基于车载DCDC的预充电装置及车辆

技术领域

本发明总体上涉及电动汽车技术，并且更具体地涉及一种基于车载DCDC的预充电装置及包括所述基于车载DCDC的预充电装置的车辆。

背景技术

电动汽车用电设备的输入侧具有较大的电容。动力电池电压接通瞬间，整个回路之间很大的电流容易对保险、继电器、整车零件造成损伤。为防止这种电流冲击，一般需要进行预充电，限制电源接通瞬间的充电电流，以保护元器件不会因大电流而损坏。

目前，预充电路通常由预充电阻和接触器串联构成，并与高压主电路的继电器并联，通过微控制单元控制预充电路的接触器开通与闭合来实现预充功能。

然而，该预充电路需要额外的预充电阻和接触器，导致成本高、体积大以及控制复杂。此外，预充电阻和接触器存在接线错误的风险，而且预充电阻的使用寿命有限，预充失败可能导致预充电阻烧损，导致额外的维修成本。

发明内容

为了解决或至少缓解以上问题中的一个或多个，提供了以下技术方案。

按照本发明的第一方面，提供一种基于车载DCDC的预充电装置，所述预充电装置包括倍流模块，其连接于变压器原边并且包括第一功率开关和电流检测单元；以及整流模块，其连接于变压器副边与母线电容之间，其中，所述第一功率开关响应于所述电流检测单元检测的电流而导通或断开。

根据本发明一实施例所述的预充电装置，其中所述倍流模块还包括第一电感、第二电感、第二功率开关、第三功率开关和二极管，所述电流检测单元的第一端连接于所述第一功率开关的源极，所述电流检测单元的第二端经由所述第一电感和所述第二电感分别与所述第二功率开关的漏极和所述第三功率开关的漏极连接，所述二极管的第一端连接于所述第一功率开关的源极与所述电流检测单元的第一端之间，以及所述二极管的第二端连接于所述第二功率开关的源极和所述第三功率开关的源极。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中所述第一功率开关响应于所述电流检测单元检测的电流值大于预设电流值而断开并且响应于所述电流检测单元检测的电流值降低到零而导通。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中所述第二功率开关和所述第三功率开关的导通与断开时间占空比基于所述母线电容的充电时间来确定。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中所述第二功率开关和所述第三功率开关的导通时间部分地重叠。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中当所述第一功率开关和所述第二功率开关导通而所述第三功率开关断开时：通过所述第一功率开关、所述电流检测单元、所述第二电感和所述第二功率开关的支路对所述第二电感执行储能操作；以及通过所述第一功率开关、所述电流检测单元、所述第一电感、所述变压器原边和所述第二功率开关的支路对所述变压器原边执行放电操作。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中当所述第一功率开关、所述第二功率开关和所述第三功率开关导通时：通过所述第一功率开关、所述电流检测单元、所述第一电感和所述第三功率开关的支路对所述第一电感执行储能操作；以及通过所述第一功率开关、所述电流检测单元、所述第二电感和所述第二功率开关的支路对所述第二电感执行储能操作。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中当所述第一功率开关和所述第三功率开关导通而所述第二功率开关断开时：通过所述第一功率开关、所述电流检测单元、所述第一电感和所述第三功率开关的支路对所述第一电感执行储能操作；以及通过所述第一功率开关、所述电流检测单元、所述第二电感、所述变压器原边和所述第三功率开关的支路对所述变压器原边执行放电操作。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中当所述第一功率开关和所述第三功率开关断开而所述第二功率开关导通时：通过所述电流检测单元、所述第一电感、所述变压器原边、所述第二功率开关和所述二极管的支路对所述变压器原边执行放电操作；以及通过所述电流检测单元、所述第二电感、所述第二功率开关和所述二极管的支路对所述第二电感执行续流操作。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中当所述第一功率开关和所述第二功率开关断开而所述第三功率开关导通时：通过所述电流检测单元、所述第二电感、所述变压器原边、所述第三功率开关和所述二极管的支路对所述变压器原边执行放电操作；以及通过所述电流检测单元、所述第一电感、所述第三功率开关和所述二极管的支路对所述第一电感执行续流操作。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中当所述第一功率开关断开而所述第二功率开关和所述第三功率开关导通时：通过所述电流检测单元、所述第一电感、所述第三功率开关和所述二极管的支路对所述第一电感执行续流操作；以及通过所述电流检测单元、所述第二电感、所述第二功率开关和所述二极管的支路对所述第二电感执行续流操作。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中所述第二功率开关和所述第三功率开关进一步响应于所述母线电容两端的电压达到预设电压值而断开以结束预充电过程。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中所述整流模块包括以同步全桥整流结构构造的第四功率开关、第五功率开关、第六功率开关和第七功率开关。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中当所述第二功率开关导通而所述第三功率开关断开时：通过将所述第四功率开关和所述第七功率开关导通而将所述第五功率开关和所述第六功率开关断开，使得所述变压器副边的感应电流通过所述第四功率开关和所述第七功率开关进行同步整流以对所述母线电容充电。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中当所述第二功率开关断开而所述第三功率开关导通时：通过将所述第五功率开关和所述第六功率开关导通而将所述第四功率开关和所述第七功率开关断开，使得所述变压器副边的感应电流通过所述第五功率开关和所述第六功率开关进行同步整流以对所述母线电容充电。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的所述的预充电装置，其中所述电流检测单元包括电阻性元件和测量所述电阻性元件两端电压的电压测量元件。

