專利名稱：為電動汽車中的電氣負(fù)荷充電的組件和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于混合電動汽車(HEV)或電動汽車(EV)的電力推進(jìn)系統(tǒng)中的充電組件，尤其特殊地，該充電組件包括正向接觸器裝置、負(fù)向接觸器裝置和非接觸器元件裝置，該些裝置操作性地配合以為電氣負(fù)荷提供預(yù)充電低電流狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)高電流充電狀態(tài)、 以及非連接狀態(tài)。
背景技術(shù)：
如

圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中，已知對混合電動汽車(HEV)或電動汽車(EV) (未示出)中所使用的電氣負(fù)荷(1)進(jìn)行電力充電和放電。在將穩(wěn)態(tài)高電流施加到負(fù)荷(1) 之前，將電氣負(fù)荷⑴預(yù)充電至預(yù)定電壓值。操作性地通過控制器(5)控制第一或正向接觸器裝置O)、第二或負(fù)向接觸器裝置(3)以及第三接觸器裝置G)，從而為電氣負(fù)荷(1)提供預(yù)充電的預(yù)定電壓值。接觸器裝置(2，；3)被規(guī)定為一種裝置，其用于工作的電氣等級為標(biāo)準(zhǔn)額定電壓為直流300-400伏或更高，以及標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)額定電流為直流幾百安培或更高。 接觸器裝置(4)具有與接觸器裝置(2，；3)相似的額定電壓，但是具有范圍為10至20安培的更低標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)直流(DC)額定電流。接觸器裝置(2，；3) —般具有大約10厘米標(biāo)準(zhǔn)高度和大約7厘米直徑的封裝尺寸。接觸器裝置(4)具有大約5厘米標(biāo)準(zhǔn)高度、4厘米標(biāo)準(zhǔn)長度以及3. 5厘米標(biāo)準(zhǔn)寬度。接觸器裝置由于其已知的電路絕緣特性而被使用。例如，標(biāo)準(zhǔn)接觸器裝置可以具有超過500歐姆/伏特的絕緣電阻。在穩(wěn)態(tài)高電流被施加到電氣負(fù)荷之前期望將負(fù)荷預(yù)充電至預(yù)定電壓值，由此限制在接觸點接合處通過正向和負(fù)向接觸器的沖擊電流(in-rush current)，并且限制施加到電氣負(fù)荷的電能。電池(6)通過接觸器裝置或繼電器(2，3，4)與電氣負(fù)荷(1)相連接。繼電器(2，3，4)是接合/斷開繼電器，其被規(guī)定為觸點閉合則閉合電路使電流流過各個繼電器，斷開則打開電路使電流不流過繼電器。期望通過第三接觸器裝置對電氣負(fù)荷進(jìn)行預(yù)充電，可以使得第一和第二接觸器裝置閉合到電氣負(fù)荷不會具有大的電勢。具有大電勢的第一和第二接觸器裝置閉合到電氣負(fù)荷可能導(dǎo)致接觸器的意外損壞或使用壽命減少。相似地，在大電氣負(fù)荷或重電氣負(fù)荷下由接觸器中斷或斷開電路還可能導(dǎo)致接觸器使用壽命減少的意外后果。限流電阻(7)與第三接觸器式繼電器⑷串聯(lián)電連接。限流電阻(7)用于限制通過第三接觸器式繼電器(4)從電池(6)所施加的電流，以在電氣負(fù)荷(1)達(dá)到某一預(yù)充電電壓值。還可以由接觸器式繼電器(2，3，4)的可操作控制將電氣負(fù)荷(1)從電池斷開電連接，以防止電流被施加到電氣負(fù)荷(1)。將電池(6)的電壓施加到電氣負(fù)荷⑴的第三接觸器式繼電器⑷具有不理想的大尺寸、重量和花費。限流電阻(7)具有不理想的大尺寸和重量，還散發(fā)與施加在其上的電壓相關(guān)的不理想熱量。限流電阻的物理尺寸典型地為12厘米長和大約2厘米高。限流電阻的電阻值確定了在電氣負(fù)荷(1)處得到的預(yù)充電電壓值，且?guī)缀鯖]有靈活性以達(dá)到不同的其他預(yù)充電電壓值。期望提供一種耐用、可靠的充電組件，其配置為提供用于電氣負(fù)荷的預(yù)充電狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)和非連接狀態(tài)，同時減小構(gòu)成該充電組件的相應(yīng)電氣元件的尺寸、重量、部件數(shù)量和費用。還期望提供靈活性以獲得電氣負(fù)荷的多個預(yù)充電值中的一個預(yù)充電值。

發(fā)明內(nèi)容
