电动车辆驱动系统内的电容器预充电以及电容/电阻测量的制作方法
电动车辆驱动系统内的电容器预充电以及电容/电阻测量的制作方法
【专利说明】电动车辆驱动系统内的电容器预充电以及电容/电阻测量
【背景技术】
[0001] 本发明总体涉及电动车辆驱动系统，尤其涉及主直流（DC)总线链路电容器改善 的预充电。
[0002] 例如混合动力电动车辆（HEV)以及插电式混合动力电动车辆（PHEV)的电动车辆 利用逆变器驱动的电机以提供牵引扭矩和再生制动扭矩。这样的逆变器典型地采用能量存 储电容器（或主电容器）作为主DC总线的DC链路，主DC总线通常通过可变电压转换器 (VVC)、输入电容器以及一对机械接触器（例如继电器）与例如电池的高压（HV)电源连接。 逆变器以及其他负载由主DC总线驱动。
[0003] 如果接触器初始是闭合的并且链路电容器在放电或低充电状态，那么从HV DC电 源到主DC总线之间的低阻抗会引起非常高的浪涌电流，该电流会对接触器以及其他组件 造成损害。由于在后续正常操作中相关的电压降以及功率消耗，利用与接触器串联的限流 电阻并不理想。因此，通常利用单独的分支电路或预充电电路。已知的预充电电路利用串 联在DC供电源和链路电容器之间的开关和电阻。打开开关容许链路电容器通过电阻充电， 电阻的存在限制了浪涌电流，从而阻止对开关的损害。一旦链路电容器预充电后，那么i) 主接触器可以在没有接收到任何浪涌电流的情况下闭合；ii)预充电开关能够打开以便切 断预充电电阻。
[0004] 可以期望的是，在短时间量内完成预充电过程，以便在驾驶员激活车辆后车辆能 够立刻驱动。在传统的配置中，电容器的充电时间由预充电电路以及链路电容器的阻容 (RC)时间常数来控制。由于预充电电阻必须足够大以限制浪涌电流并且链路电容器必要 地具有相对大的电容，有时会发生不期望长的延时。而且，主DC总线上额外负载的存在能 够通过增加阻抗来影响预充电。例如，泄流电阻（bleeder resistor)典型地出现在链路电 容器两端以便在电驱动装置关机时使链路电容器放电。其他可能的负载包括电正温度系数 (PTC)加热器。负载会进一步延长预充电时间。
[0005] 负载的有效电阻会随着时间变化，并且一些例如电加热器的负载可以在执行预充 电时开启或者关闭。链路电容器的电容也可以随着时间而降低。这些变化使得确保在预期 时间量内完成预充电变得更加困难。
[0006] 出于诊断和监测的目的，可以期望的是，在电驱动装置的整个寿命内测量与主DC 总线相关的电容和电阻。为了执行这些测量功能，典型地需要专用组件。可以期望的是，在 不需要专用组件的情况下执行这样的测量。
【发明内容】
[0007] 在本发明的一个方面，为带有DC电源的电动车辆提供电驱动系统。接触器具有适 用于连接到DC电源的输入以及具有输出。接触器选择性地在断开状态和闭合状态之间转 换。主总线耦接到链路电容器以及接触器的输出。预充电电路耦接在DC电源和包括受控 电流源的链路电容器之间。在接触器处于断开状态的情况下选择性地激活该受控电流源， 以在接触器转换到闭合状态之前使链路电容器充电至预设电压。
[0008] 根据本发明，提供一种用于带有直流电源的电动车辆的电驱动系统，包括：
[0009] 接触器，其具有适用于连接到直流电源的输入以及具有输出，其中接触器选择性 地在断开状态和闭合状态之间转换；
[0010] 链路电容器；
[0011] 耦接到接触器输出和链路电容器的主总线；
[0012] 预充电电路，其适用于耦接到直流电源和链路电容器之间，其中预充电电路包括 受控电流源，在接触器处于断开状态的情况下选择性地激活该受控电流源，以在接触器转 换到闭合状态之前使链路电容器充电到预设电压。
[0013] 根据本发明的一个实施例，其中预充电电路包括：
[0014] 电感器；
[0015] 晶体管开关，其与电感器串联，用于选择性地将电感器连接到直流电源；以及
[0016] 用于驱动晶体管开关的控制电路，以便在链路电容器预充电中电感器提供基本恒 定的电流。
[0017] 根据本发明的一个实施例，其中控制电路包括：
[0018] 测量电感器电流的电流传感器；以及
[0019] 触发器，其当所测的电感器电流低于第一阈值时开启晶体管开关，并且当所测的 电感器电流高于第二阈值时关闭晶体管开关，其中第二阈值高于第一阈值。
[0020] 根据本发明的一个实施例，进一步包括：
[0021] 测量链路电容器两端链路电压的电压传感器；以及
[0022] 控制电路，其通过启动预充电电路、监测所测的链路电压来启动链路电容器的预 充电，并且当所测链路电压高于电压阈值时，通过停用预充电电路而结束预充电。
[0023] 根据本发明的一个实施例，其中控制电路响应预充电消耗的时间以及所测链路电 压的斜率而确定链路电容器的电容。
[0024] 根据本发明的一个实施例，其中斜率包括对应消耗时间开始时所测量的链路电压 和对应消耗时间结束时所测量的链路电压之间的差值。
[0025] 根据本发明的一个实施例，其中受控电流是恒定电流，并且其中控制电路根据恒 定电流除以斜率来确定电容。
