本发明涉及新能源汽车领域，尤其涉及一种新能源汽车的高压母线电容的预充电装置。
背景技术：
如图1所示，混合动力汽车的电气系统一般由48v高压电池包91、电池管理系统(bms：batterymanagementsystem)92、接线盒93、48v高压电器94等组成，汽车起动时，电池管理系统92控制接线盒93接通48v高压电池包91和48v高压电器94，由48v高压电池包91为48v高压电器94充电。48v高压电器94可以是各种高压用电设备，如高压dc-dc变换器、逆变器、车载充电机等等。这些高压用电设备并联在48v高压直流母线上，其直流输入端通常设有一48v高压母线电容c1。在混合动力汽车的48v系统里，通常会有bsg控制器以及其它用电设备，导致48v高压直流母线上的电容量非常大，为了确保48v高压电池接通瞬间的用电安全，需要设置给48v高压母线电容进行预充电的预充电电路。
传统的预充电电路主要由预充电接触器95(通常为继电器)和预充电电阻96组成，通过预充电电阻96来限制48v高压电池包接到48v高压母线电容时的冲击电流，但这样会造成电阻和接触器的热损耗，消耗了电池的能量，同时还会造成潜在的零部件热失效风险。现有技术中虽然针对纯电动汽车公开了高压母线电容的预充电装置，其无需采用预充电电阻，但由于纯电动车的高压电池的电压大于60v，其dc-dc变换器为隔离型，拓扑结构与图2所示的混合动力汽车的48vdc-dc变换器不同，因而其高压母线电容的预充电方案无法适用于混合动力汽车。而对于普通的48vdc-dc变换器，48v侧的电容相比混合动力汽车的电气系统要小，预充电的风险小，无需设置预充电的电路。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、能量损耗低、安全可靠的新能源汽车的高压母线电容的预充电装置。
本发明实施例提供了一种新能源汽车的高压母线电容的预充电装置，新能源汽车具有直流母线和充电电源，高压母线电容的一端与新能源汽车的直流母线的正极相连，另一端与新能源汽车的直流母线的负极相连；预充电装置包括双向dc-dc变换电路、电容电压采样电路以及控制器；双向dc-dc变换电路耦接在高压母线电容与充电电源之间，以使得充电电源可通过该双向dc-dc变换电路向高压母线电容充电；电容电压采样电路的输出端与控制器的输入端耦接，电容电压采样电路用于采集高压母线电容的电压；其特点在于，双向dc-dc变换电路包括buck-boost电路、电感lpre、续流元件dpre、开关管qsafe和电容csafe；buck-boost电路的第一输入/输出端与高压母线电容并联连接，buck-boost电路的第二输入/输出端的正极与电感lpre的一端连接；电感lpre的另一端与开关管qsafe的第二导通端连接；开关管qsafe的第一导通端与充电电源的正极相连；续流元件dpre的负极端连接于电感lpre的另一端与开关管qsafe的第二导通端的共接点，电容csafe的一端连接于开关管qsafe的第一导通端与充电电源正极的共接点；buck-boost电路的第二输入/输出端的负极、续流元件dpre的正极端和充电电源的负极分别连接于直流母线的负极；控制器分别与buck-boost电路的控制端和开关管qsafe的控制端连接；控制器可控制双向dc-dc变换电路工作于预充电模式，在预充电模式时双向dc-dc变换电路先在降压模式下对高压母线电容进行充电，在高压母线电容电压达到预定的阈值后双向dc-dc变换电路在升压模式下对高压母线电容进行充电，直到高压母线电容的电压达到预设的充电电压值。
本发明至少具有以下技术效果：
1、根据本发明一实施例的预充电装置通过在现有新能源汽车的高压dc-dc变换器的基本拓扑结构增加电感lpre和续流元件dpre的支路，从而实现了两阶段预充电功能；第一阶段变换为buck(降压)电路，在高压母线电容上建立起基础电压，建立起基础电压后，第二阶段切换为boost(升压)电路，使高压母线电容充到最终的目标电压，避免了充电时产生冲击电流，提高了充电过程的安全性和可靠性；
2、根据本发明一实施例的预充电装置对高压dc-dc变换器的基本拓扑结构改动较小，电路结构和控制过程都比较简单；
3、根据本发明一实施例的预充电装置没有设置预充电电阻，能量损耗低，提高了充电效率。
附图说明
图1示出了现有的混合动力汽车的电气系统的原理框图。
图2示出了现有的混合动力汽车的48vdc-dc变换器电路的原理图。
图3示出了本发明预充电装置一实施例的电路原理图。
图4示出了根据本发明一实施例预充电装置在降压模式时的工作原理。
图5示出了根据本发明一实施例的预充电装置的开关管在降压模式时的工作时序图。
