电动和/或混合动力车辆的电池连接系统的制作方法

总体来说，本发明涉及一种电动和混合动力车辆。更具体地，本发明涉及一种系统，该系统用于连接以及断开电池和电动或混合动力车辆的牵引发动机。

本发明的一个目的是为电动和混合动力车辆提供一种简化的电池连接系统，该系统可以使用低成本制造，并且同时，其特点是提高的效率。

背景技术：

混合动力和电动车辆装有马达用于推进，该马达通过一般额定电压在300-600伏特的高电压电池提供动力。该电池和马达通过高压dc总线互相电气连接，该高压dc总线运送从电池到马达的直流电通过需要驱动马达的动力电子设备。

如图1所示，电池(1)与负载(2)的连接和断开通常由含有机电继电器的主开关(3，4)执行，该主开关(3,4)具有从负载(2)接通和断开电池(1)的能力。负载(2)包括牵引马达(8)和驱动牵引马达的动力电子常规(normally)逆变器(9)。传统上需要主熔断器(7)，以防止过载电流造成的损害。

众所周知，此类功率逆变器(9)以低电阻抗和由于电容器作为滤波器的高输入电容作为特点。最初接通主开关(3,4)前，负载(2)的电容通常是放电的，因此在电池(1)和负载(2)正常连接之前，预充电操作是必需的。

然而，电池最初连接到电容性负载时，因为从电池(1)流向电容性负载的电流仅被部件和电缆的内电阻(其值很低)限制，高峰值电流(被称为浪涌电流)会产生。该“浪涌电流”可以损害负载还有电池。因为接触器必须切换非常高的电流峰值，可能会产生损害，尤其对接触器的损害。此外，如此高电流峰值会对其他电子元件产生电磁干扰副作用。

为了防止那些不需要的“浪涌电流”，已知可以在其中一条高电压总线中使用绕过主接触器的预充电电路。图2示出了这种传统预充电电路，该电路具有与预充电继电器(5)串联的预充电电阻器(6)，尺寸被设计为可以限制预充电操作期间的最大电流，使得所有被转移至电容性负载的电流流经预充电电阻器(6)，在该电阻器中产生峰值功率耗散。

美国专利公开us-2013/0234508a1示例了用于电动车辆中高电压电池连接中使用的此类预充电拓扑。

因此，图2的传统连接电路有3种不同的操作模式：

-关闭模式：主开关(3,4)断开(off)，并且没有电流从电池(1)流至负载(2)。

-预充电模式：预充电操作期间，预充电继电器(5)闭合(on)，第一主开关(3)断开(off)，并且第二主开关(4)闭合(on)，使得逆变器(9)电容通过预充电电路充电。没有电流流至马达，只有电流为电容充电。

-开启模式：预充电继电器(5)断开，主开关(3,4)闭合(接通)，并且电流通过主开关(3,4)从电池(1)流至负载(2)。

电池的连接一天产生极少次，并且预充电操作短于500ms。所以，预充电电路的整个工作时间是可以忽略的，但即便如此，预充电电阻器(6)和预充电继电器(5)二者都不得不根据电流峰值瞬时功率设计尺寸。

技术实现要素：

本发明在附加的独立权利要求中定义。

本发明基于电动或混合动力车辆中，使用至少一个半导体开关器件作为将电池与负载连接和断开的主开关。优选地，两个主开关作为半导体开关器件被实现。

除了半导体开关取代传统的继电器之外，本发明还预知使用作为半导体实现的主开关中的一个执行预充电操作，使得传统预充电电路被消除。

因此，本发明一方面涉及含有正高压总线和负高压总线的电池连接系统，该正高压总线和负高压总线可以分别与电池的正极端子和负极端子相连，并且额外可以分别与负载的第一端子和第二端子相连。在使用中，该系统包含有通过正高压总线和负高压总线方式相连的电池和负载。

该系统进一步地包含分别连接在正高压总线和负高压总线处的第一开关和第二开关，以在之前描述的系统的开启和关闭操作模式中，选择性的连接和断开电池与负载。

需理解，电池这一术语包括任何形式的电池，例如，像一组互连的电池单元。

负载这一术语包括一个或更多个牵引马达以及相关的电子器件，包括用于驱动以及控制牵引马达所需的功率逆变器。

该系统进一步包含控制器，与第一开关器件和第二开关器件通信，也就是相连，以在开启和关闭模式期间交换(commute)(也就是接通和断开)第一开关器件和第二开关器件。

根据本发明，控制器进一步适用于执行预充电操作，以充电负载的电容。在该预充电操作中，在预定义的时间间隔内，从电池流至负载的电流被调制，以维持电流低于为负载电容充电和减小浪涌电流的限制值。这通过接通和断开作为半导体开关器件实现的主开关中的一个来执行。

