CN110829812B - 一种电动汽车高压控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车高压控制***，包括12V蓄电池、低压双向变换器、超级电容、高压双向变换器、控制电路，所述12V蓄电池通过低压双向变换器与超级电容连接；所述超级电容通过高压双向变换器分别连接动力电池的主正继电器、主负继电器；所述主正继电器、主负继电器分别通过高压母线后连接高压部件的滤波电容；所述控制电路通过驱动电路分别连接低压双向变换器、高压双向变换器。本发明的优点在于：可以稳定安全可靠快速的实现高压预充以及高压泄放，同时增加的电路可以实现在能量回收阶段回收更多的能量，减少能量回收过程中能量的浪费，从而在实现高压预充、泄放的基础上可以进一步实现增加能量回收效率，而且在高压预充与泄放的基础上不需要增加硬件成本，仅需要控制双向变换器的工作即可。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车高压供电控制领域，特别涉及一种电动汽车高压控制***。
背景技术
动力电池为整车高压***供电前，需要先通过预充电路对高压部件的输入端滤波电容进行预充。车辆高压下电后，高压部件电容器件中储存的电能需要利用电驱***进行主动泄放或利用电阻进行被动泄放，以保证安全。现有技术中预充多使用预充电阻限流，容易损坏；主动泄放在特殊工况下不能进行，被动泄放时间较长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电动汽车高压控制***，通过将高压预充和高压泄放电路集成在双向变换器中，来实现一种效果更好的高压预充及泄放方案，同时可以通过双向变换器和超级电容实现制动能量最大程度的回收和利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种电动汽车高压控制***，包括12V蓄电池、低压双向变换器、超级电容、高压双向变换器、控制电路，所述12V蓄电池通过低压双向变换器与超级电容连接；所述超级电容通过高压双向变换器分别连接动力电池的主正继电器、主负继电器；所述主正继电器、主负继电器分别通过高压母线后连接高压部件的滤波电容；所述控制电路通过驱动电路分别连接低压双向变换器、高压双向变换器。
所述控制电路与车辆上下电状态获取单元连接。
所述控制电路分别与超级电容端电压采样电路、超级电容端电流采样电路、动力电池端电压采样电路、动力电池端电流采样电路连接。
所述动力电池的正负极分别通过主正继电器、主负继电器连接汽车的电驱***。
所述控制电路分别与动力电池电量采集模块以及电驱***发电功率采集模块连接。
一种电动汽车高压控制***的控制方法，根据整车的状态数据判断此时车辆的上电状态和下电状态，当车辆上电后，启动高压预充过程，控制低压双向变换器工作在升压工作模式，12V蓄电池通过低压双向变换将电压升高为超级电容充电至VSC_MIN，然后高压双向变换将电压升高，为高压母线上高压部件中的电容充电，电池端电压采样电路采集电池端电压VBAT，当VBAT与动力电池实际电压之间压差小于设定值ΔV，动力电池主正和主负继电器闭合，预充过程结束，此时控制高压变换器停止工作；
当车辆下电后，高压双向变换器工作在降压工作模式，高压双向变换将母线高压降低至VSC_MIN为超级电容充电，此时再由低压双向变换器工作在降压状态，低压双向变换器将超级电容的输出电压降压为12V***为12V蓄电池充电，当高压母线电压降低到安全电压后，高压泄放过程结束，关闭高压双向变换器、低压双向变换器。
