CN101572435B - 用于电动汽车的补偿充电方法和电路 - Google Patents

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本发明属于电动汽车充电技术领域，涉及一种补偿充电方法，该方法使制动回馈能量被分为两部分，一部分能量为动力电池充电和回收，另一部分能量通过逆变充电电路为辅助电池补偿充电和回收，并根据检测电路对是否存在制动回馈能量、辅助电池剩余能量、动力电池剩余电量的检测结果，控制分配到辅助电池补偿充电的制动回馈能量的大小。本发明同时提供一种实现此种充电方法的电路。本发明弥补了常规制动能量回馈充电方式中仅能依靠动力电池回收制动能量的不足，提高电动汽车的能源利用率。

Description

用于电动汽车的补偿充电方法和电路
技术领域
本发明属于电动汽车充电技术领域，涉及一种辅助电池补偿动力电池回收制动能量方法。
技术背景
传统车辆在制动过程中产生的制动能量主要转化成热能损耗，而电动汽车在制动过程中则可以反拖驱动电机使其处于发电状态，将制动能量转化成电能，通过回馈给动力电池充电(简称“回馈充电”)将制动能量储存在动力电池中，当电动车辆行驶的时候再从动力电池中释放出来又可以驱动电动车辆，因此回收制动能量可以提高能量利用率，这是电动车辆与传统车辆相比能够高效节能的主要原因之一。
图1为电动汽车常规制动能量回馈充电基本原理框图。图1中包括动力电池、电机控制器、驱动电机、DC/DC模块(直流/直流变换模块)、辅助电池、高压直流母线、三相交流母线、低压直流母线。动力电池、电机控制器和DC/DC模块通过高压直流母线相联，电机控制器与驱动电机通过三相交流母线相联，DC/DC模块与辅助电池通过低压直流母线相联。图1中的驱动电机在车辆制动时处于发电状态，发出的三相交流电经电机控制器变换后成为高压直流电，再通过高压直流母线为动力电池进行高压直流充电，即回馈充电。
动力电池回收制动能量可以节约能源，提高能源的利用率，延长车辆的续驶里程。而回收能量的多少则主要取决于动力电池的剩余能量的多少，剩余能量越多，回收的能量就越少，反之亦然。尤其是当剩余能量在70％～80％以上时，出于安全考虑一般少回收或不回收能量，有的电动汽车甚至在动力电池的剩余能量下降到60％以下时才启动回馈充电功能。可见在动力电池回收制动能量之外，如果也能够采取一定的手段安全高效地回收制动能量，无疑将进一步提高能量的利用率。
在图1中，高压直流电经过高压直流母线进入DC/DC模块，经过DC/DC变换后成为低压直流电，再经过低压直流母线给辅助电池充电。图1中的辅助电池为车辆提供低压供电，一般选择铅酸蓄电池，标称电压为12V(用于轿车或微型车)或者24V(用于客车)。由于DC/DC模块输出的是恒定的工作电压，一般为13.5V(用于轿车或微型车)或27V(用于客车)，只能为辅助电池提供浮充充电，使得辅助电池始终处于满电或接近满电状态，因此在图1所示的常规制动能量回馈充电拓扑中，辅助电池并不能够回收制动能量。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的上述不足，提供一种能够实现辅助电池充电以实现补偿动力电池回收电动汽车制动能量的充电方法，同时提供一种实现了此种充电方法的补偿充电电路，从而提高能源的利用率。
为此，本发明采用如下的技术方案：
一种用于电动汽车的补偿充电方法，将动力电池和一个能够为辅助电源充电的逆变充电电路，接到高压直流母线上，使通过高压直流母线传输的制动回馈能量被分为两部分，一部分能量为动力电池充电和回收，另一部分能量通过逆变充电电路为辅助电池补偿充电和回收，并利用检测电路分别检测是否存在制动回馈能量、辅助电池剩余能量以及动力电池剩余能量，由控制电路在检测到存在制动回馈能量情况下，根据动力电池以及辅助电池剩余能量检测和计算结果，控制分配到辅助电池补偿充电的制动回馈能量的大小；控制电路在未检测到存在制动回馈能量，但检测到辅助电池剩余能量过低时，控制动力电池向辅助电池充电。
本发明同时提供一种实现上述充电方法的补偿充电电路，包括逆变充电电路、控制电路、动力电池和辅助电池以及制动回馈能量检测、动力电池能量检测和辅助电池能量检测电路，所述逆变充电电路包括电容滤波电路、占空比受控制电路控制的IGBT逆变桥、带有低压输出端的高频变压器以及低压整流滤波电路，所述的电容滤波电路输出的直流电加载在所述的IGBT逆变桥的输入端，所述IGBT逆变桥的低压输出端与低压整流滤波电路和辅助电池之间依次连接，实现高频低压逆变；动力电池的两端分别连接到逆变充电电路的两个输入端，IGBT逆变桥的低压输出端经过低压整流滤波电路变成低压直流电后给辅助电池充电，控制电路在检测到存在制动回馈能量情况下，根据动力电池以及辅助电池剩余能量检测和计算结果，控制IGBT逆变桥的占空比，实现对辅助电池的补偿充电的启动和控制；控制电路在未检测到存在制动回馈能量情况下，并检测到辅助电池剩余能量过低时，控制IGBT逆变桥的占空比，利用动力电池的能量实现对辅助电池充电的启动和控制。
