消弧预充电电路的制作方法

消弧预充电电路
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2020年10月30日提交的美国临时专利申请no.63/107,711的权益和优先权，其内容通过整体引用而并入本文。


背景技术：

2.本公开总体上涉及预充电电路。更具体地，本公开涉及消弧(arc suppression)预充电电路。未充电的电容性负载到电源(例如，电池、电力源、电网等)的连接可能导致通过电气系统的突然的大浪涌电流(surge current)(即，瞬态电流、接通浪涌、瞬间起峰电流(inrush current)等)。这部分是由于未充电或部分充电的电容性部件的性质，当电源的电位(即，电压)高于电容性负载的电位时，该电容性部件通常表现为电气系统中的短路的来源。
3.在联接源和负载的电气系统初始通电之后从电源快速汲取电流可能潜在地损坏电气系统的组件或者通过对系统施加相当大的应力来缩短电气系统和/或其组件的操作寿命。例如，当电气系统的机械开关(例如，接触器)从闭合转变成断开和/或从断开转变成闭合时，浪涌电流可能造成电弧放电(arcing)。开关的电弧放电可能是特别成问题的，因为它可能导致开关中的熔接触点。熔接触点在开关中是短路，并因此妨碍将源与负载之间的电流中断。在这点上，熔接触点可能妨碍将电路安全地断电。同样地，除了负面地影响电气系统的功能之外，浪涌或瞬间起峰电流还可能对电气系统的用户具有潜在危险。


技术实现要素：

4.至少一个实施方式涉及一种消弧预充电电路。该消弧预充电电路包括：用于向负载提供能量的源；以及主接触器，该主接触器选择性地闭合以从源向负载提供能量，其中，在主接触器闭合时，该主接触器提供从源到负载的交流路径并且使电路的预充电支路旁路。预充电支路包括：压控电阻器；以及控制电路，控制电路被配置成控制该压控电阻器的电阻的。
5.另一实施方式涉及一种消弧预充电装置。该消弧预充电装置包括：壳体；以及消弧预充电电路，该消弧预充电电路被至少部分地设置在该壳体内，该消弧预充电电路包括：用于向负载提供能量的源；以及主接触器，该主接触器选择性地闭合以从源向负载提供能量，其中，在主接触器闭合时，该主接触器提供从源到负载的交流路径并且使电路的预充电支路旁路。预充电支路包括：压控电阻器；以及控制电路，该控制电路被配置成控制该压控电阻器的电阻。
6.又一实施方式涉及一种使用消弧预充电电路的方法。所述方法包括以下步骤：启动消弧预充电电路的操作；以及响应于确定未满足负载的预充电条件，经由消弧预充电电路向压控电阻器的栅极(gate)施加电压。被施加至该栅极的电压使电流不是流过主接触器到达负载，而是沿着旁路路径流过预充电电路的预充电支路到达该负载。
7.本发明内容仅仅是例示性的，不应被视为限制性的。
current，dc)的转换器，或者是被配置成将dc转换成ac的逆变器。作为另一示例，负载104可以包括起作用以降低电噪声、谐波畸变以及波纹电压的滤波电容器。
23.电路100还包括被并联设置在电源与负载之间的预充电支路和充电支路。预充电支路和充电支路中的每一个都包括开关，经由该开关可以选择性地在电源与负载之间建立电流路径。开关106是能够在断开配置(其中防止电流流经开关)与闭合配置(其中电流可以流经开关)之间选择性转变的任何机械多极开关。
24.如图1所示，在电路100以预充电模式操作期间，将预充电电路的开关闭合，而将充电电路的开关断开。因此，将电源与负载之间的电流限制成流过预充电电路。在电路100以充电模式操作期间(诸如图2所示)，将预充电电路的开关断开，而将充电电路的开关闭合。同样地，将电源与负载之间的电流限制成流过充电电路。
25.如图1所例示的，预充电电路还包括与开关串联设置的电阻性部件108(例如，固定值或可变值电阻器)。在电路100以预充电模式操作期间，电阻器108形成电连接源和负载的电流路径的一部分，从而增加连接源和负载的电流路径的等效串联电阻(equivalent series resistance，esr)。给定电流与电阻之间的反比关系，由预充电电路的电阻器提供的增加的esr起作用以减小源与负载之间的电流。通过限制经过电路的电流，预充电电路的电阻器因此有利地帮助最小化(例如，防止)电路100内的过电流条件。