根据整车的状态数据判断此时车辆是否处于能量回收过程中，当车辆处于能量回收过程中，获取电驱***的发电功率，当电驱***的发电功率小于动力电池允许的最大充电功率时，控制电驱***的发电能量全部进入动力电池；当电驱***的发电功率大于动力电池允许的最大充电功率时，启动高压双向变换器工，以动力电池允许的最大充电功率对动力电池进行充电，以电驱***的发电功率减去动力电池允许最大充电功率后的剩余充电功率通过高压双向变换器为超级电容充电，超级电容充满后控制高压双向变换器停止工作，动力电池以最大允许充电功率充电直至动力电池充满或能量回收过程结束。
在能量回收过程结束后，电驱***进入电动模式，驱动功率为PD，控制超级电容通过高压双向变换器为电驱***供电，放电功率为PDC_D，超级电容最大放电功率为高压双向变换器的额定功率PD_N，，动力电池的放电功率为PBAT_D；如果电驱***驱动功率小于等于超级电容的最大放电功率PD_N，则控制超级电容通过双向变换器提供全部的驱动功率，直到超级电容能量消耗完,再转为由动力电池放电提供驱动能量；
如果电驱***驱动功率大于超级电容的最大放电功率PD_N，则超级电容和动力电池共同提提供驱动功率，控制超级电容通过高压双向变换器输出功率PD_N，剩余功率控制动力电池提供，直到超级电容放电结束,关闭高压双向变换器，再转为由动力电池放电提供驱动能量。
当检测到超级电容的电压降低到工作下限值时，超级电容放电结束。
本发明的优点在于：可以稳定安全可靠快速的实现高压预充以及高压泄放，同时增加的电路可以实现在能量回收阶段回收更多的能量，减少能量回收过程中能量的浪费，从而在实现高压预充、泄放的基础上可以进一步实现增加能量回收效率，而且在高压预充与泄放的基础上不需要增加硬件成本，仅需要控制双向变换器的工作即可。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明控制***结构原理图；
图2为开关管栅极驱动波形
图3低压双向变换器结构原理图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，一种电动汽车高压控制***，包括12V蓄电池、低压双向变换器、超级电容、高压双向变换器、控制电路，12V蓄电池通过低压双向变换器与超级电容连接；超级电容通过高压双向变换器分别连接动力电池的主正继电器、主负继电器；主正继电器、主负继电器分别通过高压母线后连接高压部件的滤波电容；控制电路通过驱动电路分别连接低压双向变换器、高压双向变换器。控制电路采用电池管理控制单元或整车控制器等控制元件或新增的其它控制器来实现，通过输出PWM控制信号来驱动高压双向变换器的开关管、低压双向变换器的开关管来控制其工作。
控制电路与车辆上下电状态获取单元连接，根据上电信号、下电信号来方便控制高压预充以及泄放的启动控制。控制电路分别与超级电容端电压采样电路、超级电容端电流采样电路、动力电池端电压采样电路、动力电池端电流采样电路连接。
动力电池的正负极分别通过主正继电器、主负继电器连接汽车的电驱***。控制电路分别与动力电池电量采集模块以及电驱***发电功率采集模块连接。动力电池是通过主负继电器、主正继电器输出供电的，而电驱***是通过该主正继电器、主负继电器取电的，当电驱***处于能量回收时，回收的电量通过主正主负继电器进入动力电池，同时可以控制高压变换器工作来控制能量回收至超级电容中。
电动汽车高压控制***的控制方法，根据整车的状态数据判断此时车辆的上电状态和下电状态，当车辆上电后，启动高压预充过程，控制低压双向变换器工作在升压工作模式，12V蓄电池通过低压双向变换将电压升高为超级电容充电至VSC_MIN，然后高压双向变换将电压升高，为高压母线上高压部件中的电容充电，电池端电压采样电路采集电池端电压VBAT，当VBAT与动力电池实际电压之间压差小于设定值ΔV，动力电池主正和主负继电器闭合，预充过程结束，此时控制高压变换器停止工作；
当车辆下电后，高压双向变换器工作在降压工作模式，高压双向变换将母线高压降低至VSC_MIN为超级电容充电，此时再由低压双向变换器工作在降压状态，低压双向变换器将超级电容的输出电压降压为12V***为12V蓄电池充电，当高压母线电压降低到安全电压后，高压泄放过程结束，关闭高压双向变换器、低压双向变换器。
