CN107054093A - 电动汽车双回路电源切换装置、控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车双回路电源切换装置、控制系统及控制方法，包括高压电池组、低压电池组、升压转换单元、控制处理单元及输出切换单元；高压电池组经输出切换单元与负载设备连接；低压电池组依次经升压转换单元、输出切换单元与负载设备连接；控制处理单元经信号线连接升压转换单元与输出切换单元，且控制处理单元控制升压转换单元与输出切换单元。控制处理单元采集电压、升压输出电流信号，并分析计算后控制升压转换单元和输出切换单元；系统高压电池组输出和低压电池组经升压转换单元输出时分别采用闭环模式和开环模式控制，可加快升压转换单元的功率输出时间，避免出现高压电池掉电后后级重要负载断电，保证供电的不间断，保证行车安全。

Description

电动汽车双回路电源切换装置、控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，特别是涉及一种电动汽车双回路电源切换装置、控制系统及控制方法。

背景技术

电动汽车上的电池系统一般有高压电池组和低压电池组，高压电池组电压通常有几百伏，低压电池组常见的电压有12伏和24伏；通常助力转向电机用电来自高压电池组，当高压电池组输出突然切断，助力转向电机立即停止工作，转向系统瞬间失去助力，将给行车安全带来巨大隐患。

目前，当高压电池组供电输出出现异常时，能将低压电池组经过升压转换后给电动汽车的某些重要负载设备提供短暂供电，使这些重要负载设备能继续运行一段时间，行车安全得到大大提高。常用的备用供电系统中，如果备用供电需要电力电子变换的情况下，那么备用供电单元都会采用闭环控制的方式；正常情况下备用供电单元处在待机转态，在主供电突然失效的情况下，备用供电单元由几乎空载的待机状态立即转换为接近满载的功率输出状态，这对备用供电单元的闭环控制技术提出了很高的要求。如果控制的不好会导致瞬时电压跌落较多，甚至出现供电中断，影响了后级重要负载设备供电的连续性。

为了提高电力电子变换的效率，目前很多采用了谐振变换的技术。在备用供电系统中，变换器是由几乎空载的待机状态立即转换为接近满载的功率输出状态，同时根据后级重要负载设备负载的不同会工作在不同的功率情况下，如果采用传统闭环控制的话，电力电子变换其很难工作在最佳谐振状态，影响了转换效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种既加快升压转换单元的功率输出相应时间，又可以使得电力电子变换器工作在完全谐振状态，同时辅助相应的控制流程，使得电动汽车后级重要负载设备供电更加可靠的电动汽车双回路电源切换装置、控制系统及控制方法。

本发明的一技术解决方案是：一种电动汽车双回路电源切换装置，包括高压供电电路和低压转换供电电路，所述低压转换供电电路包括低压电池组、可调升压电路和整流电路，所述可调升压电路的输入端与输出端分别连接所述低压电池组和整流电路的输入端，所述升压可调电路将所述低压电池组的低压电转换成高压电，再经过所述整流电路整流后输出。

本发明的另一技术解决方案是：一种电动汽车双回路电源切换控制系统，包括高压电池组、低压电池组、升压转换单元、控制处理单元及输出切换单元；所述高压电池组经所述输出切换单元与负载设备连接；所述低压电池组依次经所述升压转换单元、输出切换单元与负载设备连接；所述控制处理单元经信号线连接所述升压转换单元与输出切换单元，且所述控制处理单元控制所述升压转换单元与输出切换单元。

作为优选：所述负载设备包括助力转向驱动系统、刹车气泵驱动系统。

作为优选：所述控制处理单元控制双回路电源的输出通路：所述高压电池组供电正常时，所述控制处理单元控制电源输出为高压电池组，控制系统采用闭环模式控制升压转换单元输出电压；所述高压电池组供电异常时，所述控制处理单元控制电源输出切换为低压电池组的低压电经升压转换单元转换成的高压电，控制系统采用开环模式控制升压转换单元输出电压。