图6示出了根据本发明一实施例预充电装置在升压模式时的工作原理。
图7示出了根据本发明一实施例的预充电装置的开关管在升压模式时的工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
请参考图3。根据本发明一实施例的一种新能源汽车的高压母线电容的预充电装置，包括电容电压采样电路2、双向dc-dc变换电路3以及控制器4。
电容电压采样电路2用于采集高压母线电容c48的电压，电容电压采样电路2的输出端与控制器4的输入端耦接，以将采集到的高压母线电容c48的电压信号发送给控制器4。高压母线电容c48的一端与新能源汽车的直流母线的正极相连，另一端与新能源汽车的直流母线的负极相连。
双向dc-dc变换电路3耦接在高压母线电容c48与充电电源v12_bat之间，以使得充电电源v12_bat可通过该双向dc-dc变换电路3向高压母线电容c48充电。图中的rld代表负载。双向dc-dc变换电路3包括buck-boost电路31、电感lpre、续流元件dpre、开关管qsafe和电容csafe。
buck-boost电路31的第一输入/输出端与高压母线电容c48并联连接，buck-boost电路31的第二输入/输出端的正极与电感lpre的一端连接；电感lpre的另一端与开关管qsafe的第二导通端连接，开关管qsafe的第一导通端与充电电源v12_bat的正极相连；续流元件dpre的负极端连接于电感lpre的另一端与开关管qsafe的第二导通端的共接点，电容csafe的一端连接于开关管qsafe的第一导通端与充电电源v12_bat的正极的共接点；buck-boost电路31的第二输入/输出端的负极、续流元件dpre的正极端、电容csafe的另一端和充电电源v12_bat的负极分别连接于直流母线的负极。
控制器4分别与buck-boost电路31的控制端和开关管qsafe的控制端连接。控制器4可控制双向dc-dc变换电路3工作于预充电模式，在预充电模式时双向dc-dc变换电路3先在降压模式下对高压母线电容c48进行充电，在高压母线电容电压达到预定的阈值后双向dc-dc变换电路3在升压模式下对高压母线电容c48进行充电，直到高压母线电容c48的电压达到预设的充电电压值。
在本实施例中，如图3所示，buck-boost电路31包括桥臂、电感lf和电容c12。
桥臂包括开关管qh和开关管ql，开关管qh和开关管ql具有体二极管，开关管qh的第一导通端与高压母线电容c48的一端连接，开关管qh的第二导通端与开关管ql的第一导通端连接，开关管ql的第二导通端与高压母线电容c48的另一端连接。电感lf的一端连接于开关管qh的第二导通端与开关管ql的第一导通端的共接点，电感lf的另一端与电感lpre的一端连接；电容c12的一端连接于电感lf的另一端与电感lpre的一端的共接点。电容c12的另一端连接直流母线的负极。
控制器4分别与开关管qh的控制端和开关管ql的控制端连接，控制器4用于控制开关管qh和开关管ql常断开，并控制电容csafe、开关管qsafe、续流元件dpre、电感lpre和电容c12组成buck电路，以使双向dc-dc变换电路3工作于降压模式；控制器4用于控制开关管qsafe常通，并控制电容c12、电感lf、开关管qh、开关管ql和高压母线电容c48组成boost电路，以使双向dc-dc变换电路3工作于升压模式。
在本实施例中，续流元件dpre为二极管。在其它的实施中，续流元件dpre也可采用mos管。
在本实施例中，新能源汽车为混合动力汽车，充电电源为充电电池，充电电源的输出电压为12v，高压电源为高压电池，高压电源的输出电压为48v，高压母线电容c48为48v母线电容。由于低压侧通常会设置emi差模滤波电感，电感lpre可以复用该emi差模滤波电感。如果低压侧没有设置emi差模滤波电感，那么就需要额外增加一个电感lpre。
可选地，上述的开关管qh、开关管ql和开关管qsafe均为nmos管，nmos管的栅极为控制端，nmos管的漏极为第一导通端，nmos管的源极为第二导通端。二极管dh和电容ch分别为开关管qh的体二极管和寄生电容，二极管dl和电容cl分别为开关管ql的体二极管和寄生电容。在本实施例中，与高压母线电容c48并联连接的高压电源v48_bat的正极和高压母线电容c48的一端之间串联了预充电接触器95。
