CN105480098B - 一种电动汽车制动能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车制动能量回收系统，包括依次连接的三相交错式双向半桥电路、档位选择电路、采样保持电路、数字芯片、电压采样电路、电流采样电路以及驱动电路。通过将双向半桥型DC/DC变换器进行并联，三相交错式双向半桥电路作为本系统的主电路拓扑，通过I/O口输出高低电平控制继电器的通断来选择不同的功率需求档位，最终实现对不同输出功率电机进行制动能量回收的目的。本发明提高了装置的可靠性，减小了电流纹波，同时减小了电感的体积和电容的容量，使得装置更易于实现；对于不同输出功率要求的直流电机能够达到一机多用的目的；该系统能有效防止故障情况下电流失控，迅速完成过电流保护；另外，三相交错式DC/DC变流系统与有源逆变系统结构一致，有利于实现电动车系统模块化结构。

Description

一种电动汽车制动能量回收系统

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种电动汽车制动能量回收系统。

背景技术

随着政府和社会对环境污染及能源问题的重视程度的提高，节能环保已成为汽车行业发展的主要目标之一。电动汽车技术的发展进入了一个重要的阶段，其中再生制动技术作为节能和环保的关键技术之一，有很多问题亟待解决。汽车在制动过程中大量的动能通过摩擦转化为热能耗散掉，导致汽车制动系统过早地磨损，增加汽车使用成本。利用再生制动进行能量回收是电动汽车的一大节能优势。再生制动系统，将原本摩擦制动耗散的能量，部分回收再利用，能够有效提高车辆的能量利用率，起到节约能源的作用。因此，双向DC/DC装置被美国学者提出，进而代替蓄电池充电器和放电器，用于电动汽车能量回收装置中。

传统的用于能量回收的大功率装置采用单相运行模式，对变流器容量、效率以及输出电能质量的提高有一定的限制作用，且存在体积庞大、纹波电流大的特点，在大功率单片机应用的情况下也有一定的局限性。

电力储能系统中蓄电池的充电方式一般有恒压限流、恒流限压，先恒流后恒压等模式，无论选用哪种模式，在充电电流初期或后期都存在充电电流过大或过小的问题，如果电流纹波过大则会对某些电流纹波敏感型蓄电池产生危害。当蓄电池放电时，变流器工作在Boost模式，电路中电感的充放电作用必然造成蓄电池输出电流纹波的产生。

因此，现代的用于能量回收的大功率装置越来越朝着控制灵活、体积缩小、功率密度大和各项指标性能提高的方向发展。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电动汽车制动能量回收系统，该系统通过将双向半桥式DC/DC变换器进行并联得到三相交错式双向半桥电路，能够通过控制开关管的通断实现DC/DC电路在BUCK/BOOST模式下的切换，从而实现为直流电机提供电能和对制动状态下直流电机能量回收的目的；同时，该发明所述能量回收系统可以通过数字芯片I/O口输出高低电平控制继电器的通断来选择不同的功率需求档位，最终实现通过调节档位对不同输出功率电机进行制动能量回收的目的。

具体包括以下技术方案：

一种电动汽车制动能量回收系统，包括依次连接的三相交错式双向半桥电路、档位选择电路、采样保持电路、数字芯片、电压采样电路、电流采样电路以及驱动电路；

所述三相交错式双向半桥电路，为双向半桥型DC/DC变换器并联得到，能够通过控制开关管的通断实现DC/DC电路在Bcuk/Boost模式下的切换，从而实现为直流电机提供电能和对制动状态下直流电机能量回收的目的，其主电路由开关管、储能电感、续流二极管、滤波电容和负载组成；

所述三相交错式双向半桥电路、档位选择电路、采样保持电路、数字芯片、电压采样电路、电流采样电路以及驱动电路构成了电动汽车制动能量回收系统的主电路；

所述采样保持电路具有采样和保持两种状态，当处于采样状态时，采样保持电路的输出信号跟随输入信号变化而变化；当处于保持状态时，采样保持电路的输出信号保持为接到保持命令的瞬间的输入信号电平值；

所述数字芯片用于对采样保持电路采集的信号进行AD转换分析，并对电路中电压电流的状态进行实时监控，以输出信号决定开关管的开关频率以及开关状态，从而决定当前电路供能或是储能的状态；

