一种用于负载储能电容的高压预充模块电路的制作方法

本实用新型属于新能源汽车高压预充电技术领域，具体涉及一种用于负载储能电容的高压预充模块电路。

背景技术：

新能源汽车高压大功率负载都带有大容量负载储能滤波电容，在冷启动时，负载储能电容上电压接近0V，若此时直接闭合供电回路高压接触器，接触器触点两端电压达几百伏特，而供电导线电阻及接触器触点接触电阻正常状态下最多只有几十毫欧，此刻供电系统相当于发生短路，接触器触点瞬间会流过几千甚至上万安培的电流，供电系统熔断器及高压接触器必坏无疑。因此此类高压负载的供电回路一般都会安装高压预充模块，高压供电系统工作初期，先通过预充电阻给负载端高压负载储能电容预充电，等预充电完成后，再用高压接触器短路高压预充开关和预充电阻，负载得以正常启动。采取这样的措施后，使启动瞬间的冲击电流大大降低。

对于预充电完成的判断，现有技术一般采取三种控制策略：

第一种是对预充电进行延时控制，如公告号为CN208078666U的专利文献公开一种输入上电防冲击预充电电路，采用NMOS管Q1代替现有技术中的继电器开关，使用延时电容E1延时NMOS管Q1开通以达到DC-DC转换器预充电，延时结束后，直接结束预充电并闭合高压接触器；

第二种方法是监测预充电流，如公开号为CN108879862A的专利文献公开一种动力电池充电监测系统的控制方法，对动力电池各个充电阶段的电流进行实时监测，该类控制方案使用时，当预充电流趋近于0A时结束预充并闭合高压接触器；

第三种是利用微控制器分别对预充电路两端的电压AD采样并计算电压差，如公开号为CN106696713A的专利文献公开一种电动汽车高压预充控制电路与控制方法，该类控制方案应用在预充控制系统时，当压差趋近于0V时结束预充过程并闭合高压接触器。

但实际使用中以上现有技术发现以下缺陷：

采用第一种延时控制的预充模块，若负载侧电路发生短路时，或者由于动力电源管理系统一致性、器件稳定性等问题，在特定的预充时间结束后，预充电路两端的直流母线仍存在较大电压差，未消除瞬时大电流冲击风险，此时闭合高压接触器仍会损坏供电系统；

而采用第二种采样预充电流的方案，电路结构过于复杂或采用电流传感器成本较高；

第三种用微控制器分别对预充电路两端电压进行AD采样并计算压差的办法，控制电路复杂成本较高；此外由于高压预充模块的高压继电器、高压大电流接触器动作时会产生较大的EMI干扰信号，模块内微控制器有时会发生复位或误动作。

另外，现有技术中高压预充模块中通常不具备逆接故障诊断保护功能以及负载储能电容的自动放电功能，给安装维护人员带来诸多不便甚至影响到人身安全；另外，现有技术采用的压差监测的技术手段相对复杂、成本较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于负载储能电容的高压预充模块电路，具有更多保护功能、低成本、小体积、高可靠性的高压预充模块电路，使得在预充过程中，能监测各参数变化用以判断预充电完成或是故障状态；同时又兼具逆接故障诊断与保护、负载储能电容的主动放电等功能。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于负载储能电容的高压预充模块电路，包括接线端子、预充电路、用于监测预充电路两端压差的监测反馈电路和用于控制负载储能电容放电的自动放电电路；

所述接线端子包括高压预充开关接线端、高压接触开关接线端、压差反馈接线端、低压供电接线端、直流高压正输入端、直流高压负输入端、直流高压正输出端和直流高压负输出端，直流高压正输入端、直流高压负输入端连接外部电源，直流高压正输出端和直流高压负输出端连接负载储能电容，高压预充开关接线端、高压接触开关接线端、压差反馈接线端、低压供电接线端连接外部控制器；

