车辆预充电系统的制作方法

1.本主题总体涉及一种车辆。更具体地但非排他地，本主题涉及一种系统，用于车辆的预充电系统。


背景技术：

2.使用电池作为车辆运行的能源的车辆，由于对产生足够的牵引力的要求较高，一般采用高压电池组。电池组通常包括主接触器，以便将电池电源切换到负载。该电路包括一些电容，当接触器闭合时，这些电容会产生大量浪涌电流。为了克服浪涌电流，电路设置有预充电电路。预充电电路可以包括与接触器串联、跨接在接触器上的电阻器或电感器和诸如单结二极管之类的半导体设备的组合。
3.其他预充电技术可以包括增加整流器中的半导体设备(例如，晶闸管)的触发角，直到直流母线上的电容器充电到一定水平或者在直流电容器充电后经由接触器将具有接触器的电阻器与旁路电阻器并联连接。在另一种类型的预充电电路中可能涉及三相开关，该开关可以连接到直流母线以对直流母线进行预充电或断开直流母线。
附图说明
4.图1示出了包括本主题的示例性车辆的左视图。
5.图2示出了描绘本主题的基本部件的框图。
6.图3示出了包括本主题的电路层级图。
7.图4示出了本主题中所使用的系统的流程图。
具体实施方式
8.通常，在电气设备的能源充电或放电期间，在首次通电时一定数量的输入波形周期内，电气设备在接通时带来的最大瞬时输入电流可能是正常满载电流的数倍。这通常称为输入冲击电流或浪涌电流，并且由于较高的电容器初始功率负载，该输入冲击电流会在短时间内出现。因此，许多电路需要保护以避免这种浪涌电流。在频繁接通或关闭电气设备的情况下，浪涌电流的可能性会增加，这不利于系统的耐用性和安全性。
9.dc(直流)母线电容器通常与所有大功率电源一起存在以提供纹波电流。这些直流母线电容器将会消耗高浪涌电流，同时关闭主继电器接触器，该主继电器接触器将大功率电源连接到具有逆变电路桥的直流母线。这种浪涌电流会导致接触器和电源(通常是电池)出现高峰值，这会损坏或缩短两个系统的寿命。此外，接触器中的高浪涌电流会导致接触器材料的永久性焊接。由于电池单元上过电流应变，频繁的高浪涌电流问题会造成电池的寿命缩短。因此，为了避免这些高浪涌电流，预充电电路通常与主接触器并联使用。
10.典型的预充电电路可以由与电阻器串联的开关组成，该电阻器与主接触器并联连接。在接通主接触器之前，预充电开关是闭合的，并且电流流经预充电开关和电阻器。预计预充电过程会在短时间内完成，以便其他过程及时完成而不会造成任何损失或损坏。充电
时间取决于rc(电阻
‑
电容)时间常数。该预充电电阻器必须足够大以限制浪涌电流，这会导致不希望的较长延迟，并且直流母线电容必须具有相对较大的电容，根据公式1/2cv^2，这会导致高电容势能损失。此外，主直流母线上附加负载的存在会通过增加阻抗来影响预充电。
11.使用电阻器和使用诸如增加半导体设备的触发角之类的技术的设备和方法导致功率消耗和热耗散的增加。涉及一个或多个断路器以将驱动器与直流母线连接或断开的技术增加了整体尺寸。因此，需要提供一种改进的预充电系统，该预充电系统是紧凑的、有成本效益的且高效的，克服了现有技术中的所有上述问题和其他问题。
12.本主题提供一种预充电系统和方法，该预充电系统和方法被配置为自动检测直流母线电压，将直流母线电压与电池电压进行比较并防止由于一个或多个电容器的存在而导致突然的浪涌电流，从而防止对接触器继电器开关的潜在损坏。此外，本主题提供了一种控制器以监测耦合到逆变电路的电容器的充电。
13.本主题的另一实施例通过提供脉宽调制(pwm)信号以限制来自电池的峰值电流以及控制充电速率来经由控制器控制占空比。
14.本主题的又一实施例提供具有两个mosfet开关的预充电电路。其中一个开关是开关mosfet，它被馈入pwm(脉宽调制信号)(310)并且pwm(脉宽调制信号)(310)由控制器控制。另一个开关是旁路mosfet。两个开关之间的切换由控制器控制。
