CN107579695B - 能量回馈保护电路及电机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能量回馈保护电路及电机控制系统，所述能量回馈保护电路用于在电机能量回馈过程中，对高压回路中的电容和逆变模块进行保护，所述高压回路包括第一开关单元；所述能量回馈保护电路包括第二开关单元以及信号处理单元，其中：所述第二开关单元用于将所述电机的输入端连接到所述逆变模块的输出端；所述信号处理单元的输出端连接到所述第二开关单元的控制端，并在所述第一开关单元断开时使所述第二开关单元将逆变模块与电机之间的连接断开。本发明通过在逆变模块与电机之间增加第二开关单元，并使该第二开关单元与高压回路中的第一开关单元同步通断，可有效避免回馈电流对逆变模块和高压回路中的电容的损害。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种能量回馈保护电路及电机控制系统。
背景技术
能量回馈，是指将处于运动状态的负载上的机械能(位能、动能等)通过能量回馈装置变换成电能(再生电能)并回送给交流电网，供附近其它用电设备使用，使负载在单位时间消耗的电网电能下降，从而达到节约电能的目的。
如图1所示，是电动车或混合动力车辆运行时高压系统的电路示意图，BMS(Battery Management System，电池管理系统)11控制着高压系统的开断，即控制着动力电池12的供电。
在一些特殊的情况下，如绝缘故障、元件损坏或者内部短路等，BMS 11将直接断开继电器K1以对高压回路(包括动力电池12和电容13)进行保护。而此时，如果电机仍处于能量回馈状态，就会使电容13的电压急剧上升，从而对逆变模块14中的功率开关管(例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metallic OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)等)和电容13产生很大的风险，即逆变模块14中的功率开关管和电容13可能在电流回馈过程中因电容13的电压升高而产生严重的损坏。
为解决上述问题，通常在电机控制系统中利用主控制单元16进行回馈保护，即通过主控制单元16实时对电容13的电压进行检测，当检测到电容13的电压超过设定的某一极限电压值时，使逆变模块14中的功率开关管关闭，不再输出功率，从而使高压回路电流清零，电压不再上升。
然而，当电机中存在较大的回馈电流时，由于采样时间和控制时间的延迟，主控制单元16无法及时对功率开关管进行控制，使得电容13的电压急剧上升，仍有可能导致电容13或者功率开关管损坏。并且，如果电机的反电动势高于电容13的电压值，也会继续使高压回路产生电流，使电容13的电压上升。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述电机能量回馈易对逆变模块中的功率开关管以及高压回路中的电容造成损害的问题，提供一种能量回馈保护电路及电机控制系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种能量回馈保护电路，用于在电机能量回馈过程中，对高压回路中的电容和逆变模块进行保护，所述高压回路包括用于将所述电容连接到储电单元的第一开关单元；所述能量回馈保护电路包括第二开关单元以及信号处理单元，其中：所述第二开关单元用于将所述电机的输入端连接到所述逆变模块的输出端；所述信号处理单元的输出端连接到所述第二开关单元的控制端，并在所述第一开关单元断开时使所述第二开关单元将逆变模块与电机之间的连接断开。
在本发明所述的能量回馈保护电路中，所述第二开关单元包括至少两个辅继电器，且每一所述辅继电器的触点部串联连接在所述逆变模块的一路输出端子与所述电机的一路输入端子之间；所述辅继电器的线圈构成第二开关单元的控制端。
