预充电路及电池系统

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，尤其是涉及一种预充电路及电池系统。

背景技术

随着新能源领域电动汽车的蓬勃发展，电动汽车电池系统的安全性与节能性越来越被重视，提升系统性能与可靠性的措施也越来越丰富。在传统的电池系统中，一般采用被动预充方案，即预充电阻限流对母线电容进行预充电。此方案在预充电时，预充电阻会生成较多热量,一方面，会影响预充电阻的使用寿命，严重情况下可能引起预充电阻热失效而引发起火，同时，预充电阻耗散的热会对周围器件产生危害，系统安全性受到影响，另一方面，会提高系统功耗，降低系统经济性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种预充电路，能够解决热功耗大的问题。

本发明还提出了一种电池系统。

根据本发明的第一方面实施例的预充电路，应用于电池系统，所述电池系统包括储能单元、主正继电器、主负继电器，所述储能单元的正极与所述主正继电器的一端连接，所述储能单元的负极与所述主负继电器的一端连接，所述主正继电器的另一端与负载的一端连接，所述主负继电器的另一端与所述负载的另一端连接；

所述预充电路，包括：

预充单元，用于平缓流经所述预充单元的电流和存储电能；

回路切换单元，用于切换第一回路和第二回路，所述第一回路由所述预充单元与所述负载串联构成，所述第二回路由所述预充单元、所述储能单元、所述主正继电器、所述负载串联构成；

驱动电路，其具有电压检测端、基准电压端和回路切换控制端，所述电压检测端用于获取与流经所述预充单元的预充电流对应的实时电压，所述基准电压端用于接入第一基准电压，所述驱动电路用于根据所述实时电压和所述第一基准电压得到驱动电压，并通过所述回路切换控制端输出所述驱动电压至所述回路切换单元，以使得所述回路切换单元完成所述第二回路和所述第一回路的切换。

根据本发明实施例的预充电路，至少具有如下有益效果：

预充单元可以实现对电流的平缓以及储能，并且可以在储能之后进行能量释放，而通过回路切换单元可以实现对预充单元接入的第二回路和第一回路进行切换，进而可以利用预充单元的储能和释放能量的特性来完成负载的预充电。同时，驱动电路对于回路切换单元切换回路的控制可以基于预充回路的预充电流完成，使得流经预充单元的预充电流可以在预充单元不停的储能和释能的过程中，保持在一个恒平均电流的状态，从而使得对负载端的预充电可以更加的平稳且迅速，同时也可以降低整体的热功耗。

根据本发明的一些实施例，所述回路切换单元包括：

开关单元，具有开关输入端、开关输出端和开关受控端，所述开关输入端与所述预充单元的输出端连接，所述开关输出端与所述储能单元的负极连接，所述开关受控端与所述回路切换控制端连接；所述预充单元的输入端与所述负载的所述另一端连接；

第一单向导通器件，其输入端与所述预充单元的输出端连接，输出端与所述负载的所述一端连接。

根据本发明的一些实施例，所述回路切换单元还包括连接在所述预充单元的输出端与所述开关输入端之间的第二单向导通器件。

根据本发明的一些实施例，所述预充单元包括：

预充电感，其一端与所述负载的所述另一端连接；

第一电流采样电阻，其一端与所述预充电感的另一端连接，另一端与所述开关输入端连接。

根据本发明的一些实施例，所述预充单元还包括连接在所述预充电感的所述一端与所述负载的所述另一端之间的第一保险单元。

根据本发明的一些实施例，所述驱动电路包括：

滞环比较器，其具有第一输入端、第二输入端和第一比较输出端，所述第一输入端与所述预充电感的所述一端连接，所述第一比较输出端与所述开关受控端连接；

第一电阻，其一端与所述第二输入端和连接，另一端接入所述第一基准电压；

第二电阻，连接在所述第一比较输出端和所述第二输入端之间。

根据本发明的一些实施例，所述预充电流的约束公式为：

式中，I

根据本发明的一些实施例，所述驱动电路还包括连接在所述第一比较输出端与所述开关受控端之间的隔离栅极驱动器。

根据本发明的一些实施例，所述预充电路还包括：

过流保护单元，用于检测流经所述预充单元的所述预充电流并调整所述驱动电路的工作状态。

根据本发明的一些实施例，所述过流保护单元包括：

第二电流采样电阻，连接在所述开关输出端与所述储能单元的负极之间；

运放单元，其具有第三输入端、第四输入端和运放输出端，所述第三输入端和所述第四输入端分别与所述第二电流采样电阻的两端连接；

电压比较器，其具有第五输入端、第六输入端和第二比较输出端，所述第五输入端与所述运放输出端连接，所述第六输入端用于连接第二基准电压，所述第二比较输出端用于调整所述驱动电路的工作状态。

