利用降压转换器的总线预充电控制的制作方法
【专利摘要】公开了一种车辆和利用降压转换器的总线预充电控制。所述车辆具有通过接触器连接的牵引电池和电阻抗。公开了一种预充电电路，所述预充电电路被构造为控制从牵引电池经过预充电电路流到电阻抗的电流的流动，以增大电阻抗处的电压，使得随着电阻抗处的电压接近牵引电池的电压，预充电电路的占空比接近于最大值，并且流经所述预充电电路的电流接近于最小值。响应于所述电流降低到低于预定值，闭合接触器。公开了一种电流传感器，所述电流传感器布置在所述预充电电路中。公开了一种操作所述预充电电路的方法。
【专利说明】利用降压转换器的总线预充电控制
【技术领域】
[0001]本申请涉及从牵引电池对车辆的电力负载进行预充电，以延长接触器的寿命。
【背景技术】
[0002]使用高压电池组(battery pack)的车辆通常包括主接触器，以切换通往电力电子组件的电池电力。通常存在与电力电子电路相关联的特定电容。当闭合主接触器时，所述电容可产生大的涌流(inrush current)。所述大的涌流可在接触器两端产生电弧,对接触器造成损坏或者减少接触器的操作寿命并产生火花。为了消除所述大的涌流并保护主接触器，预充电电路经常与主接触器并联使用。
[0003]典型的预充电电路可包括预充电接触器和与之串联的电阻器，预充电接触器和电阻器连接在主接触器两端。在车辆通电期间，预充电接触器闭合，并且电流流经预充电接触器和电阻器。选择电阻器以限制流动的电流的量。当总线已经达到期望的电压或者在期望的范围内时，主接触器可被接通，并且预充电接触器可被断开。尽管所述预充电电路在主接触器接通期间会降低主接触器两端的电压，但是在主接触器两端仍然会有一些低电压，所述低电压会随着时间损坏接触器。
[0004]通过利用分压器电路测量电池输出和主接触器输出之间的电压差来结束典型的预充电事件。对于典型的汽车温度范围内的高电压，需要高精度分压器电路来测量接近于零的电压。另外，在电池输出和主接触器输出可能需要这一类型的电路，这将对车辆增加额外的成本。
【发明内容】
[0005]一种车辆包括:牵引电池；接触器，被构造为连接牵引电池与电阻抗；预充电电路。所述预充电电路被构造为:响应于接触器的闭合信号，控制从牵弓I电池经过预充电电路流到电阻抗的电流的流动，以增大电阻抗处的电压，使得随着电阻抗处的电压接近于牵引电池的电压，预充电电路的占空比接近于100%，并且流经预充电电路的电流接近于零。所述预充电电路被构造为响应于所述电流的幅值降低到低于预定值而闭合接触器。所述预充电电路可被构造为:测量流经所述预充电电路的电流，并且基于所述电流的测量将流经所述预充电电路的电流控制在预定的范围内。所述预充电电路还可被构造为:将流经所述预充电电路的电流控制在实质小于所述电阻抗的额定电流的预定的范围内。所述预充电电路可包括电流传感器，所述电流传感器具有一量程，使得小于电阻抗的额定电流的电流将导致电流传感器在最大值处饱和。所述预充电电路可包括电感器和开关器件，所述开关器件被构造为将牵引电池连接到电感器，其中，电感器将开关器件连接到电阻抗。所述车辆还可包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为:基于测量的流经预充电电路的电流和期望的电流之间的差而输出预充电电路的占空比。所述预充电电路还可被构造为:控制电流的流动，使得随着电阻抗处的电压接近于牵引电池的电压，所述预充电电路的频率接近于零。
[0006]一种车辆包括:接触器，被构造为连接牵引电池与电阻抗；预充电电路。所述预充电电路被构造为:(i)响应于接触器的闭合信号，控制流经预充电电路的电流的流动，使得随着电阻抗处的电压接近牵引电池的电压，预充电电路的频率接近于零，并且流经预充电电路的电流接近于最小值；(ii)响应于所述电流降低到低于预定值，闭合接触器。所述预充电电路还可被构造为:测量流经预充电电路的电流，并且基于所述测量将流经预充电电路的电流控制到预定的范围。所述预充电电路还可被构造为:控制电流流动，使得随着电阻抗处的电压接近牵引电池的电压，预充电电路的占空比接近于100 %。所述车辆可包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为:响应于测量时间处于预定的范围之外，设置诊断代码，其中，所述测量时间是流经预充电电路的电流降到低于所述预定值的持续时间。所述预充电电路可包括电流传感器，所述电流传感器具有最大值，使得小于所述电阻抗的额定电流的电流将导致电流传感器在最大值处饱和。所述预充电电路可包括电感器和开关器件，所述开关器件被构造为将牵引电池连接到电感器，其中，电感器将开关器件连接到电阻抗。
