间并且位于继电器s1和继电器s2与外部直流充电端口p110之间。第二运算放大器a2的输入端与电阻器r7、r8的共接点相连，输出端与整车控制单元20相连。在外部直流电源2对车载动力电池3进行充电的过程中，整车控制单元20可根据第二运算放大器a2的输出信号vo2计算出直流正母线dc+和直流负母线dc-之间的电压vport，据此判断充电操作是否处于正常状态并且在出现异常时作出相应的响应。虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到：可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。当前第1页12