一種充電組件，其在用于混合電動汽車(HEV)或電動汽車(EV)的電力推進(jìn)系統(tǒng)中使用，用于為電氣負(fù)荷充電或?qū)㈦姎庳?fù)荷斷開電連接。為電氣負(fù)荷充電包括提供一預(yù)充電狀態(tài)，以將至少一個電氣負(fù)荷充電至大于電氣負(fù)荷的接地電勢的電壓電平。為電氣負(fù)荷充電還包括在達(dá)到預(yù)充電狀態(tài)之后的時間點提供一穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)。當(dāng)充電組件被配置為電氣關(guān)閉時，還可以將電氣負(fù)荷斷開電連接。充電組件包括正向接觸器裝置、負(fù)向接觸器裝置和非接觸器裝置，上述裝置操作性地協(xié)同工作從而為電氣負(fù)荷提供預(yù)充電狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)高電流充電狀態(tài)和斷開狀態(tài)。提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)充電狀態(tài)和穩(wěn)態(tài)高電流充電狀態(tài)的方法。還提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)電氣負(fù)荷的非連接狀態(tài)的方法。
附圖簡介以下將參照附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明，其中圖1是混合電動汽車中使用的現(xiàn)有技術(shù)充電電路的電路示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的配置在混合電動汽車中的使用固態(tài)電氣元件的充電組件；圖3是圖2的充電組件的電路示意圖；圖4是通過使用圖3中的充電組件達(dá)到用于電氣負(fù)荷的預(yù)充電狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)高電流充電狀態(tài)的方法；圖5是通過使用圖3的充電組件將電氣負(fù)荷斷開連接的方法；圖6是根據(jù)本發(fā)明替換實施例的充電組件，其中使用脈沖寬度(PWM)電信號操作性地控制固態(tài)元件；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一替換實施例的使用低電壓繼電器與固態(tài)電氣元件串聯(lián)電連接的充電組件的電路示意圖；以及圖8是根據(jù)本發(fā)明又一個另一替換實施例的包括一低電壓以向電氣負(fù)荷提供預(yù)充電電壓值的充電組件的電路示意圖。
具體實施例方式混合電動汽車(HEV)將通常的內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)與電力推進(jìn)系統(tǒng)相結(jié)合。電動汽車 (EV)通常可以僅具有電力推進(jìn)系統(tǒng)。電力推進(jìn)系統(tǒng)有助于使HEV或EV比僅具有通常內(nèi)燃機(jī)的機(jī)車實現(xiàn)更多的燃料節(jié)約。參照圖2，公知的HEV是混合電動汽車10。本發(fā)明不限于僅用于混合電力汽車10，而是適用于任何一種采用HEV技術(shù)的汽車類型。例如，諸如敞篷火車和牽引式卡車之類的混合電力卡車的購買率也在逐漸增加。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，參照圖2，汽車10包括電力推進(jìn)系統(tǒng)12。電力推進(jìn)系統(tǒng)12包括電池14、單個電氣負(fù)荷16以及與它們分別連接的充電組件18。組件18配置在電池14和負(fù)荷16之間。如所示，電池14沿著汽車10的底面配置?？商鎿Q地，可以將電池封裝在汽車上符合HEV和EV應(yīng)用的電氣要求的任何地方。組件18用于為從電池14到電氣負(fù)荷16的電壓/電流負(fù)荷提供入口和橋梁。組件18包括具有用于電氣負(fù)荷的預(yù)充電狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)高電流充電狀態(tài)和非連接狀態(tài)。預(yù)充電狀態(tài)被規(guī)定為以可控方式使用電池14的電壓為電氣負(fù)荷16進(jìn)行充電的時間段。在預(yù)充電狀態(tài)期間，電池和電氣負(fù)荷以比穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)更加受限的方式耦接。穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)被規(guī)定為在充電組件工作期間，在預(yù)充電結(jié)束之后的時間點使用電能為電氣負(fù)荷16持續(xù)充電的時間段。在穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)期間，電池14 和電氣負(fù)荷16直接耦接。非連接狀態(tài)規(guī)定電氣負(fù)荷16同電池14非耦接或從電池14斷開連接。期望防止負(fù)荷16上不存在電壓。