[0007]—种用于从电池对电力负载进行预充电的方法包括:接收信号，以闭合接触器；测量流经连接到接触器的两端的电感器的电流；操作开关器件，以基于所测量的电流来控制流经电感器的电流；响应于当开关器件被触发时所测量的电流降低到低于预定值，闭合接触器。操作开关器件以控制流经电感器的电流的步骤可包括:基于期望电流和所测量的电流之间的误差而产生开关器件的频率和占空比。操作开关器件以控制流经电感器的电流的步骤可包括:产生开关器件的频率和占空比，以将所测量的电流控制在预定的范围内。所述预定的范围可以基于电力负载的电容和期望的预充电时间。流经电感器的电流可以被控制至实质小于电力负载的额定电流的值。操作开关器件以控制流经电感器的电流的步骤可包括:当所测量的电流降低到低于第一预定阈值时使开关器件导通，当所测量的电流超过第二预定阈值时使开关器件截止，从而产生开关器件的占空比和开关频率，其中，第二预定阈值大于第一预定阈值。所述方法还可包括:测量所测量的电流降低到低于所述预定值所需的时间，如果所测量的时间超过第一预定时间或低于第二预定时间，则储存诊断代码。
[0008]一种用于从电池对电力负载进行预充电的方法包括:通过至少一个控制器执行以下步骤:接收信号，以闭合接触器；测量流经连接到接触器的两端的电感器的电流；操作开关器件，以基于所测量的电流来控制流经电感器的电流；响应于当开关器件被触发时所测量的电流降低到低于预定值，闭合接触器。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是示出典型的动力传动系和能量储存组件的插电式混合动力电动车辆的示意图。
[0010]图2是在车辆内用于将高压电池组连接到电力负载的可能的布置的示意图。
[0011]图3是可能的预充电电路布置的示意图。
[0012]图4是可能的预充电电路电流控制方案的流程图。
【具体实施方式】
[0013]在此描述了本公开的实施例。然而，应理解的是，公开的实施例仅为示例，并且其他实施例可以采取多种和替代的形式。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。如本领域的技术人员将理解的是，参照任一附图示出和描述的多个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征相组合，以形成未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可期望用于特定应用或实施方式。
[0014]图1描绘了典型的混合动力电动车辆。典型的混合动力电动车辆2可包括机械地连接至混合动力传动装置6的一个或更多个电动机4。此外，混合动力传动装置6机械地连接至发动机8。混合动力传动装置6还可被机械地连接至驱动轴10，驱动轴10机械地连接至车轮12。当发动机8开启或关闭时，电动机4能够提供推进和减速能力。电动机4还可以用作发电机，并且可通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热损失的能量而提供燃料经济性效益。由于混合动力电动车辆2可以在特定状况下按照电动模式运转，因此电动机4还可提供减少的污染物排放。
