一种大容性负载预充电路及其工作方法与流程

1.本发明涉及负载预充电路技术领域，尤其涉及一种大容性负载预充电路及其工作方法。


背景技术：

2.电动汽车电池组是整车动力及供电的主要来源，有的时候动力电池的后端用电设备形式也是各样的，但是这些设备一般都有等效容性负载的特性，电容值有大有小视设备而定，系统启动时，动力电池首先要将后端用电设备的等效容性负载预先充满后，动力电池才会进一步提供更多的电量更大的电流；但是在动力电池给容性负载预充的开始时，电容两端的电压基本是0v，那么这个时刻就相当于电池短路，如果容性负载容值超过10000uf，短路事件更容易被触发，所以保证较大容性负载可以被正常有效充满，即预充时间不可以过长一般在1-3s内完成，并不触发短路或过流事件是对bms产品设计的基本要求。
3.现有的预充电路基本上采用预充限流电阻进行限流预充，但是这种方式存在预充电流是随着容性负载电压升高而线性下降的，即预充尾端电流越来越小甚至有充不满的可能性，预充效率低，效果相对较差，且体积大，功率大，成本高。
4.因此，有必要设计一种新的电路，实现对大容性负载进行预充，低成本，体积小，提高预充效率和改善预充效果。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种大容性负载预充电路及其工作方法。
6.为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种大容性负载预充电路，包括控制单元、电压转换单元以及pwm预充单元，所述电压转换单元以及所述pwm预充单元分别与所述控制单元连接，所述电压转换单元以及所述pwm预充单元分别连接有负载，所述pwm预充单元包括预充开关元件以及限流元件，所述预充开关元件与所述限流元件连接，所述限流元件与所述负载连接，所述预充开关元件与所述控制单元连接；通过控制单元对所述预充开关元件的通断控制以及所述限流元件对预充电流的限制，以实现对负载的预充电流平均值和预充电流峰值的限制。
7.其进一步技术方案为：所述预充开关元件包括预充mos管q1。
8.其进一步技术方案为：所述限流元件包括功率电感l1，所述预充mos管q1的漏极与所述功率电感l1连接，所述预充mos管q1的栅极和源极分别与所述控制单元连接。
9.其进一步技术方案为：所述控制单元的输出端脚还连接有充放电开关元件，所述充放电开关元件的一端连接于所述控制单元与所述预充mos管q1的源极之间，所述充放电开关元件的另一端与负载连接。
10.其进一步技术方案为：所述充放电开关元件包括充电mos管以及放电mos管。
11.其进一步技术方案为：所述充放电开关元件包括充电功率继电器以及放电功率继电器。
12.其进一步技术方案为：所述功率电感l1与所述负载之间连接有二极管d2。
13.另外，本发明要解决的技术问题是还在于提供一种大容性负载预充电路的工作方法，所述工作方法适用于上述的大容性负载预充电路，包括：通过控制单元对预充开关元件的通断控制以及限流元件对预充电流的限制，以实现对负载的预充电流平均值和预充电流峰值的限制。
14.其进一步技术方案为：所述通过控制单元对所述预充开关元件的通断控制以及所述限流元件对预充电流的限制，以实现对负载的预充电流平均值和预充电流峰值的限制，包括：系统初始上电或充放电开关元件断开时，预充开关元件处于导通状态，当控制单元检测到有启动电流时，关断预充开关元件；控制单元通过负载当前电压值和电池组当前电压值的压差实时输出pwm脉冲波，以控制预充开关元件的导通或关断，以确保对负载的预充电流平均值和预充电流峰值限制在设定范围内；当负载的电量被充设定范围值时，控制单元控制充放电开关元件导通，当负载的电量被充满时，控制单元断开预充开关元件。
15.其进一步技术方案为：所述当负载的电量被充设定范围值时，控制单元控制充放电开关元件导通，当负载的电量被充满时，控制单元断开预充开关元件之后，还包括：当系统下电后重启或工作过程有主回路故障时，断开充放电开关元件，并执行所述系统初始上电或充放电开关元件断开时，预充开关元件处于导通状态，当控制单元检测到有启动电流时，关断预充开关元件。
16.本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过设置控制单元、电压转换单元以及pwm预充单元，利用pwm预充单元的预充开关元件的快速通断响应功能以及限流元件对电流的限制功能，实现对负载的预充电流平均值和预充电流峰值的限制，进而达到对容性负载的预充，采用的是电感和mos管，无需使用预充电阻实现对电流的限制，可实现对大容性负载进行预充，低成本，体积小，提高预充效率和改善预充效果。