采用組件18以幫助負(fù)荷16通過電壓進(jìn)行預(yù)充電，并為電氣負(fù)荷16提供穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)。存儲在負(fù)荷16中的能量有助于提高組件10的電磁性能。優(yōu)選地，組件18位于最接近于電池14處，這有助于在電力推進(jìn)系統(tǒng)電氣關(guān)閉時，防止在HEV汽車10中配置的電線、線路或電纜(未示出)上出現(xiàn)有效高電流。電氣負(fù)荷16被配置為遠(yuǎn)離組件10和電池14?？商鎿Q地，電氣負(fù)荷可以被配置為接近于充電組件。 如圖2所示，負(fù)荷16被配置在混合電動汽車10的發(fā)動機(jī)室17中。多個電池單元20電耦接在一起并適于保證電氣負(fù)荷16在電力推進(jìn)系統(tǒng)12工作期間具有連續(xù)的供應(yīng)電流?？商鎿Q地，電池可以是單個電池單元(未示出)。優(yōu)選地，電氣負(fù)荷16是與下行DC/DC轉(zhuǎn)換器組件(未示出)耦接的容性電氣負(fù)荷22。容性電氣負(fù)荷22有助于對本地鄰近于下行電氣負(fù)荷的電能進(jìn)行過濾和存儲，以降低不期望的電磁干擾(EMI)。用于下行電氣負(fù)荷的本地電能存儲器有助于防止從遠(yuǎn)離下行電氣負(fù)荷而遠(yuǎn)距離配置的電池貫穿HEV而抽取高壓電能。例如，下行電氣負(fù)荷可以是DC/DC轉(zhuǎn)換器(未示出)。DC/DC轉(zhuǎn)換器將來自電池的高壓電平轉(zhuǎn)換為低壓負(fù)荷，從而為HEV中的頭燈、喇叭、收音機(jī)等供電。可替換地，下行電氣負(fù)荷可以是逆變器或發(fā)動機(jī)組件。當(dāng)電氣負(fù)荷16處于電氣接地參考電勢時，不希望將組件10的穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)提供給電氣負(fù)荷16。一些HEV應(yīng)用可以具有0伏特的電氣接地參考電勢。電氣負(fù)荷16被預(yù)充電至適合的電勢以允許下行電氣負(fù)荷的有效運(yùn)作?？商鎿Q地，電氣負(fù)荷16可以是阻性或感性電氣負(fù)荷。仍是可替換地，取決于特殊HEV應(yīng)用的要求，電氣負(fù)荷16可以包括分別與下行電氣負(fù)荷耦接或組合的多個電氣負(fù)荷。例如，應(yīng)該在電氣負(fù)荷處于電氣接地電勢時發(fā)生穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)，接觸器的過早閃弧(premature arcing)可能引起對于接觸器和組件的伴隨損害。尤其優(yōu)選地，期望在將穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)應(yīng)用到電氣負(fù)荷之前將電氣負(fù)荷預(yù)充電至大于電氣接地電勢但小于電池電壓電平的預(yù)定電壓值。在電氣負(fù)荷16已經(jīng)被預(yù)充電至一預(yù)定電壓電平之后，組件10適于提供連續(xù)的高電流充電以保證在電力推進(jìn)系統(tǒng)12的穩(wěn)態(tài)工作期間維持電氣負(fù)荷的電壓和電流需求。組件10還適于具有在組件10電氣關(guān)閉之前斷開電氣負(fù)荷16的非連接狀態(tài)，以保證不再提供電流以充電電氣負(fù)荷16。非連接狀態(tài)還有助于當(dāng)維修人員需要維修組件18或一部分電力推進(jìn)系統(tǒng)12時，防止對維修人員產(chǎn)生意外電擊或其他傷害。典型地，與充電電路中的各個電氣負(fù)荷電耦接的下行電氣負(fù)荷將會把所存儲的電能放電至電氣負(fù)荷。如果 HEV汽車發(fā)生意外事故，非連接狀態(tài)也是有用的。如果發(fā)生事故，控制器被配置為對包括充電組件的電力推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行電氣關(guān)閉?？商鎿Q地，可以同時對多個電氣負(fù)荷進(jìn)行預(yù)充電。仍可替換地，可以將多個電氣負(fù)荷與電池同時帶入穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)。仍是可替換地，可以將多個電氣負(fù)荷同時從電池斷開連接。