根据整车的状态数据判断此时车辆是否处于能量回收过程中，当车辆处于能量回收过程中，获取电驱***的发电功率，当电驱***的发电功率小于动力电池允许的最大充电功率时，控制电驱***的发电能量全部进入动力电池；当电驱***的发电功率大于动力电池允许的最大充电功率时，启动高压双向变换器工，以动力电池允许的最大充电功率对动力电池进行充电，以电驱***的发电功率减去动力电池允许最大充电功率后的剩余充电功率通过高压双向变换器为超级电容充电，超级电容充满后控制高压双向变换器停止工作，动力电池以最大允许充电功率充电直至动力电池充满或能量回收过程结束。
在能量回收过程结束后，电驱***进入电动模式，驱动功率为PD，控制超级电容通过高压双向变换器为电驱***供电，放电功率为PDC_D，超级电容最大放电功率为高压双向变换器的额定功率PD_N，，动力电池的放电功率为PBAT_D；如果电驱***驱动功率小于等于超级电容的最大放电功率PD_N，则控制超级电容通过双向变换器提供全部的驱动功率，直到超级电容能量消耗完,再转为由动力电池放电提供驱动能量；
如果电驱***驱动功率大于超级电容的最大放电功率PD_N，则超级电容和动力电池共同提提供驱动功率，控制超级电容通过高压双向变换器输出功率PD_N，剩余功率控制动力电池提供，直到超级电容放电结束,关闭高压双向变换器，再转为由动力电池放电提供驱动能量。当检测到超级电容的电压降低到工作下限值时，超级电容放电结束。
双向变换器由高压双向变换和低压双向变换两个部分组成。如图1-3所示，高压双向变换一端接动力电池，一端接超级电容。动力电池端和超级电容端电容进行储能和滤波，电容、开关管和电感组成功率变换电路，应用高频率的脉冲宽度调节(PWM)技术控制开关管Q1和Q2，实现电压的直流/直流变换。开关管Q1和Q2为MOS管或IGBT。电压和电流采样电路对端口电压和电流进行采样，采样信号输出到控制电路，控制电路通过控制算法控制驱动电路，进而控制功率变换电路实现双向变换器稳定工作。
低压双向变换电路实现12V蓄电池到超级电容端之间的电压变换。
制动能量回收过程中，高压双向变换部分工作。
高压双向变换电路中，控制电路通过电池端电压采样电路采集电池端电压值VBAT，通过超级电容端电压采样电路采集超级电容两端电压值VSC，通过动力电池端电流采样电路采集动力电池充电电流值IBAT，通过超级电容端电流采样电路采集超级电容充电电流值ISC。双向变换器中Q1和Q2的开关工作周期为T，占空比为D，占空比为开通时间TON与工作周期T的比值，也就是Vg高电平时间与工作周期T的比值，即D＝TON/T。
制动能量回收过程中，电驱***工作在发电模式，发电功率为PG，电驱***通过双向DCDC为超级电容充电功率为PDC_C，动力电池允许的最大充电功率为PBAT_C_MAX。如果电驱***发电功率小于等于动力电池允许的最大充电功率PBAT_C_MAX，即PG≤PBAT_C_MAX，则电驱***发电能量全部进入动力电池。如果电驱***发电能量大于动力电池允许的最大充电功率，即PG＞PBAT_C_MAX，双向DCDC启动工作，将动力电池无法回收的能量充进超级电容，充电功率PDC_C＝PG-PBAT_C_MAX，超级电容充满电后双向DCDC停止工作，电驱***发电能量降低，保持与动力电池允许的最大充电功率相等。
制动能量回收过程中，双向DCDC为超级电容充电工作描述：控制电路发送信号到驱动电路，T_ON时间内驱动电路输出高电平到Q1的栅极，即Q1栅极电压Vg1为高电平，Q1开通；同时输出低电平到Q2的栅极，即Q2栅极电压Vg2为低电平，Q2关断。TON时间内，动力电池通过Q1、L为C2和超级电容充电，同时电感L也储存能量。TON结束，Q1关断，Q2也关断，电感L通过Q2的体二极管实现续流，电感和C2中储存的能量继续为超级电容充电。控制电路通过控制占空比D实现超级电容充电电流ISC的恒定，即恒流充电。
