CN101073990A - 一种具有安全保护装置的电动车供电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具有安全保护装置的电动车供电系统及其控制方法，该系统包括动力电源及负载，以及安全保护装置，安全保护装置主要包括绝缘测试单元、预充电及负载测试单元、过流检测单元、负载电荷泄放单元、漏电检测单元、多功能检测板、多功能控制板、以及MCU；供电之前动力电源通过预充电回路对负载进行预充电，在检测负载两端电压为正常工作电压后，自动接通动力电源与负载之间的主电路，为负载供电。并在供电过程中实时监测主电路工作状态数据，当监测到过流、过压、漏电等故障数据时，切断动力电源与负载之间的主电路，并接通连接在负载上的电荷泄放电路，泄放负载电容上存储的电荷。达到保护动力电池组、重要负荷及车内电气设备安全之目的。

Description

一种具有安全保护装置的电动车供电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及对动力电源的安全保护系统，尤其涉及一种具有高压安全保护装置的电动车供电系统，及其对电动车供电系统安全保护的控制方法。

背景技术

在能源和环境问题日渐恶化的当今，电动汽车由于在行驶过程中不消耗汽油，没有排放污染，运行噪音小，热辐射指标低等一系列显著优点，越来越受到人们的关注和青睐，同时也由于新能源、新材料、新技术，特别是计算机等技术领域的发展，促使人们重新认识和积极研发新的电动汽车。

在电动汽车和混合动力汽车中，动力电源(动力电池组)通过逆牵引变器给驱动电机供电，由于作为负载的牵引逆变器等电气装置以及动力母线的正、负极至外壳间往往接有大电容，为了保护这些电容免受大电流冲击，也为了减少和避免某些装置和构件受到大电流的影响，因此，需要在电动车中设置预充电电路，使电流及相应端子上的电压在预设时间内缓慢增加，以达到保护电路、元件，提高安全性和可靠性之目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电动车高压安全保护装置，该装置可以实现动力电源上电前的预充电，自动合闸运行，以及负载发生故障时自动切断主动力回路，达到保护动力电池组、重要负荷(如逆变器，驱动电机等等)及车内电气设备安全之目的。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有安全保护装置的电动车供电系统，包括动力电池组、作为动力电池组负载的牵引逆变器和牵引电机，其中，还包括一安全保护装置，所述安全保护装置包括预充电单元、一多功能检测板、一多功能控制板，以及一MCU；所述预充电单元设置在电动车动力电源输出端与负载之间，用于实现动力电源对负载预充电或正常供电或切断对负载供电的不同状态的切换；所述多功能检测板连接预充电及负载测试单元的输出端，用于检测其上电压变化，并根据检测到的结果输出不同的识别信号至MCU，所述MCU根据不同的识别信号对所述多功能控制板发出相应控制指令，由多功能控制板控制所述预充电及负载测试单元切换至不同的状态。

所述的预充电单元包括：串联在动力电池组正端与负载正端之间的第二可控开关，串联在动力电池组负端与负载负端之间的第一可控开关，以及第三可控开关和限流电阻，所述第三可控开关和限流电阻串联后与第二可控开关并联；所述第一、二、三可控开关的控制端均与所述多功能控制板相连。

所述安全保护装置还包括一过流检测单元，所述过流检测单元包括串接在第一可控开关与负载负端之间的第一过流传感器，以及串接在第二可控开关与负载正端之间的第二过流传感器，并且所述多功能检测板分别与所述两个传感器相连，用于检测流经两个传感器的电流值，并根据检测到的结果输出不同的识别信号传至MCU，由MCU通过多功能控制板控制所述第一、二、三可控开关的通断。

所述安全保护装置还包括并联在负载正负端之间的负载电荷泄放单元，该单元由多功能控制板控制其通断状态，当多功能检测板根据检测结果给出供电处于非正常工作状态的识别信号时，由MCU通过多功能控制板切断所述第一、第二、第三可控开关后，再控制该单元导通，泄放负载电容上存储的电荷。

所述负载电荷泄放单元由第六可控开关串接泄放电阻组成，第六可控开关的控制端与所述多功能控制板相连。

其中，所述的安全保护装置还包括一绝缘测试单元，该单元用于测试动力电源及其馈电线路之间绝缘电阻，包括串接在动力电源正输出端与地之间的第五可控开关和电阻R5，以及串接在动力电源负输出端与地之间的第四可控开关和电阻R4，所述第四、第五可控开关的控制端与所述多功能控制板相连，动力电源正负输出端分别与所述多功能检测板连接。