根据本发明的第二方面，提供一种车辆，所述车辆包括根据本发明第一方面所述的基于车载DCDC的预充电装置。

根据本发明的一个或多个实施例的基于车载DCDC的预充电装置通过在车载DCDC电路拓扑中增加功率开关与电流检测单元，根据电流检测单元检测的反向输入电流大小控制功率开关的导通和断开，从而完成车辆上电前的预充电过程。此外，在升压充电过程中，根据母线电容的充电时间来确定功率开关的导通与断开时间占空比，从而能够灵活地调整预充电速度。根据本发明的一个或多个实施例的基于车载DCDC的预充电装置省去了额外的车载预充电路，具有控制简单、容易实现、节省空间、降低成本的优点。

附图说明

本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示。在所述附图中：

图1示出了按照本发明的一个或多个实施例的基于车载DCDC的预充电装置的结构示意图。

图2示出了按照本发明的一个或多个实施例的基于车载DCDC的预充电装置的电路示意图。

具体实施方式

下文详细描述了本发明的示例实施例，附图中图示了这些实施例的示例。应注意的是，下文的描述是为了解释和说明，因此不应视为对本发明的限制。在不背离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以根据实际需要对这些实施例进行电、机械、逻辑和结构方面的更改，而不脱离本发明的范围。此外，本领域技术人员可以理解，针对任何具体的应用场景或实际需要，可以将下文描述的不同实施例的一个或多个特征进行组合。

诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。

图1示出了按照本发明的一个或多个实施例的基于车载DCDC的预充电装置的结构示意图。

如图1中所示，基于车载DCDC的预充电装置100包括连接于变压器T1的原边Np的倍流模块110和连接于变压器T1的副边Ns的整流模块120，倍流模块110包括第一功率开关和电流检测单元（图1中未示出），整流模块120与母线电容（图1中未示出）连接。

第一功率开关可以构造成响应于电流检测单元检测的电流而导通或断开。可选地，第一功率开关可以构造成响应于电流检测单元检测的电流值大于预设电流值而断开并且响应于电流检测单元检测的电流值降低到零而导通。可选地，第二功率开关和第三功率开关可以构造成响应于母线电容两端的电压达到预设电压值而断开以结束预充电过程。

可选地，电流检测单元可以包括电阻性元件和测量所述电阻性元件两端电压的电压测量元件。例如，电流检测单元可以包括已知阻值的电阻和测量电阻两端的电压的装置，以确定流过电流检测单元的电流。

可选地，倍流模块110与低压电源连接，以将低压电源侧的能量通过变压器T1传递到高压侧的整流模块120，进而为母线电容充电。示例性地，变压器T1可以将低压电源侧的12V电压转换成400V或800V高压，进而为母线电容充电。

可选地，整流模块120可以利用以同步全桥整流结构构造的多个功率开关来实现，其用于将变压器T1的副边Ns的感应电流进行同步整流以对母线电容进行充电。可替代地，整流模块120也可以利用以全桥整流结构构造的多个二极管来实现。

