一种应用于高压直流系统的切换装置及高压直流系统的制作方法

1.本发明涉及新能源汽车，特别是一种应用于高压直流系统的切换装置及高压直流系统。


背景技术：

2.新能源汽车一般采用高压电池组为电动车提供动力驱动，为保证电气系统正常通断和使用安全，在电动汽车的电池系统和电机控制器之间需配置高压直流继电器，当系统停止运行后起物理断开隔离的作用，系统运行时起连接的作用。因此，高压直流继电器不仅要具备耐受较高的电压和承载足够电流的基本功能，还要有切断大电流时的灭弧功能，以及在预充异常时，为容性负载瞬间充电的电流极大，这个电流一般是负载额定电流的数倍至数十倍等。电气系统短路时，回路中的瞬间电流骤升，此时要求继电器在极限大电流下能够顺利的切断电路，而不发生触点粘连或继电器爆炸等异常状况，防止发生电池短路起火或爆炸的安全危害，这就要求继电器触点具有良好的抗冲击和抗粘连的能力。
3.能满足电动汽车上此需求的继电器为直流继电器，交流继电器和磁保持继电器无法满足灭弧需求。然而直流继电器价格昂贵，且体积较大，导致电动汽车快充电路的总体成本及体积增加。而体积小，成本相对低的交流继电器和磁保持继电器却因为灭弧能力不足而不适用于此场合。
4.因此，如何设计一种应用于高压直流系统的切换装置及高压直流系统，来实现直流带电体之间的通断控制，是业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中，交流继电器或磁保持继电器无法应用于直流带电体之间通断控制的问题，本发明提出了一种应用于高压直流系统的切换装置及高压直流系统。
6.本发明的技术方案为，提出了一种应用于高压直流系统的切换装置，连接于高压电池的充电回路和/或供电回路中，包括连接于所述高压电池两端的第一继电器以及第二继电器、以及用于控制所述第一继电器以及所述第二继电器通断状态的控制系统，且所述第一继电器为交流继电器或磁保持继电器，所述第二继电器为直流继电器，所述控制系统控制所述第一继电器的导通时刻早于所述第二继电器的导通时刻、关断时刻晚于所述第二继电器的关断时刻。
7.进一步，所述控制系统包括一用于控制所述第一继电器通断状态的第一驱动电路、一用于控制所述第二继电器通断状态的第二驱动电路、一用于延时触发所述第一驱动电路的第一延时电路、一用于延时触发所述第二驱动电路的第二延时电路、以及一与所述第一延时电路和所述第二延时电路连接的处理器。
8.进一步，当所述高压电池上电时，所述第一延时电路的延时时间小于所述第二延时电路的延时时间；
9.当所述高压电池断电时，所述第一延时电路的延时时间大于所述第二延时电路的
延时时间。
10.进一步，所述第一延时电路包括:电阻r1、电阻r2、电容c1、二极管d1，所述第一驱动电路包括：电阻r5、三极管q1；
11.所述二极管d1的正极连接到所述处理器的输出端、负极串联所述电阻r1后连接到所述三极管q1的基极，所述三极管q1的集电极依次串联所述第一继电器的线圈l1、电阻r5后连接到电源，所述三极管q1的发射极接地，所述电阻r2一端连接到所述处理器的输出端、另一端连接到所述电阻r1与所述三极管q1之间，所述电容c1一端连接到所述电阻r1与所述三极管q1之间、另一端接地。
12.进一步，所述第二延时电路包括：电阻r3、电阻r4、电容c2、二极管d2，所述第二驱动电路包括：电阻r6、三极管q2；
13.所述电阻r4一端连接到所述处理器的输出端、另一端连接到所述三极管q2的基极，所述三极管q2的集电极依次串联所述第二继电器的线圈l2、电阻r6后连接到电源，所述三极管q2的发射极接地，所述电阻r3一端连接到所述处理器的输出端、另一端连接到所述二极管d2的负极，所述二极管d2的正极连接到所述电阻r4与所述三极管q2之间，所述电容c2一端连接到所述电阻r4与所述三极管q2之间、另一端接地。