根据本发明的第二方面实施例的电池系统，包括第一方面实施例的预充电路。由于本发明实施例的电池系统实质上采用了上述实施例的预充电路的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一实施例的电池系统的系统示意图；

图2是本发明一实施例的负载的电容的电压变化示意图；

图3是本发明一实施例的流经预充电感的预充电流的变化示意图。

附图标记：

储能单元110、主正继电器120、主负继电器130、负载140、

预充单元210、回路切换单元220、驱动电路230、过流保护单元240。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，并非全部实施例。

为了更好的描述本发明实施例的预充电路，这里对应用的电池系统进行一个简述，电池系统包括储能单元110、主正继电器120、主负继电器130、电池管理系统，储能单元110的正极与主正继电器120的一端连接，储能单元110的负极与主负继电器130的一端连接，主正继电器120的另一端与负载140的一端连接，主负继电器130的另一端与负载140的另一端连接；电池管理系统控制主正继电器120和主负继电器130闭合之后，储能单元110中电能可以完成向负载140的供电。

参见图1所示，图1是本发明一个实施例提供的预充电路，该预充电路包括预充单元210、电流检测单元、电压检测单元、回路切换单元220，

预充电路，包括：

预充单元210，用于平缓流经预充单元210的电流和存储电能；

回路切换单元220，用于切换第一回路和第二回路，第一回路由预充单元210与负载140串联构成，第二回路由预充单元210、储能单元110、主正继电器120、负载140串联构成；

驱动电路230，其具有电压检测端、基准电压端和回路切换控制端，电压检测端用于获取与流经预充单元210的预充电流对应的实时电压，基准电压端用于接入第一基准电压V1，驱动电路230用于根据实时电压和第一基准电压V1得到驱动电压，并通过回路切换控制端输出驱动电压至回路切换单元220，以使得回路切换单元220完成第二回路和第一回路的切换。

参考图1，回路切换单元220可以完成预充单元210是直接接入负载140两端构成第一回路，还是预充单元210通过串联储能单元110、主正继电器120构成第二回路的切换。主继电器闭合后，回路切换单元220切换至第二回路时，预充单元210、储能单元110、主正继电器120、负载140串联构成第二回路，储能单元110直接向负载140进行预充电，同时，预充单元210会平缓流经预充单元210的预充电流，同时完成储能；回路切换单元220切换至第一回路时，预充单元210与负载140串联构成第一回路，预充单元210储蓄的能量会向负载140进行预充电；当完成预充电后，则可以接通主负继电器130，停止预充开始正式供电。

为了使得预充电的平稳迅速，引入了预充电流来对回路切换单元220的切换进行控制。通过不断的切换第一回路和第二回路，使得预充单元210不断的储能和释能，进而将流经预充单元210的预充电流控制在一个稳定范围内，使得预充电流和保持在一个恒平均电流的状态。此外，通过检测负载140两端的预充电压可以用于判断预充是否完成，在预充电压达到要求时，则可以接通主负继电器130便可以完成正式的输出供电。

本发明实施例的预充电路中预充单元210可以实现对电流的平缓以及储能，并且可以在储能之后进行能量释放，而通过回路切换单元220可以实现对预充单元210接入的第二回路和第一回路进行切换，进而可以利用预充单元210的储能和释放能量的特性来完成负载140的预充电。同时，驱动电路230对于回路切换单元220切换回路的控制可以基于预充回路的预充电流完成，使得流经预充单元210的预充电流可以在预充单元210不停的储能和释能的过程中，保持在一个恒平均电流的状态，从而使得对负载140端的预充电可以更加的平稳且迅速，同时也可以降低整体的热功耗。

参考图1，在一些实施例中，回路切换单元220包括：开关单元和第一单向导通器件。

开关单元，具有开关输入端、开关输出端和开关受控端，开关输入端与预充单元210的输出端连接，开关输出端与储能单元110的负极连接，开关受控端与回路切换控制端连接；预充单元210的输入端与负载140的另一端连接；