26.开关106(例如，接触器)允许将电阻器108选择性地从到达负载的电流路径中移除。根据一个实施方式，电阻器108限制从源102到负载104的电流。当负载104的电容性部件被充分充电时，将开关106设定至第二位置(如图2所示)，从到达负载104的电流路径中移除电阻器108，并且从而启动负载104的电容性部件的第二充电阶段(即，充电操作模式)。在一些实施方式中，当负载104的电容性部件被充电至与源102相同的电位(即，电压)时，或者当负载104的电容性部件被充电至源102的电位的预定范围(例如，90％至95％)内时，可以将开关106设定至第二位置。在充电操作模式期间，在不受电阻器108限制的情况下向负载104供应能量。
27.尽管电阻器108起作用以在初始预充电操作模式期间限制到电容性负载的电流，从而有利地允许负载的电容性部件以受控方式进行充电，但是电路100仍然可能在负载通电之后立即经受初始的瞬时浪涌电流。响应于电气系统的机械开关(例如，接触器)而从闭合转变成断开和/或从断开转变成闭合的电流的突然快速增加可能造成开关的电弧放电。如上面所讨论的，开关的熔接可能妨碍将电路安全地断电，并由此可能引起对用户的危险。
28.因此，如图3和图4所示的具有冗余的预充电电路300所例示的，可能希望提供具有一个或更多个开关(例如，接触器)的电气系统，以减轻由熔接而引起的危险，并由此增加电路100的可靠性。还示出电路300包括多个接触器(即，开关)，包括预充电接触器306、主接触器308以及冗余接触器310。可以将所述接触器中的各个接触器配置成控制从源302到电容性负载314的电流。在一些实施方式中，预充电接触器306、主接触器308、以及冗余接触器310中的每一个的触点或导体可以在初始状态断开(例如，常开)。一种这样的解决方案是被用于在预充电模式与操作模式之间选择性地配置电路的开关(即，接触器、继电器等)方面的冗余。例如，可以在电路的负或中性支路上包括二次或三次开关(即，冗余开关)。可以将冗余开关配置成在主开关由于短路(例如，由于熔接触点)而失效的情况下断开。以这种方式，冗余开关是用于使电路断电(例如，使得可以对电路进行安全修复)的辅助或备用方法。
可以将可选的熔断器304与预充电支路和充电支路(以及电源)中的每一个串联设置，从而允许在过电流条件的情况下将电源302从电路300移除或断开连接。
29.在预充电配置中(如图3所示)，将预充电接触器306和冗余接触器310闭合，而将主接触器308保持断开。由此，该预充电配置允许电流通过限流电阻器312从源302流向负载314。以这种方式，图3的预充电配置允许负载314的电容性组件以受控方式进行充电。更具体地，限流电阻器提供比负载314的esr(如上面详细描述的)大得多的电阻。以这种方式，当负载的电容性部件被充电时，对到负载314的电流进行控制，从而基本上防止或限制电流的浪涌。
30.在操作配置中(如图4所示)，将预充电接触器306断开，而将主接触器308闭合，从而允许电流从源302流向电容性负载314，而不受电阻器312限制。在一些实施方式中，冗余接触器310可以与预充电接触器306一起断开，并且随后与主接触器308一起闭合。电路300可以响应于负载314的电容性部件达到预定义阈值或者在所定义的预充电循环结束时，转变成图4所示的操作配置。例如，当负载314的电容性部件达到源电位的至少一部分(例如，源电位的80％至90％)时，电路300可以转变成操作配置。
31.当转变成预充电配置和/或操作配置和/或从预充电配置和/或操作配置转变时，由于电弧放电，因此，预充电接触器306和主接触器308中的至少一者仍然容易受到熔接触点的影响，如上面参照图1和图2所描述的。在预充电接触器306和/或主接触器308的触点熔接在一起(即，短路)的情况下，可以将冗余接触器310断开，从而使电路300断电。至少出于这个理由，例如，与电路100相比，冗余接触器310增加了电路300的安全性。