[0026] 根据本发明的一个实施例，其中受控电流是恒定电流，并且其中控制电路响应预 充电消耗时间、测量的链路电压的斜率以及恒定电流来确定与链路电容器并联的电阻。
[0027] 根据本发明，提供一种为电动车辆驱动装置内主总线上的链路电容器预充电的方 法，包括：
[0028] 在主电池接触器处于断开状态的情况下，激活预充电电路从而向链路电容器提供 基本上恒定的电流；
[0029] 当链路电容器电压到达预设电压时，停用预充电电路；以及
[0030] 闭合接触器。
[0031] 根据本发明的一个实施例，进一步包括：
[0032] 脉冲宽度调制与电感器串联的晶体管开关，用于提供基本上恒定的电流。
[0033] 根据本发明的一个实施例，进一步包括：
[0034] 测量链路电容器两端的链路电压；以及
[0035] 响应预充电所消耗的时间以及所测量的链路电压的斜率而确定链路电容器的电 容。
[0036] 根据本发明的一个实施例，其中斜率包括对应消耗时间开始时所测量的链路电压 和对应消耗时间结束时所测量的链路电压之间的差值。
[0037] 根据本发明的一个实施例，其中电容根据恒定电流除以斜率而确定。
[0038] 根据本发明的一个实施例，进一步包括：
[0039] 测量链路电容器两端的链路电压；以及
[0040] 响应预充电所消耗的时间、所测量的链路电压的斜率以及恒定电流而确定与链路 电容器并联的电阻。
[0041] 根据本发明，提供一种为电动车辆驱动装置内的主总线链路电容器充电的预充电 电路，包括：
[0042] 电感器；
[0043] 选择性地将电感器耦接到直流电源的晶体管；
[0044] 测量电感器电流的电流传感器；以及
[0045] 触发器，其当电感器电流低于第一阈值时开启晶体管，并且当电感器电流高于第 二阈值时关闭晶体管，其中第二阈值高于第一阈值。
[0046] 根据本发明的一个实施例，进一步包括：
[0047] 光耦合器，其将晶体管连接到直流电源，其中光耦合器适用于通过电动车辆驱动 装置的控制电路远程控制。
【附图说明】
[0048] 图1示出了预充电电路总体布置的示意图；
[0049] 图2是将本发明的恒定电流预充电与现有技术的RC预充电的预充电时间的比较 曲线图；
[0050] 图3示出用于本发明的一个优选实施例的预充电电路以及控制电路的框图；
[0051] 图4示出了利用脉冲宽度调制技术的基本上恒定电流大小的一个实施例的曲线 图；
[0052] 图5示出了根据本发明的一个优选实施例的预充电中链路电容器电压曲线图；
[0053] 图6更详细地示出了预充电电路的另一个优选实施例的示意图；
[0054] 图7示出了控制预充电电流的一个优选方法的流程图；
[0055] 图8示出了用于执行预充电功能优选方法的流程图，在预充电过程中同时确定了 由主DC总线所测量的电容以及电阻。
【具体实施方式】
[0056] 现在参照图1，电动车辆驱动系统10包括由接触器开关12和13耦接到可变电压 直流-直流（DC/DC)转换器14的DC电源11 (例如电池组或燃料电池）。接触器12、13优 选地是具有断开和闭合状态并且用于选择性地（通过转换器14)将电池11耦接到主DC总 线15的机械开关。
[0057] 链路电容器16和泄流电阻17耦接到主DC总线15和主接地装置18之间。逆变 器负载（INV) 20具有连接到总线15的输入以及连接到电动马达21的输出。预充电电路22 耦接到电池11和链路电容器16之间，以便在电驱动装置10启动时向链路电容器16上供 应电荷，从而当接触器12和13闭合时，它们不会受到浪涌电流的损害。
[0058] 在本发明中，预充电电路22实施以受控电流的方案，即使是在主DC总线阻抗变化 的情况下该方案也能够更好地确保快速的预充电时间。在优选的实施例中，预充电电路22 包括受控电流源，其传送基本上恒定的预充电电流（至少在预充电时间的大部分中直至上 升的链路电容器电压使从预充电电路获取的电流降低）。
[0059] 图2对利用恒定电流和RC控制预充电的链路电容器两端的电压'的斜升进行了 比较。轨迹25示出了由恒定预充电电流所产生的线性电压增加。电压增加的斜率基本上 恒定直至达到在时间h处的阈值电压V τ。轨迹26和27代表利用RC预充电电路时典型的 预充电时间。例如，轨迹26只在较长的延时t2之后实现预充电。
[0060] 图3更详细地示出了预充电电路22的实施例，其中光耦合器30接收电池电压VB。 光耦合器30-般是关闭的。电池能量控制模块（BECM) 31向光耦合器30提供激活信号，从 而例如当驾驶员试图激活电驱动装置时启动预充电活动。BECM 31可以包含专用集成电路 芯片组（例如TB 9141FG以及TMPM358FDTFG锂离子电池监测芯片组，其来自加州欧文的东 芝美国电子元件公司），该芯片组带有或者不带确定接触器闭合需求的主控制器（例如，通 用微控制器集成电路）。包含模拟-数字（A/D)转换器32的电压传感器向BECM 31提供了 链路电容器电压测量结果'。此外，转换器32可以结合到BECM 31内。响应开始电驱动系 统的启动，BECM 31向光耦合器30提供预充电开始的命令从而开启光耦合器30。这使得电 池电压Vb连接到电源35以及金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET) 36的源极端子。 电源35产生适用于在预充电电路22内所使用的半导体组件的电压（例如5V)。
