CN103192739B - 电-电混合纯电动汽车能源分配器及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电-电混合纯电动汽车能源分配器及控制方法，涉及电动汽车领域，包括至少两对IGBT、IGBT驱动板和控制单元；每对IGBT的第一个IGBT集电极与第二个IGBT发射极连接，作为动力电源连接端；每对IGBT的第一个IGBT发射极与一个二极管阳极连接，第二个IGBT集电极与另一个二极管阴极连接，两个二极管的另一极连接，作为高压负载连接端；每个IGBT的栅极分别与IGBT驱动板连接，IGBT驱动板与控制单元连接。控制单元通过IGBT驱动板控制所有IGBT的开通与关断，实现各个动力电源和高压负载之间电流的正向或反向流动。本发明各个动力电源能同时、相互独立的供能和回收能量，避免了动力电源之间相互充放电的问题，最大化地提高了充电效率，同时提高了能源利用率以及动力电源的循环寿命。

Description

电-电混合纯电动汽车能源分配器及控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，更具体地说是涉及一种主要应用于电-电混合纯电动汽车的能源分配器及控制方法。

背景技术

近年燃油需求量不断大幅度上涨，大气污染也日趋严重，尤其是汽车排放产生的CO2量不断增加，已经引起全球气候的反常变化，能源枯竭和环境污染已成为当今社会亟需解决的问题，发展电动汽车尤其是纯电动汽车是缓解这一问题最直接有效的方法。电动汽车虽然在环保、节能、清洁等方面占据着明显优势，却也有不少缺点，从某种意义说电动汽车的成败首先取决于电池技术。

为了满足汽车复杂的行驶工况以及能量的制动回收，现有的纯电动汽车多采用复合动力电源系统，采取电-电混合的方式克服动力电源各自的缺点，提高能源利用率，增加续驶里程。现有的复合方式多为直接将多个动力电源并联接入高压负载，或者通过机械接触器实现动力电源的切换。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

现有电-电混合纯电动汽车的复合动力电源系统，大多直接将多个动力电源并联接入高压负载，无法避免多个动力电源之间相互充放电的问题，一个动力电源发生故障将导致多个动力电源之间经常性相互充放电，造成所有动力电源循环寿命降低；使用机械接触器实现动力电源的切换，机械接触器一方面切换时间长，另一方面在运行过程中容易出现线圈烧毁、触点粘结、机械卡壳等故障，严重影响行车安全，而且，如果采用机械接触器的方式实现多个动力电源同时供能，即控制各个动力电源的机械接触器均处于接合状态，多个动力电源并联接入高压负载时，无法避免多个动力电源之间相互充放电的问题。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的缺点和不足，提供一种电-电混合纯电动汽车多个动力电源之间不会相互充放电，切换迅速且故障率低，多个动力电源与高压负载之间能量可以安全有效地相互转化，检测方便，寿命长,且根据不同行驶工况要求可瞬时切换不同供能模式并实时反馈能源分配器状态的电-电混合纯电动汽车能源分配器。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种电-电混合纯电动汽车能源分配器，其特征在于包括至少两对IGBT、IGBT驱动板和控制单元；每对IGBT的第一个IGBT集电极与第二个IGBT发射极连接，作为能源分配器动力电源连接端；每对IGBT的第一个IGBT发射极与一个二极管阳极连接，第二个IGBT集电极与另一个二极管阴极连接，两个二极管的另一极连接，作为能源分配器高压负载连接端；每个IGBT的栅极分别与IGBT驱动板连接，IGBT驱动板与控制单元连接。

本发明中所述的控制单元通过IGBT驱动板控制所有IGBT的开通与关断，实现各个动力电源和高压负载之间电流的正向或反向流动。

上述电-电混合纯电动汽车能源分配器的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

a、能源分配器的每个动力电源连接端分别与每个动力电源正极连接，能源分配器的高压负载连接端与高压负载正极连接，高压负载负极分别与每个动力电源负极连接，控制单元通过CAN总线与整车控制器进行通信和数据交换；