所述预充电路串联在直流高压正输入端与直流高压正输出端之间，所述预充电路的输入端连接监测反馈电路的第一电压输入端，所述预充电路的输出端连接监测反馈电路的第二电压输入端，所述监测反馈电路的输出端连接压差反馈接线端；自动放电电路连接在直流高压正输出端和直流高压负输出端之间。

进一步的，所述监测反馈电路包括依次串联的第三电阻、第四高压继电器、第一光耦、第一稳压管和第三三极管，第一光耦的原边发光二极管阳极通过第四高压继电器和第三电阻连接预充电路的输入端，第四高压继电器的供电线圈连接在高压预充开关接线端与低压供电接线端之间，第一光耦的原边发光二极管阴极连接预充电路输出端，第一光耦的原边发光二极管阳极和原边发光二极管阴极之间反向并联有第四二极管，第一光耦的副边三极管集电极连接第一稳压管的阴极后通过第四电阻连接低压供电接线端，第一光耦的副边三极管发射极接地，第一稳压管的阳极连接第三三极管的基极后连接有限流关断电路，第三三极管的集电极通过第十二电阻连接低压供电接线端，第三三极管的集电极连接压差反馈接线端，限流关断电路包括第一三极管和第八电阻，第一三极管的集电极连接第三三极管的基极，第一三极管的发射极接地，第一三极管的基极连接第三三极管的发射极后通过第八电阻接地。

进一步的，所述预充电路包括并联的第一支路和第二支路，所述第一支路包括依次串联的逆接保护控制模块、第一高压继电器和第一电阻，第二支路包括高压接触开关，第一高压继电器的供电线圈连接在高压预充开关接线端与低压供电接线端之间，高压接触开关的供电线圈连接在高压接触开关接线端与低压供电接线端之间。

进一步的，所述逆接保护模块采用第七二极管。

进一步的，所述逆接保护模块包括第一场效应管、第九二极管、第二稳压管、第四三极管、第十三电阻、第十电阻和第十一电阻，第九二极管、第二稳压管和第十三电阻依次串联在直流高压正输入端、直流高压负输入端之间，第一场效应管的D级和S极串联在第一支路内，第一场效应管的G极通过第十一电阻接入截止电压，截止电压大于直流高压正输入端输入电压9～15V，第四三极管的基极连接在第三十电阻与第二稳压管之间，第四三极管的发射极连接在第九二极管和第二稳压管之间，第四三极管的集电极场连接第一效应管的G极，第四三极管的发射极通过第十电阻连接第一场效应管的S极，第一场效应管的D极通过第一高压继电器和第一电阻连接直流高压正输出端。

进一步的，所述自动放电电路包括串联的第三高压继电器和第二电阻，第三高压继电器的通电线圈通过放电控制回路分别连接高压预充开关接线端、高压接触开关接线端；所述放电控制回路的输入端连接低压供电接线端，放电控制回路的第一输入端通过第六电阻连接低压供电接线端，放电控制回路的第二输入端通过第五二极管连接高压预充开关接线端，放电控制回路的第三输入端通过第六二极管连接高压接触开关接线端，放电控制回路包括串联的第三高压继电器通电线圈、第二三极管和第七电阻，第三高压继电器通电线圈远离第二三极管的一端连接低压供电接线端，第二三极管的集电极和基极串联在第三高压继电器线圈和第七电阻之间，第二三极管的基极与第七电阻之间连接有滤波电容，滤波电容的负极连接第二三极管的发射极后接地。