32.虽然冗余接触器(例如，冗余接触器310)或开关的添加可以提供用于使电路(例如，电路300)断电的辅助手段，但是所述接触器(例如，预充电接触器306、主接触器308、以及冗余接触器310)中的每一个仍可能易于发生上文关于开关106所描述的潜在问题。例如，接触器是具有有限使用期限的机械开关，并且可能易于磨损、电弧放电、延迟等。另外，被包括在预充电电路中的各个附加接触器可能增加潜在失效点的数量。在一些实施方式中，冗余接触器的添加还增加了电路的封装尺寸和成本(例如，当与诸如电路100的电路相比时)。在这点上，可能希望提供一种用于对电容性负载(例如，逆变器)进行预充电的电路，该电路包括消弧并且可以被设置在小的、有成本效益的封装中。
33.现在参照图5，示出了根据一个实施方式的消弧预充电电路500的视图。除了在电容性负载的初始充电期间限制电流外，电路500的预充电支路另外消除了预充电支路内的电弧放电的风险。通过提供这种消弧，预充电电路因此能够保护电路500免受熔接的风险，而不需要使用冗余接触器(举例来说，如参照图3和图4的电路300所描述的)。
34.如图5所示，电路500包括用于向负载512提供能量的源502。源502可以是被配置成向负载512提供能量的任何ac或dc源(例如，电池、发电机、电网等)。例如，在ev或hev中，源502可以是48v锂离子电池组或者12v铅酸电池。将可选的熔断器504与源502串联设置。熔断器504可以在过电流条件的情况下进行操作以将源502从电路500移除或断开连接，从而保护电路500的组件。在一些实施方式中，熔断器504可以是接触器、断路器、继电器、或者任何其它功能上等效的组件。在一些实施方式中，电路500是被包括在车辆(例如，ev、hev等)中的预充电电路，以用于对逆变器或车辆的另一电容性负载进行预充电。在其它实施方式中，电路500是用于诸如功率转换器、消费电子产品、电动机驱动器等中的另一电容性负载的预
充电电路。
35.电路500还包括主接触器510，该主接触器可以选择性地闭合以从源502向电容性负载512提供能量。主接触器510可以包括：接触器、断路器、继电器、或者被配置成选择性地允许到负载512的电流的任何其它功能上等效的组件。在一些实施方式中，主接触器510的触点或导体可以在初始状态下断开(例如，常开)。当闭合时，主接触器510可以提供从源502到负载512的交流路径，从而使电路500的预充电支路旁路。
36.电路500的预充电支路被示出为包括控制电路506和压控电阻器508。如下所述，控制电路506可以控制压控电阻器508的电阻和/或将压控电阻器508接通和关断(例如，使得电流流过或者不流过压控电阻器508)。控制电路506可以是被配置成控制压控电阻器508的任何电路或电子装置。例如，控制电路506可以包括：微控制器、集成电路(integrated circuit，ic)、继电器、电阻器(例如，分压器)、二次源、或者被配置成控制压控电阻器508的任何其它电路或组件的组合。在一些实施方式中，控制电路506可以包括被配置成标识负载512的电容性部件的荷电水平的一个或更多个组件。
37.压控电阻器508可以是输入电压控制该组件的电阻的任何电子组件。在一些实施方式中，压控电阻器508充当开关，其中，将压控电阻器508接通(例如，当控制电路506施加足够的电压时)允许电流流过该器件。在一些这样的实施方式中，压控电阻器508的电阻值是基于到该器件的输入电压而改变的。在一些实施方式中，当所施加的电压低于阈值时，或者当未施加电压时，压控电阻器508被关断(例如，限制电流流过该器件)。