[0061] MOSFET 36与电感器37串联，通过电流检测电阻或分流器38向链路电容器16提 供受控电流。电流检测电阻38构成了电流传感器40的一部分，电流传感器40也包含从 电源35接收电力的差分放大器41。差分放大器41产生与流经电感器37的电流成比例 的输出信号，该信号提供给由比较器42以及正反馈电阻43形成的施密特触发器（Schmitt trigger)的输入。由电源35供电的MOSFET驱动器44连接到MOSFET 36的栅极，从而根据 触发器42的输出状态开启或关闭MOSFET 36。
[0062] 施密特触发器42配置为激活驱动器44以及MOSFET 36,从而当所测量的电感器 电流低于第一阈值时尝试在电感器37内建立电流，以及所测量的电感器电流高于第二阈 值时停用驱动器44以及MOSFET 36,其中第二阈值高于第一阈值。实质上，触发器42执行 MOSFET 36的脉冲宽度调制（PWM)转换，从而获得基本上恒定的电流，如图4所示。在这个示 例中，电感器电流控制在2. 6安培的较低阈值和2. 82安培的较高阈值之间。当MOSFET首先 开启时，电流沿线50快速增长到达上阈值。在上阈值处，MOSFET关闭，电流沿线51斜降到 下阈值，引起MOSFET再次开启。电流再次沿线52增加至到达上阈值，触发器关闭M0SFET， 以便电流沿线53再次斜降。这样，受控电流源提供基本上恒定的具有所需均方根（RMS)值 (例如图4中的约2. 7A)预充电电流。
[0063] 由于上下电流阈值是恒定的，预充电电流基本上是恒定的（即在RMS值附近小的 波动）。在预充电时间中也可以通过变化上和/或下阈值来获得其他（即非恒定的）电流 轨迹。
[0064] 图5示出了链路电容器通过恒流电源快速预充电时在主DC总线上的链路电容器 两端所测的预充电电压的轨迹55。如图所示，在这个示例中预充电在短于约120ms内完 成。除了快速以及可预期的预充电时间之外，本发明为方便地确定预充电电流所流入的阻 抗（即链路电容器电容和/或包括泄流电阻的负载电阻）提供了机会。
[0065] 在预充电中，预充电电路与主总线阻抗之间的相互影响如下：
[0066]
[0067] 其中i是预充电电路的电流，C是接收电流的电容，V是总线电压，R是接收电流的 电阻。在电流i基本上是恒定的预充电的时间内，电压V如下：
[0068]
[0069] 因此，对于时间接近零时，第一个等式简化为：
[0070]
[0071] 这容许本发明表征出预充电中的链路电容。解出第一个等式中的电阻，如下：
[0072]
[0073] 以便从电容推导出的值能够用于表征总线阻抗。因此，通过监测链路电容器在恒 流预充电中的电压增加以及通过计算斜率（即电压变化和所消耗的时间）就可以计算出电 容以及电阻值。BECM或者其他控制电路在第一时间（即消耗时间开始时）进行链路电压 56的取样，在第二时间（即消耗时间结束时）进行链路电压57的取样。电压差和时间差提 供了斜率dv/dt。可以基于斜率的异常值或计算的电容或电阻值检测异常状况。此外，所测 量的值能够在控制电路中使用，从而检测各种对主DC总线的电阻具有预设影响的可选负 载存在或者不存在。
[0074] 图6更详细地示出了预充电电路60。MOSFET 61通过光耦合器选择性地连接到高 压DC电源（电池）11。与MOSFET 61串联的电感器62通过分流电阻63向链路电容器16 提供预充电电流。电阻63连接到电流检测放大器集成电路（IC)64(例如凌力尔特（Linear Technology)的LT1999芯片）。来自IC64的测量电流输出信号通过耦接电阻65提供给触 发器电路66。
[0075] 预充电电路60包括电源68,当光耦合器30闭合时（通过图中未示出的连接）也 通过主DC电源激活。来自电源68的经过调整的输出耦接到电流检测芯片64并且作为延 时芯片75 (例如凌力尔特的LTC6994)的输入。来自芯片75的延时输出69用于向触发器 电路66提供调整的电力，从而确保检测到的电流在为触发器电路66供电之前是可用的。
[0076] 施密特触发器电路66包括带有反相输入（例如检测输入）的比较器67,该比较器 67通过电阻65接收所测量的电流信号。比较器67的非反相输入通过包含电阻70、72、73 以及电容器74的正反馈网络来确定滞后带（即下和上阈值）。电阻71是上拉电阻。触发 器电路66的二元输出通过耦接电阻81耦接到场效应晶体管（FET)驱动器80。驱动器80 包括通过耦接电阻83耦接到MOSFET 61栅极的晶体管82。电阻84以及齐纳二极管（Zener diode)85有助于偏压于MOSFET 61。续流二极管（freewheeling diode)86连接在接地线 和电感器62之间，从而当MOSFET 61关闭时为电感器电流提供路径。
