CN104002692A - 一种电动汽车dc-dc变换器的复合电源系统及控制方法 - Google Patents

一种电动汽车dc-dc变换器的复合电源系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车DC-DC变换变换变换器的复合电源系统及控制方法，包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、DC-DC变换器、电池组、超级电容、电机逆变器、以及用于控制第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、DC-DC变换器的DSP控制器，复合电源通过控制MOS管导通或关闭，根据功率大小以不同的方案和模式高效率工作，超级电容和电池组均可以不经过DC-DC变换器单独工作，本发明不仅提高了两个电源的单独工作效率，而且在DC-DC变换器升压工作时，以最高效率输出，实现了复合电源系统的高效率工作。

Description

一种电动汽车DC-DC变换器的复合电源系统及控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车用车载电源领域，涉及一种电动汽车DC-DC变换器的复合电源系统及控制方法。
背景技术
随着能源危机日益凸显，环境污染日趋严重，人们的节能减排、可持续发展意识不断增强。在汽车工业快速发展的同时，作为绿色环保的新能源汽车研发和生产愈来愈受到世界各国的重视，而零排放的电动汽车是新能源汽车发展的必然趋势。
电动汽车用电池组具有能量密度高，但功率密度却相对较低的特点。仅有电池组时达不到汽车在启动、爬坡、加速、高速运行等条件下的大功率输出要求，此外，如果强制电池大功率输出或回收制动能量，过大的功率输出或制动功率回收会损害电池，减少电池的使用寿命。为了克服功率不足、提高电池组的使用寿命和尽可能多回收制动能量，超级电容和电池组复合电源应运而生。
复合电源一般包含一个或多个DC-DC变换器，但多个DC-DC变换器会造成系统成本的增加；现有的专利或相关产品在只有一个DC-DC变换器时，电池和超级电容只能有一个不经过DC-DC变换器单独工作，没有很好地解决电池和超级电容都可以不经过DC-DC变换器单独工作问题。另一方面，DC-DC变换器的工作效率是影响复合电源高效率工作的最重要因素。当设计一个高效率复合电源时，关键是使两个能量源都可以不经过DC-DC变换器独立工作，在能量经过DC-DC变换时，DC-DC变换器以最高效率工作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种电动汽车DC-DC变换器的复合电源系统及控制方法，该系统及控制方法可以实现复合电源的高效率工作。
为达到上述目的，本发明所述的电动汽车DC-DC变换器的复合电源系统包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、电池组、超级电容、DC-DC变换器、电机逆变器、DSP控制器、第一电压采集电路、第二电压采集电路及电流采集电路，DC-DC变换器包括储能电感、第四MOS管、第五MOS管、第四二极管及第五二极管；所述电池组的正极与第三MOS管的漏极相连接，第三MOS管的源极与储能电感的一端及第二MOS管的源极相连接，第二MOS管的漏极与第一MOS管的源极相连接，第一MOS管的漏极与超级电容的正极及第四MOS管的漏极相连接，第四MOS管的源极与第五MOS管的漏极相连接，第五MOS管的源极、超级电容的负极及第五二极管的阳极均与电池组的负极相连接，第四二极管的阴极与第四MOS管的漏极相连接，第四二极管的阳极与储能电感的另一端及第五二极管的阴极相连接，第一二极管的阳极及阴极分别与第一MOS管的源极及漏极相连接，第二二极管的阳极及阴极分别与第二MOS管的源极及漏极相连接，第三二极管的阳极及阴极分别与第三MOS管的源极及漏极相连接，第二MOS管的漏极及电池组的负极分别与电机逆变器的输入端相连接，电机逆变器的输出端与电动汽车上的电机相连接；
所述第一电压采集电路的输入端及电流采集电路的输入端与电机逆变器的输入端相连接，第二电压采集电路的输入端与超级电容相连接，第一电压采集电路的输出端、第二电压采集电路的输出端及电流采集电路的输出端均与DSP控制器的输入端相连接；DSP控制器的输出端分别与第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极、第三MOS管的栅极、第四MOS管的栅极及第五MOS管的栅极相连接。
