使用具有集成的电压转换器的继电器的车辆电力分配的制作方法

本公开的多个方面涉及使用具有集成的电压转换器的继电器的车辆电力分配，所述电压转换器用于将来自车辆电源的电压转换为车辆电力负载可接受的电压。

背景技术：

车辆通常包括用于为多种多样的车辆组件和附件供电的低电压电力分配系统。代表性的汽车应用和运输车辆应用可分别包括12v的低电压电力分配系统或24v的低电压电力分配系统，以为车辆控制模块(诸如，动力传动系统控制器、车身控制器、电池控制器等)以及车辆照明、hvac、车窗、镜子、雨刮器、信息娱乐系统、导航系统和无数其它系统、马达、致动器、传感器、模块等供电。对车辆电力分配系统的不断增长的需求正在接近12v和24v系统的实际限制。因此，例如，更高的电压水平(诸如，48v)已经在汽车工业中被提出和讨论了几年。然而，各种附件、组件或装置可能不与新的、更高的电压相兼容。为了解决这个问题，各个汽车oem和供应商已经提出了具有用于将两个电压分配系统连接在一起的高电力双向转换器的双电压或双重电压分配系统。

当前提出的双重电压分配系统包括许多设计挑战。例如，转换器通常仅在有限的负载操作范围内高效地操作。提出的系统还采用第二电池，第二电池增加了系统的成本和复杂度并且需要额外的电压和电流监测。这些系统还将在更复杂的线束中使用额外的铜线，以将每个电压水平提供给设置在整个车辆上的负载。这些系统的灵活性对于未来的系统更新而言也是有限的。

技术实现要素：

在各个实施例中，一种用于车辆电力分配的系统包括电池、负载和继电器，所述电池具有第二电压或标称电压，所述负载具有与标称电压不同的第一电压或额定电压，所述继电器包括：用于将第二电压或标称电压转换为第一电压或额定电压的电路以及被配置为响应于施加到所述继电器的输入的来自车辆控制器的控制信号而选择性地使用第一电压或额定电压给所述负载供电的输出。所述继电器可由单片固态继电器来实现，所述单片固态继电器具有用于将标称电压降低至额定电压的集成电路。在各个实施例中，所述继电器被配置为选择性地将所述输出连接到地。电压转换电路可包括使用晶体管降低(step-down)标称电压的电路、连接到所述晶体管的输出滤波器和控制器，所述控制器连接到所述晶体管且被配置为：产生具有基于标称电压和额定电压的占空比的脉冲宽度调制(pwm)开关信号。所述输出滤波器可由l-c滤波器来实现。所述系统除了包括具有标称电压的电池以外，还可包括牵引电池以及连接到所述牵引电池和所述具有标称电压的电池的dc/dc转换器。

在各个实施例中，具有集成的电压转换器的继电器包括用于降低标称电压的电路，所述电路包括晶体管、二极管、电感器、电容器和控制器，所述晶体管具有源极、漏极和栅极，所述二极管连接在所述漏极和地之间，所述电感器连接到所述源极，所述电容器连接在所述电感器与地之间，所述控制器被配置为：产生连接到所述栅极的开关信号，所述开关信号具有基于标称电压和额定电压的占空比。在一个实施例中，标称电压为48v，额定电压为12v，占空比或“导通”时间为0.25或25％。所述继电器还可包括电压保护二极管，所述电压保护二极管极性相反地连接在所述漏极与所述栅极之间。一些实施例提供连接在所述负载与所述控制器之间的电流感测电路以及连接在所述负载两端且连接到所述控制器的电压感测电路。

根据本公开的实施例还可包括一种用于车辆电力分配的方法，所述方法包括：通过具有集成的电压转换器的继电器，为具有低于来自车辆电源的第二电压的第一电压的车辆电力负载供电，其中，所述继电器响应于来自车辆控制器的继电器输入信号而将第二电压转换为第一电压并给所述车辆电力负载供电。所述继电器可由具有集成电路的单片固态继电器来实现，所述集成电路包括连接到脉冲宽度调制控制器的开关晶体管，所述脉冲宽度调制控制器被配置为产生具有基于第一电压和第二电压的占空比的开关信号。所述方法还可包括：所述脉冲宽度调制控制器分别经由关联的电流感测电路和电压感测电路来监测提供到所述车辆电力负载的电流和电压。