[0077] 图7示出了用于提供基本恒定的预充电电流的优选方法。在步骤90中，启动信号 从控制电路（及电池能量控制模块）发送到光耦合器。在步骤91中，当光耦合器开启时， 预充电电路通电并且开启M0SFET。在步骤92中，执行核查从而确定充电电流是否高于上阈 值。如果没有，那么MOSFET保持开启并且在步骤92中重新核查充电电流。在步骤93中， 当充电电流超过上阈值时，则关闭MOSFET。随着MOSFET关闭，在步骤94中执行核查，从而 确定充电电流是否落到低于下阈值。如果没有，则MOSFET保持关闭，并且重复执行步骤94 中的核查。当充电电流落到低于下阈值时，则在步骤95中开启MOSFET并且返回到步骤92。 随着链路电容器成为完全充电的，预充电电路不能保持恒流。然而，由于电流会自动地消 除，MOSFET可以保持开启。当控制电路关闭光耦合器时，MOSFET最后也会关闭。
[0078] 电驱动系统用于执行预充电以及表征主总线电容和阻抗所有操作的优选方法如 图8所示。在步骤100中检测启动状况，随后控制电路在步骤101中发送预充电启动信号。 在发出预充电启动信号后，在步骤102中，控制器监测链路电压（即启动计时器并且在预充 电起始时存储时间样本和电压样本）。在步骤103中，将链路电压与预设目标电压相比较。 在这种比较阶段中，可以存储代表预充电测量结果消耗时间结束的另外的样本。当链路电 压等于或高于目标电压时，则该方法进入到步骤104从而关闭预充电电路以及闭合主接触 器。在步骤105中，识别所消耗的时间以及电压的变化，并且在步骤106中利用所消耗的时 间以及电压的变化来计算电容以及电阻值。
【主权项】
1. 一种用于带有直流电源的电动车辆的电驱动系统，包括： 接触器，其具有适用于连接到直流电源的输入以及具有输出，其中接触器选择性地在 断开状态和闭合状态之间转换； 链路电容器； 耦接到接触器输出和链路电容器的主总线； 预充电电路，其适用于耦接到直流电源和链路电容器之间，其中预充电电路包括受控 电流源，在接触器处于断开状态的情况下选择性地激活该受控电流源，以在接触器转换到 闭合状态之前使链路电容器充电到预设电压。2. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中预充电电路包括： 电感器； 晶体管开关，其与电感器串联，用于选择性地将电感器连接到直流电源；以及 用于驱动晶体管开关的控制电路，以便在链路电容器预充电中电感器提供基本恒定的 电流。3. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中控制电路包括： 测量电感器电流的电流传感器；以及 触发器，其当所测的电感器电流低于第一阈值时开启晶体管开关，并且当所测的电感 器电流高于第二阈值时关闭晶体管开关，其中第二阈值高于第一阈值。4. 根据权利要求1所述的驱动系统，进一步包括： 测量链路电容器两端链路电压的电压传感器；以及 控制电路，其通过启动预充电电路、监测所测的链路电压来启动链路电容器的预充电， 并且当所测链路电压高于电压阈值时，通过停用预充电电路而结束预充电。5. 根据权利要求4所述的驱动系统，其中控制电路响应预充电消耗的时间以及所测链 路电压的斜率而确定链路电容器的电容。6. 根据权利要求5所述的驱动系统，其中斜率包括对应消耗时间开始时所测量的链路 电压和对应消耗时间结束时所测量的链路电压之间的差值。7. 根据权利要求5所述的驱动系统，其中受控电流是恒定电流，并且其中控制电路根 据恒定电流除以斜率来确定电容。8. 根据权利要求4所述的驱动系统，其中受控电流是恒定电流，并且其中控制电路响 应预充电消耗时间、测量的链路电压的斜率以及恒定电流来确定与链路电容器并联的电 阻。
【专利摘要】一种用于电动车辆的电驱动系统，该电驱动系统具有直流电源以及接触器，接触器带有耦接到主总线的输出以及适用于连接到直流电源的输入。接触器选择性地在断开状态和闭合状态之间转换。链路电容器耦接到主总线。预充电电路耦接在直流电源和链路电容器之间，预充电电路包含受控电流源。在接触器处于断开状态的情况下选择性地激活该受控电流源，以在接触器转换到闭合状态之前使链路电容器充电到预设电压。
【IPC分类】B60L11/18, G01R27/26, G01R27/08
【公开号】CN104890525
【申请号】CN201510098005
【发明人】阿诺德·K·门萨-布朗, 哈斯迪·R·哈希姆, 布鲁斯·C·布莱克默, 艾伦·R·吉姆
【申请人】福特全球技术公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月5日
【公告号】DE102015203912A1, US20150251542