15.本主题的另一实施例是提供一种与预充电电路并联连接的继电器式接触器。该继电器式接触器在直流母线电压与电池电压相等时开始工作。该继电器式接触器设有继电器开关，当继电器线圈由电池分别通电或断电时，继电器开关接通或关闭。继电器由控制器提供的继电器控制信号控制。
16.本主题的另一实施例是通过控制器在预充电电路和旁路电路之间提供自动切换，以及控制继电器开关免受由于浪涌电流可能造成的任何潜在损坏。
17.本主题的又一实施例是提供对直流母线的电压的自动检测。如果直流母线电压低于电池电压，则预充电电路被激活以允许直流母线电压上升到电池电压的水平。在快速点火on/off序列的情况下，直流母线电压将处于高于零伏但低于电池电压的电位水平。因此，在预充电过程完成后，预充电开始并且旁路开关关闭。在预充电过程中，逆变电路操作电路保持休眠状态，以防电流的突然涌入对包括微处理器在内的电路造成任何损坏。
18.本主题的另一实施例提供一种预充电电路，其完全消除了对手动操作开关和包括诸如电阻器之类的无源设备的高功耗电路的需要。
19.本主题的又一实施例是提供不损害占空比的小尺寸电感器，因为占空比由控制器监测和控制。
20.本主题的这些和其他优点将在以下说明中结合两轮速克达(scooter)型混合动力车辆的实施例和附图更详细地描述。
21.图1示出了根据本主题实施例的示例性机动车辆(100)的左侧视图。图示的车辆(100)具有框架构件(105)。在本实施例中，框架构件(105)为跨步式，包括头管(105a)和从头管(105a)的前部向后向下延伸的主框架(105b)。主框架(105b)倾斜地向后延伸到车辆(100)的后部。
22.车辆(100)包括连接到框架构件(105)的一个或多个原动机。在本实施方式中，原
动机之一是安装到框架构件(105)的内燃(ic)发动机(115)。在所描绘的实施例中，ic发动机(115)安装到枢转至框架构件(105)的结构构件(135)。在一个实施例中，结构构件(135)是由包括金属制成的刚性构件。车辆(100)还包括另一个原动机，即电动机(120)。在优选实施例中，电动机(120)通过轮毂安装到车辆(100)的一个车轮。在另一个实施例中，一个或一个以上的电动机安装到车辆的车轮或框架。在所描绘的实施例中，车辆(100)包括至少两个车轮，并且电动机(120)通过轮毂安装到车辆的后轮(125)。前轮(110)由框架构件(105)可转动地支撑，并连接到能够操纵车辆(100)的把手组件(130)。
23.进一步地，车辆(100)包括驱动电动机(120)的高容量车载电池(未示出)。高容量电池可以包括一个或多个高容量电池组或者一个或多个低容量电池单元。高容量电池可以布置在车辆(100)的前部、后部或中央。高容量电池由框架构件(105)支撑，并且车辆(100)包括安装到框架构件(105)以覆盖车辆(100)的各种部件的多个车身面板。多个面板包括前面板(140a)、腿部护罩(140b)、座椅下盖(140c)以及左侧面板和右侧面板(140d)。杂物箱可以安装到腿部护罩(140b)。
24.底板(145)设置在由主管(105b)限定的跨步部分处。座椅组件(150)布置在跨步部分的后方，并安装到主框架(105b)。在车辆(100)的纵向方向f
‑