本发明中，辅助电池通过补偿充电模块实现了补偿动力电池回收制动能量的功能，弥补了常规制动能量回馈充电方式中仅能依靠动力电池回收制动能量的不足，因此可以回收更多的制动能量，提高电动汽车的能源利用率。
附图说明
图1是电动汽车常规制动能量回馈充电基本原理框图；
图2是本发明提出的电动汽车补偿充电原理框图；
图3是利用本发明提出的补偿充电原理实现的多功能一体化充电原理框图；
图4是“补偿充电”模式和“调整充电”模式下逆变充电电路结构示意图。
具体实施方式
参见图2，图2是电动汽车补偿充电的基本原理框图。图2中包括动力电池、电机控制器、驱动电机、补偿充电模块、辅助电池、高压直流母线、三相交流母线、低压直流母线。动力电池、电机控制器和补偿充电模块通过高压直流母线相联，电机控制器通过三相交流母线与驱动电机相联，补偿充电模块通过低压直流母线与辅助电池相联。补偿充电模块内部包括一个监测电路、一个控制电路和一个充电电路。
在电动车辆制动时，图2中的驱动电机发出的电能经过三相交流母线进入电机控制器，并转换成高压直流电，再经过高压直流母线一分为二，一部分进入动力电池，另一部分进入补偿充电模块。进入动力电池的能量为动力电池充电，由动力电池回收。进入补偿充电模块的能量首先被该模块内部的充电电路转换成低压直流电，然后再经过低压直流母线为辅助电池充电，由辅助电池回收，实现补偿充电。图2中的箭头指示方向表示回馈充电能量的流动方向。
图2中电机控制器回馈的高压直流电流为I，进入动力电池的高压直流电流为I1，进入补偿充电模块的高压直流电流为I2，由于高压直流母线的电压U对于电流I、I1、I2相同，因此根据能量守恒原理，有式(1)，
UI＝UI1+UI2    (1)
图2中补偿充电模块内部的监测电路通过传感器实时监测辅助电池的电压Uch、电流Ich和温度等并传递给控制电路。在不同的电压、电流和温度等条件下，辅助电池的剩余能量(E剩余)不同，通过对辅助电池进行充放电试验建立电压、电流、温度等与剩余能量的对应关系曲线，并建立数据库存储在控制电路里。控制电路根据辅助电池的电压、电流和温度等查询数据库就能够得到辅助电池的剩余能量。辅助电池能够接受的充电能量亦即可以由辅助电池回收的制动能量(E补偿充电)，就等于辅助电池充满电时的能量(E满电)与剩余能量的差值，见式(2)，
E补偿充电＝E满电-E剩余    (2)
辅助电池能够接受的充电能量E补偿充电等于辅助电池能够接受的充电功率(W补偿充电)在时间上的积分，计算公式为(3)，
Figure G2009100680697D00031
辅助电池的实际充电功率Wch等于实际充电电压Uch和实际充电电流Ich的乘积，计算公式为(4)，
Wch＝Uch·Ich    (4)
控制电路通过比较辅助电池的实际充电功率Wch和能够接受的充电功率W补偿充电产生一个控制信号。充电电路可接收该控制信号并根据该控制信号调节输出的充电电压和充电电流，当Wch＜W补偿充电时升高充电电压和充电电流，当Wch＞W补偿充电时降低充电电压和充电电流，从而实现了自动调节充电功率的目的。
在没有制动能量回馈时，图2中的控制电路关闭或减小充电电路的输出功率，辅助电池的能量通过电动车辆的低压用电而消耗，当车辆再次制动时又可以回收制动能量得到补充，从而形成“放电-回收-再放电-再回收”的良性循环。
图3为采用本发明的补偿充电方法涉及的一种多功能一体化充电机，包含有一个控制电路、一个接触器组和一个逆变充电电路。其中控制电路包含有包括“补偿充电”模式和“调整充电”模式在内的四种充电模式的接触器组切换控制程序和综合充电控制方法。
电池在不同的电压、电流和温度等条件下对应不同的剩余能量，通过电池试验得到电压、电流和温度等与电池剩余能量之间对应关系的数据，并建立数据库存储在控制电路中为四种充电模式所共用。控制电路通过检测电路实时检测电池的电压、电流和温度等并查询数据库则可以计算出辅助电池和动力电池的剩余能量。
电池在不同的剩余能量时对应不同的最佳充电功率，通过电池试验得到剩余能量与最佳充电功率之间对应关系的数据，并建立数据库存储在控制电路中。控制电路根据电池的剩余能量查询数据库就可以得到动力电池和辅助电池的最佳充电功率。