第一单向导通器件，其输入端与预充单元210的输出端连接，输出端与负载140的一端连接。

参考图1，开关单元受驱动电路230控制，可以实现开关输入端和开关输出端之间断开和接通的调整，从而可以实现对预充单元210是否与储能单元110的负极连通的控制，进而，在需要进行第一回路和第二回路切换时，则可以直接利用开关单元的通断来完成。

开关单元处于接通状态时，因为第一单向导通器件反向截止的特性，使得电流可以从储能单元110的正极输出，流经主正继电器120、负载140、预充单元210、开关单元，回到储能单元110的负极，形成第二回路；开关单元处于断开状态时，储能单元110无法构成回路，此时，预充单元210因为在第一回路工作时进行了储能，从而可以在此状态时进行释能，电流可以从预充单元210的输出端开始，流经单向导通器件进入负载140，然后由负载140回到预充单元210的输入端，构成第一回路，继续对负载140端电容进行预充电。

在一些实施例中，开关单元为MOS管。MOS管可以在功率较大的情况下实现通断控制，保证第二回路和第一回路的准确切换。参考图1，图1中采用NMOS管Q1，NMOS管Q1的源极与储能单元110的负极连接，漏极与预充单元210的输出端连接，栅极与驱动电路230连接，从而可以在驱动电路230的控制下实现通断控制。此外，采用MOS管可以实现带载切断，相较于传统的直接使用继电器接入被动电阻预充回路方式，可以更好的保护电路的安全。在一些实施例中，第一单向导通器件采用二极管，例如图1中所示第一二极管D1。

参考图1，在一些实施例中，回路切换单元220还包括连接在预充单元210的输出端与开关输入端之间的第二单向导通器件。第二单向导通器件同样可以起到反向截至，达到保护的目的。第二单向导通器件可以采用二极管，例如图1中所示第二二极管D2。

在一些实施例中，预充单元210包括：预充电感L1和第一电流采样电阻R1。预充电感L1，其一端与负载140的另一端连接；第一电流采样电阻R1，其一端与预充电感L1的另一端连接，另一端与开关输入端连接。参考图1，预充电感L1可以实现对电流的平缓以及储能的目的。在第二回路工作时，预充电流流经预充电感L1，因为预充电感L1的电感特性，从而可以存储一部分能量，但是随着第二回路工作时间的增加，流经预充电感L1的预充电流会持续增长，同时第一电流采样电阻R1会将预充电流转换为实时电压，当实时电压增长到超过基准电压时，便会通过开关单元将预充电感L1切换至第一回路工作，此时，预充电感L1作为电源器件，开始继续向负载140接续进行预充。

参考图1，在一些实施例中，预充单元210还包括连接在预充电感L1的一端与负载140的另一端之间的第一保险单元。第一保险单元采用保险丝，可以在电流过大时，通过直接熔断的方式，保护回路中期间的安全。

参考图1，在一些实施例中，驱动电路230包括：滞环比较器IC2、第一电阻R3、第二电阻R4。滞环比较器IC2，其具有第一输入端、第二输入端和第一比较输出端，第一输入端与预充电感L1的一端连接，第一比较输出端与开关受控端连接；第一电阻R3，其一端与第二输入端和连接，另一端接入第一基准电压V1；第二电阻R4，连接在第一比较输出端和第二输入端之间。因为滞环比较逻辑的存在，所以在可以利用一个滞环比较器IC2便完成对开关单元的延迟开通与关断的控制，即，可以完成对预充回路中预充电流的最大值和最小值的确定。具体的，可以利用第一基准电压V1、第一电流采样电阻R1、滞环比较器IC2的工作电压VCC、第一电阻R3、第二电阻R4来完成对预充电流的最大值和最小值的确定。

参考图1，在一些实施例中，驱动电路230还包括连接在第一比较输出端与开关受控端之间的隔离栅极驱动器IC1。隔离栅极驱动器IC1既可以起到隔离的作用，同时也可以有效的驱动NMOS管动作。

参考图1，在一些实施例中，预充电路还包括过流保护单元240，过流保护单元240用于检测流经预充单元210的预充电流并调整驱动电路230的工作状态。过流保护单元240可以作为主动安全保护措施，使得在回路电流较大时，能够主动切断开关单元，从而达到限制电流过大的目的。过流保护单元240的设置可以有效的避免直接熔断保险丝或者长时间过流运行的情况出现。