所述的安全保护装置还包括连接在牵引电机及逆变器与地之间的漏电检测单元，用于检测牵引电机和逆变器的漏电情况；所述漏电检测单元与微处理器连接，当牵引电机或逆变器发生漏电时，所述漏电检测单元将拾取漏电流信号，并将漏电信号转换为控制电平发送给微处理器，由所述微处理器控制多功能控制板切断主回路供电，并接通所述电容电荷泄放单元，泄放回路电容上存储的电荷。

以上所述可控开关均采用继电器。

所述安全保护装置还包括一显示及报警单元，该单元与MCU连接，用于显示检测结果，并对供电处于非正常工作状态时进行报警提示。

所述安全保护装置还包括CAN通讯接口及光电隔离耦合装置，MCU通过CAN通讯接口及光电隔离耦合装置与车内主控装置连接。

本发明还提供一种电动车供电系统安全保护的控制方法，包括以下步骤：

A、动力电源对主电路上的负载进行预充电至一预定时间，并检测负载两端电压是否正常，若电压在正常工作电压范围内，则自动接通动力电源与负载之间的主电路，为负载供电，并转入步骤B；否则，不供电，并给出故障提示；

B、实时监测主电路工作状态数据，对数据进行判断，当判断工作状态数据中任一数据非正常时，切断动力电源与负载之间的主电路，并接通连接在负载上的泄放电路，泄放回路电容上存储的电荷。

该控制方法还包括，在步骤A之前检测动力电源对地绝缘状况，若等效绝缘电阻在正常值范围内，转入步骤A，否则发出告警并结束流程。

步骤B所述的主电路工作状态数据包括：主电路的电压、电流、动力电源对地等效绝缘电阻以及牵引电机和逆变器的漏电流。

所述预定时间约为10秒。

本发明的有益效果为：由于采用了本发明的安全保护装置以及相应的控制方法，有以下优点：1、实现了动力电源上电前的预充电，在预设时间内缓慢增加电流及相应端子上的电压，以保护电路和相应元件设备；并且当确认负载工作正常后，才自动合闸送电，从而有效地保护动力电源的安全。2、可以实时检测动力电源的输出电压、电流、牵引电机的漏电、以及上电前和运行过程中监测系统主回路对地绝缘状况，当任何一项发生故障时，可自动切断主动力回路，并实时显示相关的参数，发出报警信息。具备过压、过流、漏电保护、绝缘监测、控制等功能。3、当发生任何故障，主动力回路被自动切断的同时，接通泄放回路，迅速释放主回路电容上存储的电荷，保障人员和设备的安全。

总之，本发明装置达到了保护车内电气设备，输配电线路以及操作人员的安全之目的，大大地提高了安全和可靠性。

附图说明

图1为本发明的安全保护装置电原理图；

图2为对动力电池等效绝缘测试示意图；

图3为本发明供电系统安全保护的控制方法流程图；

图1中：1-动力电池组，2-绝缘测试单元，3-预充电单元，4-过流检测单元，5-电容电荷泄放单元，6-牵引逆变器，7-多功能检测板，8-多功能控制板，9-CAN通信接口及光电隔离耦合装置，10-微处理器MCU，11-显示及报警装置，12-稳压、抗扰及隔离电源，13-牵引电机Motor，14-漏电检测单元。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参阅图1，在电动或混合动力汽车中，动力电池组1的电压通常高达300VDC以上，动力电池组1通过牵引逆变器6给牵引电机Motor 13(或牵引主电机、轮毂电机等)供电，作为动力电池组1负载的牵引逆变器6和牵引电机Motor 13，其高压系统的正常工作电流也在百A等级之上，其瞬时短路放电电流，更是成倍增加。

为了有效的保护电池组1本身及高压系统的设备、线路等单元的正常运行，本发明提供了相应的安全保护装置，如图1所示，包括绝缘测试单元2、预充电单元3、过流检测单元4、电容电荷泄放单元5、多功能检测板7、多功能控制板8、CAN通信接口及光电隔离耦合装置9、微处理器10(MCU)、显示及报警装置11、稳压、抗扰及隔离电源12、以及漏电检测单元14。多功能检测板7分别与绝缘测试单元2、预充电单元3、过流检测单元4、以及微处理器MCU电连接，用于检测、读取电压、电流、漏电流、绝缘电阻参数，并将检测到参数转换成微处理器MCU可识别的接口电平，作为状态识别信号输出至微处理器MCU；多功能控制板8分别与绝缘测试单元2、预充电试单元3、过流检测单元4、负载电荷泄放单元5、以及微处理器MCU连接，用于接受和执行MCU输出的指令，控制各测试单元内的控制开关动作，实现安全保护功能。