b、当使用某个动力电源为高压负载单独供能时，整车控制器通过CAN总线发出指令报文，控制单元读取该指令报文后，通过IGBT驱动板控制集电极与该动力电源正极连接的IGBT开通、发射极与该动力电源正极连接的IGBT关断，其余IGBT关断，电流从动力电源正极流出经过集电极与该动力电源正极连接的IGBT和二极管后流入高压负载正极为其供能；当使用多个动力电源同时为高压负载供能时，整车控制器通过CAN总线发出指令报文，控制单元读取该指令报文后，通过IGBT驱动板控制集电极与这些动力电源正极连接的IGBT开通、发射极与这些动力电源正极连接的IGBT关断，其余IGBT关断，电流从这些动力电源正极流出经过集电极与这些动力电源正极连接的IGBT和二极管后流入高压负载正极为其供能；

c、当汽车制动能量单独回收到某个动力电源时，整车控制器通过CAN总线发出指令报文，控制单元读取该指令报文后，通过IGBT驱动板控制发射极与该动力电源正极连接的IGBT开通、集电极与该动力电源正极连接的IGBT关断，其余IGBT关断，电流从高压负载正极经过二极管和发射极与该动力电源正极连接的IGBT流入该动力电源正极为其充电；当汽车制动能量同时回收到多个动力电源时，整车控制器通过CAN总线发出指令报文，控制单元读取该指令报文后，通过IGBT驱动板控制发射极与这些动力电源正极连接的IGBT开通、集电极与这些动力电源正极连接的IGBT关断，其余IGBT关断，电流从高压负载正极经过二极管和发射极与这些动力电源正极连接的IGBT流入这些动力电源正极为其充电；

d、控制单元周期性进行故障检测和发送反馈报文至CAN总线，若检测出故障则在关闭所有IGBT切断动力电源保证行车安全后进行报警；若没有检测出故障，则根据指令报文的类型切换各个IGBT的开关状态；控制单元在每一次报警或IGBT开关状态切换后都会发送一次反馈报文至CAN总线。

本发明所述的第b步中，可以使用一个或同时使用多个动力电源为高压负载供能。当使用多个动力电源时，多个动力电源的电流汇集后给高压负载供能，且各动力电源的放电过程完全相互独立，不会产生动力电源之间相互充放电的问题。

本发明所述的第c步中，可以给一个或同时给多个动力电源充电。当高压负载正极流出的电流为多个动力电源充电时，各动力电源的制动能量回收过程完全相互独立，不会产生动力电源之间相互充放电的问题。

本发明中各IGBT的开通与关断，是由整车控制器发出指令报文至CAN总线，然后控制单元从CAN总线上读取该指令报文后，根据指令报文的类型控制IGBT驱动板分别驱动的，而且在每个循环周期实时反馈能源分配器的状态。由于采用了此种控制方式，使电-电混合纯电动汽车能源分配器的通用性更强，在采用复合动力电源系统的电-电混合纯电动汽车当中，在不同行驶工况下其供能模式的选择无论是只有单一动力电源单独供能还是多个动力电源同时供能，只需增加一个CAN总线节点， 就可以间接准确控制各IGBT的开通与关断实现系统所需求的供能模式，并且整车控制器能够从CAN总线中接收控制单元发出的反馈报文来读取能源分配器的状态。

所述电-电混合纯电动汽车能源分配器采用集中水冷方式，各IGBT底板上设有温度传感器，温度传感器与控制单元连接，将采集到的温度信号传送到控制单元，控制单元根据预设值实时控制冷却系统使各IGBT保持在安全温度范围内。

所述电-电混合纯电动汽车能源分配器中的IGBT驱动板可采用现有技术模块， 保证了IGBT安全可靠地驱动，驱动IGBT的同时进行故障检测回馈，连接方法简单，技术有保障。

本发明的有益效果在于：

所述电-电混合纯电动汽车能源分配器采用并联IGBT拓扑结构来控制各个动力电源，使各个动力电源能够实现同时供能且放电过程完全相互独立，避免了动力电源之间相互充放电的问题；并且在汽车制动回收能量的过程中，对各个动力电源的充电过程也是完全相互独立的，通过整车控制器的控制可以实现给单个或同时给多个动力电源充电，最大化地提高了充电效率，同时提高了能源利用率以及动力电源的循环寿命。

其次，因为采用了IGBT作为开关器件，具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好且耐压高和可承受电流大等优点，并且IGBT驱动板采用现有技术模块化设计，采购方便、品质有保障、容易维护，可实时检测IGBT短路、过流、欠压故障，克服了普通机械接触器频繁开关故障率高且检测困难的缺点，还可以根据具体的故障检测等要求定制专用模块，灵活可靠。