在一些实施例中，过流保护单元240包括第二电流采样电阻R2、运放单元U1和电压比较器U2。

第二电流采样电阻R2，连接在开关输出端与储能单元110的负极之间；

运放单元U1，其具有第三输入端、第四输入端和运放输出端，第三输入端和第四输入端分别与第二电流采样电阻R2的两端连接；

电压比较器U2，其具有第五输入端、第六输入端和第二比较输出端，第五输入端与运放输出端连接，第六输入端用于连接第二基准电压V2，第二比较输出端用于调整驱动电路230的工作状态。

第二电流采样电阻R2可以将检测的回路中的预充电流转换为实时电压，并通过运放单元U1进行初步放大后，送入电压比较器U2中与第二基准电压V2进行比较，从而判断是否出现了过流。可以理解的是，通过改变第二基准电压V2的电压值可以调整过流保护动作的执行标准，以适合不同的预充电路的保护需求。

为了更好的描述本发明实施例的预充电路，这里结合图1、图3，以具体实施例的方式进行描述，本具体实施例中，储能单元110直接使用动力电池。

这里先对本具体实施例中的电路连接关系进行描述。

动力电池的正极与第一二极管D1的阴极和负载140的一端连接，负载140的另一端与保险丝F1的一端连接；保险丝F1的另一端与预充电感L1的一端连接；预充电感L1的另一端与第一电流采样电阻R1的一端连接；第一电流采样电阻R1的另一端与第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阳极连接；第二二极管D2的阴极与NMOS管Q1的漏极连接；NMOS管Q1的源极与第二电流采样电阻R2的一端连接，第二电流采样电阻R2的另一端与动力电池的负极连接。至此，第一二极管D1、负载140、保险丝F1、预充电感L1、第一电流采样电阻R1构成第一回路；动力电池、保险丝F2、负载140、保险丝F1、预充电感L1、第一电流采样电阻R1、第二二极管D2、NMOS管Q1、第二电流采样电阻R2构成第二回路。

滞环比较器IC2的负输入端与预充电感L1靠近第一电流采样电阻R1的一端连接，正输入端通过第一电阻R3连接第一基准电压V1，输出端与正输入端之间了第二电阻R4。

隔离栅极驱动器IC1的输入端与滞环比较器IC2的输出端连接，输出端与NMOS管Q1的栅极连接。

运放单元U1的正输入端和负输入端分别与第二电流采样电阻R2的两端连接；电压比较器U2的负输入端与运放单元U1的输出端连接，正输入端接入第二基准电压V2，输出端与隔离栅极驱动器IC1的使能端或工作电压端连接。

基于上述的具体电路结构，这里对本具体实施例的具体工作过程进行描述。

主正继电器120闭合，开始预充，本具体实施例的预充电路投入工作，滞环比较器IC2的正输入端VIN+接入第一基准电压V1；此时，预充电流I为0，实时电压为0，即滞环比较器IC2的负输入端VIN-电压为0，因此，VIN-

当预充电流达到最大值I

此外，确定预充电流的最大值I

为了更好的描述本发明的实际效果，这里结合图2、图3，进行进一步解释。如图2所示，图2中，横坐标为时间，纵坐标为负载140电容侧的电压，可以看到整个电容电压基本上呈线性增加，又因为充电电压是基本不变，可以看出整个充电过程中，预充电流基本保持在一个恒定的状态，或者应当说是恒平均电流状态。进一步结合图3，图3中展示为流经预充电感L1的预充电流的实际波形，图3中横坐标为时间，纵坐标为预充电流的电流值，可以看出，在MOS管的不断接通和关断之间，流经预充电感L1的预充电流保持在一个恒定的范围内，从而可以保证预充电流可以处于一个恒平均电流效果。

参见图1所示，本发明一个实施例还提出了一种电池系统，该电池系统包括如上述的预充电路。由于本发明实施例的电池系统实质上采用了上述实施例的预充电路的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。

参考图1，在一些实施例中，电池系统还包括连接在储能单元110的正极与主正继电器120的一端之间的第二保险单元。第二保险单元可以实现对过流保护，从而达到保护电池系统供电安全的目的。第二保险单元直接采用保险丝即可，例如图1所示保险丝F2。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。