在本实施例中，双向dc-dc变换电路3对高压母线电容c48的预充电分两个阶段，第一阶段为降压模式阶段，将充电电源v12v_bat的输出电压通过buck电路将高压母线电容c48上的电压充到预定阈值，该预定阈值接近充电电源v12_bat的输出电压；第二阶段为升压模式阶段，通过常规的boost升压电路，用电流模式或电压模式继续给高压母线电容c48充电，直到电压充到最终的目标电压(接近高压电源v48_bat的输出电压)。
在第一阶段，如图4所示，电容csafe、开关管qsafe、续流元件dpre、电感lpre和电容c12组成第一阶段预充电的buck电路(见图4中的虚线框区域)。在此阶段，开关管的工作时序如图5所示，开关管qh和开关管ql一直处于关断状态，通过控制开关管qsafe的占空比来对高压母线电容c48充电。开关管qsafe的占空比从0％逐渐增加到100％，根据buck电路原理，此时电容c12上将得到数值等于电容csafe的电压乘以占空比而得到的缓慢上升的电压，同时，经由电感lf和开关管qh的体二极管dh，电容c12也在给高压母线电容c48充电，高压母线电容c48也会得到相同的缓慢上升的电压，充电路径如图4中的虚线箭头所示，从而消除了冲击流问题。当高压母线电容c48的电压vc48充到预定的阈值(本实施例为充电电源v12_bat的输出电压)时，高压电源v48_bat已经获得了升压拓扑所必要的基础电压。第一阶段可以采用开环控制，也可以采用闭环控制，方法为取高压母线电容c48上的电压信号进行电压模式控制，或者是取高压侧上的平均电流作为反馈信号进行电流模式控制。最后，当高压母线电容c48上的电压达到预定的阈值时，切换到预充电的第二阶段。
在第二阶段，如图6所示，控制电容c12、电感lf、开关管qh、开关管ql和高压母线电容c48组成boost电路(见图6中的虚线框区域)。在此阶段，开关管的工作时序如图7所示，开关管qsafe一直处于常通状态，根据boost电路的原理，开关管ql的占空比从0％开始逐渐增加到(v48v_bat-v12v_bat)/v48v_bat，使高压母线电容的电压平缓上升，不会产生大的电压和电流过冲；开关管qh与开关管ql互补输出，充电路径如图6中的虚线箭头所示，直到高压母线电容c48的电压vc48充到最终的目标电压(本实施例为高压电源v48_bat的输出电压)时结束充电。开关管ql和开关管qh的驱动边沿之间都设有一段死区时间，防止直通。第二阶段可以取高压母线电容c48上的电压信号进行电压模式控制，或者是取电感lf上的电流作为反馈信号进行电流模式控制。
根据本发明一实施例的新能源汽车的高压母线电容的预充电装置还可工作于正向降压(buck)模式和反向升压(boost)模式。
在正向降压模式时，通过控制开关管qh，将高压电源v48_bat的输出直流电斩波为pwm电压，经过开关管ql续流，电感lf和电容c12滤波，在低压侧得到电压较低(例如12v)的直流电。
在反向升压模式时，充电电源v12v_bat向高压侧辅助供电。电感lf、开关管ql和开关管qh组成boost电路，对低压侧充电电源v12_bat的输出电压进行升压。低压侧充电电源v12_bat通过开关管ql给电感lf储能产生电压，经过开关管qh，将充电电源v12_bat的输出电压和电感lf的电压给到高压侧，通过高压母线电容c48滤波，高压侧得到电压较高的直流电。
如果高压电源(例如48v电池)与高压用电器(例如48v高压用电器)之间的预充电接触器直接吸合，由于高压侧电容量通常会有10mf以上，因此会有很大的冲击电流产生，所以需要低压侧充电电源(例如12v电池)先对高压用电器的电容进行预充电。而低压侧如果直接闭合开关管qsafe，同样地，相当于低压侧充电电源与高压母线电容接近于直接并联，也会引起非常大的冲击电流，有可能导致开关管qsafe和开关管qh的失效，并引起其它潜在的失效。本发明通过拓扑变换的思路，使得低压侧充电电源与高压母线电容之间并非直接并联，而是通过复用开关管qsafe，增加一组电感lpre和续流元件dpre，在预充电的第一阶段产生buck子电路,利用buck电路软启时冲击电流很小的特点，将电容c12与高压母线电容c48从0v开始逐渐充到基础电压(例如12v)，解决了电流冲击，在预充电的第二阶段再通过boost电路进一步对高压母线电容c48充电，实现了总体的预充电功能。与现有技术相比，本发明的预充电装置的电路结构由于省掉了预充电电阻，不仅环保节能，而且降低了成本。
1.一种新能源汽车的高压母线电容的预充电装置，所述新能源汽车具有直流母线和充电电源，所述高压母线电容的一端与所述新能源汽车的直流母线的正极相连，另一端与新能源汽车的直流母线的负极相连；所述的预充电装置包括双向dc-dc变换电路、电容电压采样电路以及控制器；所述双向dc-dc变换电路耦接在所述高压母线电容与所述充电电源之间，以使得所述充电电源可通过该双向dc-dc变换电路向高压母线电容充电；所述电容电压采样电路的输出端与所述控制器的输入端耦接，所述电容电压采样电路用于采集所述高压母线电容的电压；其特征在于，所述双向dc-dc变换电路包括buck-boost电路、电感lpre、续流元件dpre、开关管qsafe和电容csafe；