在本发明所述的能量回馈保护电路中，所述第一开关单元的控制端接入回馈控制回路，并在所述回馈控制回路控制下导通或断开；所述第二开关单元的控制端接入信号处理单元，并在所述信号处理单元控制下导通或断开；所述信号处理单元包括光耦，且所述光耦的输入端连接所述回馈控制回路、所述光耦的输出端连接所述信号处理单元。
在本发明所述的能量回馈保护电路中，所述第一开关单元包括主继电器，且所述主继电器的触点部串联连接在所述高压回路中；所述回馈控制回路包括用于放大所述回馈控制回路中电流的第一放大电路，且所述第一放大电路与所述主继电器的线圈、所述光耦的输入端串联连接在所述回馈控制回路中。
在本发明所述的能量回馈保护电路中，所述第一放大电路由两级或两级以上的三极管构成。
在本发明所述的能量回馈保护电路中，所述信号处理单元包括用于放大所述信号处理单元中电流的第二放大电路。
在本发明所述的能量回馈保护电路中，所述第二放大电路由两级或两级以上的三极管构成。
在本发明所述的能量回馈保护电路中，所述信号处理单元包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中所述第一电阻和第二电阻串联连接在供电电压与参考地之间，且所述第一电阻的两端分别连接到所述光耦的两个输出端引脚；所述第三电阻的一端连接到第一电阻和第二电阻的连接点、另一端连接到所述第二放大电路的输入端。
本发明还提供一种电机控制系统，包括电池管理系统、高压回路、逆变模块以及用于连接电机的输出端子组，且所述高压回路包括储电单元、第一开关单元、电容；所述电机控制系统还包括如上所述的能量回馈保护电路。
在本发明所述的电机控制系统中，所述电机控制系统还包括主控制单元，且所述主控制单元包括用于采样所述电容电压的采样电路；所述主控制单元根据采样获得的电容电压向所述电池管理系统输出控制信号，所述电池管理系统根据来自所述主控制单元的控制信号控制所述第一开关单元导通或关断。
本发明的能量回馈保护电路及电机控制系统，通过在逆变模块与电机之间增加第二开关单元，并使该第二开关单元与高压回路中的第一开关单元同步通断，可有效避免回馈电流对逆变模块和高压回路中的电容的损害。
附图说明
图1是现有电机控制系统的示意图；
图2是本发明电机控制系统实施例的示意图；
图3是本发明电机控制系统中第一开关单元、信号处理单元及第二开关单元实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，是本发明电机控制系统实施例的示意图，该电机控制系统用于控制电机30(例如新能源汽车中的永磁同步电机)运行，并接收电机30回馈的能量。本实施例中的电机控制系统包括电池管理系统(Battery Management System，BMS)21、高压回路、逆变模块24、主控制单元26以及用于连接电机30的输出端子组，且主控制单元26通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线与电池管理系统21连接。其中高压回路包括动力电池(即储电单元)22、第一开关单元29以及电容23。上述电机控制系统在电机正常运行过程(非发电运行)中，逆变模块24可在主控制单元26的控制下，利用高压回路提供的能量驱动电机30运行。
为在电机30处于发电回馈状态时对电机控制系统(特别是高压回路中的电容23以及逆变模块24中的功率开关管)进行保护，上述电机控制系统还包括能量回馈保护电路。该能量回馈保护电路包括信号处理单元27以及第二开关单元28，且上述第二开关单元28用于将输出端子组(该输出端子组连接电机30的输入端)连接到逆变模块24的输出端；而信号处理单元27的输出端则连接到第二开关单元28的控制端，并在第一开关单元29断开时使第二开关单元28将逆变模块24与电机30之间的连接断开。