14.进一步，所述控制系统还包括与所述第一驱动电路连接的第一保护电路、以及与所述第二驱动电路连接的第二保护电路，所述第一保护电路包括二极管d3、电容c5，所述第二保护电路包括二极管d4、电容c6；
15.所述二极管d3的正极连接在所述线圈l1与所述三极管q1之间、负极连接在所述线圈l1与所述电阻r5之间，所述电容c5并联在所述线圈l1两端；
16.所述二极管d4的正极连接在所述线圈l2与所述三极管q2之间、负极连接在所述线圈l2与所述电阻r6之间，所述电容c6并联在所述线圈l2两端。
17.进一步，当所述高压电池上电时，所述处理器输出高电平信号，所述线圈l1的上电时刻早于所述线圈l2的上电时刻；
18.当所述高压电池断电时，所述处理器输出低电平信号，所述线圈l1的断电时刻晚于所述线圈l2的断电时刻。
19.进一步，所述第一延时电路包括：电阻r1、电容c1、电容c3，所述第一驱动电路包括：电阻r2、电阻r3、电阻r6、电容c4、放大器u1；
20.所述放大器u1的反相输入端依次串联电容c3、电阻r1后连接到所述处理器的输出端、同相输入端串联电阻r2后接地、输出端依次串联电阻r3、第一继电器的线圈l1后接地，所述电容c1一端连接在所述电阻r1与所述电容c3之间、另一端接地，所述电阻r6一端连接到所述放大器u1的反相输入端、另一端连接到所述放大器u1的输出端，所述电容c4并联在所述电阻r6两端。
21.进一步，所述第二延时电路包括：电阻r4、电阻r5、二极管d2、电容c2，所述第二驱动电路包括：电阻r7、三极管q2；
22.所述电阻r4一端连接到所述处理器的输出端、另一端连接到所述三极管q2的基极，所述三极管q2的集电极依次串联第二继电器的线圈l2、电阻r7后连接到电源，所述三极管q2的发射极接地，所述电阻r5一端连接到所述处理器的输出端、另一端连接到所述二极管d2的负极，所述二极管d2的正极连接到所述电阻r4与所述三极管q2之间，所述电容c2一
端连接到所述电阻r4与所述三极管q2之间、另一端接地。
23.本发明还提出了一种高压直流系统，所述高压直流系统具有上述切换装置。
24.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
25.1、本发明通过采用一定的控制方式克服了交流继电器或磁保持继电器不能在直流电中使用的限制，且新的切换装置依然可以实现直流带电体之间的通断控制，同时兼备高的安全性能；
26.2、切换装置的控制电路可以实现以最少的io口实现相应的时序控制，节省处理器io口资源；
27.3、采用本发明的切换装置可以缩小整机体积、降低整机成本，在市场上形成一定的优势。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明高压直流系统的结构示意图；
30.图2为本发明另一实施例中高压直流系统的结构示意图；
31.图3为本发明整体的控制逻辑示意图；
32.图4为本发明整体的驱动示意图；
33.图5为本发明整体的电路连接示意图；
34.图6为本发明另一实施例中的电路连接示意图；
35.图7为本发明又一实施例中的电路连接示意图；
36.图8为采用两个io口控制继电器通断的时序图；
37.图9为采用一个io口控制继电器通断的时序图；
38.图10为磁保持继电器的控制时序图。
具体实施方式
39.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。
41.下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。