本发明的再一技术解决方案是：一种电动汽车双回路电源切换控制方法，包括以下步骤：

S1：正常运行时，高压电池组供电，控制系统处于待机状态，采用闭环模式控制升压转换单元输出电压；

S2：判断高压电池组是否异常；

S3：若否，高压电池组继续供电，采用闭环模式控制升压转换单元输出电压，控制系统处于待机状态；若是，低压电池组经升压转换单元转换为高压电供电，控制系统切换为功率输出状态，采用开环模式控制升压转换单元输出电压；

S4：判断是否运行到限定工作时间；

S5：若是，高压电池组和低压电池组均停止供电，负载设备停机；若否，再次判断高压电池组是否异常，并循环，直至运行到限定工作时间停机。

作为优选：所述闭环模式的控制方式是通过不断调节开关占空比或不断调节开关频率来驱动升压转换单元，使升压转换单元的输出电压保持设定值的控制方式；所述开环模式的控制方式是以固定开关占空比和固定开关频率来驱动升压转换单元，使升压转换单元的输出电压随低压电池组的电压降低而降低的控制方式。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

⑴设置升压转换单元、控制处理单元和输出切换单元，升压转换单元在电压电池组供电时将低电压升压处理；控制处理单元采集高压电池组电压、升压输出电压、升压输出电流等信号，并分析计算，控制升压转换单元和输出切换单元；输出切换单元根据控制处理单元采集到的信息及分析计算，控制高压电池组输出和升压转换单元输出之间的切换；系统高压电池组输出和低压电池组经升压转换单元输出时分别采用闭环模式和开环模式控制，可加快升压转换单元的功率输出相应时间，避免出现高压电池掉电后后级重要负载断电，保证供电的不间断，保证行车安全。

⑵开环模式控制下，通过设定最佳开关频率和最佳占空比，使得升压转换单元处在完全谐振的工作状态，转换效率达到最大值，使得电动汽车后级重要负载设备供电更加可靠。

⑶开环模式控制下，升压转换单元输出电压会跟随低压电池组的电压降低而降低，当输出电压降低后，后级重要负载设备的运行功率也可以得到降低，从而延长低压电池组的后备输出时间。

⑷控制处理单元通过采样高压电池组电压和升压转换单元输出电流判断高压电池组是否异常，在升压转换单元供电时，若监测到高压电池组恢复正常，电压输出切换为高压电池组，控制方式由开环模式切换为闭环模式，可避免汽车运行过程中电压输出的误切换控制。

⑸系统设置了限定工作时间，在开环模式下运行到限定工作时间时，升压转换单元将停止运行，处于停机保护模式，可避免低压电池组长时间大功率运行导致低压电池组损坏。

附图说明

图1是本发明电动汽车双回路电源切换装置结构框图；

图2是图1的可调升压电路图；

图3是本发明电动汽车双回路电源切换控制系统的结构框图；

图4是本发明电动汽车双回路电源切换控制方法流程图。

主要组件符号说明：

低压电池组10，可调升压电路20，整流电路30，高压电池组40，升压转换单元50，控制处理单元60，输出切换单元70，负载设备80。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

图1、图2示出了本发明的一个实施例。

请参阅图1、图2所示，该电动汽车双回路电源切换装置，包括高压供电电路和低压转换供电电路，低压转换供电电路包括低压电池组10、可调升压电路20和整流电路30，可调升压电路20的输入端与输出端分别连接低压电池组10和整流电路30的输入端，升压可调电路将低压电池组10的低压电转换成高压电，再经过整流电路30整流后输出给下一级设备；因此，当高压电池组异常时，低压电池组10能经升压可调电路升压、并经整流电路30整流后及时给下一级设备短暂供电，保证了电动汽车的行车安全。

其中，可调升压电路20包括变压器TR1、变压器TR2、开关器件Q1、开关器件Q2、开关器件Q3、开关器件Q4、输入电容C1、输入电容C2以及谐振电容C3。变压器TR1原边第一引脚11通过开关器件Q1接低压电池组10负极，变压器TR1原边第三引脚13通过开关器件Q2接低压电池组10负极，变压器TR1原边第二引脚12与低压电池组10BAT1极连接，C1接在变压器TR1原边第二引脚12与低压电池组10负极之间。变压器TR2原边第一引脚21通过开关器件Q3接低压电池组10负极，变压器TR2原边第三引脚23通过开关器件Q4接低压电池组10负极，变压器TR2原边第二引脚22与低压电池组10BAT1正极连接，C2接在变压器TR2原边第二引脚22与低压电池组10负极之间。变压器TR1副边的第二引脚15通过谐振电容C3和变压器TR2副边第一引脚24连接，谐振电容C3放置于两个变压器中间，其优点是有利于PCB布局，从而降低了整体尺寸；同时还能减少回路面积，降低寄生参数，改善了输出特性。