38.在一些实施方式中，压控电阻器508是场效应晶体管(fet)。压控电阻器508例如可以是结型场效应晶体管(junction field-effect transistor，jfet)、金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mosfet)、或者可操作为压控电阻器的其它类型的fet。通常，已知某些fet操作于线性区(即，欧姆区、三极管区)，其中，fet是作为电阻器操作的，并且fet的电阻值是由该器件的栅极-源极电压来确定的。通过利用fet并且以具有较高电阻的线性模式操作，可以移除并联接触器和大电阻器，从而组合电荷泵和消弧的操作。另外，已知fet操作于截止区和/或有源区，其中，fet分别允许这些区中的电流或者限制这些区中的电流。
39.现在参照图6，示出了根据一些实施方式的例示mosfet的电阻值随所施加的栅极-源极电压而改变的示例曲线图600。更具体地，曲线图600可以例示mosfet当在线性区中或者以线性模式操作时的漏极-源极电阻。通常，当mosfet的栅极-源极电压大于阈值(例如，mosfet被导通)并且漏极-源极电压小于栅极-源极电压与阈值电压之间的差时，该mosfet以线性模式操作。在线性模式下，mosfet是作为电阻器操作的，其中，mosfet的等效电阻值是基于所施加的栅极-源极电压而改变的。
40.如曲线图600所示，归一化漏极-源极电阻(例如，归一化等效电阻)可以随着栅极-源极电压的增加而减小。通常，所施加的栅极-源极电压与mosfet的等效电阻之间的关系基于该mosfet的制造商规格、构造、或其它属性被已知(即，预先确定)。举例来说，如曲线图600所示，线v
gs1
可以表示mosfet在第一栅极-源极电压下的等效电阻，并且线v
gs2
可以表示mosfet在第二栅极-源极电压下的等效电阻，其中，v
gs1
《v
gs2
。以这种方式，曲线图600例示了mosfet是如何基于所施加的栅极-源极电压而作为压控电阻器操作的。
41.有利地，包括压控电阻器(诸如mosfet)的预充电电路可以提供优于其它预充电电
路的许多优点和/或消除许多缺陷，如上面所描述的。例如，mosfet的封装尺寸通常明显小于其它预充电电路(诸如电路300)所利用的接触器和电阻器。更具体地，mosfet可以用作开关和电阻器两者，从而消除了对两个分离组件的需要。通常，mosfet和/或其它类似的固态压控电阻器比易于磨损和失效的机械开关更可靠，这是因为固态组件包含很少的移动部件(若有的话)。另外，mosfet和其它类似的固态压控电阻器不易受因电弧放电而发生的触点熔接影响，从而增加了安全性和可靠性并且消除了对冗余接触器的需要。至少出于这些理由，将电路300的预充电接触器306和电阻器312替换成压控电阻器508可以在更小、更有成本效益的封装中提供具有消弧的预充电电路。
42.再次参照图5，在预充电配置中，主接触器510仍保持断开，并且由控制电路506向压控电阻器508施加电压。如上面参照图6所描述的，所施加的电压通常被配置成将压控电阻器508偏置成线性模式。在这点上，所施加的电压通常大于接通压控电阻器508(例如，以允许电流)所需的较低阈值电压。如上所述，所施加的用于预充电配置的电压可以基于压控电阻器508的一个或更多个参数被预先确定或已知。
43.在一些实施方式中，所施加的电压是可变的，从而改变压控电阻器508的等效电阻值。有利地，这可以提供对负载512的电容性组件充电的速率的更好控制。例如，当负载512的电容性部件严重耗尽(即，未充电)时，压控电阻器508的电阻值可能比当负载512的电容性部件接近完全充电时大得多。这可以提供比传统的固定值电阻器更安全且更快的充电。
44.一旦负载512的电容性组件被充分充电，电路500就可以切换成操作配置。在一些实施方式中，可以响应于负载512的电容性部件达到预定义阈值(举例来说，如控制电路506所确定的)或者在所定义的预充电循环结束时，将电路500配置成操作配置。例如，当负载512的电容性部件达到源502的电位的至少一部分(例如，源电位的80％至90％)时，可以将电路500配置成操作配置。在操作配置中，主接触器510可以闭合，并且控制电路506可以将压控电阻器508配置成关断状态(即，将压控电阻器508偏置到截止区或截止模式)，从而允许电流向负载512流动，而不受压控电阻器508限制。