42.高压直流系统短路时，回路中的瞬间电流骤升，此时要求继电器在极限大电流下能够顺利的切断电路，而不发生触点粘连或继电器爆炸等异常状况的发生，防止发生电池
短路起火或爆炸的安全危害，这就要求继电器触点具有良好的抗冲击和抗粘连的能力。能满足电动汽车上此需求的继电器为直流继电器，交流继电器和磁保持继电器无法满足灭弧需求。然而直流继电器价格昂贵，且体积较大，体积小，成本的低的交流继电器和磁保持继电器却因为灭弧能力不足而不适用于此场合。本发明的思路在于，采用直流继电器与交流继电器或直流继电器与磁保持继电器配合的形式，使关断时直流继电器先关断，从而消除交流继电器或者磁保持继电器上的电弧，避免起火危害。
43.具体的，本发明提出的切换装置，连接于高压电池的充电回路和/或供电回路中，包括第一继电器以及第二继电器，其分别连接在高压电池的正极与负极之间，用于控制整个放电回路的通断，其第一继电器和第二继电器还连接有控制系统，控制系统用于控制第一继电器和第二继电器的通断，进而控制整个放电回路的通断。其中，第一继电器为交流继电器或磁保持继电器、第二继电器为直流继电器，控制系统通过控制第一继电器优先导通，并晚于第二继电器断开，以此避免第一继电器上拉弧问题的发生。
44.请参见图1，开关k1为第一继电器，开关k2为第二继电器，其组成的切换装置连接在高压电池与充电口之间，其高压电池即图1中的电池，充电口与快速充电站连接，开关k1和开关k2一同控制充电回路的通断。
45.在需要闭合充电回路时，开关k1先闭合，此时由于开关k2未闭合，电路中没有电流，开关k1中不会通过电流；在需要断开充电回路时，k2先断开，此时电路中电流从大电流变为0，而开关k2为直流继电器，可以承担灭弧直流电流的能力，再断开k1，由于此时电路中已经没有电流了，因此开关k1不会发生拉弧问题，本发明通过该控制方式，使交流继电器或磁保持继电器能够应用在高压直流系统中，至少节省一个直流继电器的使用，降低了成本。
46.请参见图2，其为本发明另一实施例中高压直流系统的连接示意图，其电池作为高压电池，通过充电口从快速充电站取电，并将电能传输到母线电容中，以供车载系统工作，其中，开关k1和开关k2组成一个切换装置，开关k3和开关k4组成一个切换装置，且开关k1和开关k3为交流继电器或磁保持继电器，开关k2和开关k4为直流继电器，上电时先闭合开关k1和开关k3，后闭合开关k2和开关k4；断电时，先断开开关k2和开关k4，后断开开关k1和开关k3，以此能够避免交流继电器或直流继电器拉弧问题的发生。
47.请参见图8，由于第一继电器和第二继电器的控制时序不同，该实施例中需要通过两个io口对第一继电器和第二继电器进行控制，其io口1用于控制第一继电器的通断，io口2用于控制第二继电器的通断，通过调节io口1和io口2的控制时序，实现第一继电器优先导通，第二继电器优先断开的控制，需要指出的时，由于继电器导通需要一定的上电时间，为避免上电时间对第一继电器以及第二继电器控制时序的影响，需要保证io口1和io口2触发高电平的间隔时间大于该上电时间，同理，需要保证io口1和io口2触发低电平的间隔时间大于断电时间。
48.请参见图3及图4，本发明提出的控制系统包括第一驱动电路、第二驱动电路、第一延时电路、第二延时电路、以及处理器，其中第一驱动电路用于控制第一继电器的通断，第二驱动电路用于控制第二继电器的通断，第一延时电路用于延时触发第一驱动电路，第二延时电路用于延时触发第二驱动电路，以实现上述第一继电器和第二继电器的控制。传统的设计方式中，为实现第一继电器和第二继电器不同的控制时序，需要保证第一驱动电路和第二驱动电路的信号不同，因此需要两个io口，而本发明通过第一延时电路和第二延时