绝缘测试单元2的输入端101和102分别与动力电池组正、负输出端电连接，用于测试动力电池组1及其馈电线路之间绝缘电阻，绝缘测试单元2包括串接在动力电池组1正输出端与地之间的第五可控开关K5和标准取样电阻R5，以及串接在动力电池组1负输出端与地之间的第四可控开关K4和标准取样电阻R4，可控开关K4、K5的控制端分别与用于实现各种控制功能的多功能控制板8的h脚和g脚电连接，而标准取样电阻R4及R5的加载和卸载，由微处理器MCU控制开关K4及K5自动完成。动力电池组1的正、负输出端分别与多功能检测板7的等效绝缘测试端口b脚和a脚电连接，多功能检测板7含有等效绝缘测试判别电路、电压、电流检测判别电路等模块单元，根据需要，还可升级加入其它检测功能。

预充电单元3包括串联在动力电源正端B+与主回路正端H+之间的第二可控开关K2，串联在动力电源负端B-与主回路负端H-之间的第一可控开关K1，以及第三可控开关K3和限流电阻R3，K3和限流电阻R3串联后与K2并联；可控开关K1、K2、K3的控制端均与多功能控制板8相连。多功能检测板7通过电压检测端脚c和d可以静态和动态地检测H+和H-端子上的电压，并且在MCU和多功能控制板8的控制下，预充电单元3可以切换至三种不同的状态：预充电状态、正常供电运行状态，以及切断馈电线路停止对负载供电的状态。K3和限流电阻R3用于实现动力电池组1上电前的预充电，当多功能检测板7检测H+和H-端子上的电压正常后，再由多功能控制板自动控制K3断开，K2合闸，正常运行，达到保护电路、元件以及提高安全性能的目的，而当馈电线路或负载发生故障(如过流、过压、绝缘不良、漏电)时，多功能控制板自动控制K1、K2、K3断开，切断供电电池与负载的连接。

过流检测单元4包括串接在H-端与负载负端(牵引逆变器负端)之间的第一过流传感器GL1，以及串接在H-与负载正端(牵引逆变器正端)之间的第二过流传感器GL2，多功能检测板7上的过流检测端脚e和f分别与GL1、GL2连接；当流经过流检测传感器GL1、GL2上的电流达到或超过某一限值时，该电流通过过流检测端脚e和f响应到多功能检测板7，多功能检测板7立即输出相应的识别及控制信号给MCU，MCU收到此信号立即做出反应，控制K1、K2、K3断开，并接通负载电荷泄放单元5内的可控开关K6，通过电荷泄放电阻R6释放负载电容上存储的电荷。；

电容电荷泄放单元5由第六可控开关K6串接泄放电阻R6组成，第六可控开关K6的控制端继电器J6与所述多功能控制板8的端脚1相连；当多功能检测板7检测到主动力回路电压、电流值如果超出正常工作范围，或发生绝缘破损漏电等异常情况时，多功能检测板7将输出相应的识别信号给MCU；当MCU拾取多功能检测板7送来的信号后，立即输出控制指令给多功能控制板8，多功能控制板8执行相应的逻辑控制功能，通过与其端脚i、j及k相电连接的继电器J1、J2及J3分断主控开关K1、K2及K3，使馈电回路中断；同时，接通电容电荷泄放单元5内的开关K6数秒，由电荷泄放电阻R6释放主回路所接电容存储的电荷，然后K6自动复位；所有的可控开关均可由继电器实现。

与牵引逆变器6相电连接的是汽车的动力装置牵引电机13，在电动或混合动力汽车中，牵引逆变器6作为重要的独立组件，为牵引电机提供适合稳定的驱动电源。CAN通信接口及光电隔离耦合装置9与微处理器MCU 10相结合使用有利于协调车内其它电控单元的工作，标准CAN通信接口辅以高速光耦与本处MCU配合，可以同车内主控装置及其它处理器单元共同构成高速、高效、安全、可靠的多主结构工作及管理模式。CAN通信接口及光电隔离耦合装置9采用光电耦合器读取和交换MCU及主控装置或与其它分控单元发来的指令或数据，并协调完成约定的相应的控制功能。CAN总线系统最早由德国BOSCH公司提出，它具有许多突出的优点，CAN能以多主方式工作，即可由若干CAN节点及处理器单元共同构建高速，高效的网络和控制系统。网络中每一节点及处理器均可在任意时刻发送或接收数据和指令，而不分主从。CAN总线采用非破坏性仲裁技术，当多个节点同时向网络上传信息时，优先级低的节点主动停止数据发送。CAN总线结构遇严重错误时具有自闭输出的功能，切断它与网络的联系使系统的其它功能不受影响。微处理器MCU接收和处理多功能控制板8或车内主控装置发出的数据或指令，完成电动车电压、电流、绝缘电阻、漏电流等参数的读取和处理，并送出信号给与其相连接的显示及报警装置11实时显示相关的参数，发出相应报警信息(对于某些特定功能可以选择自动或手动方式实现)；稳压、抗扰及隔离电源12给汽车电气线路汽车提供一个高质量的稳压电源。