45.在一些实施方式中，可以将电路500的至少一部分包括在消弧预充电装置中。在一些实施方式中，消弧预充电装置还可以包括包含电路500的至少一部分的壳体。例如，可以至少将控制电路506、压控电阻器508、以及接触器510包括在单个壳体中。在一些实施方式中，可以将消弧预充电装置包括在标准壳体或装置中，诸如标准四引脚或五引脚汽车继电器。在一些这样的实施方式中，可以将电路500所包括的部分和/或置于源(例如，电池)与负载(例如，逆变器)之间。在其它实施方式中，可以将电路500的至少一部分包括在另一装置或电路中。例如，可以至少将控制电路506、压控电阻器508、以及接触器510包括在逆变器、转换器、或另一类似装置中。在其它示例中，可以至少将控制电路506、压控电阻器508、以及接触器510包括在总线式电气中心(bussed electrical center，bec)、电池控制器、电池管理系统(battery management system，bms)等中。利用消弧旁路fet进行预充电消除了在fet以线性模式操作时将附加电阻器作为其自身的电阻的需要，从而利用消弧来延长接触器寿命。
46.现在，参照图7a至图7b，示出了根据图5所描述的示例实施方式的使用消弧预充电电路的方法。在步骤702，控制电路506启动消弧预充电电路的操作。在步骤704，控制电路506标识是否满足预充电条件。如果未满足预充电条件，则控制电路506移动至步骤706，其
中，控制电路506经由预充电电路向fet的栅极施加电压。这样，在步骤708，电流流过旁路路径。如本文所描述的，控制电路506可以控制压控电阻器508(例如，fet)的电阻和/或将压控电阻器508接通和关断(例如，使得电流流过或者不流过压控电阻器508)。在一些实施方式中，压控电阻器508充当开关，其中，将压控电阻器508接通(例如，当控制电路506施加足够的电压时)允许电流流过该器件。在一些这样的实施方式中，压控电阻器508的电阻值是基于到该器件的输入电压而改变的。在一些实施方式中，当所施加的电压低于阈值时，或者当未施加电压时，压控电阻器508被关断(例如，限制电流流过该器件)。在步骤710，控制电路506确定是否满足充电阈值。如果未满足充电阈值，则控制电路506重复步骤708。如果满足充电阈值，则在步骤712，从fet的栅极移除电压，并且将主开关或接触器510闭合。在步骤714，控制电路506检测电弧。如果未检测到电弧，则在步骤716，电流流过主路径。如果检测到电弧，则经由消弧电路向fet的栅极施加电压。然后，在步骤720，电流流过旁路路径。在步骤722，从fet的栅极移除电压，并且电流流过主路径(返回至步骤716)。
47.如图8所示，根据一些实施方式，可以至少将电路800的预充电组件包括在电动机808的驱动系统中。可以将能量从电池组802通过电池组控制器804和逆变器806馈送至电动机808。在一些实施方式中，将电池组802安装在诸如ev或hev的车辆上，并且电动机808是车辆的主驱动电动机。电池组控制器804被示出为包括可以选择性地允许或阻止来自电池组802的电流的主接触器810。在一些实施方式中，接触器810可以是类似于接触器510的任何类型的接触器、开关、或继电器，所述接触器、开关或继电器被配置成接通或关断到逆变器806并且随后到电动机808的电力。
48.电池组控制器804被示出为还包括与主接触器810并联的预充电电路812。在一些实施方式中，预充电电路812可以包括压控电阻器以及用于控制该压控电阻器的控制电路。例如，预充电电路812可以包括控制电路506和压控电阻器508，如参照图5所描述的。如上所述，预充电电路812可以向逆变器806提供初始充电电流，以对逆变器806的一个或更多个电容性部件进行充电。在充电完成之后，主接触器810可以闭合，从而向逆变器806和电动机808提供操作电流。在各种实施方式中，将电池组控制器804配置成附接至电池组802，或者可以是被置于电池组802与逆变器806之间的单独装置。例如，电池组控制器804可以采取用于汽车使用的典型四引脚或五引脚微型继电器的形式，如下面详细描述的。