再者，IGBT的开通或关断采用了控制单元进行控制，控制单元通过CAN总线与整车控制器进行通信和数据交换，则动力电源充放电通道的开通与关断就可以通过整车控制器进行间接控制，整车控制器也可以实时监控能源分配器的状态，大大提高了整车的电控技术水平。

附图说明

图1为电-电混合纯电动汽车的能源系统结构框图。

图2为电-电混合纯电动汽车能源分配器电路连接框图。

图3为电-电混合纯电动汽车能源分配器控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细描述：

以包含两个动力电源的电-电混合纯电动汽车的能源分配器为例。

如图2所示的电-电混合纯电动汽车能源分配器，包括两对IGBT（第一对由IGBT1和IGBT3组成，第二对由IGBT2和IGBT4组成）、IGBT驱动板9和控制单元10。第一对IGBT1、3的第一个IGBT1集电极与第二个IGBT3发射极连接，在其连接处引出连接端子，作为能源分配器动力电源一连接端；第一对IGBT1、3的第一个IGBT1发射极与一个二极管5阳极连接，第二个IGBT3集电极与另一个二极管7阴极连接，两个二极管5、7的另一极连接，在其连接处引出连接端子，作为能源分配器高压负载连接端。第二对IGBT2、4的第一个IGBT2集电极与第二个IGBT4发射极连接，在其连接处引出连接端子，作为能源分配器动力电源二连接端；第二对IGBT2、4的第一个IGBT2发射极与一个二极管6阳极连接，第二个IGBT4集电极与另一个二极管8阴极连接，两个二极管6、8的另一极连接，在其连接处引出连接端子，作为能源分配器高压负载连接端. IGBT1、2、3、4的栅极分别与IGBT驱动板9连接，IGBT驱动板9与控制单元10连接，控制单元10通过IGBT驱动板9控制四个IGBT1、2、3、4的开通与关断，实现各个动力电源和高压负载之间电流的正向或反向流动。本发明采用集中水冷方式，各IGBT底板上设有温度传感器，温度传感器与控制单元10连接，将采集到的温度信号传送到控制单元10，控制单元10根据预设值实时控制冷却系统使各IGBT保持在安全温度范围内。

上述的IGBT均为带反并联二极管的IGBT，避免IGBT关断瞬间IGBT两端产生极高的自感反相电压将IGBT击穿。

能源分配器安装入电-电混合纯电动汽车能源系统后其连接关系如图1所示。由于能源分配器11的IGBT采用了以上拓扑结构（如图2）连接，汽车在加速过程中，通过整车控制器15的控制可以方便地实现一个动力电源单独供能或多个动力电源同时供能，其放电过程又完全相互独立，不会产生动力电源之间相互充放电的问题；同理，汽车制动回收能量时，通过整车控制器15的控制也可以方便地实现给一个动力电源单独充电或给多个动力电源同时充电，其充电过程又完全相互独立，不会产生动力电源之间相互充放电的问题，对动力电源起到了很大的保护作用，提高了动力电源循环寿命，节约了成本。

上述电-电混合纯电动汽车能源分配器的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

a、将能源分配器11的两个动力电源连接端分别与动力电源一13、动力电源二14正极连接，能源分配器11的高压负载连接端与高压负载12正极连接，高压负载12负极分别与动力电源一13、动力电源二14的负极连接，能源分配器11通过CAN总线通信与整车控制器15进行通信和数据交换；其连接关系如图1所示。

b、当使用动力电源一13单独供能时，整车控制器15发出相应指令报文至CAN总线，控制单元10从CAN总线上读取该指令报文后通过IGBT驱动板9控制IGBT1开通、IGBT3关断、IGBT2关断、IGBT4关断，电流从动力电源一13正极流出经过IGBT1和二极管5，流入高压负载12正极，不会与动力电源二14相互充放电；同理，当使用动力电源二14单独供能时，整车控制器15发出相应指令报文至CAN总线，控制单元10从CAN总线上读取该指令报文后通过IGBT驱动板9控制IGBT2开通、IGBT4关断、IGBT1关断、IGBT3关断，电流从动力电源二14正极流出经过IGBT2和二极管6，流入高压负载12正极，不会与动力电源一13相互充放电；当使用动力电源一13和动力电源二14共同供能时，整车控制器15发出相应指令报文至CAN总线，控制单元10从CAN总线上读取该指令报文后通过IGBT驱动板9控制IGBT1开通、IGBT2开通、IGBT3关断、IGBT4关断，电流从动力电源一13正极流出经过IGBT1和二极管5，电流从动力电源二14正极流出经过IGBT2和二极管6，电流汇集后共同流入高压负载12正极，动力电源一13和动力电源二14的放电过程完全相互独立，不会产生动力电源之间相互充放电的问题。放电过程完全由整车控制器15间接控制，能够满足驾驶员在各种行驶工况下的需求（如加速、上坡时的动力性需求），避免了只能单一动力电源供能时动力性不足的潜在危险（如超车失败、爬坡缓慢等）或者多个动力电源同时供能时相互充放电对动力电源的负面影响（如动力电源循环寿命降低）。