制动过程结束后，电驱***进入电动模式，驱动功率为PD。超级电容通过双向DCDC为电驱***供电，放电功率为PDC_D，超级电容最大放电功率为双向DCDC的额定功率PD_N，即PDC_D_MAX＝PD_N。动力电池的放电功率为PBAT_D。如果电驱***驱动功率小于等于超级电容的最大放电功率(双向DCDC的额定功率)，即PD≤PD_N，则超级电容提供全部的驱动功率，直到超级电容能量消耗完,再转为由动力电池放电提供驱动能量。在完全由超级电容提供驱动能量的过程中，由于动力电池的特性，动力电池需要维持在小电流充电或放电状态，所以超级电容通过双向DCDC的放电功率是动态调节的，最大限度保持动力电池小电流充电和放电的能量平衡。如果电驱***驱动功率大于超级电容的最大放电功率(双向DCDC的额定功率)，即PD＞PD_N，则超级电容和动力电池共同提提供驱动功率，即PD＝PD_N+PBAT_D，直到超级电容能量消耗完,再转为由动力电池放电提供驱动能量。
***进入超级电容放电状态，双向变换器的工作模式为直流转直流升压变换。控制电路发送信号到驱动电路，TON时间内驱动电路输出高电平到Q2的栅极，即Q2栅极电压Vg2为高电平，Q2开通；同时输出低电平到Q1的栅极，即Q1栅极电压Vg1为低电平，Q1关断。TON时间内，超级电容通过Q2为电感L储能，C1中储存的能量为动力电池充电。TON结束，Q2关断，Q1也关断，电感L通过Q1的体二极管实现续流，电感L中储存的能量为C1充电，同时输出到高压母线提供给电驱***。控制电路通过控制占空比D实现输出到动力电池的电压等于VBAT，即恒压输出。当超级电容电压VSC降低到工作下限值VSC_MIN时，超级电容放电结束。
以上过程可以实现是制动能量回收比率显著提高。
低压双向变换部分如图3所示。
高压预充过程，12V蓄电池通过低压双向变换部分将电压升高为超级电容充电至VSC_MIN，高压双向变换部分将电压升高，为高压母线上高压部件中的电容充电，电池端电压采样电路采集VBAT，当VBAT与动力电池实际电压之间压差小于设定值ΔV，动力电池主正和主负继电器闭合，预充过程结束。在上一次下电后，超级电容中仍然储存能量，除因静态损耗损失的能量部分，剩余部分能力仍然可以参与新的转换。
预充过程，超级电容中剩余部分能量，其端电压为VSC_PRE_C,VSC_PRE_C是小于的VSC_MIN，K1断开，K2闭合，Q7、Q8、Q9、Q10工作在全桥逆变状态，Q3、Q4、Q5、Q6工作在全桥整流状态，L2与C3为滤波电路，控制电路通过调节驱动电路3的占空比，使输出到超级电容的电压保持在VSC_MIN，高压双向变换部分再将VSC_MIN升高为整车高压***母线的部件进行预充，达母线电压与动力电池实际电压之间压差小于设定值ΔV，动力电池主正和主负继电器闭合，预充过程结束。
高压泄放过程，整车下电后，高压双向变换部分将母线高压降低为VSC_MIN，低压双向变换电路降VSC_MIN降压为12V***仍在工作电器供电，同时也可以为12V蓄电池充电。当高压母线电压降低到安全电压后，高压泄放过程结束。
高压泄放，主正继电器和主负继电器断开，高压部件内部的电容器件能量需要释放，高压双向变换部分将母线电压降低为VSC_MIN。低压双向变换部分K1闭合，K2断开，Q3、Q4、Q5、Q6工作在全桥逆变状态，Q7、Q8、Q9、Q10工作在全桥整流状态，L3与C4为滤波电路，控制电路通过调节驱动电路2的占空比，使输出到12V蓄电池的电压保持恒定，为低压***部件供电，直到母线电压降低到安全值，泄放过程结束