參照圖3，充電組件18包括正向接觸器裝置(或稱之為繼電器26)、反向接觸器裝置(或稱之為繼電器觀)、以及非接觸器裝置(或稱之為繼電器裝置四)。非接觸器元件裝置被規(guī)定為是在低于幾百伏特直流電壓下接通或斷開電路的裝置。接觸器式繼電器26、28 具有接通(ON)位置和關(guān)閉(OFF)位置。當(dāng)處于ON位置時，接觸器沈、觀將電池14和電氣負(fù)荷16電連接。當(dāng)處于OFF位置時，接觸器沈、觀將電池14和電氣負(fù)荷16斷開電連接。 接通/斷開接觸器26J8可以具有與葡萄干容器相類似的物理尺寸或大約2英寸乘3英寸的空間面積。非接觸器式繼電器裝置四是固態(tài)電氣元件30。固態(tài)元件30可以是IGBT電氣元件、MOSFET電氣元件、或雙極型功率電氣元件等。正向接觸器式繼電器沈與電池14 的正極側(cè)32和電氣負(fù)荷的正極側(cè)34電連接。負(fù)向接觸器式繼電器觀與電池14的返回側(cè) 36和電氣負(fù)荷16的返回側(cè)38電連接。接觸器式繼電器沈與接觸器式繼電器觀并聯(lián)電連接。固態(tài)元件30與電池的正極側(cè)32和電氣負(fù)荷的正極側(cè)34電連接。固態(tài)元件30與接觸器式繼電器沈、觀并聯(lián)電連接。接觸器式繼電器沈、觀和固態(tài)元件30與控制器39電連接?？刂破?9被配置為操作性地控制裝置沈、28、30，從而為負(fù)荷16提供預(yù)充電電壓，并且也為負(fù)荷16提供穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)。優(yōu)選地，控制器39可以是計算機(jī)或處理器等，其優(yōu)選地位于汽車中接近于電池的位置，并且是電力推進(jìn)系統(tǒng)12的一部分?？刂破?9被安置在電力推進(jìn)系統(tǒng)12中，但是并不被安置在充電組件18中?？商鎿Q地，控制器可以被封裝為充電組件的一部分。接觸器式繼電器沈、觀還有助于當(dāng)電力推進(jìn)系統(tǒng)不能工作時在高電壓下保護(hù)HEV汽車的乘坐者或維修HEV汽車的維修人員。當(dāng)接觸器式繼電器沈、28電連接時，與接觸器式繼電器沈、28電連接的電路可以觀察到外加電壓中有300-400伏特的跳變。當(dāng)充電組件18不工作或被調(diào)為電氣關(guān)閉時，沒有電壓或電流從電池12傳送至負(fù)荷16。正向和負(fù)向接觸器裝置沈、28不提供與電池12以及負(fù)荷16的電連接，沒有電壓或電流從電池14傳送至電氣負(fù)荷16。參照圖4，當(dāng)組件18被調(diào)為電氣打開時并用于穩(wěn)態(tài)運(yùn)作中時，充電組件18工作以為電氣負(fù)荷16充電。為負(fù)荷16充電的方法40包括提供非接觸器元件裝置的步驟42。另一個步驟44包括使用負(fù)向接觸器裝置觀將電池14與至少一個電氣負(fù)荷16電連接。方法 40的另一個步驟45包括使用非接觸器元件裝置四將電池14與至少一個電氣負(fù)荷16電連接，從而將組件18帶入預(yù)充電狀態(tài)。進(jìn)行組件18的預(yù)充電狀態(tài)，從而將至少一個電氣負(fù)荷 16從負(fù)荷16的初始參考接地電勢至少部分地充電。在預(yù)充電狀態(tài)之后，方法40的另一個步驟是使用正向接觸器裝置沈?qū)㈦姵?4與至少一個負(fù)荷16電連接。通過正向接觸器裝置沈的電連接，在組件18中產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)以充電至少一個電氣負(fù)荷16。一旦采用了穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)，方法40的另一個步驟48 包括使用固態(tài)元件30從至少一個負(fù)荷16斷開電池14的電連接。通過固態(tài)元件30到達(dá)負(fù)荷16的電通路具有的電流值一般小于穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)時到達(dá)負(fù)荷的電流值。因此，一旦在組件18中實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)，則不再需要通過固態(tài)元件的電流通路。優(yōu)選地，在至少一個電氣負(fù)荷基本放電之后，至少一個固態(tài)電氣元件30從該至少一個電氣負(fù)荷斷開連接。 這可以發(fā)生在負(fù)荷被有效地預(yù)充電之后的一段時間內(nèi)。優(yōu)選地，可以將對負(fù)荷16上的電壓和電池14的電壓的感測進(jìn)行比較，以確定存在任何表示預(yù)充電狀態(tài)還未徹底完成的電勢。 典型地，預(yù)充電狀態(tài)是時控事件。這表示本領(lǐng)域技術(shù)人員會知曉電路的負(fù)荷側(cè)的電容量和電池電壓以及預(yù)充電電阻的串聯(lián)阻值。通過這種方式，可以確定實現(xiàn)預(yù)充電狀態(tài)的時間常數(shù)，并可以將其設(shè)計到組件18的電路中。參照圖5，當(dāng)期望電氣關(guān)閉組件18時，提供用于從電池14斷開負(fù)荷16電連接的方法50。方法50的步驟53是使用非接觸器元件裝置四將電池14與至少一個電氣負(fù)荷16 電連接。方法50的另一個步驟是使用正向接觸器裝置沈?qū)㈦姵?4從至少一個電氣負(fù)荷 16斷開電連接。