49.现在，参照图9a至图9b，根据一个实施方式，图9a示出了被容纳在四引脚微型继电器内的预充电电路900，并且根据另一实施方式，图9b示出了被容纳在五引脚微型继电器内的预充电电路900。例如，四引脚或五引脚微型继电器(例如，引脚85、86、87、87a以及30)可以是通常在汽车工业中使用的iso微型继电器。以这种方式，可以容易地将四引脚或五引脚微型继电器集成到当前或未来汽车应用中。例如，可以将包括预充电电路的四脚微型继电器改装到当前汽车上，或者可以被并入未来设计中。有利地，通过利用诸如四引脚或五引脚iso微型继电器的标准形式，可以将预充电电路并入使用标准连接器或组件的系统中。
50.如图所示，微型继电器具有壳体902，该壳体包围该器件的各种组件。例如，壳体902被示出为包含预充电电路904和主接触器906。主接触器906可以被选择性地闭合，以将能量经由接触器906从源提供给电容性负载，或经由逆变器908提供给电动机910，如经由引脚87所例示的。主接触器906可以包括：接触器、断路器、继电器、或者被配置成选择性地允许到负载的电流的任何其它功能上等效的组件。应意识到，对于各种应用，壳体902可以包
含更多或更少的组件。在一些实施方式中，控制电路902和/或压控电阻器可以经由引脚30接收电力。在五引脚继电器中，可以经由引脚86或87a接收电力。在这样的实施方式中，可以从任何数量的源(诸如电池)接收电力。例如，可以将引脚85接地。
51.如本文关于数值范围所利用的，除非另外指定，否则术语“近似地”、“大约”、“大致”以及类似术语通常是指所公开的值的 /-10％。如本文关于结构特征(例如，用于描述形状、尺寸、取向、方向、相对位置等)所利用的，术语“近似地”、“大约”、“大致”以及类似术语是指覆盖可能由例如制造或组装工艺产生的结构上的微小变化，并且旨在具有与本公开的主题所属领域的普通技术人员的普通和可接受的用法一致的广泛含义。因此，这些术语应被解释为表示对所描述和要求保护的主题的非实质或无关紧要的修改或改变被认为处于如所附权利要求中阐述的本公开的范围内。
52.应注意，如本文所使用的描述各种实施方式的术语“示例性”及其变体旨在指示此类实施方式是可能实施方式的可能示例、表示、或例示(并且此类术语不旨在暗示此类实施方式必定是非凡的或最高级的示例)。
53.如本文所使用的，术语“联接”及其变体是指两个构件直接或间接地彼此接合。这种接合可以是静止的(例如，永久的或固定的)或者可移动的(例如，可拆除的或可释放的)。这种接合可以利用彼此直接联接的两个构件、利用使用单独的居间构件和彼此联接的任何附加中间构件彼此联接的两个构件、或者利用使用与两个构件中的一个构件成一体地形成为单个一体式机体(unitary body)的居间构件彼此联接的两个构件来实现。如果“联接”或其变体由附加术语加以修改(例如，直接联接)，则上文所提供的“联接”的一般定义由附加术语的简明语言含义来修改(例如，“直接联接”是指两个构件的接合而没有任何单独的居间构件)，从而导致比上文所提供的“联接”的一般定义更窄的定义。这种联接可以是机械的、电的或流体的。
54.本文中引用的部件位置(例如，“顶部”、“底部”、“上面”、“下面”等)仅被用于描述附图中各种部件的取向。应注意，根据其它示例性实施方式，各种部件的取向可以不同，并且这种变化旨在被本公开所涵盖。
55.尽管这些图和描述可能会例示方法步骤的特定次序，但是除非上面不同地指定，否则这种步骤的次序可以与所描绘和描述的次序不同。而且，除非上面不同地指定，否则可以同时或部分同时执行两个或更多个步骤。
56.重要的是要注意，在一个实施方式中公开的任何部件可以与本文所公开的任何其它实施方式相结合或一起利用。例如，在至少段落[0024]中描述的示例性实施方式的可选熔断器可以被并入在至少段落[0043]中描述的示例性实施方式的电路中。尽管上文仅描述了可以在另一实施方式中结合或一起利用的来自一个实施方式的部件的一个示例，但是应意识到，各种实施方式的其它部件可以与本文所公开的其它实施方式中的任何实施方式相结合或者一起利用。