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电动汽车高压控制***的控制方法，其特征在于：所述***包括12V蓄电池、低压双向变换器、超级电容、高压双向变换器、控制电路，所述12V蓄电池通过低压双向变换器与超级电容连接；所述超级电容通过高压双向变换器分别连接动力电池的主正继电器、主负继电器；所述主正继电器、主负继电器分别通过高压母线后连接高压部件的滤波电容；所述控制电路通过驱动电路分别连接低压双向变换器、高压双向变换器；
根据整车的状态数据判断此时车辆的上电状态和下电状态，当车辆上电后，启动高压预充过程，控制低压双向变换器工作在升压工作模式，12V蓄电池通过低压双向变换器将电压升高为超级电容充电至超级电容工作电压下限值VSC_MIN，然后高压双向变换器将电压升高，为高压母线上高压部件中的电容充电，电池端电压采样电路采集电池端电压VBAT，当VBAT与动力电池实际电压之间压差小于设定值ΔV，动力电池主正和主负继电器闭合，预充过程结束，此时控制高压双向变换器停止工作；
当车辆下电后，高压双向变换器工作在降压工作模式，高压双向变换器将母线高压降低至VSC_MIN为超级电容充电，此时再由低压双向变换器工作在降压状态，低压双向变换器将超级电容的输出电压降压后为12V蓄电池充电，当高压母线电压降低到安全电压后，高压泄放过程结束，关闭高压双向变换器、低压双向变换器。
2.如权利要求1所述的一种电动汽车高压控制***的控制方法，其特征在于：根据整车的状态数据判断此时车辆是否处于能量回收过程中，当车辆处于能量回收过程中，获取电驱***的发电功率，当电驱***的发电功率小于动力电池允许的最大充电功率时，控制电驱***的发电能量全部进入动力电池；当电驱***的发电功率大于动力电池允许的最大充电功率时，启动高压双向变换器工作，以动力电池允许的最大充电功率对动力电池进行充电，以电驱***的发电功率减去动力电池允许最大充电功率后的剩余充电功率通过高压双向变换器为超级电容充电，超级电容充满后控制高压双向变换器停止工作，动力电池以最大允许充电功率充电直至动力电池充满或能量回收过程结束。
3.如权利要求2所述的一种电动汽车高压控制***的控制方法，其特征在于：
在能量回收过程结束后，电驱***进入电动模式，驱动功率为PD，控制超级电容通过高压双向变换器为电驱***供电，放电功率为PDC_D，超级电容最大放电功率为高压双向变换器的额定功率PD_N，动力电池的放电功率为PBAT_D；如果电驱***驱动功率小于等于超级电容的最大放电功率PD_N，则控制超级电容通过高压双向变换器提供全部的驱动功率，直到超级电容能量消耗完,再转为由动力电池放电提供驱动能量；
如果电驱***驱动功率大于超级电容的最大放电功率PD_N，则超级电容和动力电池共同提供驱动功率，控制超级电容通过高压双向变换器输出功率PD_N，剩余功率控制动力电池提供，直到超级电容放电结束,关闭高压双向变换器，再转为由动力电池放电提供驱动能量。
4.如权利要求3所述的一种电动汽车高压控制***的控制方法，其特征在于：当检测到超级电容的电压降低到工作下限值时，超级电容放电结束。
5.如权利要求1所述的一种电动汽车高压控制***的控制方法，其特征在于：所述控制电路与车辆上下电状态获取单元连接。
6.如权利要求1所述的一种电动汽车高压控制***的控制方法，其特征在于：所述控制电路分别与超级电容端电压采样电路、超级电容端电流采样电路、动力电池端电压采样电路、动力电池端电流采样电路连接。
7.如权利要求1、5、6任一所述的一种电动汽车高压控制***的控制方法，其特征在于：所述动力电池的正负极分别通过主正继电器、主负继电器连接汽车的电驱***。
8.如权利要求7所述的一种电动汽车高压控制***的控制方法，其特征在于：所述控制电路分别与动力电池电量采集模块以及电驱***发电功率采集模块连接。
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