CN106787720A - 一种电动汽车双向dc/dc变换器及其控制方法 - Google Patents

一种电动汽车双向dc/dc变换器及其控制方法 Download PDF

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    • H02M3/1582—Buck-boost converters

Abstract

本发明公开了一种电动汽车双向DC/DC变换器及其控制方法，包括电源管理系统和开关模块；开关模块一端连接车载蓄电池，另一端连接驱动电机；开关模块的控制端连接电源管理系统的信号输出端；电源管理系统通过检测驱动电机的工作状态来控制开关模块中开关管的通断组合，从而实现驱动电机与蓄电池之间的功率流向和升/降压模式的转换；当驱动电机工作在电动状态时，使整个变换器工作在BOOST升压模式，功率从蓄电池流向驱动电机；当驱动电机工作在制动状态时，使整个变换器工作在BUCK降压模式，功率从驱动电机流向蓄电池。本发明能实现电动汽车车载蓄电池与直流驱动电机之间功率的双向流动，并且能切换升/降压模式。

Description

一种电动汽车双向DC/DC变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，特别涉及一种电动汽车双向DC/DC变换器及其控制方法。
背景技术
电动汽车中的直流驱动电机是典型的有源负载，电动机根据驾驶员的不同指令可以工作在电动状态又可以工作在再生发电状态，既可以吸收车载蓄电池的电能将其转换成机械能输出，也可以将机械能转换成电能反馈给车载蓄电池。由此可见，电动汽车的车载蓄电池与直流驱动电机之间的功率流向是双向的。而目前，大多数DC/DC变换器是单向工作的，即通过变换器的功率流向只能是单向的。因此，需要设计一种双向DC/DC变换器完成功率的双向流动。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种电动汽车双向DC/DC变换器，其能实现电动汽车车载蓄电池与直流驱动电机之间功率的双向流动，并且能依据电源管理系统的要求切换升/降压模式。
本发明的解决方案是这样实现的：
一种电动汽车双向DC/DC变换器，包括电源管理系统和开关模块；
所述开关模块一端连接车载蓄电池，另一端连接驱动电机；
所述开关模块的控制端连接电源管理系统的信号输出端；
电源管理系统通过检测驱动电机的工作状态来控制开关模块中开关管的通断组合，从而实现驱动电机与蓄电池之间的功率流向和升/降压模式的转换；当驱动电机工作在电动状态时，使整个变换器工作在BOOST升压模式，功率从蓄电池流向驱动电机；当驱动电机工作在制动状态时，使整个变换器工作在BUCK降压模式，功率从驱动电机流向蓄电池。
所述开关模块包括IGBT开关管T1和IGBT开关管T2，所述IGBT开关管T1的发射极与IGBT开关管T2的集电极相连；
所述电源管理系统的信号输出端依次经脉冲发生电路和脉冲驱动电路连接2个IGBT开关管的控制端，即门极。
所述的电动汽车双向DC/DC变换器，还包括第一RC电路和第二RC电路，其中：
开关模块的一端经第一RC电路连接车载蓄电池，另一端经第二RC电路连接直流驱动电机；
所述第一RC电路和第二RC电路结构相同；第一RC电路包括继电器J1、电阻R1和电容C1；第二RC电路包括继电器J2、电阻R2和电容C2；
继电器J1和电阻R1相互并联，两端分别连接车载蓄电池的正极和电容C1的正极；车载蓄电池的负极和电容C1的负极相连；
继电器J2和电阻R2相互并联，两端分别连接直流驱动电机的正极和电容C2的正极；直流驱动电机的负极和电容C2的负极相连；
电容C1的正极还经电感L连接IGBT开关管T1的发射极和IGBT开关管T2的集电极；
IGBT开关管T1的集电极接电容C2的正极；IGBT开关管T2的发射极接电容C1、C2的负极；
所述继电器J1和继电器J2均受控于电源管理系统。