进一步的，所述自动放电电路包括串联的第二场效应管和第二星电阻，第二场效应管的G极通过放电控制回路分别连接高压预充开关接线端、高压接触开关接线端；所述放电控制回路的输入端连接直流电压，直流电压大于直流高压正输入端输入电压9～15V，所述放电控制回路包括串联的第五电阻、第二光耦和第六星电阻，第二光耦的原边发光二极管阳极连接第六星电阻, 第二光耦的原边二极管阴极连接第五星二极管和第六星二极管，第二光耦的副边集电极连接第五电阻和第二场效应管的G极，第二光耦的副边三极管集电极通过第九电阻连接第二场效应管的S极，第二光耦的副边三极管发射极连接第二场效应管的S极，第二场效应管的D极通过第二星电阻连接直流高压正输出端。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型提供的高压预充模块电路，利用一种较低成本的压差检测反馈电路，实现了预充电路状态的监测和诊断，提高了高压预充模块的可靠性。

2.本实用新型提供的高压预充模块电路，除上述压差监测反馈功能外，还同时具备逆接故障的诊断保护功能以及负载储能电容的自动放电功能。

3.本实用新型技术方案中没有采用微控制器，电路功能不容易受到模块中高压大电流继电器或接触器开关工作时所带来的EMI噪声影响，工作可靠且成本低廉，适合大规模推广。

附图说明

图1为本实用新型所提出的高压预充装置的电路框图；

图2为本实用新型实施例一的电路原理图；

图3为本实用新型实施例二中自动放电电路的电路原理图；

图4为本实用新型实施例三中逆接保护模块的电路原理图；

图中标号：100：高压预充装置，120：预充电路，121：逆接保护模块，140：自动放电电路，160：监测反馈电路，HV+_IN：直流高压正输入端，HV-_IN：直流高压负输入端，HV+_OUT：直流高压正输出端，HV-_OUT：直流高压负输出端，KZ1：高压预充开关接线端，KZ2：高压接触开关接线端，FB：压差反馈接线端，LV+：低压供电接线端，GND：直流低压接地端，K1：第一高压继电器，K2：高压接触开关，K3：第三高压继电器，K4：第四高压继电器，R1：第一电阻，R2：第二电阻，R2*：第二星电阻，R3：第三电阻，R4：第四电阻，R5：第五电阻，R6：第六电阻，R6*：第六星电阻，R7：第七电阻，R8：第八电阻，R9：第九电阻，R10：第十电阻，R11：第十一电阻，R12：第十二电阻，R13：第十三电阻，D4：第四二极管，D5：第五二极管，D5*：第五星二极管，D6：第六二极管，D6*：第六星二极管，D7：第七二极管，D9：第九二极管，U1：第一光耦，U2：第二光耦，Z1：第一稳压管，Z2：第二稳压管，Q1：第一三极管，Q2：第二三极管，Q3：第三三极管，Q4：第四三极管，Q5：第一场效应管，Q6：第二场效应管，C1：滤波电容。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例一

如图1和图2所示，一种用于负载储能电容的高压预充模块电路100，包括接线端子、预充电路120、用于监测预充电路120两端压差的监测反馈电路160和用于控制负载储能电容放电的自动放电电路140。

接线端子包括高压预充开关接线端KZ1、高压接触开关接线端KZ2、压差反馈接线端FB、低压供电接线端LV+、直流高压正输入端HV+_IN、直流高压负输入端HV-_IN、直流高压正输出端HV+_OUT和直流高压负输出端HV-_OUT，直流高压正输入端HV+_IN、直流高压负输入端HV-_IN连接外部电源，直流高压正输出端HV+_OUT和直流高压负输出端HV-_OUT连接负载储能电容，高压预充开关接线端KZ1、高压接触开关接线端KZ2、压差反馈接线端FB、低压供电接线端LV+连接外部控制器,外部控制器为空调控制器HVAC或热管理系统控制器TMSC。

预充电路120串联在直流高压正输入端HV+_IN与直流高压正输出端HV+_OUT之间，预充电路120的输入端连接监测反馈电路160的第一电压输入端，预充电路120的输出端连接监测反馈电路160的第二电压输入端，监测反馈电路160的输出端连接压差反馈接线端FB；自动放电电路140连接在直流高压正输出端HV+_OUT和直流高压负输出端HV-_OUT之间。