c、当使用动力电源一13单独回收制动能量时，整车控制器15发出相应指令报文至CAN总线，控制单元10从CAN总线上读取该指令报文后通过IGBT驱动板9控制IGBT3开通、IGBT1关断、IGBT2关断、IGBT4关断，电流从高压负载12正极流出经过二极管7和IGBT3流入动力电源一13的正极，不会与动力电源二14相互充放电；同理，当使用动力电源二14单独回收制动能量时，整车控制器15发出相应指令报文至CAN总线，控制单元10从CAN总线上读取该指令报文后通过IGBT驱动板9控制IGBT4开通、IGBT2关断、IGBT1关断、IGBT3关断，电流从高压负载12正极流出经过二极管8和IGBT4流入动力电源二14的正极，不会与动力电源一13相互充放电；当使用动力电源一13和动力电源二14共同回收制动能量时，整车控制器15发出相应指令报文至CAN总线，控制单元10从CAN总线上读取该指令报文后通过IGBT驱动板9控制IGBT3开通、IGBT4开通、IGBT1关段、IGBT2关断，电流从高压负载12正极流出，分为2路，一路经过二极管7和IGBT3流入动力电源一13的正极，另一路经过二极管8和IGBT4流入动力电源二14的正极，动力电源一13和动力电源二14的充电过程完全相互独立，不会产生动力电源之间相互充放电的问题。制动能量回收过程完全由整车控制器15间接控制，避免了只能单一动力电源回收制动能量时由于容量有限造成的制动能量回收率低的问题或者多个动力电源同时回收制动能量时相互充放电对动力电源的负面影响（如动力电源循环寿命降低）。

d、控制单元周期性进行故障检测和发送反馈报文至CAN总线，若检测出故障则在关闭所有IGBT切断动力电源保证行车安全后进行报警；若没有检测出故障，则根据指令报文的类型切换各个IGBT的开关状态；控制单元在每一次报警或IGBT开关状态切换后都会发送一次反馈报文至CAN总线。

如图3所示的电-电混合纯电动汽车能源分配器控制流程图，系统初始化后将进行IGBT的故障检测，把故障检测之后的动作直到发送反馈报文至CAN总线，再次回到故障检测的整个过程称为一个循环周期。控制单元10在每个循环周期都会进行故障检测，若检测出故障则在关闭所有IGBT切断动力电源保证行车安全后进行报警；若没有检测出故障，则根据指令报文的类型切换各个IGBT的开关状态；控制单元10在每一次报警或IGBT开关状态切换后都会发送一次反馈报文至CAN总线，便于整车控制器15从CAN总线上读取该反馈报文实时监控能源分配器的状态，在有故障发生时能够第一时间进行分析处理（如故障临时停车）。

由于采用了此种控制方法，使电-电混合纯电动汽车能源分配器11的通用性更强，在采用复合动力电源系统的电-电混合纯电动汽车当中，在不同行驶工况下其供能模式的选择无论是只有单一动力电源一13或动力电源二14单独供能还是动力电源一13和动力电源二14同时供能，只需增加一个CAN总线节点，整车控制器15向CAN总线上发送正确的指令报文类型，就可以准确控制各IGBT的开通与关断实现系统所需求的供能模式，并且整车控制器15能够从CAN总线中接收反馈报文读取能源分配器11的状态，有了能源分配器11的反馈信息，更利于整车控制器15算法的优化，使得调控更加精准。