以下将结合图2详细阐述基于车载DCDC的预充电装置的电路结构和工作原理。

图2示出了按照本发明的一个或多个实施例的基于车载DCDC的预充电装置的电路示意图。

如图2中所示，基于车载DCDC的预充电装置200包括连接于变压器T1的原边Np的倍流模块210和连接于变压器T1的副边Ns的整流模块220。

如图2中所示，倍流模块210包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、电流检测单元R1、第一电感L1、第二电感L2和二极管D1。在倍流模块210中，第一功率开关Q1的漏极连接于低压电源12V的第一端，第一功率开关Q1的源极连接于电流检测单元R1的第一端，电流检测单元R1的第二端经由第一电感L1和第二电感L2分别与第二功率开关Q2的漏极和第三功率开关Q3的漏极连接，第二功率开关Q2的源极和第三功率开关Q3的源极分别连接于低压电源12V的第二端，二极管D1的第一端连接于第一功率开关Q1的源极与电流检测单元R1的第一端之间，以及二极管D1的第二端连接于第二功率开关Q2的源极和第三功率开关Q3的源极。

如图2中所示，整流模块220与母线电容C1连接，该整流模块220可以包括以同步全桥整流结构构造的第四功率开关Q4、第五功率开关Q5、第六功率开关Q6和第七功率开关Q7。可替代地，整流模块220也可以利用以全桥整流结构构造的多个二极管来实现。

进一步如图2中所示，微控制单元MCU可以控制第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的栅极电压，从而控制第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的导通与断开。可选地，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的导通与断开时间占空比可以基于母线电容C1的充电时间来确定。优选地，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的导通与断开时间占空比可以大于50%。示例性地，基于母线电容C1的充电时间为100ms，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的导通与断开时间占空比可以为60%。需要说明的是，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的导通时间可以部分地重叠。通过基于母线电容C1的充电时间来确定第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的导通与断开时间占空比，能够灵活地调整预充电速度。

进一步如图2中所示，通过电流检测单元R1检测的电流来控制第一功率开关Q1的导通或断开。可选地，第一功率开关Q1可以构造成响应于电流检测单元R1检测的电流值大于预设电流值而断开并且响应于电流检测单元R1检测的电流值降低到零而导通。需要说明的是，图2中所示的电流检测单元R1仅是示例性的，其目的在于检测流过电流检测单元R1的电流，以控制第一功率开关Q1的导通或断开。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，电流检测单元R1也可以利用其他部件或单元来实现。需要说明的是，预设电流值的选择基于第一电感L1和第二电感L2的充电过程。示例性地，预设电流值可以选择为使得第一电感L1和第二电感L2的充电过程不饱和，例如接近饱和状态。

以下结合图2进一步阐述倍流模块210的各个工作状态。

在倍流模块210的第一工作状态中，当第一功率开关Q1和第二功率开关Q2导通而第三功率开关Q3断开时，通过第一功率开关Q1、电流检测单元R1、第二电感L2和第二功率开关Q2的支路对第二电感L2执行储能操作，以及通过第一功率开关Q1、电流检测单元R1、第一电感L1、变压器T1的原边Np和第二功率开关Q2的支路对变压器T1的原边Np执行放电操作。此时，通过将整流模块220的第四功率开关Q4和第七功率开关Q7导通而将第五功率开关Q5和第六功率开关Q6断开，使得变压器T1的副边Ns的感应电流通过第四功率开关Q4和第七功率开关Q7进行同步整流以对母线电容C1充电。

在倍流模块210的第二工作状态中，当第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的导通时间部分地重叠时，第一功率开关Q1、第二功率开关Q2和第三功率开关Q3均导通，通过第一功率开关Q1、电流检测单元R1、第一电感L1和第三功率开关Q3的支路对第一电感L1执行储能操作，以及通过第一功率开关Q1、电流检测单元R1、第二电感L2和第二功率开关Q2的支路对第二电感L2执行储能操作。