【专利说明】电动车辆驱动系统内的电容器预充电以及电容/电阻测量
【背景技术】
[0001] 本发明总体涉及电动车辆驱动系统，尤其涉及主直流（DC)总线链路电容器改善 的预充电。
[0002] 例如混合动力电动车辆（HEV)以及插电式混合动力电动车辆（PHEV)的电动车辆 利用逆变器驱动的电机以提供牵引扭矩和再生制动扭矩。这样的逆变器典型地采用能量存 储电容器（或主电容器）作为主DC总线的DC链路，主DC总线通常通过可变电压转换器 (VVC)、输入电容器以及一对机械接触器（例如继电器）与例如电池的高压（HV)电源连接。 逆变器以及其他负载由主DC总线驱动。
[0003] 如果接触器初始是闭合的并且链路电容器在放电或低充电状态，那么从HV DC电 源到主DC总线之间的低阻抗会引起非常高的浪涌电流，该电流会对接触器以及其他组件 造成损害。由于在后续正常操作中相关的电压降以及功率消耗，利用与接触器串联的限流 电阻并不理想。因此，通常利用单独的分支电路或预充电电路。已知的预充电电路利用串 联在DC供电源和链路电容器之间的开关和电阻。打开开关容许链路电容器通过电阻充电， 电阻的存在限制了浪涌电流，从而阻止对开关的损害。一旦链路电容器预充电后，那么i) 主接触器可以在没有接收到任何浪涌电流的情况下闭合；ii)预充电开关能够打开以便切 断预充电电阻。
[0004] 可以期望的是，在短时间量内完成预充电过程，以便在驾驶员激活车辆后车辆能 够立刻驱动。在传统的配置中，电容器的充电时间由预充电电路以及链路电容器的阻容 (RC)时间常数来控制。由于预充电电阻必须足够大以限制浪涌电流并且链路电容器必要 地具有相对大的电容，有时会发生不期望长的延时。而且，主DC总线上额外负载的存在能 够通过增加阻抗来影响预充电。例如，泄流电阻（bleeder resistor)典型地出现在链路电 容器两端以便在电驱动装置关机时使链路电容器放电。其他可能的负载包括电正温度系数 (PTC)加热器。负载会进一步延长预充电时间。
[0005] 负载的有效电阻会随着时间变化，并且一些例如电加热器的负载可以在执行预充 电时开启或者关闭。链路电容器的电容也可以随着时间而降低。这些变化使得确保在预期 时间量内完成预充电变得更加困难。
[0006] 出于诊断和监测的目的，可以期望的是，在电驱动装置的整个寿命内测量与主DC 总线相关的电容和电阻。为了执行这些测量功能，典型地需要专用组件。可以期望的是，在 不需要专用组件的情况下执行这样的测量。
【发明内容】
[0007] 在本发明的一个方面，为带有DC电源的电动车辆提供电驱动系统。接触器具有适 用于连接到DC电源的输入以及具有输出。接触器选择性地在断开状态和闭合状态之间转 换。主总线耦接到链路电容器以及接触器的输出。预充电电路耦接在DC电源和包括受控 电流源的链路电容器之间。在接触器处于断开状态的情况下选择性地激活该受控电流源， 以在接触器转换到闭合状态之前使链路电容器充电至预设电压。
[0008] 根据本发明，提供一种用于带有直流电源的电动车辆的电驱动系统，包括：
[0009] 接触器，其具有适用于连接到直流电源的输入以及具有输出，其中接触器选择性 地在断开状态和闭合状态之间转换；
[0010] 链路电容器；
[0011] 耦接到接触器输出和链路电容器的主总线；
[0012] 预充电电路，其适用于耦接到直流电源和链路电容器之间，其中预充电电路包括 受控电流源，在接触器处于断开状态的情况下选择性地激活该受控电流源，以在接触器转 换到闭合状态之前使链路电容器充电到预设电压。
[0013] 根据本发明的一个实施例，其中预充电电路包括：
[0014] 电感器；
[0015] 晶体管开关，其与电感器串联，用于选择性地将电感器连接到直流电源；以及
[0016] 用于驱动晶体管开关的控制电路，以便在链路电容器预充电中电感器提供基本恒 定的电流。
[0017] 根据本发明的一个实施例，其中控制电路包括：
[0018] 测量电感器电流的电流传感器；以及
[0019] 触发器，其当所测的电感器电流低于第一阈值时开启晶体管开关，并且当所测的 电感器电流高于第二阈值时关闭晶体管开关，其中第二阈值高于第一阈值。
[0020] 根据本发明的一个实施例，进一步包括：
[0021] 测量链路电容器两端链路电压的电压传感器；以及
[0022] 控制电路，其通过启动预充电电路、监测所测的链路电压来启动链路电容器的预 充电，并且当所测链路电压高于电压阈值时，通过停用预充电电路而结束预充电。
[0023] 根据本发明的一个实施例，其中控制电路响应预充电消耗的时间以及所测链路电 压的斜率而确定链路电容器的电容。
[0024] 根据本发明的一个实施例，其中斜率包括对应消耗时间开始时所测量的链路电压 和对应消耗时间结束时所测量的链路电压之间的差值。
[0025] 根据本发明的一个实施例，其中受控电流是恒定电流，并且其中控制电路根据恒 定电流除以斜率来确定电容。