所述超级电容为单个超级电容或者由多个单体超级电容串联与并联组成，超级电容的额定电压大于电池组的额定电压。
所述电池组为铅酸电池组、锂电池组或NI-MH电池组。
相应的，本发明所述的电动汽车DC-DC变换变换器的复合电源的控制方法包括以下步骤：
1)所述DSP控制器通过第一电压采集电路、电流采集电路及第二电压采集电路分别采集电机逆变器的母线电压、电机逆变器的母线电流以及超级电容的电压，并根据电机逆变器的母线电压及电流得到电机逆变器的实际需求功率，DSP控制器规定DC-DC变换器的最大工作功率等于DC-DC变换器最高工作效率时的工作功率以及电池组的最大工作功率；
2)当电机逆变器的实际需求功率大于零时，则按照大功率输出方案或者小功率输出方案工作，大功率输出方案与小功率输出方案采用功率滞环控制方法进行相互切换，进行大功率输出方案工作时，当电机逆变器的实际需求功率小于电池组最大工作功率的90％时，切换为小功率输出方案；进行小功率输出方案时，当电机逆变器的实际需求功率大于电池组的最大工作功率时，则切换为大功率输出方案；
所述大功率输出方案具体如下：
所述DSP控制器控制第一MOS管导通、第二MOS管关闭，当超级电容的电压高于超级电容最大电压的95％时，超级电容单独工作，DC-DC变换器不工作，DSP控制器控制第三MOS管关闭，在超级电容单独工作时，当超级电容的电压低于超级电容最大电压的90％，DSP控制器控制第三MOS管导通，并控制DC-DC变换器以最高效率工作，切换为超级电容及电池组共同工作，当超级电容的电压低于超级电容最大电压的50％时，超级电容需要充电，DSP控制器控制第一MOS管及第三MOS管导通、第二MOS管关闭，并控制DC-DC变换器以最高效率工作，此时电机逆变器的最大需求功率为电池组最大工作功率，电池组输出的多余功率为超级电容充电；
所述小功率输出方案具体如下：
DSP控制器控制第一MOS管及第二MOS管关闭、第三MOS管导通，此时，第一MOS管所在电路不导通，电池组输出的电流直接经过第二二极管传递给电机逆变器，当电机逆变器的需求功率小于电池组的最大输出功率的90％时，电池组单独输出，当电机逆变器的需求功率大于电池组的最大输出功率的90％时，电池组以最大输出功率的90％输出，同时超级电容提供电机逆变器所需的剩余功率，DC-DC变换器对超级电容起降压作用；
3)当电机逆变器的实际需求功率小于零时，进行制动方案，具体如下：
当电机逆变器的直流侧电压大于超级电容的电压时，所述DSP控制器控制第二MOS管关闭，超级电容最大程度的回收制动能量，当制动能量小于超级电容的可回收能量时，超级电容单独进行制动能量的回收，当制动能量大于超级电容的最大回收能量时，电池组及超级电容共同回收制动能量；
当电机逆变器的直流侧电压小于或等于超级电容的电压时，DSP控制器控制第二MOS管导通，当制动功率大于DC-DC变换器的最大工作功率时，DSP控制器控制第三MOS管关闭，抑制电池组向超级电容充电，此时超级电容和电池组共同回收制动能量；当制动功率小于DC-DC变换器的最大工作功率，DSP控制器控制第三MOS管导通，超级电容回收所有的制动能量，同时电池组向超级电容提供充电能量，此时电池组及制动能量共同为超级电容充电，当超级电容电压高于超级电容最大电压99％，DC-DC变换器停止工作，电池组单独回收制动能量。
相对已有的技术方案，本发明具有以下优势：
本发明所述的电动汽车DC-DC变换器的复合电源系统及控制方法包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及与其相配合的DSP控制器，通过DSP控制器来控制第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管，能够实现电池组和超级电容均不经过DC-DC变换器的直接输出，在DC-DC变换器升压工作时，以最高效率工作，并且实现不同方案下的多模式工作，实现了复合电源的高效率工作。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明实施例的电压逻辑门限控制方法；
图3是本发明实施例的功率滞环控制方法；
图4是本发明中超级电容单独输出模式时的工作示意图；
图5是本发明中大功率输出方案的超级电容和电池组共同工作时的工作示意图；
图6是本发明中电池组最大功率输出并向超级电容UC充电时的工作示意图；
图7是本发明中DC-DC变换器最高效率工作对应的功率图；