在方法50的另一個步驟中，使用非接觸器元件裝置四將電池14從至少一個電氣負(fù)荷16斷開電連接。仍是方法50的另一個步驟中，使用負(fù)向接觸器裝置觀將電池 14從至少一個電氣負(fù)荷16斷開電連接。參照圖6，在本發(fā)明的替換實施例中示出了帶有固態(tài)元件130的充電組件118，其中固態(tài)元件130由脈沖寬度調(diào)制電信號131來控制。圖6的替換實施例中的類似元件具有與圖2-5的實施例相差100的附圖標(biāo)記。固態(tài)元件130從控制器139接收PWM信號131。 控制器139包括位于控制器139的存儲器(未示出)中的PWM控制算法135，PWM控制算法 135設(shè)定了對固態(tài)元件130進(jìn)行控制的速度和幅值，由此負(fù)荷116被預(yù)充電。優(yōu)選地，將低電流電平的PWM信號施加到固態(tài)元件的柵極或基極。仍是優(yōu)選地，當(dāng)PWM信號初始地施加到固態(tài)元件時，采用窄PWM信號使通過固態(tài)元件從電池施加的沖擊電流最小。在一時間段之后，PWM信號131的占空比變寬以允許負(fù)荷116的受控預(yù)充電。例如，在組件118的實時工作期間，負(fù)荷116的電壓值可以具有不同數(shù)值。這可允許在預(yù)充電狀態(tài)性能、PWM控制和產(chǎn)生預(yù)充電狀態(tài)所采用的電路元件方面具有額外的設(shè)計靈活性。PWM信號131可以具有從 0%到100%范圍的占空比，這在控制器139施加用于預(yù)充電負(fù)荷116時是有用的。通過這種方式，可以準(zhǔn)確地控制負(fù)荷116的預(yù)充電狀態(tài)，以在一確定的時間段上達(dá)到一特定電壓值。當(dāng)負(fù)荷116充滿電時，PWM信號131的占空比將會減小，從而可以實現(xiàn)到穩(wěn)態(tài)高電流模式的依次過渡。通過圖6中的結(jié)構(gòu)，可以不需要與固態(tài)元件串聯(lián)電連接的限流電阻。仍是可替換地，也可以包括與固態(tài)元件串聯(lián)電連接的限流電阻以進(jìn)一步限制從固態(tài)元件流向電氣負(fù)荷的電流。所采用的限流電阻是一種特殊類型的電阻，當(dāng)其被加熱時，其電阻特性發(fā)生改變，從而防止從電池涌出的大電流對下行的電氣負(fù)荷的影響。限流電阻還被配置為允許通過其的不同的電能數(shù)量。使用如圖6所示的PWM控制，可以允許減小了物理尺寸的限流電阻，或者由于通過電阻散發(fā)的熱量的減少或消除而可以將限流電阻全部去掉。當(dāng)預(yù)充電狀態(tài)開始時，電池和負(fù)荷電容之間的電勢基本是電池電壓(300-400伏)。隨著組件118的電路開始充電，負(fù)荷116和電池114之間的電勢開始減低。由于電阻具有固定的電阻值，根據(jù)歐姆定律電流將會作為電池和負(fù)荷之間的電勢和電阻值的函數(shù)而變化。通過使用固態(tài)元件的PWM控制，允許電氣負(fù)荷的電力承載根據(jù)特殊的HEV汽車應(yīng)用而設(shè)計。如果在不帶有串聯(lián)預(yù)充電電阻的情況下使用圖6的電路，優(yōu)選地，脈沖的數(shù)量以及固態(tài)元件129的阻抗將可以一起被用于確定預(yù)充電狀態(tài)完成的時間。電池114上的電壓和電氣負(fù)荷116上的電壓之間的比較可被用于作為預(yù)充電狀態(tài)的確認(rèn)。參照圖7，在本發(fā)明的另一個替換實施例中，低壓繼電器247可以被配置為與固態(tài)元件230串聯(lián)電連接。低壓繼電器247被規(guī)定為是具有觸點額定電壓小于40伏特、并且連續(xù)直流額定電流在10至20安培范圍內(nèi)的繼電器。標(biāo)準(zhǔn)的低壓繼電器具有標(biāo)準(zhǔn)的物理尺寸， 其大小是圖1現(xiàn)有技術(shù)實施例中第三接觸器4的物理尺寸的四分之一。圖7的替換實施例中的類似元件具有與圖2-5的實施例相差200的附圖標(biāo)記。與僅僅單獨使用固態(tài)元件230 相比，繼電器247可以有助于提供電池214和負(fù)荷216之間額外的電氣絕緣。在組件218