所述电压采样电路和电流采样电路，为分别用典型模拟电路对系统电压和电流进行实时监控和采集。

进一步，当汽车制动、减速时，所述三相交错式双向半桥电路控制开关管Q1、Q3、Q5导通，使得DC/DC变换器变为一个由3个BUCK电路并联的DC/DC直流转换电路从而实现降压，直流电机回馈能量给储能装置；当汽车处于启动、加速等状态时，所述三相交错式双向半桥电路控制开关管Q2、Q4、Q6导通，使得DC/DC变换器变为一个由3个BOOST电路并联的DC/DC直流转换电路从而实现升压，储能装置为直流电机提供电能。通过对双向半桥DC/DC变换器的并联组合，通过控制开关管Q1、Q3、Q5 3个开关管实现降压，给储能系统充电。通过控制Q2、Q4、Q6 3个开关管实现升压，给负载供电；在实现具体的控制逻辑中，让每个单元从左向右依次延迟120°相位导通，这种新型拓扑，减小了开关的应力，提高了装置的可靠性，减小了电流纹波。同时也减小了电感的体积和电容的容量。

进一步，在所述三相交错式双向半桥电路的高压侧添加独立开关管Q7，当高压侧发生电压故障跌落时，独立开关管Q7迅速动作，切断失控电流。

进一步，根据直流电机输出功率的不同要求，控制数字芯片I/O口输出固定的一路或者几路PWM波控制开关管的通断，从而实现对不同输出功率电机的能量回收档位选择，具体选择方式以及标准如下：

1)如果直流电机属于系统设置的小功率范围，则数字芯片控制I/O口只使继电器S1导通，即只导通一路双向DC/DC变换器，PWM波只控制Q1、Q2开关管按照需求导通；

2)如果直流电机属于系统设置的中间功率范围，则数字芯片控制I/O口使继电器S1，S2导通，即两路双向DC/DC变换器并联导通，PWM波控制Q1、Q2、Q3、Q4开关管按照需求导通；

3)如果直流电机属于系统设置的大功率范围，则数字芯片控制I/O口使继电器S1，S2，S3导通，即三路双向DC/DC变换器并联导通，PWM波控制Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6开关管按照需求导通。

本发明的有益效果在于：本发明减小了在能量回收过程中开关管的应力，提高了装置的可靠性，减小了电流纹波，同时也减小了电感的体积和电容的容量，使得装置更易于实现。对于不同输出功率要求的直流电机能够达到一机多用的目的。由于在高压侧加入了独立工作的开关管，因此该能量回收系统能有效防止故障情况下电流失控，迅速完成过电流保护。另外，三相交错式DC/DC变流系统与有源逆变系统结构一致，有利于实现电动车系统模块化结构。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为典型双向半桥型DC/DC电路图；

图2为三相交错式双向半桥电路图；

图3为BUCK模式下三相交错式双向半桥等效电路图；

图4为BOOST模式下三相交错式双向半桥等效电路图；

图5为能量回收系统的主电路以及控制电路架构图；

图6为能量回收系统调制信号产生方法流程图；

图7为数字芯片分析输出电压进行档位选择流程图；

上述附图的主要元器件名称：直流电压U1，蓄电池电压U2，继电器S1、S2、S3，开关管Mosfet，续流二极管D，储能电感L，滤波电容C，采样保持电路，数字芯片，电压采样电路、电流采样电路、驱动电路。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明的原理是通过将双向半桥式DC/DC变换器进行并联得到三相交错式双向半桥电路，能够通过控制开关管的通断实现DC/DC电路在BUCK/BOOST模式下的切换，从而实现为直流电机提供电能和对制动状态下直流电机能量回收的目的；且该发明所述能量回收系统可以通过数字芯片I/O口输出高低电平控制继电器的通断来选择不同的功率需求档位，最终实现通过调节档位对不同输出功率电机进行制动能量回收的目的。

图1为典型双向半桥型DC/DC电路图，与典型的双向半桥型DC/DC能量回收系统相比，本发明进行了如下改进：1)增加了两路双向半桥型DC/DC电路，组成三相交错式DC/DC变换电路，输入输出电流平均分配到3对桥臂上减小了开关管的电流应力，避免了开关管、输出电感等器件过于疲劳，发热过于集中等问题；提高了负载的瞬变应答能力。2)增加了采样保持电路，通过控制电路的采样保持状态，进行精确的AD采集，方便数字芯片对信号的处理。3)在主电路高压侧增加了独立工作的开关管，用于防止故障情况下电流失控，迅速完成过电流保护，增强了电路的安全性。

具体过程为当变流器工作在单相模式时，6个功率开关管只有一个处于一定频率的开关状态，其他5个处于闲置状态，当变流器工作在三相交错模式时，Buck电路中3个上管交替导通，3个下管处于关闭状态。Boost电路中3个下管交替导通,3个上管处于关闭状态。