[0015]电池组14储存可以由电动机4使用的能量。电池组14通常被称为牵引电池。车辆电池组14通常提供高压直流(DC)输出。电池组14电连接到至少一个电力电子模块16。电力电子模块16还电连接至电动机4，并且提供在电池组14和电动机4之间双向传输能量的能力。例如，典型的电池组14可以提供DC电压，而电动机4可能需要三相交流(AC)电流来运转。电力电子模块16可以将DC电压转换为电动机4所需要的三相AC电流。在再生模式下，电力电子模块16将来自用作发电机的电动机4的三相AC电流转换为电池组14所需要的DC电压。在此描述的方法同样可应用到纯电动车辆。
[0016]电池组14除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电气系统的能量。典型的系统可包括将电池组14的高压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低压DC电源的DC/DC转换器模块18。其它高压负载(诸如加热器和压缩机)可无需使用DC/DC转换器模块18而被直接连接。在典型的车辆2中，低压系统电连接至12V电池20。全电动车辆可具有相似的结构，但不具有发动机8。
[0017]车辆2可以是电池组14可通过外部电源26进行再充电的插电式混合动力车辆。外部电源26可以通过经由充电端口 24进行电连接而向车辆2提供AC或DC电力。充电端口 24可以是被配置为从外部电源26向车辆2传输电力的任何类型的端口。充电端口 24可以电连接至电力转换模块22。电力转换模块22可以调节来自外部电源26的电力，以向电池组14提供适合的电压和电流水平。在一些应用中，外部电源26可被配置为用于向电池组14提供适合的电压和电流水平，并且电力转换模块22可以不是必需的。下面的描述同样适用于利用电池组14的任何车辆2。
[0018]图2示出了一种用于车辆的高压DC总线控制结构。高压电池40可以具有任意化学物质(诸如[MH、铅酸或锂离子)。高压电池40可以电连接到主接触器42。主接触器42可默认处于断开位置，使得高压电池40与负载阻抗72断开连接。负载阻抗72可被表示为具有电容部分48和电阻/电感部分46。在断开位置，高压电池40不能向负载阻抗72提供电力。
[0019]车辆中典型的电阻抗72可包括一些电容48。阻抗72可包括连接到高压总线的任何装置(例如，逆变器、DC/DC转换器等)。负载阻抗72可包括单独的电力电子装置，每个电力电子装置具有与其相关联的自己的电容48。电容48可实际上包括彼此并联或串联的多个电容。还可增添电容48，以对总线电压进行平滑或滤波。电容48可表示电气系统的整个负载端的等效电容。负载阻抗72表示可连接至高压总线的所有模块的总阻抗。
[0020]响应于驾驶者点火的请求，可以发出闭合主接触器42的信号或请求。响应于连接充电器，还可以发出闭合主接触器42的信号。一般来说，每当需要高压电池40连接至其他装置时，便可以发出闭合主接触器42的请求。在发生车辆事故的情况下，可发出断开主接触器42的请求，以限制高压暴露于车辆乘坐者和救援者。断开或闭合主接触器42的信号可由一个或更多个控制器54接收，控制器54控制主接触器42和预充电电路44的操作。可以通过离散信号或串行通信总线(例如，CAN)进行断开信号和闭合信号的通信。
[0021]主接触器42的最简单的实现方式是手动操作的开关。出于许多原因，实际上并不使用这一类型的开关。主接触器42还可包括当其被其激活时可以闭合主接触器42的控制机构(诸如继电器)。例如，当继电器被通电(energize)时，可使主接触器42移动至闭合位置，并允许电流流过主接触器42。当主接触器42闭合时，高压电池40电连接至电阻抗72。当主接触器42闭合时，电阻抗72可通过主接触器42从高压电池40汲取电流。
[0022]主接触器42的控制机构可连接至控制器54。例如，用于控制主接触器42的继电器的线圈可电连接(由68表示)至控制器54。控制器54可被构造为对线圈通电或断电，以驱动主接触器42断开和闭合。控制器54还可被构造为测量各种系统电压。可使用电压感测电路52测量负载两端的电压60，电压感测电路52可被构造为隔离来自控制器54的高压，并针对控制器54按比例将电压60确定至适当的水平。按照相似的方式，还可以测量高压电池两端的电压58。可以使用单独的电压感测电路50来隔离来自控制器54的高压，并针对控制器54按比例将电压58确定至适当的水平。