所述脉冲发生芯片采用ICE2PCS02芯片。
所述脉冲驱动芯片采用IXDN604，用来增大驱动脉冲的功率。
所述脉冲发生芯片和脉冲驱动芯片之间接有光耦隔离芯片。
所述光耦隔离芯片采用HCPL3120芯片。
一种电动汽车双向DC/DC变换器的控制方法，所述电动汽车双向DC/DC变换器为上述的电动汽车双向DC/DC变换器；其控制方法为：
电源管理系统通过检测驱动电机的工作状态来控制开关模块中开关管的通断组合，从而实现驱动电机与蓄电池之间的功率流向和升/降压模式的转换：
当驱动电机工作在电动状态时，控制所述IGBT开关管T1保持关断状态，所述IGBT开关管T2保持开关状态(开关状态就是在脉冲作用下正压开通负压关断)，使整个变换器工作在BOOST升压模式，功率从蓄电池流向驱动电机；
当驱动电机工作在制动状态时，控制IGBT开关管T1保持开关状态，IGBT开关管T2保持关断状态，使整个变换器工作在BUCK降压模式，功率从驱动电机流向车载蓄电池。
进一步地，根据所述的功率流向，当第一RC电路/第二RC电路位于开关模块的电压输入端时，控制继电器J1/继电器J2断开，第一RC电路/第二RC电路作为预充电电路，用于防止因输入电压瞬变而损坏电容；当第一RC电路/第二RC电路位于开关模块的电压输出端时，控制继电器J1/继电器J2闭合，第一RC电路/第二RC电路作为电容滤波电路，用于减小输出电压的纹波。具体地，所述继电器J1闭合与电阻R1、电容C1组成电容滤波电路，继电器J1断开与电阻R1、电容C1组成预充电电路，所述继电器J2闭合与电阻R2、电容C2组成电容滤波电路，继电器J2断开与电阻R2、电容C2组成预充电电路。
电源管理系统检测驱动电机和蓄电池的电压，在BOOST升压模式下将驱动电机的电压作为输出电压反馈给脉冲发生电路，在BUCK降压模式下将蓄电池的电压作为输出电压反馈给脉冲发生电路；脉冲发生电路根据输出电压的大小调整驱动脉冲的脉宽，经过脉冲驱动电路对驱动脉冲的功率进行放大后，控制IGBT模块的开关，使得输出电压稳定在给定值。
有益效果：
本发明的电动汽车双向DC/DC变换器及其控制方法在保持变换器两端直流电压极性不变的情况下，根据实际需要完成电动汽车车载蓄电池与直流驱动电机之间功率的双向流动，并且能依据电源管理系统的要求切换升/降压模式。使用本发明的双向DC/DC变换器可以非常方便地实现能量的双向传输，使用的电力电子器件数目少，具有效率高、体积小和成本低等优势。由于双向DC/DC变换器具有上述的优点，使其在电动汽车的发展过程中得到了广泛的应用。
附图说明
构成本发明的另一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种实施例所述电动汽车双向DC/DC变换器的原理框图；
图2为图1中所示电动汽车双向DC/DC变换器中主电路的电路图；
图3为图1中所示电动汽车双向DC/DC变换器中脉冲发生电路的电路图；
图4为图1中所示电动汽车双向DC/DC变换器中驱动电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明所述的电动汽车双向DC/DC变换器，如图1所示，一种电动汽车双向DC/DC变换器，包括两个RC电路、脉冲发生电路、脉冲驱动电路和2个IGBT组成的开关模块，其中：开关模块的一端连接直流驱动电机，另一端连接车载蓄电池。电源管理系统通过检测驱动电机的工作状态来决定驱动电机与蓄电池之间的功率流向和升/降压模式。当驱动电机工作在电动状态时，整个变换器工作在BOOST升压模式，功率流向是从蓄电池流向驱动电机；当驱动电机工作在制动状态时，整个变换器工作在BUCK降压模式，功率流向是从驱动电机流向蓄电池。由IGBT模块中开关管的通断组合可以实现BUCK降压电路和BOOST升压电路之间的转换。同时电源管理系统检测驱动电机和蓄电池的电压，在升压模式下将驱动电机电压作为输出电压VO反馈给脉冲发生电路，在降压模式下将蓄电池电压作为输出电压VO反馈给脉冲发生电路。