根据本发明的一个实施例，所述继电器包括单片固态继电器。

根据本发明的一个实施例，所述继电器包括具有集成电路的单片固态继电器，所述集成电路包括连接到脉冲宽度调制控制器的开关晶体管，所述脉冲宽度调制控制器被配置为产生具有基于第一电压和第二电压的占空比的开关信号。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：使用所述脉冲宽度调制控制器来监测提供到车辆电力负载的电流和电压。

根据本发明的一个实施例，所述集成的降压式电压转换器包括l-c输出滤波器。

一种车辆电力分配系统的各个实施例包括单片固态继电器，所述单片固态继电器包括集成电路，所述集成电路用于将标称车辆电池电压转换为车辆电力负载的供电电压并且用于响应于施加到所述继电器的输入的来自车辆控制器的控制信号而选择性地给所述车辆电力负载供电。所述集成电路可包括晶体管、控制器和输出滤波器，所述控制器连接到所述晶体管并且产生具有基于所述标称车辆电池电压和所述供电电压的预定占空比的开关信号，所述输出滤波器包括连接到所述晶体管的电感器和二极管以及连接到所述电感器的电容器。所述系统还可包括极性相反地串联连接在所述晶体管的栅极和漏极之间的电压保护二极管。还可提供电压感测电路和电流感测电路，所述电压感测电路连接到所述控制器并且被配置为监测继电器输出电压，所述电流感测电路连接到所述控制器并且被配置为监测继电器输出电流。

根据本公开的实施例可提供一个或更多个优点。例如，根据本公开的使用具有集成的电压转换器的继电器的车辆电力分配系统可在消除对于用于传统组件或附件的第二辅助电池的需求的同时，提供更高电压(诸如，48v)的电池。类似地，具有集成的降压转换器的继电器的使用消除了对于在宽输出功率范围内具有高效率的高功率dc/dc转换器的需求并且降低了电力监测的复杂度。通过针对具有与标称电池电压不同的电压要求的特定负载或装置使用不同的继电器，根据本公开的实施例的具有集成的电压转换器的继电器提高了车辆电力分配系统适应于具有宽范围的操作电压的组件或附件的灵活性。系统可通过改变继电器或开关装置而不是改变辅助电池、线束等来适应具有不同的电压要求的未来装置。根据本公开的实施例的具有集成的电压转换器的继电器还降低了线束的复杂度并且减少了双电压或多电压电力分配系统所需要的铜的量。

当结合附图考虑时，通过下面的详细描述，以上优点以及与各个实施例关联的其它优点和特征对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。

附图说明

图1是根据代表性电动车辆实施例的拥有具有集成的电压转换器的继电器的车辆电力分配系统的框图；

图2是示出根据代表性实施例的使用具有集成的降压转换器的继电器进行电力分配的系统或方法的操作的简化电路示意图；

图3示出了根据多个实施例的具有集成的降压式电压转换器的继电器的代表性信号。

具体实施方式

根据需要，在此公开了详细的实施例；然而，应理解的是，所公开的实施例仅代表所要求保护的主题，并且可以以各种形式和替代形式来实施。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各个特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生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各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。

本公开的实施例总体上提供多个电路，所述多个电路包括各种电气组件，以使用具有集成的电压转换器的继电器来提供电力分配，从而通过响应于控制信号来选择性地将电力负载连接到电源或接地来为电力负载、附件、组件、装置等供电。对所述电路和其它电气装置以及由它们中的每一个提供的功能的所有提及都不意在限于仅涵盖在此示出和描述的那些配置。虽然特定的标号可被分配给公开的各种电路或者其它电气组件或装置，但是这样的标号并不意在限制所述电路和其它电气装置的操作范围。应认识到的是，在此公开的任何电路或其它电气装置可包括任意数量的离散的无源组件和有源组件(诸如，电阻器、电容器、晶体管、放大器、模/数转换器(adc或a/d转换器))、微处理器、集成电路、非暂时性存储装置(例如，闪存、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)或上述项的其它适当变型)以及软件，它们彼此协作以执行在此公开的操作。此外，所述电气装置中的任意一个或更多个可被配置为执行在非暂时性计算机可读介质中实现的计算机程序，其中，所述计算机程序包括用于将计算机或控制器配置为执行公开的任意数量的功能的指令。