[0026] 根据本发明的一个实施例，其中受控电流是恒定电流，并且其中控制电路响应预 充电消耗时间、测量的链路电压的斜率以及恒定电流来确定与链路电容器并联的电阻。
[0027] 根据本发明，提供一种为电动车辆驱动装置内主总线上的链路电容器预充电的方 法，包括：
[0028] 在主电池接触器处于断开状态的情况下，激活预充电电路从而向链路电容器提供 基本上恒定的电流；
[0029] 当链路电容器电压到达预设电压时，停用预充电电路；以及
[0030] 闭合接触器。
[0031] 根据本发明的一个实施例，进一步包括：
[0032] 脉冲宽度调制与电感器串联的晶体管开关，用于提供基本上恒定的电流。
[0033] 根据本发明的一个实施例，进一步包括：
[0034] 测量链路电容器两端的链路电压；以及
[0035] 响应预充电所消耗的时间以及所测量的链路电压的斜率而确定链路电容器的电 容。
[0036] 根据本发明的一个实施例，其中斜率包括对应消耗时间开始时所测量的链路电压 和对应消耗时间结束时所测量的链路电压之间的差值。
[0037] 根据本发明的一个实施例，其中电容根据恒定电流除以斜率而确定。
[0038] 根据本发明的一个实施例，进一步包括：
[0039] 测量链路电容器两端的链路电压；以及
[0040] 响应预充电所消耗的时间、所测量的链路电压的斜率以及恒定电流而确定与链路 电容器并联的电阻。
[0041] 根据本发明，提供一种为电动车辆驱动装置内的主总线链路电容器充电的预充电 电路，包括：
[0042] 电感器；
[0043] 选择性地将电感器耦接到直流电源的晶体管；
[0044] 测量电感器电流的电流传感器；以及
[0045] 触发器，其当电感器电流低于第一阈值时开启晶体管，并且当电感器电流高于第 二阈值时关闭晶体管，其中第二阈值高于第一阈值。
[0046] 根据本发明的一个实施例，进一步包括：
[0047] 光耦合器，其将晶体管连接到直流电源，其中光耦合器适用于通过电动车辆驱动 装置的控制电路远程控制。
【附图说明】
[0048] 图1示出了预充电电路总体布置的示意图；
[0049] 图2是将本发明的恒定电流预充电与现有技术的RC预充电的预充电时间的比较 曲线图；
[0050] 图3示出用于本发明的一个优选实施例的预充电电路以及控制电路的框图；
[0051] 图4示出了利用脉冲宽度调制技术的基本上恒定电流大小的一个实施例的曲线 图；
[0052] 图5示出了根据本发明的一个优选实施例的预充电中链路电容器电压曲线图；
[0053] 图6更详细地示出了预充电电路的另一个优选实施例的示意图；
[0054] 图7示出了控制预充电电流的一个优选方法的流程图；
[0055] 图8示出了用于执行预充电功能优选方法的流程图，在预充电过程中同时确定了 由主DC总线所测量的电容以及电阻。
【具体实施方式】
[0056] 现在参照图1，电动车辆驱动系统10包括由接触器开关12和13耦接到可变电压 直流-直流（DC/DC)转换器14的DC电源11 (例如电池组或燃料电池）。接触器12、13优 选地是具有断开和闭合状态并且用于选择性地（通过转换器14)将电池11耦接到主DC总 线15的机械开关。
[0057] 链路电容器16和泄流电阻17耦接到主DC总线15和主接地装置18之间。逆变 器负载（INV) 20具有连接到总线15的输入以及连接到电动马达21的输出。预充电电路22 耦接到电池11和链路电容器16之间，以便在电驱动装置10启动时向链路电容器16上供 应电荷，从而当接触器12和13闭合时，它们不会受到浪涌电流的损害。
[0058] 在本发明中，预充电电路22实施以受控电流的方案，即使是在主DC总线阻抗变化 的情况下该方案也能够更好地确保快速的预充电时间。在优选的实施例中，预充电电路22 包括受控电流源，其传送基本上恒定的预充电电流（至少在预充电时间的大部分中直至上 升的链路电容器电压使从预充电电路获取的电流降低）。
[0059] 图2对利用恒定电流和RC控制预充电的链路电容器两端的电压'的斜升进行了 比较。轨迹25示出了由恒定预充电电流所产生的线性电压增加。电压增加的斜率基本上 恒定直至达到在时间h处的阈值电压V τ。轨迹26和27代表利用RC预充电电路时典型的 预充电时间。例如，轨迹26只在较长的延时t2之后实现预充电。
[0060] 图3更详细地示出了预充电电路22的实施例，其中光耦合器30接收电池电压VB。 光耦合器30-般是关闭的。电池能量控制模块（BECM) 31向光耦合器30提供激活信号，从 而例如当驾驶员试图激活电驱动装置时启动预充电活动。BECM 31可以包含专用集成电路 芯片组（例如TB 9141FG以及TMPM358FDTFG锂离子电池监测芯片组，其来自加州欧文的东 芝美国电子元件公司），该芯片组带有或者不带确定接触器闭合需求的主控制器（例如，通 用微控制器集成电路）。包含模拟-数字（A/D)转换器32的电压传感器向BECM 31提供了 链路电容器电压测量结果'。此外，转换器32可以结合到BECM 31内。响应开始电驱动系 统的启动，BECM 31向光耦合器30提供预充电开始的命令从而开启光耦合器30。这使得电 池电压Vb连接到电源35以及金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET) 36的源极端子。 电源35产生适用于在预充电电路22内所使用的半导体组件的电压（例如5V)。