图8是本发明中电池组单独输出时的工作示意图；
图9是本发明中小功率输出方案的超级电容UC和电池组共同工作时的工作示意图；
图10是本发明中普通制动能量回收模式下由超级电容UC单独回收时的工作示意图；
图11是本发明中普通制动能量回收模式下超级电容UC和电池组共同回收时的工作示意图；
图12是本发明中升压制动模式下超级电容UC和电池组共同回收制动能量时的工作示意图；
图13是本发明中升压制动模式下电池和制动能量共同为超级电容UC充电时的工作示意图；
图14是本发明实施例的电池组单独回收制动能量模式。
其中，1为电机逆变器、2为第二电压采集电路、3为电流采集电路、4为第一电压采集电路、5为DSP控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的电动汽车DC-DC变换器的复合电源系统包括第一MOS管SW1、第二MOS管SW2、第三MOS管SW3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、电池组、超级电容UC、DC-DC变换器、电机逆变器1、DSP控制器5、第一电压采集电路4、第二电压采集电路2及电流采集电路3，DC-DC变换器包括储能电感L、第四MOS管SW4、第五MOS管SW5、第四二极管D4及第五二极管D5；所述电池组的正极与第三MOS管SW3的漏极相连接，第三MOS管SW3的源极与储能电感L的一端及第二MOS管SW2的源极相连接，第二MOS管SW2的漏极与第一MOS管SW1的源极相连接，第一MOS管SW1的漏极与超级电容UC的正极及第四MOS管SW4的漏极相连接，第四MOS管SW4的源极与第五MOS管SW5的漏极相连接，第五MOS管SW5的源极、超级电容UC的负极及第五二极管D5的阳极均与电池组的负极相连接，第四二极管D4的阴极与第四MOS管SW4的漏极相连接，第四二极管D4的阳极与储能电感L的另一端及第五二极管D5的阴极相连接，第一二极管D1的阳极及阴极分别与第一MOS管SW1的源极及漏极相连接，第二二极管D2的阳极及阴极分别与第二MOS管SW2的源极及漏极相连接，第三二极管D3的阳极及阴极分别与第三MOS管SW3的源极及漏极相连接，第二MOS管SW2的漏极及电池组的负极分别与电机逆变器1的输入端相连接，电机逆变器1的输出端与电动汽车上的电机相连接；所述第一电压采集电路4的输入端及电流采集电路3的输入端与电机逆变器1的输入端相连接，第二电压采集电路2的输入端与超级电容UC相连接，第一电压采集电路4的输出端、第二电压采集电路2的输出端及电流采集电路3的输出端均与DSP控制器5的输入端相连接；DSP控制器5的输出端分别与第一MOS管SW1的栅极、第二MOS管SW2的栅极、第三MOS管SW3的栅极、第四MOS管SW4的栅极及第五MOS管SW5的栅极相连接，超级电容UC为单个超级电容或者由多个单体超级电容串联与并联组成，超级电容UC的额定电压大于电池组的额定电压，电池组为铅酸电池组、锂电池组或NI-MH电池组。
本发明所述的电动汽车DC-DC变换变换器的复合电源的控制方法包括以下步骤：
1)所述DSP控制器5通过第一电压采集电路4、电流采集电路3及第二电压采集电路2分别采集电机逆变器1的母线电压、电机逆变器1的母线电流以及超级电容UC的电压，并根据电机逆变器1的母线电压及电流得到电机逆变器1的实际需求功率，DSP控制器规定DC-DC变换器的最大工作功率等于DC-DC变换器最高工作效率时的工作功率以及电池组的最大工作功率(12kW)；
2)参考图2及图3，当电机逆变器1的实际需求功率大于零时，则按照大功率输出方案或者小功率输出方案工作，大功率输出方案与小功率输出方案采用功率滞环控制方法进行相互切换，进行大功率输出方案工作时，当电机逆变器1的实际需求功率小于电池组最大工作功率的90％(10.8kW)时，切换为小功率输出方案；进行小功率输出方案时，当电机逆变器1的实际需求功率大于电池组的最大工作功率(12kW)时，则切换为大功率输出方案；
参考图4、图5、图6及图7，所述大功率输出方案具体如下：
所述DSP控制器5控制第一MOS管SW1导通、第二MOS管SW2关闭，当超级电容UC的电压高于超级电容UC最大电压的95％时，超级电容UC单独工作，DC-DC变换器不工作，DSP控制器5控制第三MOS管SW3关闭，在超级电容UC单独工作时，当超级电容(UC)的电压低于超级电容UC最大电压的90％，DSP控制器5控制第三MOS管SW3导通，并控制DC-DC变换器以最高效率工作，切换为超级电容UC及电池组共同工作，当超级电容UC的电压低于超级电容UC最大电压的50％时，超级电容UC需要充电，DSP控制器5控制第一MOS管SW1及第三MOS管SW3导通、第二MOS管SW2关闭，并控制DC-DC变换器以最高效率工作，此时电机逆变器1的最大需求功率为电池组最大工作功率，电池组输出的多余功率为超级电容UC充电；