所述电-电混合纯电动汽车能源分配器11采用集中水冷方式，并置有温度传感器（安装于各IGBT底板上，图中未标出）监视部件，将采集到的温度信号传送到控制单元10构成智能系统，控制单元10将根据预设值实时控制冷却系统使各IGBT保持在安全温度范围内，能源分配器11通过CAN总线通信与整车控制器15进行通信和数据交换。

所述电-电混合纯电动汽车能源分配器11中的IGBT驱动板9采用现有技术模块，图2仅标出了各IGBT栅极与IGBT驱动板9的连接，IGBT驱动板9通过连接各IGBT的集电极和发射极以测量各IGBT的集电极和发射极之间的电压并以此来识别短路或过流故障。

综上所述，本发明提供了一种电-电混合纯电动汽车能源分配器，实现多个动力电源与高压负载之间能量安全有效地相互转化，各动力电源间充放电通道完全相互独立，杜绝了动力电源之间由于电压不等造成的自发充放电的问题，且根据不同行驶工况要求可瞬时切换不同供能模式并实时反馈能源分配器状态，故障率低且检测方便，有效降低了对动力电源的损伤，提高了动力电源循环寿命。

Claims (2)

1.一种电-电混合纯电动汽车能源分配器，其特征在于包括至少两对IGBT、IGBT驱动板和控制单元；每对IGBT的第一个IGBT集电极与第二个IGBT发射极连接，作为能源分配器动力电源连接端；每对IGBT的第一个IGBT发射极与一个二极管阳极连接，第二个IGBT集电极与另一个二极管阴极连接，两个二极管的另一极连接，作为能源分配器高压负载连接端；每个IGBT的栅极分别与IGBT驱动板连接，IGBT驱动板与控制单元连接；控制方法包括如下步骤：

a、能源分配器的每个动力电源连接端分别与每个动力电源正极连接，能源分配器的高压负载连接端与高压负载正极连接，高压负载负极分别与每个动力电源负极连接，控制单元通过CAN总线与整车控制器进行通信和数据交换；

b、当使用某个动力电源为高压负载单独供能时，整车控制器通过CAN总线发出指令报文，控制单元读取该指令报文后，通过IGBT驱动板控制集电极与该动力电源正极连接的IGBT开通、发射极与该动力电源正极连接的IGBT关断，其余IGBT关断，电流从动力电源正极流出经过集电极与该动力电源正极连接的IGBT和二极管后流入高压负载正极为其供能；当使用多个动力电源同时为高压负载供能时，整车控制器通过CAN总线发出指令报文，控制单元读取该指令报文后，通过IGBT驱动板控制集电极与这些动力电源正极连接的IGBT开通、发射极与这些动力电源正极连接的IGBT关断，其余IGBT关断，电流从这些动力电源正极流出经过集电极与这些动力电源正极连接的IGBT和二极管后流入高压负载正极为其供能；

c、当汽车制动能量单独回收到某个动力电源时，整车控制器通过CAN总线发出指令报文，控制单元读取该指令报文后，通过IGBT驱动板控制发射极与该动力电源正极连接的IGBT开通、集电极与该动力电源正极连接的IGBT关断，其余IGBT关断，电流从高压负载正极经过二极管和发射极与该动力电源正极连接的IGBT流入该动力电源正极为其充电；当汽车制动能量同时回收到多个动力电源时，整车控制器通过CAN总线发出指令报文，控制单元读取该指令报文后，通过IGBT驱动板控制发射极与这些动力电源正极连接的IGBT开通、集电极与这些动力电源正极连接的IGBT关断，其余IGBT关断，电流从高压负载正极经过二极管和发射极与这些动力电源正极连接的IGBT流入这些动力电源正极为其充电；

d、控制单元周期性进行故障检测和发送反馈报文至CAN总线，若检测出故障则在关闭所有IGBT切断动力电源保证行车安全后进行报警；若没有检测出故障，则根据指令报文的类型切换各个IGBT的开关状态；控制单元在每一次报警或IGBT开关状态切换后都会发送一次反馈报文至CAN总线。

2.根据权利要求1所述的电-电混合纯电动汽车能源分配器，其特征在于所述电-电混合纯电动汽车能源分配器采用集中水冷方式，各IGBT底板上设有温度传感器，温度传感器与控制单元连接，将采集到的温度信号传送到控制单元，控制单元根据预设值实时控制冷却系统使各IGBT保持在安全温度范围内。