所述buck-boost电路的第一输入/输出端与所述高压母线电容并联连接，所述buck-boost电路的第二输入/输出端的正极与电感lpre的一端连接；电感lpre的另一端与开关管qsafe的第二导通端连接；开关管qsafe的第一导通端与所述充电电源的正极相连；续流元件dpre的负极端连接于电感lpre的另一端与开关管qsafe的第二导通端的共接点，电容csafe的一端连接于开关管qsafe的第一导通端与充电电源正极的共接点；所述buck-boost电路的第二输入/输出端的负极、续流元件dpre的正极端、电容csafe的另一端和所述充电电源的负极分别连接于直流母线的负极；
所述控制器分别与所述buck-boost电路的控制端和开关管qsafe的控制端连接；所述控制器可控制所述双向dc-dc变换电路工作于预充电模式，在所述预充电模式时所述双向dc-dc变换电路先在降压模式下对高压母线电容进行充电，在高压母线电容电压达到预定的阈值后所述双向dc-dc变换电路在升压模式下对高压母线电容进行充电，直到高压母线电容的电压达到预设的充电电压值。
2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车的高压母线电容的预充电装置，其特征在于，所述buck-boost电路包括桥臂、电感lf和电容c12；
所述桥臂包括开关管qh和开关管ql，所述开关管qh和开关管ql具有体二极管，开关管qh的第一导通端与高压母线电容的一端连接，开关管qh的第二导通端与开关管ql的第一导通端连接，开关管ql的第二导通端与高压母线电容的另一端连接；
电感lf的一端连接于开关管qh的第二导通端与开关管ql的第一导通端的共接点，电感lf的另一端与电感lpre的一端连接；电容c12的一端连接于电感lf的另一端与电感lpre的一端的共接点，电容c12的另一端连接直流母线的负极；
所述控制器分别与开关管qh的控制端和开关管ql的控制端连接，所述控制器用于控制开关管qh和开关管ql常断开，并控制电容csafe、开关管qsafe、续流元件dpre、电感lpre和电容c12组成buck电路，以使所述双向dc-dc变换电路工作于所述降压模式；所述控制器用于控制开关管qsafe常通，并控制电容c12、电感lf、开关管qh、开关管ql和高压母线电容组成boost电路，以使所述双向dc-dc变换电路工作于所述升压模式。
3.根据权利要求2所述的一种新能源汽车的高压电器的预充电装置，其特征在于，所述控制器用于在所述双向dc-dc变换电路处于所述降压模式时控制开关管qsafe的占空比逐渐增加。
4.根据权利要求2所述的一种新能源汽车的高压电器的预充电装置，其特征在于，所述控制器用于在所述双向dc-dc变换电路处于所述升压模式时控制开关管ql的占空比逐渐增加。
5.根据权利要求2所述的一种新能源汽车的高压电器的预充电装置，其特征在于，所述控制器用于在所述双向dc-dc变换电路处于所述升压模式时控制开关管ql的占空比从0逐渐增加到(v48v_bat-v12v_bat)/v48v_bat，其中，v12v_bat为所述充电电源的输出电压，v48v_bat为与所述高压母线电容并联连接的高压电源的输出电压。
6.根据权利要求5所述的一种新能源汽车的高压电器的预充电装置，其特征在于，所述的新能源汽车为混合动力汽车，所述充电电源的输出电压为12v，所述高压电源的输出电压为48v，所述高压母线电容为48v母线电容。
7.根据权利要求1所述的一种新能源汽车的高压电器的预充电装置，其特征在于，电感lpre为emi差模滤波电感。
8.根据权利要求2所述的一种新能源汽车的高压电器的预充电装置，其特征在于，所述的开关管qh、开关管ql和开关管qsafe均为nmos管,所述nmos管的栅极为控制端，所述nmos管的漏极为第一导通端，所述nmos管的源极为第二导通端。
9.根据权利要求1所述的一种新能源汽车的高压母线电容的预充电装置，其特征在于，所述的续流元件为二极管或mos管。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的一种新能源汽车的高压母线电容的预充电装置，其特征在于，与所述高压母线电容并联连接的高压电源的正极和所述高压母线电容的一端之间串联了预充电接触器。
技术总结