在倍流模块210的第三工作状态中，当第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的导通时间的重叠结束时，第一功率开关Q1和第三功率开关Q3导通而第二功率开关Q2断开，通过第一功率开关Q1、电流检测单元R1、第一电感L1和第三功率开关Q3的支路对第一电感L1执行储能操作，以及通过第一功率开关Q1、电流检测单元R1、第二电感L2、变压器T1的原边Np和第三功率开关Q3的支路对变压器T1的原边Np执行放电操作。此时，通过将整流模块220的第四功率开关Q4和第七功率开关Q7断开而将第五功率开关Q5和第六功率开关Q6导通，使得变压器T1的副边Ns的感应电流通过第五功率开关Q5和第六功率开关Q6进行同步整流以对母线电容C1充电。

在倍流模块210的第四工作状态中，当电流检测单元R1检测的电流值大于预设电流值时，将第一功率开关Q1断开。当第一功率开关Q1和第三功率开关Q3断开而第二功率开关Q2导通时，通过电流检测单元R1、第一电感LI、变压器T1的原边Np、第二功率开关Q2和二极管D1的支路对变压器T1的原边Np执行放电

操作，以及通过电流检测单元R1、第二电感L2、第二功率开关Q2和二极管D1的支路对第二电感L2执行续流操作。此时，通过将整流模块220的第四功率开关Q4和第七功率开关Q7导通而将第五功率开关Q5和第六功率开关Q6断开，使得变压器T1的副边Ns的感应电流通过第四功率开关Q4和第七功率开关Q7进行同步整流以对母线电容C1充电。

在倍流模块210的第五工作状态中，当电流检测单元R1检测的电流值大于预设电流值时，将第一功率开关Q1断开。当第一功率开关Q1和第二功率开关Q2断开而第三功率开关Q3导通时，通过电流检测单元R1、第二电感L2、变压器T1的原边Np、第三功率开关Q3和二极管D1的支路对变压器T1的原边Np执行放电操作，以及通过电流检测单元R1、第一电感L1、第三功率开关Q3和二极管D1的支路对第一电感L1执行续流操作。此时，通过将整流模块220的第四功率开关Q4和第七功率开关Q7断开而将第五功率开关Q5和第六功率开关Q6导通，使得变压器T1的副边Ns的感应电流通过第五功率开关Q5和第六功率开关Q6进行同步整流以对母线电容C1充电。

在倍流模块210的第六工作状态中，当电流检测单元R1检测的电流值大于预设电流值时，将第一功率开关Q1断开。当第一功率开关Q1断开而第二功率开关Q2和第三功率开关Q3导通时，通过电流检测单元R1、第一电感L1、第三功率开关Q3和二极管D1的支路对第一电感L1执行续流操作，以及通过电流检测单元R1、第二电感L2、第二功率开关Q2和二极管D1的支路对第二电感L2执行续流操作。

在倍流模块210的第七工作状态中，当电流检测单元R1检测的电流值为零时，将第一功率开关Q1导通，以再次进入第一工作状态中进行预充电过程。可选地，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3还可以构造成响应于母线电容C1两端的电压达到预设电压值而断开以结束预充电过程。示例性地，可以借助于图2中所示的电压隔离采样将母线电容C1处的高压侧信号转换为微控制单元MCU可读取的低压侧信号，以控制第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的导通与断开，其中该母线电容C1处的高压侧信号可以指示母线电容C1两端的电压达到预设电压值。

根据本发明的一个方面的基于车载DCDC的预充电装置通过在车载DCDC电路拓扑中增加功率开关与电流检测单元，根据电流检测单元检测的反向输入电流大小控制功率开关的导通和断开，从而完成车辆上电前的预充电过程。此外，在升压充电过程中，根据母线电容的充电时间来确定功率开关的导通与断开时间占空比，从而能够灵活地调整预充电速度。根据本发明的一个或多个实施例的基于车载DCDC的预充电装置省去了额外的车载预充电路，具有控制简单、容易实现、节省空间、降低成本的优点。

另外，本发明也可以被实施为一种车辆，该车辆包括按照本发明的一个方面的基于车载DCDC的预充电装置。

提供本文中提出的实施例和示例，以便最好地说明按照本发明及其特定应用的实施例，并且由此使本领域的技术人员能够实施和使用本发明。但是，本领域的技术人员将会知道，仅为了便于说明和举例而提供以上描述和示例。所提出的描述不是意在涵盖本发明的各个方面或者将本发明局限于所公开的精确形式。