控制电路通过制动回馈检测电路和制动回馈检测电路实时检测是否产生制动回馈能量以及制动能量的大小，同时根据检测到的动力电池和辅助电池的剩余能量的高低，进行补偿充电的启动和控制。
“补偿充电”模式：
在图4中，控制电路首先控制接触器JA的触点JA1与JA1-1导通、触点JA2与JA2-1导通，再控制接触器JB的触点JB1与JB1-1导通、触点JB2与JB2-1导通，最后控制接触器JC的触点JC1与JC1-1导通、触点JC2与JC2-1导通，使辅助电池与逆变充电电路的低压直流输出端连接，而动力电池则与逆变充电电路的高压直流输入端连接，实现了将补偿和调整充电电路切换成当前充电电路。
在图4中，制动回馈的高压直流电通过动力电池的正负极进入逆变充电电路。该高压直流电首先被C1和C2滤波，然后经过IGBT、NP和NS2逆变成高频低压交流电，再经过D1和D2整流以及L2和C8滤波成低压直流电，通过JB切换给辅助电池充电，实现的是DC/DC变换。
辅助电池能够回收的制动能量等于辅助电池充满电时的能量与剩余能量的差值，该差值是补偿充电功率在时间上的积分。控制电路将补偿充电功率与辅助电池的实际充电功率相比较，如果实际充电功率＞补偿充电功率，则减小IGBT的占空比，逆变充电电路的实际输出功率就会减小，如果实际充电功率＜补偿充电功率，则增加IGBT的占空比，逆变充电电路的实际输出功率就会增加。使得辅助电池能够补偿动力电池回收更多制动能量，提高能量利用率，即实现了补偿充电。
“调整充电”模式：
“调整充电”与“补偿充电”使用相同的逆变充电电路，见图4。在图4中，动力电池的高压直流电被C1和C2滤波后，经过IGBT、NP和NS2逆变成高频低压交流电，再经过D1和D2整流以及L2和C8滤波成低压直流电，通过JB切换给辅助电池充电，实现的是DC/DC变换。
“调整充电”模式主要用于没有制动能量回馈的场合，例如电动汽车怠速时或者行驶过程中驱动电机不处于发电状态。为了在“补偿充电”模式下能够回收更多制动能量，在没有制动能量回馈时，控制电路通过控制IGBT的占空比等于0从而关断逆变充电电路的输出，使得辅助电池的能量被电动车辆的低压用电消耗而减少。
辅助电池的剩余能量过低会影响电动车辆的低压用电。当辅助电池的剩余能量过低而不足以为低压供电提供足够能量时，控制电路就将启动“调整充电”模式，将动力电池的能量变换成低压直流电为辅助电池充电。控制电路通过控制IGBT的占空比控制逆变充电电路的输出功率，占空比越大充电功率越大，占空比越小充电功率越小，从而实现调整辅助电池剩余能量的目的。
图4中所用器件说明：
AC-IN1～AC-IN 2：交流输入。B1～B2：整流桥，BAT1：动力电池。BAT2：辅助电池。C1～C8：电容。D1～D2：快恢复二极管。JA、JB、JC：接触器。JA1～JA2：接触器A的公共触点。JB1～JB2：接触器B的公共触点。JC1～JC2：接触器C的公共触点。JA1-0～JA2-0：接触器A的常开触点。JA1-1～JA2-1：接触器A的常闭触点。JB1-0～JB2-0：接触器B的常开触点。JB1-1～JB2-1：接触器B的常闭触点。JC1-0～JC2-0：接触器C的常开触点。JC1-1～JC2-1：接触器C的常闭触点。L1～L2：电抗器。Q1～Q4：绝缘栅双级三极管(IGBT)。R1～R5：电阻。T1：高频变压器。NP：高频变压器原边线圈。NS1：高频变压器副边线圈1。NS2：高频变压器副边线圈2。NS3：高频变压器副边线圈3。

Claims (1)

1.一种用于电动汽车的补偿充电电路，包括逆变充电电路、控制电路、动力电池和辅助电池以及制动回馈能量检测、动力电池能量检测和辅助电池能量检测电路，所述逆变充电电路包括电容滤波电路、占空比受控制电路控制的IGBT逆变桥、带有低压输出端的高频变压器以及低压整流滤波电路，所述的电容滤波电路输出的直流电加载在所述的IGBT逆变桥的输入端，所述IGBT逆变桥的低压输出端与低压整流滤波电路和辅助电池之间依次连接，实现高频低压逆变；动力电池的两端分别连接到逆变充电电路的两个输入端，IGBT逆变桥的低压输出端经过低压整流滤波电路变成低压直流电后给辅助电池充电，控制电路在检测到存在制动回馈能量情况下，根据动力电池以及辅助电池剩余能量检测和计算结果，控制IGBT逆变桥的占空比，实现对辅助电池的补偿充电的启动和控制；控制电路在未检测到存在制动回馈能量情况下，并检测到辅助电池剩余能量过低时，控制IGBT逆变桥的占空比，利用动力电池的能量实现对辅助电池充电的启动和控制。
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