图1是具有使用具有集成的电压转换器的继电器的电力分配系统的代表性电动车辆的框图。尽管在该代表性实施例中示出了具有内燃发动机的插电式混合动力车辆，但是本领域的普通技术人员将认识到，具有集成的电压转换器的继电器的公开的实施例也可被用在电力分配系统和方法的其它应用中，并且不依赖于特定的车辆动力传动系统。代表性车辆应用可包括具有提供标称电池电压的电池以及具有与标称电池电压不同的供电电压或额定电压的一个或更多个选择性地供电的电力负载的常规内燃发动机车辆、混合动力车辆、电动车辆或任何其它类型的车辆。

具有集成的电压转换器的继电器的实施例包括由具有在单片基板上制造的电气组件的单片固态装置实现的各种实施例。本领域的普通技术人员可认识到与具有集成的电压转换器的继电器的单片或集成电路实施方式关联的、相对于离散组件实施方式的与降低的成本、提高的可靠性、降低的复杂度等有关的各种优点。

在图1所示的代表性应用中，插电式混合动力电动车辆112可包括机械连接到混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114能够作为马达或发电机操作。对于混合动力车辆，传动装置116机械连接到内燃发动机118。传动装置116还机械连接到驱动轴120，驱动轴120机械连接到车轮122。在此的描述同样适用于电池电动车辆(bev)，在电池电动车辆中，混合动力传动装置116可以是连接到电机114的齿轮箱并且如前所述可省略发动机118。无论发动机118是否正在运行，电机114都可提供推进和减速能力。电机114还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掉的能量来提供燃料经济性效益。

对于图1中示出的电力分配系统的混合动力或电力车辆应用，牵引电池或牵引电池组124在连接到一起的多个单独的电池单元中储存可被电机114使用的能量。尽管电压和电流可根据特定的操作状况和负载而变化，但是车辆电池组124通常向高电压总线150提供高电压dc输出。牵引电池组124电连接到一个或更多个外部电路152，一个或更多个外部电路152可包括例如电力电子或逆变器电路126、dc/dc转换器电路128和/或电力转换模块132。一个或更多个接触器可在被断开时将牵引电池组124与其它组件隔离，并且可在被闭合时将牵引电池组124连接到其它组件。

牵引电池组124除了提供用于推进的能量之外，还可为连接到高电压总线150的其它外部电路152提供能量。车辆112的电力分配系统还可包括dc/dc转换器模块或电路128，dc/dc转换器模块或电路128将牵引电池124的高电压dc输出转换为与可直接连接的其它车辆负载相兼容的低电压dc供应。其它外部高电压电路或负载(诸如，用于车厢加热器或组件加热器的外部高电压电路或负载)可不使用dc/dc转换器模块128而直接连接到高电压总线150。

车辆112还可包括具有标称电压(例如，诸如24v或48v)的辅助电池130。如本领域的普通技术人员所理解的，由辅助电池130提供的实际电压在操作期间将根据多个环境和操作状况(诸如，温度、电池荷电、电流、电池寿命等)而变化。辅助电池130也可被称作低电压电池、起动机电池或者简单地称作用于各种应用(特别是没有高电压牵引电池的应用)的车辆电池。辅助电池130可被用于为各个车辆系统和子系统的各种低电压组件、控制器、模块、马达、致动器、传感器等供电，所述各种低电压组件、控制器、模块、马达、致动器、传感器等具有与辅助电池130的标称电压不同的额定电压或供电电压并且一般由电力负载160表示。一个或更多个继电器/电压转换器168为具有比来自由辅助电池130表示的车辆电源的标称电压或第二电压低的供电电压或第一电压的车辆电力负载160供电。在该实施例中，继电器/电压转换器168包括具有集成的降压式电压转换器的继电器，所述降压式电压转换器响应于由车辆控制模块(vcm)172提供的继电器输入信号170而将第二电压转换为第一电压。