电路的设置，能够实现一个io口对两个继电器的控制，能够节省处理器io口资源。其中，处理器包括但不限于微控制器单元(micro control unit，mcu)、数字信号处理器(digital signal processing/processor，dsp)。
49.具体的，在高压电池上电时，第一延时电路的延时时间小于第二延时电路的延时时间，可以使得第一继电器优先导通；
50.在高压电池断电时，第一延时电路的延时时间大于第二延时电路的延时时间，可以使得第二继电器优先断开。
51.通过该设计方式，在保证交流继电器正常使用的情况下，实现了一个io口对两个继电器的控制，节省了处理器的io口资源。
52.请参见图5，本发明提出的第一延时电路包括:电阻r1、电阻r2、电容c1、二极管d1，第一驱动电路包括：电阻r5、三极管q1；
53.其中，二极管d1的正极连接到处理器的输出端、负极串联电阻r1后连接到三极管q1的基极，三极管q1的集电极依次串联第一继电器的线圈l1、电阻r5后连接到电源，三极管q1的发射极接地，电阻r2一端连接到处理器的输出端、另一端连接到电阻r1与三极管q1之间，电容c1一端连接到电阻r1与三极管q1之间、另一端接地。
54.第二延时电路包括：电阻r3、电阻r4、电容c2、二极管d2，第二驱动电路包括：电阻r6、三极管q2；
55.其中，电阻r4一端连接到处理器的输出端、另一端连接到三极管q2的基极，三极管q2的集电极依次串联第二继电器的线圈l2、电阻r6后连接到电源，三极管q2的发射极接地，电阻r3一端连接到处理器的输出端、另一端连接到二极管d2的负极，二极管d2的正极连接到电阻r4与三极管q2之间，电容c2一端连接到电阻r4与三极管q2之间、另一端接地。
56.其控制系统整体的工作流程为，在高压电池上电时，处理器发出一高电平信号，分别向第一延时电路和第二延时电路发出，此时二极管d1上的电流方向为从正极流向负极，二极管d1正向导通，此时电阻r1与电阻r2处于并联状态，二极管d2上的电流方向为从负极流向正极，二极管d2反向截止，此时电阻r3上无电流通过，电阻r4单独接入电路，由于电阻r1和电阻r2并联，并联状态下电阻减小，其阻值小于电阻r4的阻值，即第一延时电路中的电阻小于第二延时电路中的电阻，使得第一延时电路中的电流更高，延时时间更短，三极管q1会先于三极管q2导通，且在三极管q1导通后，电源vcc通过电阻r5向线圈l1充电，在三极管q2导通后，电源vcc通过电阻r6向线圈l2充电，线圈l1由于先处于上电状态，因此第一继电器会先触发导通；
57.在高压电池断电时，处理器发出一低电平信号，分别向第一延时电路和第二延时电路发出，此时二极管d1上的电流方向为从负极流向正极，二极管d1反向截止，此时电阻r1上无电流通过，电阻r2单独接入电路，二极管d2上的电流方向为从正极到负极，二极管d2正向导通，此时电阻r3与电阻r4处于并联状态，并联状态下电阻减小，其阻值小于电阻r2的阻值，即第一延时电路中的电阻大于第二延时电路中的电阻，使得第一延时电路中的电流更小，延时时间更长，因此线圈l2会先于线圈l1放电完成，从而使得第二继电器先触发断开。
58.为便于控制，本发明中可以设置电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4的阻值相同，以保证并联后的电阻阻值小于单个电阻的阻值，从而实现延时时间的控制。
59.请参见图9，其为该实施例下的控制时序图，其通过一个io口即可实现第一继电器
和第二继电器的控制，且该控制时序下，第一继电器导通时刻早于第二继电器，第二继电器的关断时刻早于第一继电器，避免了交流继电器或磁保持继电器拉弧问题的发生。