上述电机控制系统中，当电机30处于发电回馈状态时，主控制单元26通过采样电路实时对电容23的电压(即高压回路中的直流母线电压)进行检测，当检测到电容23的电压未超过设定的极限电压值时，主控制单元26通过CAN总线向电池管理系统21输出第一控制信号(例如高电平)，电池管理系统21根据上述第一控制信号控制第一开关单元29处于导通状态，同时，信号处理单元27也使第二开关单元28导通，从而逆变模块24可将电机30回馈的能量输送到高压回路(例如为动力电池22充电)；当检测到电容23的电压超过设定的极限电压值时，主控制单元26通过CAN总线向电池管理系统21输出第二控制信号(例如低电平)，电池管理系统21根据上述第二控制信号控制第一开关单元29关断，同时，信号处理单元27根据电池管理系统21的信号也将第二开关单元28关闭，从而电机30不再向逆变模块24输出回馈能量，使高压回路电流清零，电容23的电压不再上升。
上述电机控制系统，通过在逆变模块24与电机30之间增加第二开关单元28，并使该第二开关单元28与高压回路中的第一开关单元29同步通断，可有效避免回馈电流对逆变模块24和高压回路中的电容23的损害。
具体地，结合图3，上述第一开关单元29的控制端接入回馈控制回路(该回馈控制回路的输入信号来自电池管理系统21)，并在回馈控制回路控制下导通或断开；第二开关单元28的控制端接入信号处理单元27，并在信号处理单元控制下导通或断开；信号处理单元27包括光耦U1，且该光耦U1的输入端串联连接在回馈控制回路中、光耦U1的输出端则连接信号处理单元27。这样，在检测到电池管理系统21断开第一开关单元29(即回馈控制回路断开)时，光耦U1将断开信号传递到信号处理单元27，信号处理单元27自动使第二开关单元28断开，即断开电机30和逆变模块24之间的连接；当检测到电池管理系统21控制第一开关单元29导通(即回馈控制回路导通)时，光耦U1将导通信号传递到信号处理单元27，信号处理单元27也使第二开关单元28导通，从而电机30的回馈能量经逆变模块24流向高压回路。
特别地，上述第一开关单元29包括主继电器K1(在实际应用中，上述第一开关单元29也可采用其他开关元件)，且主继电器K1的触点部(即第一开关单元29的控制端)串联连接在高压回路中，且回馈控制回路包括用于放大回馈控制回路中电流的第一放大电路T1，且第一放大电路T1与主继电器K1的线圈、光耦U1的输入端串联连接在回馈控制回路中。为保证回馈控制回路中的电流足够大，从而可使主继电器K1稳定吸合，上述第一放大电路T1具体可由两级或两级以上的三极管构成。当然，上述第一放大电路T1也可采用其他形式的电流放大结构。
上述第二开关单元28包括至少两个辅继电器K2、K3(在实际应用中，上述第二开关单元28也可采用其他开关元件)，且每一辅继电器K2、K3的触点部串联连接在逆变模块24的一路输出端子与电机30的一路输入端子之间；辅继电器K2、K3的线圈构成第二开关单元28的控制端。在信号处理单元27中，也可包括用于放大该信号处理单元27中电流的第二放大电路T2。同样地，为保证信号处理单元27中的电流足够大，从而可使辅继电器K2、K3稳定吸合，第二放大电路T2也可由两级或两级以上的三极管构成。此外，上述信号处理单元27还可包括第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，其中第一电阻R1和第二电阻R2串联连接在供电电压VCC1与参考地之间，且第一电阻R1的两端分别连接到光耦U1的两个输出端引脚；第三电阻R3的一端连接到第一电阻R1和第二电阻R2的连接点、另一端连接到第二放大电路T2的输入端。
当电池管理系统21根据来自主控制单元26的控制信号，输出高电平信号时，第一放大电路T1导通，主继电器K1保持吸合状态。此时光耦U1两端为高电平，因此光耦U1不导通。由于信号处理单元27中的供电电压VCC1处为高电平，第一电阻R1和第二电阻R2的连接点处也为高电平信号，导致第二放大器T2导通，则电机30与逆变模块24之间的辅继电器K2、K3吸合，电机控制系统控制电机30正常运行或控制电机30进行正常的能量回馈。
当电池管理系统21根据来自主控制单元26的控制信号，输出低电平信号时，第一放电电路T1不导通，主继电器K1变为断开状态；而光耦U1两端因低电平信号与供电电平VCC的电势差而导通，并使得信号处理单元27中的第一电阻R1和第二电阻R2的连接点处为低电平，从而使得第二放大电路T2无法导通，则电机30与逆变模块24之间的辅继电器K2、K3断开，从而断开电机30与逆变模块24之间的连接，实现对高压回路中的电容23和逆变模块24中的功率开关管的保护。