[0023]当闭合主接触器42时主接触器42两端的电压处可能出现问题。主接触器42两端的电压可被表示为1。64。在电容48被完全放电的典型的情况下，在接通主接触器42之前会存在大的?4。电容负载48的一个特性是电压不会瞬间改变。然而,流经电容负载48的电流会迅速改变。当将高压施加到电容负载48时，会产生大的涌流。所述大的涌流可在开关期间导致跨过主接触器42的电弧。这一电弧作用可损坏主接触器42。理想地，期望一种限制这一电弧作用的方法。
[0024]为了使主接触器42的电弧作用最小化，可跨过主接触器42实现预充电电路44。现有技术中的预充电电路典型地包括预充电接触器以及与之串联的阻抗，其中，选择阻抗以控制当预充电接触器闭合时可流动的电流的量。现有技术中的系统典型地使用感测的负载和电池两端的电压(60和58)来确定何时结束预充电操作以及何时闭合主接触器42。当两个电压(60和58)之间的差降低到低于阈值时，可闭合主接触器42。该技术的缺点是:所述电压差通常不会降低至零。当接触器闭合时，主接触器42两端的任何电压差均允许涌流流动(所述涌流仅通过电力分配系统和牵引电池的低阻抗被限制)，这将缩短主接触器的寿命。当在预充电电路中使用电阻器时，由于阻抗，主接触器42两端的电压64不会为零。另外，由于需要测量并处理两个传感器值，所以引入了测量误差。根据电压测量的分辨率，确定电压差接近于零可能是不可行的。可选地，为了获得合适的分辨率，需要较高分辨率的A/D转换器，这将为系统增加成本。这些测量误差将会在特定条件下叠加，并且允许主接触器42在大于零的电压差的情况下闭合，这将导致较短的接触器寿命。
[0025]预充电电路44可以与主接触器42并联地设置。预充电电路44的一侧可以电连接至高压电池40。预充电电路44的另一侧可以电连接至电阻抗72。控制器54可被构造为控制预充电电路44的操作。当连接高压电池40时，预充电电路44可限制电流流入电阻抗72中。控制器54可以提供一个或更多个控制信号70来控制预充电电路44的操作。控制信号70可以是控制开关器件(例如，图3中的108所示的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的栅极驱动器)的信号。预充电电路44的期望效果是:通过使电压Vmc64最小化，而使在主接触器42接通时流经主接触器42的涌流最小化。
[0026]电流传感器56可测量流经预充电电路44的电流。电流传感器56可将指示流经预充电电路44的电流的量的信号提供至控制器54。电流传感器56或控制器54可包括调整和调节电流信号所需的任何信号调节电路。所述信号可以用于控制预充电电路44的操作，以限制在预充电操作期间流到电阻抗72的电流的量。电流传感器56可包括任何现有技术(诸如电阻式传感器、电压微分器电路或霍尔效应传感器。电流传感器56可具有低阻抗，以使传感器两端的任何电压下降最小化。
[0027]与其它布置相比，预充电电路44的输出处的电流传感器56的布置可具有特定的优点。其它可能的布置可包括测量流入到负载中的电流66以及测量从高压电池40流出并流入主接触器42的电流62。出于控制和监测的目的，电流传感器62和66还可向控制器54提供信号。由于通常需要所述传感器来测量上至电力负载72的额定电流的电流，所以诸如电流传感器62和66的布置在低电流下具有缺点。这些传感器所需的最大量程可以是数百安培的量级。这些传感器的高的最大量程意味着分辨率将会降低，因此，这些传感器将无法测量小的电流。可选地，为了提高这些电流传感器的分辨率，可需要高分辨率的A/D转换器，因而增加成本并使所述测量更容易受噪声影响。