当电动车启动时，首先合上负极主控开关K1及预充电开关K3，大约过了10秒左右，多功能检测板7检测H+和H-端子上的电压；当检测到的电压在正常工作电压范围内(一般应达到正常电压的70％以上)时，则说明负荷端工作状态正常；接着由多功能控制板8控制动力电池组1正极主控开关K2自动合上，并断开预充电开关K3。然后MCU 10利用设置于多功能检测板7及多功能控制板8上的测量放大线路、窗口电路以及逻辑控制电路，可以静态和动态地测量到主动力回路B+和B-、H+和H-上的电压和电流量值，使主动力回路电路进入运行状态。

另外，在多功能控制板8的端脚m、牵引电机Motor 13与地之间还连接有一漏电检测单元14，如果主动力回路出现漏电现象时，例如当牵引电机或逆变器发生绝缘损坏，馈线及端子短路或接地不良等故障情况时，漏电检测单元14将迅速检拾漏电流信号并转换为控制电平发给微处理器，而微处理器收到有效信号后将会立即作出反应，通过控制多功能控制板8切断主回路供电并泄放残存电荷。在微处理器送出信号给多功能控制板8的同时还将另一组信号送至与其相连接的显示及报警装置11，由显示及报警装置11显示出安全状况或发出报警信号。

从而保护动力电池组1、与动力电池组1相连接的牵引逆变器6、与牵引逆变器6相连接的牵引电机Motor 13、电气线路等装置及操作人员的安全。

其中，在上述进行绝缘测试时，MCU 10可以自动实现下述测试功能：

参阅图2，动力电源组1上电前，微处理器MCU 10令多功能控制板8及多功能检测板7读取B-及B+端子上电前的对地电压数值；然后，多功能控制板8执行相应的逻辑控制功能，通过与其端脚g及h相连接的继电器J4及J5分别令控制开关K4和K5合闸，读取动力电池组1负端及正端接入标准取样电阻R4及R5后的对地电压数值。

若未接入取样电阻R4及R5前，B-的电压值为V1，B+的电压值为V1’；而接入标准取样电阻R4及R5后，B-的电压值为V2，B+的电压值V2’；参见图2所示，则有下述关系：

当V1＞V1’时，绝缘电阻RJ按下式计算：

  RJ＝(V1-V2)÷V2×R0；

当V1＜V1’，绝缘电阻按下式计算：

  RJ＝(V1’-V2’)÷V2’×R0。

其中，上述两式中，R0为标准取样电阻R4和R5，它的取值范围是：R0＝100-500欧姆/伏特；根据动力电池组1端电压的高低，即可选取相应的标准取样电阻标准电阻值。

利用这一绝缘测试方法，可以静态(即电动车启动运转前)、也可以动态(即电动车运转过程中)测量动力电池组1及其馈电线路绝缘电阻的状况。

本发明还提供一种电动车供电系统安全保护的控制方法，参阅图3，包括以下步骤：

首先，在步骤301中，检测动力电源对地绝缘状况，若等效绝缘电阻在正常值范围内，则转入302步骤流程，否则结束流程；

接着，进入步骤302，动力电源对主电路上的负载进行预充电至10秒钟的预定时间，并检测负载两端电压是否正常，若电压在正常工作电压范围内，则自动接通动力电源与负载之间的主电路，为负载供电，并转入303步骤流程；否则，不供电；

然后，进入步骤303，实时监测主电路工作状态数据，对数据进行判断，当判断工作状态数据中任一数据非正常时，切断动力电源与负载之间的主电路，并接通连接在负载上的电荷泄放电路，泄放负载电容上存储的电荷；其中，主电路工作状态数据包括：主电路的电压、电流、动力电源对地等效绝缘电阻以及牵引电机的漏电流；