60.请参见图6，在本发明一优选实施例中，控制系统还包括与第一驱动电路连接的第一保护电路、以及与第二驱动电路连接的第二保护电路，第一保护电路包括二极管d3、电容c5，第二保护电路包括二极管d4、电容c6；
61.其中，二极管d3的正极连接在线圈l1与三极管q1之间、负极连接在线圈l1与电阻r5之间，电容c5并联在线圈l1两端；
62.二极管d4的正极连接在线圈l2与三极管q2之间、负极连接在线圈l2与电阻r6之间，电容c6并联在线圈l2两端。
63.其中，第一保护电路用于保护第一继电器的线圈，用于在断电瞬间自感电势的吸收和短路，提高可靠性，并延长开关寿命，第二保护电路的原理与第一保护电路相同，用于保护第二继电器的线圈，用于在断电瞬间自感电势的吸收和短路，提高可靠性，并延长开关寿命。
64.请参见图7，在本发明又一优选实施例中，第一延时电路包括：电阻r1、电容c1、电容c3，第一驱动电路包括：电阻r2、电阻r3、电阻r6、电容c4、放大器u1；
65.放大器u1的反相输入端依次串联电容c3、电阻r1后连接到处理器的输出端、同相输入端串联电阻r2后接地、输出端依次串联电阻r3、第一继电器的线圈l1后接地，电容c1一端连接在电阻r1与电容c3之间、另一端接地，电阻r6一端连接到放大器u1的反相输入端、另一端连接到放大器u1的输出端，电容c4并联在电阻r6两端。
66.第二延时电路包括：电阻r4、电阻r5、二极管d2、电容c2，第二驱动电路包括：电阻r7、三极管q2；
67.电阻r4一端连接到处理器的输出端、另一端连接到三极管q2的基极，三极管q2的集电极依次串联第二继电器的线圈l2、电阻r7后连接到电源，三极管q2的发射极接地，电阻r5一端连接到处理器的输出端、另一端连接到二极管d2的负极，二极管d2的正极连接到电阻r4与三极管q2之间，电容c2一端连接到电阻r4与三极管q2之间、另一端接地。
68.其主要适用于磁保持继电器下的控制，其使用逻辑与图5实施例中的控制逻辑相同，线圈l1为磁保持继电器的线圈，线圈l2为直流继电器的线圈。由于磁保持继电器驱动需要脉冲电压，故通过微分电路在控制输入端的信号上升和下降沿产生负向驱动和正向驱动。vcc是正压，vee是负压。通过电阻r1和电容c1、电阻r3和电容c2、电阻r4和电容c2产生延时，且电阻r3和电容c2的延时时间小于电阻r1和电容c1延时时间，电阻r4和电容c2的延时时间大于电阻r1和电容c1时间，以此实现开关k2延时闭合和提前断开。
69.需要注意的是，使用磁保持继电器时，由于未上电之前磁保持继电器的状态不确定是闭合还是断开，所以要先一步进行初始化，即先进行一次断开的驱动，确保继电器是断开的状态，否则在直流继电器闭合时，磁保持继电器已经处于闭合状态，此时就丧失了直流继电器后闭合的要求。本发明提出的电路巧妙地利用了开通时直流继电器滤波电路延时大于磁保持继电器的开通滤波延时，用小占空比完成在初始化，避免了在初始化的时候直流继电器闭合。
70.本技术的切换装置和对应的控制系统还可应用于其他直流场合，在此不一一阐述。
71.本发明还提出了一种高压直流系统，其具有上述切换装置。
72.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
73.1、本发明通过采用一定的控制方式克服了交流继电器或磁保持继电器不能在直流电中使用的限制，且新的切换装置依然可以实现直流带电体之间的通断控制，同时兼备高的安全性能；
74.2、切换装置的控制电路可以实现以最少的io口实现相应的时序控制，节省处理器io口资源；
75.3、采用本发明的切换装置可以缩小整机体积、降低整机成本，在市场上形成一定的优势。
76.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。