17.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例提供的一种大容性负载预充电路的示意性框图；图2为本发明实施例提供的一种大容性负载预充电路的具体电路原理图；图3为本发明实施例提供的回路电流波形的示意图；图中标识说明：10、控制单元；20、电压转换单元；30、pwm预充单元；40、负载。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
22.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
23.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
24.请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种大容性负载预充电路的示意性框图，该电路可以运用在电动汽车电池组对负载40进行充电的过程中，实现对大容性负载进行预充，低成本，体积小，提高预充效率和改善预充效果。
25.请参阅图1，一种大容性负载预充电路，包括控制单元10、电压转换单元20以及pwm预充单元30，电压转换单元20以及pwm预充单元30分别与控制单元10连接，电压转换单元20以及pwm预充单元30分别连接有负载40，pwm预充单元30包括预充开关元件以及限流元件，预充开关元件与限流元件连接，限流元件与负载40连接，预充开关元件与控制单元10连接；通过控制单元10对预充开关元件的通断控制以及限流元件对预充电流的限制，以实现对负载40的预充电流平均值和预充电流峰值的限制。
26.利用对pwm预充单元30的控制，实现借助mos管的快速通断响应功能和功率电感对电流的阻碍作用，将对负载40的预充电流平均值和预充电流峰值进行限制，实现对容性负载40的预充，所采用的器件均是基础原件，通过简单的电压采样、电流检测电路、pwm预充电路等，并用电感作为电流阻碍元件，功率mos管作为预充回路开关器件结合pwm控制的思路，实现了低成本，体积小，高效率的大容性负载预充设计解决方案。
27.在一实施例中，请参阅图2，上述的预充开关元件包括预充mos管q1。
28.在一实施例中，请参阅图2，限流元件包括功率电感l1，预充mos管q1的漏极与功率电感l1连接，预充mos管q1的栅极和源极分别与控制单元10连接。
29.在pwm预充过程中，控制器通过电压转换单元20检测容性负载40当前电压值vc，并通过负载40检测电池组当前电压值vb，计算vb与vc的电压差值vdif = vb-vc，控制单元10根据vdif的电压值实时动态的输出不同频率不同占空比的pwm脉冲波形控制功率预充mos管q1的导通关断，同时保证这个过程中预充的峰值电流被控制在iprepk，预充的平均电流控制在ipreavg ，因为峰值电流和平均电流如果控制不好，功率电感l1和预充mos管q1会因为电流过大而有损坏风险，或者会因为电流过小而实现不了正常预充功能；正常来说后端容性负载40会被基本线性的充满，但是尾端的容性负载40的电压上升斜率会稍微减小，基本思路是电压差值vdif最大时，pwm频率高，高电平占空比低，随着电压差值vdif的减小，pwm频率会变低，同时高电平占空比适当变高。如果pwm预充过程中发生真实短路，即容性负载40的电压突然变为0v，或预充故障，即超过了规定预充时间，容性负载40还没有正常充满，程序立刻停止pwm的输出，关断预充mos管q1，同时上报预充故障。
30.在一实施例中，请参阅图2，上述的控制单元10的输出端脚还连接有充放电开关元件，充放电开关元件的一端连接于控制单元10与预充mos管q1的源极之间，充放电开关元件的另一端与负载40连接。
31.具体地，充放电开关元件包括充电mos管以及放电mos管。
32.于其他实施例，上述的充放电开关元件包括充电功率继电器以及放电功率继电器。
33.在一实施例中，请参阅图2，功率电感l1与负载40之间连接有二极管d2。
34.具体地，控制单元10包括控制芯片u1，控制芯片u1的outa端脚与vdd端脚之间连接有电阻r2、二极管d1以及电阻r3，上述的控制芯片u1的vdd端脚通过电容c3和电容c2分别接地。
35.在本实施例中，上述的控制单元10还连接有与电池组负极连接的电流采集电阻r5。
36.在本实施例中，上述的负载40指的是容性负载40，且容性负载40的一端连接电池组负极，另一端连接电池组正极。