总之，本发明并不限于上述实施方式，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，都应该落在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1、一种具有安全保护装置的电动车供电系统，包括动力电池组、作为动力电池组负载的牵引逆变器和牵引电机，其特征在于：还包括一安全保护装置，所述安全保护装置包括预充电单元、一多功能检测板、一多功能控制板，以及一微处理器；所述预充电单元设置在电动车动力电源输出端与负载之间，用于实现动力电源对负载预充电或正常供电或切断对负载供电的不同状态的切换；所述多功能检测板连接预充电单元的端口，用于检测回路上电压变化，并根据检测到的结果输出不同的识别信号至微处理器，所述微处理器根据不同的识别信号对所述多功能控制板发出相应控制指令，由所述多功能控制板控制所述预充电及负载测试单元切换至不同的状态。

2、根据权利要求1所述的电动车供电系统，其特征在于：所述的预充电单元包括：串联在动力电池组正端与负载正端之间的第二可控开关，串联在动力电池组负端与负载负端之间的第一可控开关，以及第三可控开关和限流电阻，所述第三可控开关和限流电阻串联后与第二可控开关并联；所述第一、二、三可控开关的控制端均与所述多功能控制板相连。

3、根据权利要求2所述的电动车供电系统，其特征在于：还包括一过流检测单元，所述过流检测单元包括串接在第一可控开关与负载负端之间的第一过流传感器，以及串接在第二可控开关与负载正端之间的第二过流传感器，并且所述多功能检测板分别与所述两个传感器相连，用于检测流经两个传感器的电流值，并根据检测到的结果输出不同的识别信号传至微处理器，由微处理器通过多功能控制板控制所述第一、二、三可控开关的通断。

4、根据权利要求3所述的电动车供电系统，其特征在于：还包括并联在负载正负端之间的电容电荷泄放单元，该单元由多功能控制板控制其通断状态，当多功能检测板根据检测结果给出供电处于非正常工作状态的识别信号时，由微处理器通过多功能控制板切断所述第一、第二、第三可控开关后，再控制该单元导通，泄放回路电容上存储的电荷。

5、根据权利要求4所述的电动车供电系统，其特征在于：所述电容电荷泄放单元由第六可控开关串接泄放电阻组成，第六可控开关的控制端与所述多功能控制板相连。

6、根据权利要求1至5任一权利要求所述的电动车供电系统，其特征在于：还包括一绝缘测试单元，该单元用于测试动力电源及其馈电线路之间绝缘电阻，包括串接在动力电源正输出端与地之间的第五可控开关和电阻R5，以及串接在动力电源负输出端与地之间的第四可控开关和电阻R4，所述第四、第五可控开关的控制端与所述多功能控制板相连，动力电源正负输出端分别与所述多功能检测板连接。

7、根据权利要求6所述的电动车供电系统，其特征在于：还包括连接在牵引电机与地之间的漏电检测单元，用于检测牵引电机和逆变器的漏电情况；所述漏电检测单元与微处理器连接，当牵引电机或逆变器发生漏电时，所述漏电检测单元将拾取漏电流信号，并将漏电信号转换为控制电平发送给微处理器，由所述微处理器控制多功能控制板切断主回路供电，并接通所述电容电荷泄放单元，泄放回路电容上存储的电荷。

8、根据权利要求7所述的电动车供电系统，其特征在于：所述可控开关均采用继电器。

9、根据权利要求8所述的电动车供电系统，其特征在于：还包括一显示及报警单元，该单元与微处理器连接，用于显示检测结果，并对供电处于非正常工作状态时进行报警提示。

10、根据权利要求8所述的电动车供电系统，其特征在于：还包括CAN通讯接口及光电隔离耦合装置，微处理器通过CAN通讯接口及光电隔离耦合装置与车内主控装置通讯连接。

11、一种电动车供电系统安全保护的控制方法，包括以下步骤：

A、动力电源对主电路上的负载进行预充电至一预定时间，并检测负载两端电压是否正常，若电压在正常工作电压范围内，则自动接通动力电源与负载之间的主电路，为负载供电，并转入步骤B；否则，不供电，并给出故障提示；

B、实时监测主电路工作状态数据，对数据进行判断，当判断工作状态数据中任一数据非正常时，切断动力电源与负载之间的主电路，并接通连接在负载上的泄放电路，泄放回路电容上存储的电荷。

12、根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：还包括在步骤A之前检测动力电源对地绝缘状况，若等效绝缘电阻在正常值范围内，转入步骤A，否则发出告警并结束流程。

13、根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于：步骤B所述的主电路工作状态数据包括：主电路的电压、电流、动力电源对地等效绝缘电阻以及牵引电机和逆变器的漏电流。

14、根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于：所述预加电时间约为10秒。

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