8的電路的電氣工作中，繼電器247在固態(tài)元件230關(guān)閉的無負(fù)荷條件下首先關(guān)閉。接下來， 負(fù)向接觸器2 關(guān)閉并將電池214與負(fù)荷216電連接。接下來，固態(tài)元件30被激活以在負(fù)荷216上實現(xiàn)預(yù)充電。接下來，正向接觸器2 跨越繼電器247和固態(tài)元件230的預(yù)充電電路而關(guān)閉。接下來，使固態(tài)元件230取消激活或?qū)⑵潆姎怅P(guān)閉。接下來，繼電器247打開以隔離固態(tài)元件230?？商鎿Q地，圖7的實施例可以采用如圖6中的實施例所討論的PWM控制。參照圖8，仍在本發(fā)明的另一個實施例中，可以采用低電壓、低電流繼電器355作為非接觸器元件裝置，從而實現(xiàn)預(yù)充電狀態(tài)功能。繼電器355具有與圖7的實施例中的繼電器247類似的電氣和物理特性和功能。圖8的替換實施例中的類似元件具有與圖2-5的實施例相差300的附圖標(biāo)記。繼電器355與圖1的現(xiàn)有技術(shù)實施例中的第三接觸器4相比也具有更低的成本。第一個步驟是繼電器355關(guān)閉以連接電池314和負(fù)荷316。接下來，負(fù)向接觸器3 關(guān)閉并將電池314和負(fù)荷316連接。接下來，在負(fù)荷316上實現(xiàn)預(yù)充電。接下來，正向接觸器326閉合跨越接電器355。接下來，繼電器355打開以從電池314上斷開負(fù)荷316。優(yōu)選地，可以使用預(yù)充電電阻(未示出)與繼電器355串聯(lián)電連接以進(jìn)一步限制施加到負(fù)荷316上的電流。在一替換實施例中，正向和負(fù)向接觸器中的至少一個可以被配置為僅載流繼電器。該配置有助于增加正向和負(fù)向接觸器裝置的使用壽命。如果正向接觸器是僅載流接觸器，那么當(dāng)環(huán)路與電氣負(fù)荷閉合時正向接觸器式繼電器的觸點從打開到關(guān)閉位置或從關(guān)閉到打開位置時，正向接觸器與負(fù)向接觸器和非接觸器元件裝置操作性地結(jié)合以防止正向接觸器繼電器的該觸點(未示出)的電閃弧。非接觸器元件裝置沒有觸點且無法閃弧。為了減少閃弧，正向僅載流繼電器首先接合或關(guān)閉。如果沒有電流流過正向接觸器，這表明負(fù)向接觸器和非接觸器元件裝置不在ON位置或沒有閉路，因此在正向接觸器的觸點上沒有電弧發(fā)生。隨后，非接觸器元件裝置閉合以允許通過正向和負(fù)向接觸器裝置供電的電路發(fā)生預(yù)充電狀態(tài)。由于負(fù)向接觸器裝置已經(jīng)閉合，而非接觸器元件是固態(tài)電氣元件，因此在充電組件的電路工作期間沒有電弧發(fā)生。一旦預(yù)充電狀態(tài)完成并且電氣負(fù)荷16的電壓基本是電池的電壓值，此后正向接觸器裝置關(guān)閉。由于在電池和電氣負(fù)荷之間的電勢很小或幾乎沒有，因此不存在電弧電勢，元件的觸點(未示出)不會經(jīng)歷閃弧事件。負(fù)向接觸器用于在高壓狀態(tài)下斷開電路，不需要使用僅正向載流接觸器來中斷高壓狀態(tài)。在本發(fā)明的另一實施例中，單個固態(tài)元件可以是與電氣負(fù)荷串聯(lián)或并聯(lián)電連接的多個固態(tài)元件，從而為電氣負(fù)荷提供預(yù)充電狀態(tài)。通過串聯(lián)電連接組合固態(tài)元件，可以在固態(tài)元件的開路或關(guān)閉(OFF)狀態(tài)期間實現(xiàn)高壓絕緣。在并聯(lián)電連接中，固態(tài)元件可以分擔(dān)電流，從而允許低額定電流固態(tài)元件的組合被用于實現(xiàn)預(yù)充電狀態(tài)。多個固態(tài)元件相比于單個封裝的固態(tài)元件也能更加有效地分擔(dān)熱負(fù)荷?？商鎿Q地，在圖8的實施例中可以采用圖6中的PWM控制。仍是可替換地，可以在電池上設(shè)置一個或多個電流傳感器以測量充電電流或放電電流。電流傳感器可以被封裝在同一個印刷電路板上作為正向和負(fù)向接觸器裝置和非接觸器元件裝置。例如，如果發(fā)生涉及過電流的安全問題，控制器可以進(jìn)行充電組件和電力推進(jìn)系統(tǒng)的依次電力關(guān)閉。仍是可替換地，監(jiān)控電流傳感器以監(jiān)控來自電池的充電和放電電流的一處理器可以執(zhí)行庫侖計數(shù)操作，并通過諸如CAN或LIN串行通信數(shù)據(jù)總線之類的串行通信數(shù)據(jù)總線將該信息傳送至充電組件?？商鎿Q地，可以由控制器來監(jiān)控電氣負(fù)荷的充電，以了解電氣負(fù)荷的充電狀態(tài)。可替換地，如果正向或負(fù)向接觸器是不帶有外加電壓的電氣載流接觸器，當(dāng)接觸器關(guān)閉時在電路中產(chǎn)生的不期望的接觸器的電弧還會進(jìn)一步被最小化。典型地，載流接觸器不適用于高壓切換應(yīng)用，而是被配置為承載高電流負(fù)荷。因此，載流接觸器將被配置為受到保護(hù)以免受切斷或連接來自于電池或電力推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)的高電壓的影響。另一替換實施例可以是在通信數(shù)據(jù)總線上以數(shù)字信號來傳送PWM信號信息，以用于固態(tài)元件的PWM控制。仍是可替換地，當(dāng)在圖3-8的實施例中通過電氣負(fù)荷的支線的正極側(cè)發(fā)生預(yù)充電狀態(tài)時，可以通過電氣負(fù)荷的支線的負(fù)極側(cè)發(fā)生配置在充電組件中的預(yù)充電狀態(tài)。