如针对图2和图3更详细地描述的，继电器/电压转换器168可由包括集成电路的单片固态继电器来实现，以响应于来自车辆控制器(诸如，vcm172)的施加到继电器168的输入的控制信号170而将车辆辅助电池130的标称电压(在一个实施例中为48v)转换为车辆电力负载160的供电电压或额定电压(在一个实施例中为12v)并选择性地为车辆电力负载160供电。

牵引电池组124可通过外部电源136进行再充电。外部电源136可以是到连接到电网的电插座的连接。外部电源136可电连接到电动车辆供电设备(evse)138。evse138可提供用于调节和管理电源136与车辆112之间的能量传输的电路及控制。外部电源136可向evse138提供dc或ac电力。evse138可具有用于插入车辆112的充电端口134的充电连接器140。充电端口134可电连接到充电器或车载电力转换模块132。可选地，被描述为电连接的各种组件可使用无线感应耦合来传输电力。

图1中示出的各个组件可具有用于控制和监测组件的操作的一个或更多个关联的控制器、控制模块和/或处理器(诸如，vcm172)。控制器可经由串行外围接口(spi)总线(例如，控制器局域网(can))或经由离散导体进行通信。例如，各种操作参数或变量可使用can或其它导体被广播或发布，以供车辆控制模块或子模块用于控制车辆或车辆组件(诸如，牵引电池组124或电力负载160)。一个或更多个控制器可以以独立的方式进行操作，而不与一个或更多个其它控制器进行通信。控制器可包括电池能量控制模块(becm)146，以控制各种充电和放电功能、电池单元电荷平衡、电池组电压测量、单独的电池单元电压测量、电池过充电保护、电池过放电保护、电池寿命终止确定等。控制器可包括各种类型的非暂时性计算机可读存储介质和/或与各种类型的非暂时性计算机可读存储介质进行通信以存储控制逻辑、算法、程序、操作变量等，其中，所述非暂时性计算机可读存储介质包括持久性存储装置和临时性存储装置。一个或更多个控制器可根据特定的应用和实施方式连接到一个或更多个关联的继电器/电压转换器168以提供控制信号，从而通过选择性地将继电器/电压转换器168的输出连接到电源或地来给关联的负载供电。

图2是示出根据代表性实施例的使用具有集成的降压转换器的继电器进行电力分配的系统或方法的操作的简化电路示意图。继电器/电压转换器168的功能是：在防止过电流、过电压和过温度状况的同时，选择性地给连接的电力负载通电或供电以及提供集成的降压式电压转换。在一个实施例中，示出的电路在单片固态装置中被实现，并且可被用于通过消除对用于适应具有不同于标称电池电压的电压要求的电力负载的辅助电力分配系统的需求来改善电力分配系统的效率和性能。兼容的电力负载可直接连接到辅助电池，而需要不同的电压的传统组件或装置(legacycomponentsordevices)可通过集成的继电器/电压转换器168被选择性地供电。所述传统组件或装置与较新的48v的电源不兼容。

本领域的普通技术人员将认识到，与图2的简化电路示意图中示出的继电器类似的具有集成的电压转换器的继电器的各种应用可包括：例如用于提供描述的功能或增强的功能(诸如，操作状态或与车辆网络的通信)的额外的电路组件。继电器168包括连接到电压转换部分212的继电器或开关部分210。在该实施例中，继电器部分210和电压转换部分212共享由晶体管220实现的公共开关装置。在其它实施例中，继电器部分210可通过多个可商购的固态继电器结构中的任何一个来实现，所述固态继电器结构具有连接到电压下降转换器或降压转换器的单独的晶体管或其它开关装置。晶体管220可由用于正在被供电的特定负载的任何合适类型的晶体管和技术来实现。在一个实施例中，晶体管220是场效应晶体管(fet)，而其它更高电压的实施例可利用绝缘栅门极晶体管(igbt)。