脉冲发生电路根据输出电压VO的大小调整驱动脉冲PWM的脉宽，驱动脉冲PWM经过脉冲驱动电路进行功率放大后，控制IGBT模块的开关，使得输出电压VO稳定在给定值。该变换器的两端是相同的RC电路，由电源管理系统控制继电装置使其工作在不同的状态。在输入端的RC电路作为预充电电路，防止因输入电压瞬变而损坏电容；在输出端的RC电路作为电容滤波电路，减小输出电压的纹波。其中，所述脉冲发生电路的一种电路原理图，如图3所示，芯片U1为ICE2PCS02脉冲发生芯片，脉冲频率固定不可调，电阻R6、R7和R8构成分压电路，输出电压Vo发生变化，引起芯片管脚电压的变化，从而调整输出脉冲PWM占空比的大小，最终达到稳定输出电压Vo的目的。在升压模式下，输出电压Vo为直流驱动电机的电压；在降压模式下，输出电压Vo为蓄电池的电压。所述脉冲驱动电路的一种电路原理图，如图4所示，其中，PWM为输入脉冲，U1为IXDN604脉冲驱动芯片，用来增大脉冲的功率，U2为HCPL3120光耦隔离芯片，用来隔离输入信号和输出信号，D3为稳压二极管，G和E分别连接开关管IGBT的门极和发射极。两个IGBT的脉冲发生电路和驱动电路是一样的。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图2所示，所述IGBT模块包括IGBT开关管T1和IGBT开关T2，所述IGBT开关管T1的发射极与IGBT开关管T2的集电极相连。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图2所示，所述车载蓄电池的正负极分别连接继电装置Z1和电容C1的负极。所述直流驱动电机的正负极分别连接继电装置Z2和电容C2的负极。
所述IGBT开关管T1的发射极和IGBT开关管T2的集电极连接电感L。
所述继电装置Z1是由继电器J1和电阻R1并联组成，所述继电装置Z2是由继电器J2和电阻R2组成。
所述电容C1的负极依次与电容C2的负极、IGBT开关管T2的发射极相连。
所述继电装置Z1分别与电容C1的正极、电感L相连，所述继电装置Z2分别与电容C2的正极、IGBT开关管T1的集电极相连。
所述继电器J1闭合与电阻R1、电容C1组成电容滤波电路，继电器J1断开与电阻R1、电容C1组成预充电电路，所述继电器J2闭合与电阻R2、电容C2组成电容滤波电路，继电器J2断开与电阻R2、电容C2组成预充电电路
所述IGBT开关管T1保持开关状态，所述IGBT开关管T2保持关断状态，整个变换器工作在BUCK降压模式，功率流向是从直流驱动电机流向车载蓄电池。
所述IGBT开关管T1保持关断状态，所述IGBT开关管T2保持开关状态，整个变换器工作在BOOST升压模式，功率流向是从车载蓄电池流向直流驱动电机。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种电动汽车双向DC/DC变换器，其特征在于，包括电源管理系统和开关模块；
所述开关模块一端连接车载蓄电池，另一端连接驱动电机；
所述开关模块的控制端连接电源管理系统的信号输出端；
电源管理系统通过检测驱动电机的工作状态来控制开关模块中开关管的通断组合，从而实现驱动电机与蓄电池之间的功率流向和升/降压模式的转换；当驱动电机工作在电动状态时，使整个变换器工作在BOOST升压模式，功率从蓄电池流向驱动电机；当驱动电机工作在制动状态时，使整个变换器工作在BUCK降压模式，功率从驱动电机流向蓄电池。
2.根据权利要求1所述的电动汽车双向DC/DC变换器，其特征在于，所述开关模块包括IGBT开关管T1和IGBT开关管T2，所述IGBT开关管T1的发射极与IGBT开关管T2的集电极相连；
所述电源管理系统的信号输出端依次经脉冲发生电路和脉冲驱动电路连接2个IGBT开关管的控制端，即门极。
3.根据权利要求1所述的电动汽车双向DC/DC变换器，其特征在于，还包括第一RC电路和第二RC电路，其中：