预充电路120包括并联的第一支路和第二支路，所述第一支路包括依次串联的逆接保护模块121、第一高压继电器K1和第一电阻R1，第二支路包括高压接触开关K2，第一高压继电器K1的供电线圈连接在高压预充开关接线端KZ1与低压供电接线端LV+之间，高压接触开关K2的供电线圈连接在高压接触开关接线端KZ2与低压供电接线端LV+之间，本实施例中的，逆接保护模块121采用第七二极管D7。

监测反馈电路160包括依次串联的第三电阻R3、第四高压继电器K4、第一光耦U1、第一稳压管Z1和第三三极管Q3，第一光耦U1的原边发光二极管阳极通过第四高压继电器K4和第三电阻R3连接预充电路120的输入端，第四高压继电器K4的供电线圈连接在高压预充开关接线端KZ1与低压供电接线端LV+之间，第一光耦U1的原边发光二极管阴极连接预充电路120输出端，第一光耦U1的原边发光二极管阳极和原边发光二极管阴极之间反向并联有第四二极管D4，第一光耦U1的副边三极管集电极连接第一稳压管Z1的阴极后通过第四电阻R4连接低压供电接线端LV+，第一光耦U1的副边三极管发射极接地，第一稳压管Z1的阳极连接第三三极管Q3的基极后连接有限流关断电路，第三三极管Q3的集电极通过第十二电阻R12连接低压供电接线端LV+，第三三极管Q3的集电极连接压差反馈接线端FB，限流关断电路包括第一三极管Q1和第八电阻R8，第一三极管Q1的集电极连接第三三极管Q3的基极，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的基极连接第三三极管Q3的发射极后通过第八电阻R8接地。

自动放电电路140包括串联的第三高压继电器K3和第二电阻R2，第三高压继电器K3的通电线圈通过放电控制回路分别连接高压预充开关接线端KZ1、高压接触开关接线端KZ2；所述放电控制回路的输入端连接低压供电接线端LV+，放电控制回路的第一输入端通过第六电阻R6连接低压供电接线端LV+，放电控制回路的第二输入端通过第五二极管D5连接高压预充开关接线端KZ1，放电控制回路的第三输入端通过第六二极管D6连接高压接触开关接线端KZ2，所述放电控制回路包括串联的第三高压继电器K3通电线圈、第二三极管Q2和第七电阻R7，第三高压继电器K3通电线圈远离第二三极管Q2的一端连接低压供电接线端LV+，第二三极管Q2的集电极和基极串联在第三高压继电器K3线圈和第七电阻R7之间，第二三极管Q2的基极与第七电阻R7之间连接有滤波电容C1，滤波电容C1的负极连接第二三极管Q2的发射极后接地。需指出的是，D1、D2、D3、D8均为继电器线圈上的续流二极管，此属现有，不赘述。

高压预充装置100工作初期，第一高压继电器K1先由外部控制器控制闭合，负载储能电容由第一电阻R1限流充电后电压逐渐上升，当监测反馈电路160监测到预充电路两端压差达到触发电压后，例如触发电压为30V，监测反馈电路160输出反馈信号FB由高电平翻转为低电平，以通知外部控制器断开第一高压继电器K1，闭合高压接触开关K2；当负载储能电容所处的高压电路发生故障，第一高压继电器K1闭合后，负载储能电容上电压上升较慢或不上升，预充电路120两端压差持续较高的水平，第一光耦U1原边的发光二极管一直处于导通状态，监测反馈电路160的输出信号FB在预定的时间没有翻转为低电平，外部控制器可获知该故障状态而不会控制高压接触开关K2的闭合，同时外部控制器向更上层的控制器发送故障码，通知该故障状态；当直流高压正负输入端逆接时，第一高压继电器K1闭合后，预充电路120中串接的逆接保护模块121可防止负载电路发生损坏，且此时监测反馈电路160的输出信号FB在预定的时间内没有从高电平翻转为低电平，外部控制器可获知该故障状态而不会控制高压接触器的闭合，同时外部控制器向更上层的控制器发送故障码，通知该故障状态；当外部控制器把第一高压继电器K1和高压接触开关K2均断开后，自动放电电路140根据KZ1和KZ2两个控制信号状态自动使能放电回路，使得负载储能电容上电压在短时间内放电到安全值，从而保护了安装维护人员的安全。