由于在高压侧加入了独立工作的开关管，因此该能量回收系统能有效防止故障情况下电流失控，迅速完成过电流保护。另外，三相交错式DC/DC变流系统与有源逆变系统结构一致，有利于实现电动车系统模块化结构。

图5为本发明的主电路以及控制电路架构图，如图所示，包括依次连接的三相交错式双向半桥电路、档位选择电路、采样保持电路、数字芯片、电压采样电路、电流采样电路以及驱动电路；

图2为三相交错式双向半桥电路，能够通过控制开关管的通断实现DC/DC电路Buck/Boost模式下的切换，从而实现为直流电机提供电能和对制动状态下直流电机能量回收的目的，图3和图4分别为Buck模式下三相交错式双向半桥等效电路图和Boost模式下三相交错式双向半桥等效电路图；

档位选择电路能够通过数字芯片对AD采集得到的电压电流值进行分析，从而确定I/O口输出哪几路高电平，以导通继电器选择对应的DC/DC变换电路。

采样保持电路具有采样和保持两种状态，当处于采样状态时，采样保持电路的输出信号跟随输入信号变化而变化；当处于保持状态时，采样保持电路的输出信号保持为接到保持命令的瞬间的输入信号电平值；

数字芯片通过对采集得到的电压电流值进行分析，决定输出几路PWM波导通，并且通过判断高压侧电压值是否有跌落现象，来决定，是否关断Q7开关管，有效防止故障情况下电流失控，迅速完成过电流保护。图6为能量回收系统调制信号产生方法流程图；图7为数字芯片分析输出电压进行档位选择流程图。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种电动汽车制动能量回收系统，其特征在于：包括连接的三相交错式双向半桥电路、档位选择电路、采样保持电路、数字芯片、电压采样电路、电流采样电路以及驱动电路；

所述三相交错式双向半桥电路，为双向半桥型DC/DC变换器并联得到，能够通过控制开关管的通断实现DC/DC电路在Buck/Boost模式下的切换，从而实现为直流电机提供电能和对制动状态下直流电机能量回收的目的，其主电路由开关管、储能电感、续流二极管、滤波电容和负载组成；

所述三相交错式双向半桥电路、档位选择电路、采样保持电路、数字芯片、电压采样电路、电流采样电路以及驱动电路构成了电动汽车制动能量回收系统的主电路；

所述采样保持电路具有采样和保持两种状态，当处于采样状态时，采样保持电路的输出信号跟随输入信号变化而变化；当处于保持状态时，采样保持电路的输出信号保持为接到保持命令的瞬间的输入信号电平值；

所述数字芯片用于对采样保持电路采集的信号进行AD转换分析，并对电路中电压电流的状态进行实时监控，以输出信号决定开关管的开关频率以及开关状态，从而决定当前电路供能或是储能的状态；

所述电压采样电路和电流采样电路，为分别用模拟电路对系统电压和电流进行实时监控和采集；

在所述三相交错式双向半桥电路的高压侧添加独立开关管Q7，当高压侧发生电压故障跌落时，独立开关管Q7迅速动作，切断失控电流；

当汽车制动、减速时，所述三相交错式双向半桥电路控制开关管Q1、Q3、Q5导通，使得DC/DC变换器变为一个由3个BUCK电路并联的DC/DC直流转换电路从而实现降压，直流电机回馈能量给储能装置；当汽车处于启动、加速等状态时，所述三相交错式双向半桥电路控制开关管Q2、Q4、Q6导通，使得DC/DC变换器变为一个由3个BOOST电路并联的DC/DC直流转换电路从而实现升压，储能装置为直流电机提供电能；

根据直流电机输出功率的不同要求，控制数字芯片I/O口输出固定的一路或者几路PWM波控制开关管的通断，从而实现对不同输出功率电机的能量回收档位选择，具体选择方式以及标准如下：

1)如果直流电机属于系统设置的小功率范围，则数字芯片控制I/O口只使继电器S1导通，即只导通一路双向DC/DC变换器，PWM波只控制Q1、Q2开关管按照需求导通；

2)如果直流电机属于系统设置的中间功率范围，则数字芯片控制I/O口使继电器S1，S2导通，即两路双向DC/DC变换器并联导通，PWM波控制Q1、Q2、Q3、Q4开关管按照需求导通；

3)如果直流电机属于系统设置的大功率范围，则数字芯片控制I/O口使继电器S1，S2，S3导通，即三路双向DC/DC变换器并联导通，PWM波控制Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6开关管按照需求导通。