开关模块的一端经第一RC电路连接车载蓄电池，另一端经第二RC电路连接直流驱动电机；
所述第一RC电路和第二RC电路结构相同；第一RC电路包括继电器J1、电阻R1和电容C1；第二RC电路包括继电器J2、电阻R2和电容C2；
继电器J1和电阻R1相互并联，两端分别连接车载蓄电池的正极和电容C1的正极；车载蓄电池的负极和电容C1的负极相连；
继电器J2和电阻R2相互并联，两端分别连接直流驱动电机的正极和电容C2的正极；直流驱动电机的负极和电容C2的负极相连；
电容C1的正极还经电感L连接IGBT开关管T1的发射极和IGBT开关管T2的集电极；
IGBT开关管T1的集电极接电容C2的正极；IGBT开关管T2的发射极接电容C1、C2的负极；
所述继电器J1和继电器J2均受控于电源管理系统。
4.根据权利要求3中任一项所述的电动汽车双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述脉冲发生芯片采用ICE2PCS02芯片。
5.根据权利要求4中任一项所述的电动汽车双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述脉冲驱动芯片采用IXDN604，用来增大驱动脉冲的功率。
6.根据权利要求5所述的电动汽车双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述脉冲发生芯片和脉冲驱动芯片之间接有光耦隔离芯片。
7.根据权利要求6所述的电动汽车双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述光耦隔离芯片采用HCPL3120芯片。
8.一种电动汽车双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述电动汽车双向DC/DC变换器为权利要求2～7中任一项所述的电动汽车双向DC/DC变换器；控制方法为：
电源管理系统通过检测驱动电机的工作状态来控制开关模块中开关管的通断组合，从而实现驱动电机与蓄电池之间的功率流向和升/降压模式的转换：
当驱动电机工作在电动状态时，控制所述IGBT开关管T1保持关断状态，所述IGBT开关管T2保持开关状态，使整个变换器工作在BOOST升压模式，功率从蓄电池流向驱动电机；
当驱动电机工作在制动状态时，控制IGBT开关管T1保持开关状态，IGBT开关管T2保持关断状态，使整个变换器工作在BUCK降压模式，功率从驱动电机流向车载蓄电池。
9.根据权利要求8所述的电动汽车双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述电动汽车双向DC/DC变换器采用权利要求3～7中任一项所述的电动汽车双向DC/DC变换器；控制方法为：
根据所述的功率流向，当第一RC电路/第二RC电路位于开关模块的电压输入端时，控制继电器J1/继电器J2断开，第一RC电路/第二RC电路作为预充电电路，用于防止因输入电压瞬变而损坏电容；当第一RC电路/第二RC电路位于开关模块的电压输出端时，控制继电器J1/继电器J2闭合，第一RC电路/第二RC电路作为电容滤波电路，用于减小输出电压的纹波。
10.根据权利要求9所述的电动汽车双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，电源管理系统检测驱动电机和蓄电池的电压，在BOOST升压模式下将驱动电机的电压作为输出电压反馈给脉冲发生电路，在BUCK降压模式下将蓄电池的电压作为输出电压反馈给脉冲发生电路；脉冲发生电路根据输出电压的大小调整驱动脉冲的脉宽，经过脉冲驱动电路对驱动脉冲的功率进行放大后，控制IGBT模块的开关，使得输出电压稳定在给定值。
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