37.具体地，系统初始上电或充放电开关元件是断开的，预充mos管q1先处于导通状态，一旦控制单元10通过反馈网络visample 检测到有超过istart的启动启动电流立刻关断预充mos管q1，然后程序进入pwm预充逻辑；在pwm预充过程中，控制器通过电压转换单元20检测容性负载40当前电压值vc，并通过负载40检测电池组当前电压值vb，计算vb与vc的电压差值vdif = vb-vc，控制单元10根据vdif的电压值实时动态的输出不同频率不同占空比的pwm脉冲波形控制功率预充mos管q1的导通关断，同时保证这个过程中预充的峰值电流被控制在iprepk，预充的平均电流控制在ipreavg，因为峰值电流和平均电流如果控制不好，功率电感l1和预充mos管q1会因为电流过大而有损坏风险，或者会因为电流过小而实现不了正常预充功能；正常来说后端容性负载40会被基本线性的充满，但是尾端的容性负载40的电压上升斜率会稍微减小，基本思路是电压差值vdif最大时，pwm频率高，高电平占空比低，随着电压差值vdif的减小，pwm频率会变低，同时高电平占空比适当变高。如果pwm预充过程中发生真实短路，即容性负载40的电压突然变为0v，或预充故障，即超过了规定预充时间，容性负载40还没有正常充满，程序立刻停止pwm的输出，关断预充mos管q1，同时上报预充故障。当容性负载40被充至电池组电压的95%以上时，此时可以控制充放电开关元件导通，而不会触发主回路的过流或短路事件的发生，这样后端容性负载40会被完全充满，系统可以正常工作，此时断开预充mos管q1；系统正常下电后重启或工作过程中有主回路故障则先断开充放电开关元件，然后进入系统初始上电或充放电开关元件是断开的，预充mos管q1先处于导通状态，一旦控制单元10通过反馈网络visample 检测到有超过istart的启动电流立刻关断预充mos管q1，然后程序进入pwm预充逻辑。
38.举个例子：如图3所示，关于15000uf大容性负载预充，其中，iprepk为预充的峰值电流；ipreavg为预充的平均电流；理论计算的预充时间tpre =（容性负载c * 电池电压u）/ ipreavg =15000uf*84v/1a=1.26s；根据实际电路调试也验证了以上理论设计的正确性及可行性，根据实际预充电路的容性负载上的电压波形，可见预充时间1.25s左右和理论计算1.26s基本一致，而且容性负载电压波形基本控制在线性上升，保证了比较好的预充效果。
39.上述的一种大容性负载预充电路，通过设置控制单元10、电压转换单元20以及pwm
预充单元30，利用pwm预充单元30的预充开关元件的快速通断响应功能以及限流元件对电流的限制功能，实现对负载40的预充电流平均值和预充电流峰值的限制，进而达到对容性负载40的预充，采用的是电感和mos管，无需使用预充电阻实现对电流的限制，可实现对大容性负载进行预充，低成本，体积小，提高预充效率和改善预充效果。
40.在一实施例中，还提供了一种大容性负载预充电路的工作方法，工作方法适用于上述的大容性负载预充电路，包括：通过控制单元10对预充开关元件的通断控制以及限流元件对预充电流的限制，以实现对负载40的预充电流平均值和预充电流峰值的限制。
41.具体地，系统初始上电或充放电开关元件断开时，预充开关元件处于导通状态，当控制单元10检测到有启动电流时，关断预充开关元件；控制单元10通过负载40当前电压值和电池组当前电压值的压差实时输出pwm脉冲波，以控制预充开关元件的导通或关断，以确保对负载40的预充电流平均值和预充电流峰值限制在设定范围内；当负载40的电量被充设定范围值时，控制单元10控制充放电开关元件导通，当负载40的电量被充满时，控制单元10断开预充开关元件。
42.另外，当负载40的电量被充设定范围值时，控制单元10控制充放电开关元件导通，当负载40的电量被充满时，控制单元10断开预充开关元件之后，还包括：当系统下电后重启或工作过程有主回路故障时，断开充放电开关元件，并执行系统初始上电或充放电开关元件断开时，预充开关元件处于导通状态，当控制单元10检测到有启动电流时，关断预充开关元件。
43.需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，一种大容性负载预充电路的工作方法的具体实现过程，可以参考前述的大容性负载预充电路实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。
44.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。