[0061] MOSFET 36与电感器37串联，通过电流检测电阻或分流器38向链路电容器16提 供受控电流。电流检测电阻38构成了电流传感器40的一部分，电流传感器40也包含从 电源35接收电力的差分放大器41。差分放大器41产生与流经电感器37的电流成比例 的输出信号，该信号提供给由比较器42以及正反馈电阻43形成的施密特触发器（Schmitt trigger)的输入。由电源35供电的MOSFET驱动器44连接到MOSFET 36的栅极，从而根据 触发器42的输出状态开启或关闭MOSFET 36。
[0062] 施密特触发器42配置为激活驱动器44以及MOSFET 36,从而当所测量的电感器 电流低于第一阈值时尝试在电感器37内建立电流，以及所测量的电感器电流高于第二阈 值时停用驱动器44以及MOSFET 36,其中第二阈值高于第一阈值。实质上，触发器42执行 MOSFET 36的脉冲宽度调制（PWM)转换，从而获得基本上恒定的电流，如图4所示。在这个示 例中，电感器电流控制在2. 6安培的较低阈值和2. 82安培的较高阈值之间。当MOSFET首先 开启时，电流沿线50快速增长到达上阈值。在上阈值处，MOSFET关闭，电流沿线51斜降到 下阈值，引起MOSFET再次开启。电流再次沿线52增加至到达上阈值，触发器关闭M0SFET， 以便电流沿线53再次斜降。这样，受控电流源提供基本上恒定的具有所需均方根（RMS)值 (例如图4中的约2. 7A)预充电电流。
[0063] 由于上下电流阈值是恒定的，预充电电流基本上是恒定的（即在RMS值附近小的 波动）。在预充电时间中也可以通过变化上和/或下阈值来获得其他（即非恒定的）电流 轨迹。
[0064] 图5示出了链路电容器通过恒流电源快速预充电时在主DC总线上的链路电容器 两端所测的预充电电压的轨迹55。如图所示，在这个示例中预充电在短于约120ms内完 成。除了快速以及可预期的预充电时间之外，本发明为方便地确定预充电电流所流入的阻 抗（即链路电容器电容和/或包括泄流电阻的负载电阻）提供了机会。
[0065] 在预充电中，预充电电路与主总线阻抗之间的相互影响如下：
[0066]
[0067] 其中i是预充电电路的电流，C是接收电流的电容，V是总线电压，R是接收电流的 电阻。在电流i基本上是恒定的预充电的时间内，电压V如下：
[0068]
[0069] 因此，对于时间接近零时，第一个等式简化为：
[0070]
[0071] 这容许本发明表征出预充电中的链路电容。解出第一个等式中的电阻，如下：
[0072]
[0073] 以便从电容推导出的值能够用于表征总线阻抗。因此，通过监测链路电容器在恒 流预充电中的电压增加以及通过计算斜率（即电压变化和所消耗的时间）就可以计算出电 容以及电阻值。BECM或者其他控制电路在第一时间（即消耗时间开始时）进行链路电压 56的取样，在第二时间（即消耗时间结束时）进行链路电压57的取样。电压差和时间差提 供了斜率dv/dt。可以基于斜率的异常值或计算的电容或电阻值检测异常状况。此外，所测 量的值能够在控制电路中使用，从而检测各种对主DC总线的电阻具有预设影响的可选负 载存在或者不存在。
[0074] 图6更详细地示出了预充电电路60。MOSFET 61通过光耦合器选择性地连接到高 压DC电源（电池）11。与MOSFET 61串联的电感器62通过分流电阻63向链路电容器16 提供预充电电流。电阻63连接到电流检测放大器集成电路（IC)64(例如凌力尔特（Linear Technology)的LT1999芯片）。来自IC64的测量电流输出信号通过耦接电阻65提供给触 发器电路66。
[0075] 预充电电路60包括电源68,当光耦合器30闭合时（通过图中未示出的连接）也 通过主DC电源激活。来自电源68的经过调整的输出耦接到电流检测芯片64并且作为延 时芯片75 (例如凌力尔特的LTC6994)的输入。来自芯片75的延时输出69用于向触发器 电路66提供调整的电力，从而确保检测到的电流在为触发器电路66供电之前是可用的。
[0076] 施密特触发器电路66包括带有反相输入（例如检测输入）的比较器67,该比较器 67通过电阻65接收所测量的电流信号。比较器67的非反相输入通过包含电阻70、72、73 以及电容器74的正反馈网络来确定滞后带（即下和上阈值）。电阻71是上拉电阻。触发 器电路66的二元输出通过耦接电阻81耦接到场效应晶体管（FET)驱动器80。驱动器80 包括通过耦接电阻83耦接到MOSFET 61栅极的晶体管82。电阻84以及齐纳二极管（Zener diode)85有助于偏压于MOSFET 61。续流二极管（freewheeling diode)86连接在接地线 和电感器62之间，从而当MOSFET 61关闭时为电感器电流提供路径。