[0028]控制器54可以控制流经预充电电路44的电流。通过限制流经预充电电路44的电流的幅值，可使所需的电流传感器56的最大测量值变小。较低的最大电流值需求允许测量到较高分辨率的电流信号。较高分辨率的信号可有助于控制电流并可允许更精确的电流控制。此外，因为由较小的电流可产生较少的热，所以预充电电路44也可需要较小的组件。高分辨率的电流传感器56的优点是:可以测量小电流，并且当主接触器42闭合时预充电电路44可以更好地阻止电流流动。由于组件不需要处理大电流，所以这将导致较低成本的预充电电路44。在正常操作期间，当主接触器42闭合时，由于没有电流将要流经预充电电路44，所以会需要另一个电流传感器(例如，62或66)。确保没有电流流动的主要益处是:由于当主接触器42接通时没有电流流动，所以可延长主接触器42的寿命。由于仅使用一个传感器进行控制，所以还可通过前述方法提高预充电过程的准确性。测量噪声和测量公差将仅影响所述一个传感器。此外，与前面的构造相比，单个传感器可具有更高的分辨率。
[0029]预充电电路44可包括固态开关器件，所述固态开关器件可被控制器54控制。图3示出了预充电电路44的一个可能的实施例。所述固态开关器件可以是M0SFET100。MOSFET的源极106可电连接至高压牵引电池40的正极端子。MOSFET的漏极110可连接至电感器102。可存在二极管104，二极管104的一侧连接至高压电池(图2中的40)的负极端子，二极管104的另一侧连接至MOSFET的漏极110和电感器102。电感器102可连接至电力负载72。M0SFET100的栅极驱动器108可连接至控制器(图2中的54)。所述电路可以被称为降压转换器电路。
[0030]预充电电路44还可包括电流感测电阻器112。电流感测电阻器112可具有小的阻抗值，以使预充电电路44两端的电压下降最小化。电流感测电阻器112可具有连接至电感器102的一端和连接至电阻抗72的另一端。电流感测电阻器两端的电压114与流经电流感测电阻器112的电流成比例。控制器(图2中的54)可监测电流感测电阻器112两端的电压V?114，以控制流经预充电电路44的电流。根据所选择的电流测量技术，其它电流感测方案也是可行的。
[0031]可以控制开关器件100以限制流经预充电电路44的电流。所述电流可被限制至相对较低的值，以避免任何大的涌流的负面影响。流经预充电电路44的电流可以被限制为实质小于将被预充电的电力负载72的额定电流。例如，所述电流可被限制为5安培的值或者更小，而额定的负载电流可以是数百安培。限制电流影响电力负载72的电压升高的速率。将电流限制为大致常数值，可导致负载电压60线性上升至电池电压58。将电力负载72的电容部分充电至电池电压58所需的时间可以被设置为预定的时间量。为了实现期望的上升时间，可以适当地选择预充电电路44的电感102和开关器件100的开关频率。通常，电力负载72的电容部分可以是已知的，并且预充电电路44可以被设计为实现期望的电压上升时间。
[0032]可以基于所述电流来调节开关器件100的占空比和开关频率。随着目标电压(即，电阻抗72处的电压)与电源电压相等，所述电流和频率可降低为零。例如，可以关于期望的平均电感器电流Iav来限定电流阈值。高于期望的平均电感器电流Iav的阈值可被定义为上限阈值(即，第二预定阈值)ITH。低于期望的平均电感器电流Iav的另一阈值可被定义为下限阈值(即，第一预定阈值)Ip当所测量的电流低于Ith时，开关器件100可导通。当所测量的电流超出ITH时，开关器件100可截止。当开关器件100截止时，流经电感器的电流将减小。当所测量的电流减小到低于Ii时，开关器件100可再次导通。可以持续地重复这一循环。由于预充电电路两端的电压和流经预充电电路的电流改变，所以作为响应，控制信号的占空比会改变。随着时间的逝去，随着电流更加缓慢地增加，开关器件100两端的电压将降低，并且开关频率会降低。因为主接触器两侧的电压均衡，所以电流会需要较长的时间来超出ITH。这就趋向于自然地降低开关频率并增大占空比。在某一点上，开关器件100将被导通并且电流将实际上衰减至零。当流经电感器的电流已经衰减至零时，完成预充电且主接触器的任何一侧的电压被均衡。在目前这一时刻，主接触器可闭合。
[0033]可基于总线电容和期望的总线充电时间选择大致恒定的总线充电电流值。流经负载的电流可被如下表示:
[0034]I = CXdv/dt+V/R