参考图8及图9所述小功率输出方案具体如下：DSP控制器5控制第一MOS管SW1及第二MOS管SW2关闭、第三MOS管SW3导通，此时，第一MOS管SW1所在电路不导通，电池组输出的电流直接经过第二二极管D2传递给电机逆变器1，当电机逆变器1的需求功率小于电池组的最大输出功率的90％时，电池组单独输出，当电机逆变器1的需求功率大于电池组的最大输出功率的90％时，电池组以最大输出功率的90％输出，同时超级电容UC提供电机逆变器1所需的剩余功率，DC-DC变换器对超级电容UC起降压作用；
3)参考图10、图11、图12、图13及图14，当电机逆变器1的实际需求功率小于零时，进行制动方案，具体如下：
普通制动能量回收模式，当电机逆变器1的直流侧电压大于超级电容UC的电压时，所述DSP控制器5控制第二MOS管SW2关闭，超级电容UC最大程度的回收制动能量，当制动能量小于超级电容UC的可回收能量时，超级电容UC单独进行制动能量的回收，当制动能量大于超级电容UC的最大回收能量时，电池组及超级电容UC共同回收制动能量；
当电机逆变器1的直流侧电压小于或等于超级电容UC的电压时，DSP控制器5控制第二MOS管SW2导通，当制动功率大于DC-DC变换器的最大工作功率时，DSP控制器5控制第三MOS管SW3关闭，抑制电池组向超级电容UC充电，此时超级电容UC和电池组共同回收制动能量；当制动功率小于DC-DC变换器的最大工作功率，DSP控制器5控制第三MOS管SW3导通，超级电容UC回收所有的制动能量，同时电池组向超级电容UC提供充电能量，此时电池组及制动能量共同为超级电容UC充电，当超级电容UC电压高于超级电容UC最大电压99％，DC-DC变换器停止工作，电池组单独回收制动能量。
上述各种场景仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，做各种变形、补充或替换都属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电动汽车DC-DC变换变换器的复合电源系统，其特征在于，包括第一MOS管(SW1)、第二MOS管(SW2)、第三MOS管(SW3)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、电池组、超级电容(UC)、DC-DC变换器、电机逆变器(1)、DSP控制器(5)、第一电压采集电路(4)、第二电压采集电路(2)及电流采集电路(3)，DC-DC变换器包括储能电感(L)、第四MOS管(SW4)、第五MOS管(SW5)、第四二极管(D4)及第五二极管(D5)；所述电池组的正极与第三MOS管(SW3)的漏极相连接，第三MOS管(SW3)的源极与储能电感(L)的一端及第二MOS管(SW2)的源极相连接，第二MOS管(SW2)的漏极与第一MOS管(SW1)的源极相连接，第一MOS管(SW1)的漏极与超级电容(UC)的正极及第四MOS管(SW4)的漏极相连接，第四MOS管(SW4)的源极与第五MOS管(SW5)的漏极相连接，第五MOS管(SW5)的源极、超级电容(UC)的负极及第五二极管(D5)的阳极均与电池组的负极相连接，第四二极管(D4)的阴极与第四MOS管(SW4)的漏极相连接，第四二极管(D4)的阳极与储能电感(L)的另一端及第五二极管(D5)的阴极相连接，第一二极管(D1)的阳极及阴极分别与第一MOS管(SW1)的源极及漏极相连接，第二二极管(D2)的阳极及阴极分别与第二MOS管(SW2)的源极及漏极相连接，第三二极管(D3)的阳极及阴极分别与第三MOS管(SW3)的源极及漏极相连接，第二MOS管(SW2)的漏极及电池组的负极分别与电机逆变器(1)的输入端相连接，电机逆变器(1)的输出端与电动汽车上的电机相连接；
所述第一电压采集电路(4)的输入端及电流采集电路(3)的输入端与电机逆变器(1)的输入端相连接，第二电压采集电路(2)的输入端与超级电容(UC)相连接，第一电压采集电路(4)的输出端、第二电压采集电路(2)的输出端及电流采集电路(3)的输出端均与DSP控制器(5)的输入端相连接；DSP控制器(5)的输出端分别与第一MOS管(SW1)的栅极、第二MOS管(SW2)的栅极、第三MOS管(SW3)的栅极、第四MOS管(SW4)的栅极及第五MOS管(SW5)的栅极相连接。