[0077] 图7示出了用于提供基本恒定的预充电电流的优选方法。在步骤90中，启动信号 从控制电路（及电池能量控制模块）发送到光耦合器。在步骤91中，当光耦合器开启时， 预充电电路通电并且开启M0SFET。在步骤92中，执行核查从而确定充电电流是否高于上阈 值。如果没有，那么MOSFET保持开启并且在步骤92中重新核查充电电流。在步骤93中， 当充电电流超过上阈值时，则关闭MOSFET。随着MOSFET关闭，在步骤94中执行核查，从而 确定充电电流是否落到低于下阈值。如果没有，则MOSFET保持关闭，并且重复执行步骤94 中的核查。当充电电流落到低于下阈值时，则在步骤95中开启MOSFET并且返回到步骤92。 随着链路电容器成为完全充电的，预充电电路不能保持恒流。然而，由于电流会自动地消 除，MOSFET可以保持开启。当控制电路关闭光耦合器时，MOSFET最后也会关闭。
[0078] 电驱动系统用于执行预充电以及表征主总线电容和阻抗所有操作的优选方法如 图8所示。在步骤100中检测启动状况，随后控制电路在步骤101中发送预充电启动信号。 在发出预充电启动信号后，在步骤102中，控制器监测链路电压（即启动计时器并且在预充 电起始时存储时间样本和电压样本）。在步骤103中，将链路电压与预设目标电压相比较。 在这种比较阶段中，可以存储代表预充电测量结果消耗时间结束的另外的样本。当链路电 压等于或高于目标电压时，则该方法进入到步骤104从而关闭预充电电路以及闭合主接触 器。在步骤105中，识别所消耗的时间以及电压的变化，并且在步骤106中利用所消耗的时 间以及电压的变化来计算电容以及电阻值。
【主权项】
1. 一种用于带有直流电源的电动车辆的电驱动系统，包括： 接触器，其具有适用于连接到直流电源的输入以及具有输出，其中接触器选择性地在 断开状态和闭合状态之间转换； 链路电容器； 耦接到接触器输出和链路电容器的主总线； 预充电电路，其适用于耦接到直流电源和链路电容器之间，其中预充电电路包括受控 电流源，在接触器处于断开状态的情况下选择性地激活该受控电流源，以在接触器转换到 闭合状态之前使链路电容器充电到预设电压。2. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中预充电电路包括： 电感器； 晶体管开关，其与电感器串联，用于选择性地将电感器连接到直流电源；以及 用于驱动晶体管开关的控制电路，以便在链路电容器预充电中电感器提供基本恒定的 电流。3. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中控制电路包括： 测量电感器电流的电流传感器；以及 触发器，其当所测的电感器电流低于第一阈值时开启晶体管开关，并且当所测的电感 器电流高于第二阈值时关闭晶体管开关，其中第二阈值高于第一阈值。4. 根据权利要求1所述的驱动系统，进一步包括： 测量链路电容器两端链路电压的电压传感器；以及 控制电路，其通过启动预充电电路、监测所测的链路电压来启动链路电容器的预充电， 并且当所测链路电压高于电压阈值时，通过停用预充电电路而结束预充电。5. 根据权利要求4所述的驱动系统，其中控制电路响应预充电消耗的时间以及所测链 路电压的斜率而确定链路电容器的电容。6. 根据权利要求5所述的驱动系统，其中斜率包括对应消耗时间开始时所测量的链路 电压和对应消耗时间结束时所测量的链路电压之间的差值。7. 根据权利要求5所述的驱动系统，其中受控电流是恒定电流，并且其中控制电路根 据恒定电流除以斜率来确定电容。8. 根据权利要求4所述的驱动系统，其中受控电流是恒定电流，并且其中控制电路响 应预充电消耗时间、测量的链路电压的斜率以及恒定电流来确定与链路电容器并联的电 阻。
【专利摘要】一种用于电动车辆的电驱动系统，该电驱动系统具有直流电源以及接触器，接触器带有耦接到主总线的输出以及适用于连接到直流电源的输入。接触器选择性地在断开状态和闭合状态之间转换。链路电容器耦接到主总线。预充电电路耦接在直流电源和链路电容器之间，预充电电路包含受控电流源。在接触器处于断开状态的情况下选择性地激活该受控电流源，以在接触器转换到闭合状态之前使链路电容器充电到预设电压。
【IPC分类】B60L11/18, G01R27/26, G01R27/08
【公开号】CN104890525
【申请号】CN201510098005
【发明人】阿诺德·K·门萨-布朗, 哈斯迪·R·哈希姆, 布鲁斯·C·布莱克默, 艾伦·R·吉姆
【申请人】福特全球技术公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月5日
【公告号】DE102015203912A1, US20150251542
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