r上伸长的座椅组件(150)使得使用者能够以骑乘式姿势操作车辆。一个或多个悬架将车轮(110)、(125)连接到车辆(100)，并提供舒适的乘坐。车辆(100)包括多个电气和电子部件，包括前照灯(155a)、尾灯(155b)、起动电动机(未示出)、喇叭等。此外，车辆(100)包括主控制单元(未示出)，该主控制单元控制车辆(100)的整体操作，包括ic发动机(115)的运行、电动机(120)的运行，由磁发电机/集成起动发电机(isg)对电池的充电，通过磁发电机/isg对负载的驱动，通过以发电机模式运行的电动机对高容量电池的充电，以及与车辆(100)的操作相关联的任何其他操作。图1所示的车辆(100)是示例性车辆并且本主题可用于两轮车辆、三轮车辆或四轮车辆。
25.图2示出了本主题的实施例的框图。在驾驶员打开车辆时需要车辆尽快启动，因此希望在短时间内完成预充电过程。电动或混合动力车辆的电驱动设置有dc(直流)电源(201)，例如，大约48伏特(根据车辆要求可以更高)的电池(201)。来自电池(201)的电力需要根据车辆中存在的各种输入的要求而降压。此外，根据负载的类型，电源可以从直流电转换为交流电。将直流电转换成特定频率的交流电以驱动特定速度下的牵引电机和其他适用的电负载的逆变电路(206)也被配置到接触器(202)。逆变电路(206)与至少一个电容器负载(304)(参见图3)耦合，以移除来自电池的功率信号所携带的纹波。因此，对电容器负载(304)进行充电的预充电电路(300)在与逆变电路(206)耦合时被称为直流母线(305)的预充电(参见图3)。当直流母线(305)仅充电时，电池电压才会被施加到负载(207)。当直流母线电位下降到某个水平以下时，直流母线(305)可以再次充电。在预充电功能完成后，通过经由控制器(205)关闭预充电电路(300)，逆变电路(206)开始运行。
26.电池(201)连接到接触器(202)，接触器(202)负责为负载(207)供电，如牵引电机和电气负载(如前照灯、尾灯、转向信号灯、车速表、几个输入开关和传感器)。接触器(202)具有适于与电池(201)连接的输入以及连接到负载(207)的输出。接触器(202)是继电器接触器类型，其通电和断电以在继电器开关(313)所启用的打开状态和闭合状态之间切换(参见图3)。通电和断电由控制器(205)所控制。直流母线(305)耦合到电容器负载(304)和基于
继电器的接触器(202)的输出。
27.预充电电路在电池(直流电源)和电容器之间以并联方式电配置，以防止接触器(202)由于浪涌电流导致的几秒钟电流突然瞬变而损坏。预充电电路(300)提供从电池(201)到电容器负载(304)的受控电流供应。提供给负载(207)的电流量由控制器(205)控制。
28.预充电电路(300)包括预充电开关(204)和旁路开关(203)。旁路开关(203)和预充电开关(204)之间的切换由控制器(205)控制。控制器(205)基于直流母线电压向接触器(202)发出信号以开始传输电力到逆变电路(206)以运行负载(207)，并且同时预充电开关(204)被关闭。
29.图3示出了预充电电路(300)的实施例。旁路开关(203)和预充电开关(204)是诸如mosfet之类的有源设备。预充电开关(204)的源极电连接至电池(201)的正极端子。同样地，旁路开关(203)的源极，也被称为控制mosfet开关的开/关，连接到电池(201)的正极端子。有源固态设备mosfet可以是耗尽型mosfet或增强型mosfet。预充电开关(204)的栅极连接到提供一连串脉冲的控制器(205)。由控制器(205)提供到预充电开关(204)的栅极的脉冲是脉宽调制(pwm)信号(310)。类似地，旁路开关(203)的栅极接收来自控制器(205)的控制信号(309)。通过旁路开关(203)可以控制预充电开关(204)的接通/关闭功能。当预充电电路(300)使直流母线电压与电池电压相匹配时，控制器(205)关闭预充电过程并且控制器开启旁路开关(203)。能量的来源可以是电池或任何其他整流交流电源。电容器负载(304)和逆变电路(206)均并联连接，并且直流母线连接到电容器负载(304)和逆变电路(206)。