晶体管220包括漏极222、栅极224、源极226和基极或体连接(bulkconnection)228，所述基极或体连接228通常连接到漏极222或源极226。系统可包括过电压保护电路240，过电压保护电路240由在晶体管220的漏极222和栅极224之间极性相反地串联连接的二极管242和244来实现。由脉冲宽度调制(pwm)控制器250来实现的开关控制器连接到晶体管220的栅极224，并且被配置为提供具有至少部分地基于标称电池电压v2和连接的电力负载160(图1)的额定或供电电压v1的占空比“导通”时间的开关信号。

还如图2所示，在该代表性实施例中由l-c滤波器实现的输出滤波器包括连接到源极226且连接到电容器274的电感器270。电路还包括连接到漏极222和电感器270的二极管276。电流感测电路280和电压感测电路282连接到控制器250以提供电流和电压监测。控制器250可包括用于监测输出电流和电压的控制逻辑或编程，以通过禁用或断开晶体管220来提供过电流保护和过电压保护。控制器250可包括输入286，输入286接收来自vcm172(图1)的信号以通过将关联的开关信号施加到晶体管220的栅极224来给任何连接的电力负载供电。

图3示出了根据多个实施例的具有集成的降压式电压转换器的继电器的代表性电压波形。代表性电压波形示出了在图1和图2中示出的集成的继电器/电压转换器168的各个点290、292和294处在整个开关周期作为时间的函数的电压。参照图1至图3，电压310表示车辆辅助电源的标称电压v2(通常由低电压或辅助电池130提供)。在示出的代表性实施例中，v2是48伏特(v)并且表示简化电路原理图的点290处的电压，电压320是点292处的电压，其中，点292处的电压由pwm控制器250生成的相应的脉冲宽度调制信号来产生并且被施加到栅极224以响应于施加到输入286的来自车辆控制器(诸如，vcm172)的控制信号而给连接的电力负载供电。施加到栅极224的pwm信号可具有比电压320更低的电压幅值。电压330表示简化示意电路的点294处的滤波后的输出电压，所述滤波后的输出电压具有(如由虚线340表示的)额定dc电压v1。

pwm开关信号的占空比和产生的未滤波的输出电压320基于由v2表示的期望的电池电压和由v1表示的连接的电力负载的供电电压或额定电压而被确定。所述占空比可通过将从时间t1到时间t2的晶体管220的“导通”时间除以由时间t1到时间t3表示的单个开关周期的循环时间来指定。在具有48v的标称电池电压和12v的代表性电力负载的额定电压或供电电压的一个实施例中，pwm控制器250产生占空比为0.25或25％的开关信号，所述开关信号被施加到晶体管220的栅极224。

因此，根据本公开的实施例(诸如，上面描述的代表性实施例)可针对各种各样的应用提供相对于各种现有技术或提出的电力分配策略的一个或更多个优点。例如，根据本公开的使用具有集成的降压式转换器或降压转换器的继电器的电力分配系统可在消除对于用于传统组件或附件的第二辅助电池的需求的同时，提供更高电压(诸如，48v)的电池。类似地，具有集成的电压转换器的继电器的使用消除了对于在宽输出功率范围内具有高效率的高功率dc/dc转换器的需要并且降低了电力监测的复杂度。通过针对具有与标称电池电压不同的额定电压的特定负载或装置使用不同的继电器，根据本公开的实施例的具有集成的电压转换器的继电器提高了车辆电力分配系统适应于具有宽范围的操作电压的组件或附件的灵活性。系统可通过改变继电器或开关装置而不是改变辅助电池、线束等来适应具有不同的电压要求的未来装置。根据本公开的实施例的具有集成的电压转换器的继电器还降低了线束的复杂度并减少了双电压或多电压电力分配系统所需要的铜的量。

尽管上面描述了代表性性实施例，但并不意在这些实施例描述了所要求保护的主题的所有可能形式。更确切地，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，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出各种改变。另外，各个实现的实施例的特征可被组合，以形成未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者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性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，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、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。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一定在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。