[0035]其中，C是总线电容，dv/dt是电压升高的速率，V是负载两端的电压。在预充电时间期间，可施加大致恒定的电流，以使电压按照期望的速率上升。在预充电期间，负载阻抗R可被预期为大值，使得V/R对电流消耗具有最小的影响。对于电容负载，期望的电流可以基于I = CXdV/dt。期望的dV/dt可被确定为电池电压除以期望的总线充电时间(Vmax/Tdes)。在预充电期间，如果负载阻抗R具有影响电流消耗的值，则电流可被相应地修改。
[0036]由于施加了大致恒定的电流，所以应该相对于期望的值在预定范围内观察预期的电压上升时间。控制器可监测电流降低到低于预定值所需的时间。如果电压上升时间相对于期望的上升时间处于期望的范围之外，则可以检测诊断状况。例如，如果负载被短接，则由于因短接而绕过电容部分，因此电压将快速升高。快速升高到电池电压可标志着短接状况，并且可通过控制器设置诊断代码。另外，如果达到电池电压的时间大于预期的时间，则将会出现被短接的组件或电容变化的问题。例如，如果负载阻抗R小于预期的值，则更多的电流会流到阻抗部分，而不改变电容。需要比预期时间更长的时间来升高到电池电压可触发控制器设置诊断代码。
[0037]随着诊断检查，可监测预充电所需的时间。由于系统被设计为具有预计的预充电时间，所以预充电所需的时间与预计的预充电时间的差可指示负载内的故障状况。当在小于预期的完成时间的时间量内完成预充电操作时，可以储存诊断代码。此外，当在大于预期的完成时间的时间量内完成预充电操作时，可以储存诊断代码。如果未在预定的预充电超时时间内完成预充电操作，则可以设置诊断代码。
[0038]图4示出了所描述的系统的一个可能的实施方式。预充电电路可以从车辆内的另一控制器或模块接收启用信号(如框200所示)。预充电电路可被通电(如框202所示)。所述通电可包括确保需要进行预充电的控制器内的所需的装置已经被适当地通电启用。开关器件可闭合(如框204所示)，以将电池电压连接至电阻抗。可测量流经电感器的电流
(Il)(如框206所示)，并且可计算平均电流(Iav)(如框206所示)。所测量的电感器电流可以和高于或低于预期的平均电流(Iav)的阈值极限相比较，以确保电流处于合适的范围内。电感器电流可以和上限阈值(Ith)相比较(如框208所示)。如果电感器电流高于上限阈值，则开关器件可断开(如框210所示)。如果电感器电流低于上限阈值，则电感器电流可和下限阈值(ItJ相比较(如框212所示)。如果电感器电流低于下限阈值，则开关器件可闭合(如框214所示)。如果电感器电流高于下限阈值，则可以保持开关器件的状态(如框216所示)。可通过将电感器电流与最小阈值(Imin)相比较而进行检查，以确定车辆总线电容是否充电(如框218所示)。如果总线未充电，则可以重复测量电感器电流的过程并应用PWM逻辑(208至216)。当总线充电时，开关器件可断开(如框220所示)，然后，预充电完成(如框222所示)。主接触器可被接通。
[0039]所公开的预充电电路44的优点是:可以使负载电压60等于电池组电压58。传统的利用电阻器的预充电电路由于阻抗两端的电压下降而仅达到特定的负载电压60。当主接触器42接通时，由于在接触的时刻将有一些电流流动，所以主接触器42两端的十伏的电压差仍会对主接触器42造成损坏。这一电流流动将会随着时间趋向于导致主接触器42的耗损。所公开的预充电电路44和控制方案允许负载电压60上升到更接近于电池组电压58，从而当主接触器42接通时使主接触器42两端的电压差Vmc64最小化。通过使预充电电路44中的阻抗的量最小化，可以使主接触器42两端的电压下降64最小化。
[0040]另外的优点是:通过控制电流(而不是电压)，接触器更有可能以零电流闭合。即，可以使电池电压58和电阻抗60之间的电压差最小化。随着输出电压60接近电池电压58，控制负载阻抗两端的电压的控制器将减小控制信号。这将具有限制电流的流动以及预充电操作快结束时电压升高速率的减缓的效果。所公开的预充电电路44试图施加恒定充电电流，所述恒定充电电流随着电压收敛趋于零。所公开的预充电电路44在电压收敛时，可实际地施加最大控制信号，确保输出电压60尽可能接近于电池电压58。由于预充电循环不需经电压测量而终止，所以闭合主接触器无需知道电池内阻抗。