整流电路30包括整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4以及输出电容C4。变压器TR1副边第一引脚14分别与整流二极管D1的正极和整流二极管D3负极的连接。变压器TR2副边第二引脚25分别与整流二极管D2的正极和整流二极管D4负极的连接。输出电容C4的一端分别与整流二极管D1的负极和整流二极管D2负极的连接。输出电容C4的另一端分别与整流二极管D3的正极和整流二极管D4正极的连接。整流电路30接输出电容C4，输出电容C4起到输出滤波作用。

可调升压电路20采用两组变压器副边电压串联输出的方式，相比只用一组变压器，其优点是单个变压器的功率只有总变压器功率的一半，单个开关器件功率需求也相应减半，有利于器件选型设计以及散热设计；同时因为单个变压器匝比也只相比只用一组变压器的一半，变压器原边、副边可以绕制得更加紧凑，从而降低了变压器原边漏感，进而降低开关器件的尖峰，提高电源效率。

变压器TR1和变压器TR2的寄生漏感与谐振电容C3组成谐振网络。设变压器TR1的寄生漏感值为L1，变压器TR2的寄生漏感值为L2，则谐振网络的谐振频率值为为了能使电路达到完全谐振状态，控制器输出PWM波频率f2需稍少于谐振网络的谐振频率f₁，一般情况下取f₂＝0.9f1，以实现零电流关断；同时控制器输出PWM波占空比D按最大可能输出(PUSH-PULL电路理论PWM波占空比最大值为0.5)，需考虑死区以及开关器件Q1、Q2、Q3、Q4寄生电容放电时间，一般情况下取D＝0.45，以实现零电压开通。

请参阅图3所示，该电动汽车双回路电源切换控制系统，包括高压电池组40、低压电池组10、升压转换单元50、控制处理单元60及输出切换单元70；高压电池组40经输出切换单元70与负载设备80连接；低压电池组10依次经升压转换单元50、输出切换单元70与负载设备80连接；控制处理单元60经信号线连接升压转换单元50与输出切换单元70，且控制处理单元60控制升压转换单元50与输出切换单元70。其中，负载设备80包括助力转向驱动系统、刹车气泵驱动系统。

控制处理单元60控制双回路电源的输出通路的方式为：

高压电池组40供电正常时，控制处理单元60控制电源输出为高压电池组40，控制系统采用闭环模式控制升压转换单元50输出电压；这时会控制升压转换单元50输出电压低于高压电池组40电压一定值，此状态下为待机状态，低压电池组10没有向后级重要负载设备80输出功率。高压电池组40供电异常时，控制处理单元60控制电源输出切换为低压电池组10的低压电经升压转换单元50转换成的高压电，控制系统采用开环模式控制升压转换单元50输出电压。

升压转换单元50在电压电池组供电时将低电压升压处理；控制处理单元60采集高压电池组40电压、升压输出电压、升压输出电流等信号，并分析计算，控制升压转换单元50和输出切换单元70；输出切换单元70根据控制处理单元60采集到的信息及分析计算，控制高压电池组40输出和升压转换单元50输出之间的切换；系统高压电池组40输出和低压电池组10经升压转换单元50输出时分别采用闭环模式和开环模式控制，可加快升压转换单元50的功率输出相应时间，避免出现高压电池掉电后后级重要负载断电，保证供电的不间断，保证行车安全。

控制处理单元60通过采样高压电池组40电压和升压转换单元50输出电流判断高压电池组40是否异常，在升压转换单元50供电时，若监测到高压电池组40恢复正常，电压输出切换为高压电池组40，控制方式由开环模式切换为闭环模式，可避免汽车运行过程中电压输出的误切换控制。