综上所述，本实用新型利用较低成本的压差监测反馈电路，实现了预充电路状态的监测，此外还具备逆接故障的诊断保护功能以及负载储能电路的自动放电功能，本实用新型没有采用微控制器，电路功能不易受到模块中高压大电流继电器或接触器开关工作时所带来的EMI噪声影响，工作可靠且成本低廉。

实施例二

本实施例与实施例一的结构基本相同，不同的是：如图3所示，自动放电电路140包括串联的第二场效应管Q6和第二星电阻R2*，第二场效应管Q6的G极通过放电控制回路分别连接高压预充开关接线端KZ1、高压接触开关接线端KZ2；所述放电控制回路的输入端连接直流电压VG1，直流电压VG1大于直流高压正输入端HV+_IN输入电压9～15V，所述放电控制回路包括串联的第五电阻R5、第二光耦U2和第六星电阻R6*，第二光耦U2的原边发光二极管阳极连接第六星电阻 R6*, 第二光耦U2的原边二极管阴极连接第五星二极管D5* 和第六星二极管D6*，第二光耦U2的副边集电极连接第五电阻R5和第二场效应管Q6的G极，第二光耦U2的副边三极管集电极通过第九电阻R9连接第二场效应管Q6的S极，第二光耦U2的副边三极管发射极连接第二场效应管Q6的S极，第二场效应管Q6的D极通过第二星电阻R2*连接直流高压正输出端HV+_OUT。

VG1由一小功率隔离式DC/DC模块从低压供电接线端LV+转换得到，负载储能电容的自动放电电路140中第三高压继电器K3位置可用经过隔离驱动的MOS管来代替,实际上该模块内部的高压接触开关K2外其它均可以采用固态继电器、经过隔离驱动的场效应管，经过隔离驱动的可控硅或经过隔离驱动的IGBT中的任意一种。

实施例三

本实施例与实施例一的结构基本相同，不同的是：如图4所示，逆接保护模块121包括第一场效应管Q5、第九二极管D9、第二稳压管Z2、第四三极管Q4、第十三电阻R13、第十电阻R10和第十一电阻R11，第九二极管D9、第二稳压管Z2和第十三电阻R13依次串联在直流高压正输入端HV+_IN、直流高压负输入端HV-_IN之间，第一场效应管Q5的D级和S极串联在第一支路内，第一场效应管Q5的G极通过第十一电阻R11接入截止电压VG2，截止电压VG2大于直流高压正输入端HV+_IN输入电压9～15V，第四三极管Q4的基极连接在第三十电阻R13与第二稳压管Z2之间，第四三极管Q4的发射极连接在第九二极管D9和第二稳压管Z2之间，第四三极管Q4的集电极场连接第一效应管Q5的G极，第四三极管Q4的发射极通过第十电阻R10连接第一场效应管Q5的S极，第一效应管Q5的D极通过第一高压继电器K1和第一电阻R1连接直流高压正输出端HV+_OUT。

本实施例中，逆接保护模块121采用场效应管的方案，VG2由一小功率隔离式DC/DC模块从LV+转换得到；当高压输入端正负没有反接时，由于第一场效应管Q5的G-S之间电压为VG2，第一效应管Q5导通流过预充电流，当高压输入端正负反接时，第四三极管Q4被驱动导通，从而把第一效应管Q5的G-S间电压拉到接近0V，第一效应管Q5截至不能流过预充电流；第九二极管D9为一高压小电流二极管，作用是防止第四三极管Q4的B-E极反向击穿。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。