[0041]终止预充电操作的另一方式可以是观察负载电压60何时稳定到特定的最大值。所述最大值可取决于预充电电路44的阻抗和高压电池40的内阻抗。所述最大值不一定是高压电池的电压58，而是高压电池电压58的特定百分比。当完成预充电操作时，可接通主接触器42，并且断开预充电电路44。在接通主接触器42之后，负载电压60和电池组电压58可均衡，并且电流可流经主接触器42。可选地，可将负载电压60和电池电压58相比较，以确定它们是否在彼此的特定的量内。这一方法将在主接触器闭合时通常具有主接触器两端的电压64。
[0042]所公开的预充电电路44可使用不同的电池。不同的电池化学成分具有不同的属性。电池化学成分影响高压电池的内阻抗。通常，优选低阻抗来最小化电池内的热损耗。然而，由于阻抗变小，预充电电路44可需要被重新设计以进行补偿。如果与电池组的内阻抗相比，预充电电路44的阻抗更大，则在预充电之后主接触器42两端会存在较大的电压差。由于主动地控制预充电以使主接触器两端的电压最小化，所以所公开的方案使这些影响最小化。
[0043]在一个可能的实施例中，流经预充电电路44的电流可被控制为恒定值或者被控制在特定范围内。将所述电流控制为恒定值可导致负载电压60随着时间线性地上升到最大值。在预充电期间，控制器(图2中的54)可通过控制开关器件的栅极驱动器108来执行电流控制。控制器(图2中的54)可利用电子电路来执行这一电流控制，或者利用电子电路与基于微处理器的软件控制的特定组合来执行这一电流控制。可以以硬件或硬件/软件实现简单的滞环控制器(hysteresis controller)。期望的输出电流范围可包括下限值和上限值。可测量流经预充电电路的电流。当所述输出电流小于期望的下限值时，可接通开关器件。当所述输出电流大于期望的上限值时，可断开开关器件。电流波动或变动的量将取决于上限值和下限值之间的差。较大的差可导致较低的开关频率，而较小的差将导致较高的开关频率。通过在上限值和下限值之间切换，可随着时间保持平均电流。
[0044]可通过控制开关器件的栅极驱动器108的占空比来执行控制。所述占空比可被定义为在给定的时间段内开关器件被接通的时间量。值100%可指示开关器件完全接通。实际上，出于诊断的目的，最大占空比可被降低至较小的值。例如，可应用值为90%的最大占空比，以允许在间隔期间检查短路，在所述间隔中预期开关器件处于断开状态。
[0045]简单的滞环控制器可被实现为电子电路，或者可以在微处理器中执行这种逻辑，所述微处理器的输出是开关器件的栅极驱动器108的输入。可以采用更复杂的控制方法。控制器实现的方案可以改变上限电流值和下限电流值，以在预充电期间改变开关频率。还可改变预充电电流，以缩短或延长预充电时间。控制器还可监测预充电电流和系统电压，以确保系统被合适地执行。
[0046]随着负载两端的电压60上升到电池电压58的水平，电流流动将开始减小。在将电流控制到特定的电流值的控制器中，将增大占空比以尝试并保持电流处于特定值。在这种情况下，占空比可增大到最大容许值。占空比的最大值可以是100%或者完全(full on)。在特定的点，尽管开关器件处于最大容许值，但是电流控制器可能无法实现期望的电流值。这一方案表明预充电操作正在接近于完成。当电流不再被控制到目标值时，可停止电流控制，并且主接触器可闭合。当电流降低到低于预定阈值时，可完成预充电操作。这样控制的优点是:不需要出于预充电的目的对预充电电路任何一侧的电压进行监测。
[0047]所公开的预充电电路的优点是:可以使组件成本最小化。可以指定特定的预充电时间，所述特定的预充电时间可限定期望的电流水平。可选择额定于期望的电流水平的电感器102。具体地，成本随着额定电流的减小而降低。另外，电路是柔性的，从而可以针对不同的方案限定多个预充电时间。可选择电感器102的额定电流，以支持所需要的最快的预充电时间。基于所需要的特定的预充电时间，可以在不同的电流水平控制电路。另外的优点是:可以使用较低的电流值进行预充电，并且电流传感器可被设计为提供预充电电流范围(而不是负载电流范围)内的全分辨率。这允许在预充电期间执行精确的电流控制。