因此，提出一種強(qiáng)健的組件和方法，以使用正向接觸器裝置、負(fù)向接觸器裝置和非接觸器元件裝置以強(qiáng)健地和可靠地提供預(yù)充電狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)和斷開狀態(tài)。非接觸器元件裝置可以是至少一種固態(tài)元件如FET或IGBT元件。使用固態(tài)元件可以具有比機(jī)電式高電壓高電流接觸器更長的使用壽命。固態(tài)元件比接觸器裝置具有減小的物理尺寸和更便宜的價格，但是其還提供可靠的電力操作。固態(tài)電氣元件可以從控制器接收PWM信號，以操作性地對傳送給電氣負(fù)荷的預(yù)充電電壓值進(jìn)行控制。由所接收到的PWM信號的控制所實現(xiàn)的預(yù)充電電壓值的范圍提供了電氣負(fù)荷的自定義預(yù)充電。正向和負(fù)向接觸器和固態(tài)電氣元件可以被封裝在具有更小尺寸的單個印刷電路板(PCB)上，以更加有效地封裝和減小充電組件的質(zhì)量(mass)。有效的PWM控制可以允許消除與固態(tài)電氣元件串聯(lián)電連接的限流電阻，以進(jìn)一步簡化充電組件的PCB布局。與固態(tài)元件串聯(lián)電連接配置的低壓繼電器可以提供相對于僅僅使用固態(tài)元件所提供的絕緣性而言進(jìn)一步的電絕緣性。非接觸器元件裝置還可以是與正向和負(fù)向接觸器裝置并聯(lián)電連接的低電壓繼電器，以提供一種對電氣負(fù)荷進(jìn)行充電而提供有效預(yù)充電狀態(tài)的替換方法。采用僅載流正向和負(fù)向接觸器可以有助于在充電組件工作期間減小接觸器觸點的不期望閃弧。由于已經(jīng)參照某些優(yōu)選實施例介紹和說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解如權(quán)利要求所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以進(jìn)行形式和內(nèi)容的各種變化。權(quán)利要求中所使用的所有術(shù)語意在給出其如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的最寬范圍的通常含義和合理解釋，除非此處給出相反的具體說明。特殊地，單數(shù)冠詞如“一”、“一個”、 “所述”等應(yīng)該理解為列舉一個或多個所述元件，除非權(quán)利要求列出了相反的具體限制。
權(quán)利要求
1.一種充電組件，用于混合電動汽車的電力推進(jìn)系統(tǒng)中，從而為至少一個電氣負(fù)荷充電，包括負(fù)向接觸器裝置，向電池輸出返回電信號，并從所述至少一個電氣負(fù)荷接收返回電信號；正向接觸器裝置，從所述電池接收電信號，并向所述電氣負(fù)荷輸出電信號；以及非接觸器元件裝置，適用于從所述電池接收電信號，并向所述電氣負(fù)荷輸出電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電組件，其特征在于，所述非接觸器元件裝置是至少一個固態(tài)電氣元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充電組件，其特征在于，所述至少一個固態(tài)電氣元件接收可變脈沖寬度調(diào)制(PWM)電信號，并且所述至少一個電氣負(fù)荷與所接收到的PWM電信號成正比地進(jìn)行充電。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充電組件，其特征在于，所述至少一個固態(tài)電氣元件是以下之一⑴FET型元件，以及(ii) IGBT型元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充電組件，其特征在于，所述至少一個固態(tài)電氣元件包括單個元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電組件，其特征在于，所述正向接觸器裝置、所述負(fù)向接觸器裝置和所述非接觸器元件裝置被配置為并聯(lián)電連接在所述電池和所述至少一電氣負(fù)荷之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電組件，其特征在于，在所述至少一個電氣負(fù)荷充分充電之前，所述非接觸器元件裝置停止所述至少一個電氣負(fù)荷的充電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電組件，其特征在于，所述非接觸器元件裝置被配置為與限流電阻串聯(lián)電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電組件，其特征在于，以下至少一個(i)所述正向接觸器裝置，以及(ii)所述負(fù)向接觸器裝置是適用于僅承載電流的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電組件，其特征在于，所述充電組件還被配置為通過所述正向接觸器裝置、所述負(fù)向接觸器裝置和所述非接觸器元件裝置的操作性控制來操作性地斷開與至少一個電氣負(fù)荷的電連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電組件，其特征在于，所述非接觸器元件裝置是低壓電氣繼電器。