30.预充电开关(204)的漏极连接到单结二极管(303)的n侧和电感器(302)。控制预充电开关(204)的开/关控制的旁路开关(203)的漏极电连接到逆变电路(206)、至少一个电容器负载(304)以及电感器(302)。二极管(303)已被反向偏置，其正极端子(p侧)连接到电池(201)的负极端子，并且二极管(303)的p侧连接到预充电开关(204)的漏极和电感器(302)。
31.该电路还设有接触器(202)，该接触器(202)与预充电开关(204)以并联方式电配置。旁路开关(203)的源极和预充电开关(204)的源极电连接至接触器(202)的继电器输入(306)。接触器(202)包括具有端子a的继电器线圈(314)，通过首先监测预充电过程并根据直流母线电压来提供来自控制器(205)的继电器控制信号(312)以控制接触器(202)的功能，从而控制继电器。接触器(202)的其他输入是以零电位接地的端子b。继电器线圈(314)通电，继电器线圈(314)启动继电器开关(313)的切换。当继电器开关(313)闭合或接通时，电流从接触器(202)流向负载(207)。控制器(205)发送继电器控制信号(312)以使继电器线圈(314)通电和断电，从而控制电流经继电器开关(313)流向负载(207)。因此，基于继电器的接触器(202)以从控制器(205)接收的继电器控制输入为基础而工作。
32.图4示出了实施所描述的预充电系统的方法。为了启动预充电过程，在步骤401中控制器(205)启用预充电开关(204)。在步骤402中，检测直流母线的电压电平，并且预充电开关(204)的栅极接收脉宽调制(pwm)信号(310)并通过控制占空比和限制电流峰值来控制流向电容器负载(305)的电流。预充电开关(204)提供受控的少量恒定电流以提高直流母线电压的电平。基于电压和电感的上升时间中的至少一个来适当地选择占空比和开关频率。在步骤403中，基于直流母线电容器负载(304)的电压上升来控制占空比。
33.在步骤404中，直流母线电压与步骤404中的电池电压进行比较。不断重复该方法
直到直流母线电压达到电池电压。当满足电压匹配时，则在步骤405中关闭预充电开关(204)。被提供给预充电开关(204)的栅极用于改变占空比从而调节输出峰值电流并且控制充电速率脉宽调制信号(310)由控制器控制。脉宽调制(pwm)(310)提供时延以防止电流中的任何冲击。
34.此外，在步骤406中旁路开关(406)被激活，并且在步骤407中继电器开关(313)通过闭合继电器输入(306)和继电器输出(307)来闭合电路。当接触器(202)闭合并且电容器负载(304)充满电时，则逆变电路(206)接收电力。
35.为了防止损坏，预充电电路(300)被配置为借助控制器(205)来持续监测占空比，该控制器(205)使用提供给基于mosfet的再充电电路的脉冲调制(pwm)信号(310)。在预充电电路(300)中实施电阻器会增加不希望的延迟，因此，为避免延迟使用了电感器。并入大尺寸电感器减少了延迟时间，但总体材料成本会上升，并且使用较小的电感器会导致更多延迟但占空比较小。因此，为了通过并入较小的电感器来控制占空比，利用预充电开关(204)并且控制器(205)提供pwm(脉宽调制)信号(310)。pwm信号有助于加快预充电开关(204)的切换频率，并且同时控制占空比以限制峰值电流。
36.受控电流继续流向预充电电路，直到直流母线两端的电压与电池电压相等。当直流母线达到与电池(201)电压相等的电压时，则旁路开关(203)接通且预充电开关(204)关闭。