2.根据权利要求1所述的电动汽车DC-DC变换器的复合电源系统，其特征在于，所述超级电容(UC)为单个超级电容或者由多个单体超级电容串联与并联组成，超级电容(UC)的额定电压大于电池组的额定电压。
3.根据权利要求1所述的电动汽车DC-DC变换变换器的复合电源系统，其特征在于，所述电池组为铅酸电池组、锂电池组或NI-MH电池组。
4.一种电动汽车DC-DC变换变换器的复合电源的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)所述DSP控制器(5)通过第一电压采集电路(4)、电流采集电路(3)及第二电压采集电路(2)分别采集电机逆变器(1)的母线电压、电机逆变器(1)的母线电流以及超级电容(UC)的电压，并根据电机逆变器(1)的母线电压及电流得到电机逆变器(1)的实际需求功率，DSP控制器规定DC-DC变换器的最大工作功率等于DC-DC变换器最高工作效率时的工作功率以及电池组的最大工作功率；
2)当电机逆变器(1)的实际需求功率大于零时，则按照大功率输出方案或者小功率输出方案工作，大功率输出方案与小功率输出方案采用功率滞环控制方法进行相互切换，进行大功率输出方案工作时，当电机逆变器(1)的实际需求功率小于电池组最大工作功率的90％时，切换为小功率输出方案；进行小功率输出方案时，当电机逆变器(1)的实际需求功率大于电池组的最大工作功率时，则切换为大功率输出方案；
所述大功率输出方案具体如下：
所述DSP控制器(5)控制第一MOS管(SW1)导通、第二MOS管(SW2)关闭，当超级电容(UC)的电压高于超级电容(UC)最大电压的95％时，超级电容(UC)单独工作，DC-DC变换器不工作，DSP控制器(5)控制第三MOS管(SW3)关闭，在超级电容(UC)单独工作时，当超级电容(UC)的电压低于超级电容(UC)最大电压的90％，DSP控制器(5)控制第三MOS管(SW3)导通，并控制DC-DC变换器以最高效率工作，切换为超级电容(UC)及电池组共同工作，当超级电容(UC)的电压低于超级电容(UC)最大电压的50％时，超级电容(UC)需要充电，DSP控制器(5)控制第一MOS管(SW1)及第三MOS管(SW3)导通、第二MOS管(SW2)关闭，并控制DC-DC变换器以最高效率工作，此时电机逆变器(1)的最大需求功率为电池组最大工作功率，电池组输出的多余功率为超级电容(UC)充电；
所述小功率输出方案具体如下：
DSP控制器(5)控制第一MOS管(SW1)及第二MOS管(SW2)关闭、第三MOS管(SW3)导通，此时，第一MOS管(SW1)所在电路不导通，电池组输出的电流直接经过第二二极管(D2)传递给电机逆变器(1)，当电机逆变器(1)的需求功率小于电池组的最大输出功率的90％时，电池组单独输出，当电机逆变器(1)的需求功率大于电池组的最大输出功率的90％时，电池组以最大输出功率的90％输出，同时超级电容(UC)提供电机逆变器(1)所需的剩余功率，DC-DC变换器对超级电容(UC)起降压作用；
3)当电机逆变器(1)的实际需求功率小于零时，进行制动方案，具体如下：
当电机逆变器(1)的直流侧电压大于超级电容(UC)的电压时，所述DSP控制器(5)控制第二MOS管(SW2)关闭，超级电容(UC)最大程度的回收制动能量，当制动能量小于超级电容(UC)的可回收能量时，超级电容(UC)单独进行制动能量的回收，当制动能量大于超级电容(UC)的最大回收能量时，电池组及超级电容(UC)共同回收制动能量；
当电机逆变器(1)的直流侧电压小于或等于超级电容(UC)的电压时，DSP控制器(5)控制第二MOS管(SW2)导通，当制动功率大于DC-DC变换器的最大工作功率时，DSP控制器(5)控制第三MOS管(SW3)关闭，抑制电池组向超级电容(UC)充电，此时超级电容(UC)和电池组共同回收制动能量；当制动功率小于DC-DC变换器的最大工作功率，DSP控制器(5)控制第三MOS管(SW3)导通，超级电容(UC)回收所有的制动能量，同时电池组向超级电容(UC)提供充电能量，此时电池组及制动能量共同为超级电容(UC)充电，当超级电容(UC)电压高于超级电容(UC)最大电压的99％，DC-DC变换器停止工作，电池组单独回收制动能量。
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