12.一種用于電連接以使用配置在混合電動汽車的電源系統(tǒng)中的充電組件從電池對至少一電氣負(fù)荷進(jìn)行充電的方法，所述充電組件包括正向接觸器裝置、負(fù)向接觸器裝置，所述方法包括提供非接觸器元件裝置；使用所述負(fù)向接觸器裝置將所述電池與所述至少一個電氣負(fù)荷電連接；使用所述非接觸器元件裝置將所述電池與所述至少一個電氣負(fù)荷電連接，由此發(fā)生預(yù)充電狀態(tài)以對所述至少一個電氣負(fù)荷進(jìn)行充電。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟使用所述正向接觸器裝置將所述電池與所述至少一個電氣負(fù)荷電連接，由此發(fā)生穩(wěn)態(tài)高電流狀態(tài)以對所述至少一個電氣負(fù)荷進(jìn)行充電。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟使用所述非接觸器元件裝置從所述至少一個電氣負(fù)荷斷開所述電池的電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，按照所列順序?qū)嵤┣笆鰴?quán)利要求中所述方法的所述步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，提供所述非接觸器元件裝置的所述步驟包括所述非接觸器元件裝置包括至少一個固態(tài)電氣元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，提供所述至少一個固態(tài)電氣元件的所述步驟包括所述至少一個固態(tài)電氣元件接收可變的脈沖寬度調(diào)制(PWM)電信號，并且所述至少一個電氣負(fù)荷與所接收到的PWM電信號成正比地進(jìn)行充電。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，提供所述至少一個固態(tài)電氣元件的所述步驟包括所述至少一個固態(tài)電氣元件是以下之一(i)FET型元件，以及(ii)IGBT型元件。
19.一種用于使用配置在混合電動汽車中的電源系統(tǒng)中的充電組件從電池斷開至少一個電氣負(fù)荷的電連接的方法，其所述方法包括提供正向接觸器裝置、負(fù)向接觸器裝置和非接觸器元件裝置； 使用所述非接觸器元件裝置將所述電池與所述至少一個電氣負(fù)荷電連接； 使用所述正向接觸器裝置將所述電池與所述至少一個電氣負(fù)荷斷開電連接； 過使用所述非接觸器元件裝置將所述電池與所述至少一個電氣負(fù)荷斷開電連接； 使用所述負(fù)向接觸器裝置將所述電池與所述至少一個電氣負(fù)荷斷開電連接。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，按照所列順序?qū)嵤┧龇椒ǖ乃霾今R聚ο
21.—種電動汽車推進(jìn)系統(tǒng)，其包括一種充電組件，所述充電組件包括負(fù)向接觸器裝置，向電池輸出返回電信號，并從至少一個電氣負(fù)荷接收返回電信號； 正向接觸器裝置，從所述電池接收電信號，并向所述電氣負(fù)荷輸出電信號；以及非接觸器元件裝置，適用于從所述電池接收電信號，并向所述電氣負(fù)荷輸出電信號。
全文摘要
提供一種充電組件和方法，以提供混合電動汽車(HEV)中電力推進(jìn)系統(tǒng)的電氣負(fù)荷的預(yù)充電低電流狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)高電流充電狀態(tài)和非連接狀態(tài)。該充電組件包括正向接觸器裝置、負(fù)向接觸器裝置和非接觸器元件裝置?？梢酝ㄟ^使用由非接觸器元件裝置所接收到的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號有效地控制電氣負(fù)荷預(yù)充電的速率。僅載流正向和負(fù)向接觸器可以與非接觸器元件裝置一起配置以進(jìn)一步防止在充電組件工作期間該正向和負(fù)向接觸器的觸點的閃弧。
文檔編號B60L11/18GK102336147SQ20111022926
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者D·D·特納, J·V·卡普托, M·W·史密斯 申請人:德爾福技術(shù)有限公司