请参阅图4所示，该电动汽车双回路电源切换控制方法，包括以下步骤：

S1：正常运行时，高压电池组40供电，控制系统处于待机状态，采用闭环模式控制升压转换单元50输出电压；

S2：判断高压电池组40是否异常；

S3：若否，高压电池组40继续供电，采用闭环模式控制升压转换单元50输出电压，控制系统处于待机状态；若是，低压电池组10经升压转换单元50转换为高压电供电，控制系统切换为功率输出状态，采用开环模式控制升压转换单元50输出电压；

S4：判断是否运行到限定工作时间；

S5：若是，高压电池组40和低压电池组10均停止供电，负载设备80停机；若否，再次判断高压电池组40是否异常，并循环，直至运行到限定工作时间停机。

闭环模式的控制方式是通过不断调节开关占空比或不断调节开关频率来驱动升压转换单元50，使升压转换单元50的输出电压保持设定值的控制方式；开环模式的控制方式是以固定开关占空比和固定开关频率来驱动升压转换单元50，使升压转换单元50的输出电压随低压电池组10的电压降低而降低的控制方式。

开环模式控制下，通过设定最佳开关频率和最佳占空比，使得升压转换单元50处在完全谐振的工作状态，转换效率达到最大值，使得电动汽车后级重要负载设备80供电更加可靠。开环模式控制下，升压转换单元50输出电压会跟随低压电池组10的电压降低而降低，当输出电压降低后，后级重要负载设备80的运行功率也可以得到降低，从而延长低压电池组10的后备输出时间。系统设置了限定工作时间，在开环模式下运行到限定工作时间时，升压转换单元50将停止运行，处于停机保护模式，可避免低压电池组10长时间大功率运行导致低压电池组10损坏。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种电动汽车双回路电源切换装置，包括高压供电电路和低压转换供电电路，其特征在于，所述低压转换供电电路包括低压电池组、可调升压电路和整流电路，所述可调升压电路的输入端与输出端分别连接所述低压电池组和整流电路的输入端，所述升压可调电路将所述低压电池组的低压电转换成高压电，再经过所述整流电路整流后输出。

2.一种电动汽车双回路电源切换控制系统，其特征在于，包括高压电池组、低压电池组、升压转换单元、控制处理单元及输出切换单元；所述高压电池组经所述输出切换单元与负载设备连接；所述低压电池组依次经所述升压转换单元、输出切换单元与负载设备连接；所述控制处理单元经信号线连接所述升压转换单元与输出切换单元，且所述控制处理单元控制所述升压转换单元与输出切换单元。

3.根据权利要求2所述的电动汽车双回路电源切换控制系统，其特征在于，所述负载设备包括助力转向驱动系统、刹车气泵驱动系统。

4.根据权利要求2所述的电动汽车双回路电源切换控制系统，其特征在于，所述控制处理单元控制双回路电源的输出通路：所述高压电池组供电正常时，所述控制处理单元控制电源输出为高压电池组，控制系统采用闭环模式控制升压转换单元输出电压；所述高压电池组供电异常时，所述控制处理单元控制电源输出切换为低压电池组的低压电经升压转换单元转换成的高压电，控制系统采用开环模式控制升压转换单元输出电压。

5.一种电动汽车双回路电源切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：正常运行时，高压电池组供电，控制系统处于待机状态，采用闭环模式控制升压转换单元输出电压；

S2：判断高压电池组是否异常；

S3：若否，高压电池组继续供电，采用闭环模式控制升压转换单元输出电压，控制系统处于待机状态；若是，低压电池组经升压转换单元转换为高压电供电，控制系统切换为功率输出状态，采用开环模式控制升压转换单元输出电压；

S4：判断是否运行到限定工作时间；

S5：若是，高压电池组和低压电池组均停止供电，负载设备停机；若否，再次判断高压电池组是否异常，并循环，直至运行到限定工作时间停机。

6.根据权利要求5所述的电动汽车双回路电源切换控制方法，其特征在于，所述闭环模式的控制方式是通过不断调节开关占空比或不断调节开关频率来驱动升压转换单元，使升压转换单元的输出电压保持设定值的控制方式；所述开环模式的控制方式是以固定开关占空比和固定开关频率来驱动升压转换单元，使升压转换单元的输出电压随低压电池组的电压降低而降低的控制方式。