优选地，控制器进一步适用于在预充电操作期间，根据负载的电压改变电流的调制。

因此，在该发明的系统中，传统预充电电路的功能通过作为半导体实施的主开关以及相关的控制器执行。因为没有预充电电路，连接系统是简化的并且生产成本是降低的。

进一步地，主接触器的代替继电器的半导体开关的使用允许半导体中短路检测的执行，进而由于短路检测和半导体部件断开比传统熔断器的时间响应更快这一事实，上述执行允许消除传统熔断器(7)。

半导体器件取代机电功率继电器的一些附加的优势有：更大的寿命，减小的重量和体积，减小的电磁噪音。

本发明另外一个目标涉及编程用于控制本发明上述描述的电池连接系统的第一开关和第二开关的可编程控制器。

附图说明

本发明优选的实施方式此后参考附图描述，其中：

图1和图2示出了现有技术的电池连接电路的电气图。

图3是根据本发明一种实施方式的电池连接系统的电气图。

图4是根据本发明另一种实施方式的电池连接系统的电气图。

图5是示出电子控制模块的图3的电池连接系统的电气图。

图6示出了本发明系统得到的带有充电电流的图表。开关器件的导通级(调制)在图底部作为方波信号表示。

具体实施方式

电池连接系统的一种优选的实施方式在图3中被示出，包含与电池(1)的正极端子相连以及额外与负载(2)的第一端子相连的正高压总线或线(10)，和与电池(1)的负极端子相连以及额外与负载(2)的第二端子相连的负高压总线或线(11)。

第一开关和第二开关分别在正高压总线和负高压总线(10,11)处连接，以选择性地将电池(1)与负载(2)连接和断开。在图3的实施方式中，第一开关是功率晶体管(13)并且第二开关是继电器(14)。在图4的实施方式中，两个开关均是功率晶体管(13，16)。

负载(2)包括马达(8)和功率逆变器(9)，该功率逆变器以一种已知的方式变换电池提供的dc电流为ac电流，以驱动马达(8)。

包含有电子可编程装置的控制器(15)与功率晶体管(13)相连，并且与第二开关相连，以接通和断开它们。应注意，与之前技术的电路不同的是，没有预充电电路。相反，该控制器(15)进一步适配，也就是，该控制器被编程，以在永久性接通功率晶体管(13)和第二开关之前，执行为负载(2)的电容充电的预充电操作。

图3的电路在下列模式之一中操作：

-关闭模式(车辆停止)：控制器(15)断开功率晶体管(13)和第二开关，电池(1)和负载断开并且没有电流流至负载(2)。

-预充电模式：在预定义的时间间隔内(例如100ms)，控制器(15)保持第二开关接通，并且通过接通和断开功率晶体管(13)调制电流。另选地，功率晶体管(13)和第二开关均同时接通和断开。通过这种方式，在为负载电容充电时，从电池流至负载的电流被调制，以维持该电流低于最大容许电流，以避免浪涌电流。

-开启模式(车辆行驶)：一旦预充电操作完成，控制器(15)闭合(接通)功率晶体管(13)和第二开关，使得电池(1)连接至负载并且马达被供电。

用于执行控制的预充电的调制技术包括渐进的调制，其中，晶体管(13)使用可调的占空比以高速频率交换成接通和断开；占空比＝比例on/off：

-其中on状态中：晶体管允许电流流通，并且一定量的能量从电池转移至接线的电感，并且

-其中off状态中：晶体管断开，并且没有能量从电池转移。在此时间期间，存储在接线(高压总线)的电感中的能量可以被转移至负载。高频率下使用pwm调制，接线的低电感足以过滤能够顺利流至负载的电流。

因此，本发明一个附加的优势是，接线的电感作为电感器过滤电流，使得不需要额外的缠绕(wounded)的电感器。

此外，续流二极管(12)可以被用来允许存储在接线电感中的能量在关闭模式期间可以流至负载。

优选地，控制器(15)以此种方式被编程，使得占空比可以依赖于负载处的电压变化被动态调整。

为了该目的，连接至高压输出总线(10,11)的电压测量装置被提供，以测量负载处的电压。在这些输出总线中测得的电压是输出电容器处的电压，并且该电压被控制器(15)用来调制功率晶体管(13)的切换。

采用这种方式，当电容器放电时，占空比被设置在最小导通。一旦电容器获得更多的电压负载，占空比逐渐增加。通过这种方式，电容器槽(tank)的浪涌电流按预期被调制。

作为结果并如图6所示，在预充电操作期间，与负载处电压无关，充电电流大体上恒定。