[0048]在此公开的程序、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机/通过处理装置、控制器或计算机实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或者专用的电子控制单元。类似地，所述程序、方法或算法可以以多种形式被存储为可被控制器或计算机执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于信息永久地存储在非可写存储介质(诸如，ROM装置)上以及信息可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁介质和光学介质)上。所述程序、方法或算法还可被实现为软件可执行对象。可选地，所述程序、方法或算法可利用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的结合被整体或部分地实施。
[0049]虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可作出各种改变。如上所述，可组合多个实施例的特征以形成本发明的可能未明确描述或示出的进一步的实施例。虽然多个实施例已被描述为提供优点或者可在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应该认识到，一个或更多个特征或特点可被折衷，以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式的实施例并不在本公开的范围之外并且可被期望用于特定的应用。
【权利要求】
1.一种车辆,包括: 接触器，被构造为连接牵引电池与电阻抗； 预充电电路，被构造为:(i)响应于接触器的闭合信号，控制流经预充电电路的电流的流动，使得随着电阻抗处的电压接近牵引电池的电压，预充电电路的频率接近于零，并且流经预充电电路的电流接近于最小值；(?)响应于所述电流降低到低于预定值，闭合接触器。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述预充电电路还被构造为:测量流经预充电电路的电流，并且基于所述测量将流经预充电电路的电流控制到预定的范围。
3.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述预充电电路还被构造为:控制电流流动，使得随着电阻抗处的电压接近牵弓I电池的电压，预充电电路的占空比接近于loo %。
4.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述车辆还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为:响应于测量时间处于预定的范围之外，设置诊断代码，其中，所述测量时间是流经预充电电路的电流降到低于所述预定值的持续时间。
5.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述预充电电路包括电流传感器，所述电流传感器具有最大值，使得小于所述电阻抗的额定电流的电流将导致电流传感器在最大值处饱和。
6.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述预充电电路包括电感器和开关器件，所述开关器件被构造为将牵引电池连接到电感器，其中，电感器将开关器件连接到电阻抗。
【文档编号】H02J7/00GK104518547SQ201410455803
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】哈斯迪·R·哈希姆, 布鲁斯·卡维·布雷克蒙, 阿诺德·维库·门萨布朗 申请人:福特全球技术公司