本发明还提供一种上述电机控制系统中的能量回馈保护电路，该能量回馈电路用于在电机能量回馈过程中，对高压回路中的电容和逆变模块进行保护，上述高压回路包括用于将电容连接到储电单元(例如动力电池)的第一开关单元；能量回馈保护电路包括第二开关单元以及信号处理单元，其中：第二开关单元用于将电机的输入端连接到逆变模块的输出端；信号处理单元的输出端连接到第二开关单元的控制端，并在第一开关单元断开时使第二开关单元将逆变模块与电机之间的连接断开。
上述第二开关单元包括至少两个辅继电器，且每一辅继电器的触点部串联连接在逆变模块的一路输出端子与电机的一路输入端子之间；辅继电器的线圈构成第二开关单元的控制端。
上述第一开关单元的控制端接入回馈控制回路，并在回馈控制回路控制下导通或断开；第二开关单元的控制端接入信号处理单元，并在信号处理单元控制下导通或断开；信号处理单元包括光耦，且光耦的输入端连接回馈控制回路、光耦的输出端连接信号处理单元。上述第一开关单元具体可包括主继电器，且主继电器的触点部串联连接在高压回路中；回馈控制回路包括用于放大回馈控制回路中电流的第一放大电路，且第一放大电路与主继电器的线圈、光耦的输入端串联连接在回馈控制回路中。上述第一放大电路由两级或两级以上的三极管构成。
上述信号处理单元包括用于放大该信号处理单元中电流的第二放大电路。第二放大电路具体由两级或两级以上的三极管构成。信号处理单元还可包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中第一电阻和第二电阻串联连接在供电电压与参考地之间，且第一电阻的两端分别连接到光耦的两个输出端引脚；第三电阻的一端连接到第一电阻和第二电阻的连接点、另一端连接到第二放大电路的输入端。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但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露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种能量回馈保护电路，用于在电机能量回馈过程中，对高压回路中的电容和逆变模块进行保护，所述高压回路包括用于将所述电容连接到动力电池的第一开关单元；其特征在于，所述能量回馈保护电路包括第二开关单元以及信号处理单元，其中：所述第二开关单元用于将所述电机的输入端连接到所述逆变模块的输出端；所述信号处理单元的输出端连接到所述第二开关单元的控制端，并在所述第一开关单元断开时使所述第二开关单元将逆变模块与电机之间的连接断开；所述第一开关单元的控制端接入回馈控制回路，并在回馈控制回路控制下导通或断开，所述回馈控制回路的输入信号来自电池管理系统；在第一开关单元处于导通状态，所述信号处理单元使第二开关单元导通，逆变模块通过电机回馈的能量为动力电池充电；
所述信号处理单元包括光耦、第一电阻、第二电阻、第三电阻和用于放大所述信号处理单元中电流的第二放大电路，其中所述第一电阻和第二电阻串联连接在供电电压与参考地之间，且所述第一电阻的两端分别连接到所述光耦的两个输出端引脚；所述第三电阻的一端连接到第一电阻和第二电阻的连接点、另一端连接到第二放大电路的输入端，且所述第二放大电路的输出端构成所述信号处理单元的输出端。
2.根据权利要求1所述的能量回馈保护电路，其特征在于：所述第二开关单元包括至少两个辅继电器，且每一所述辅继电器的触点部串联连接在所述逆变模块的一路输出端子与所述电机的一路输入端子之间；所述辅继电器的线圈构成第二开关单元的控制端。
3.根据权利要求1所述的能量回馈保护电路，其特征在于：所述第一开关单元包括主继电器，且所述主继电器的触点部串联连接在所述高压回路中；所述回馈控制回路包括用于放大所述回馈控制回路中电流的第一放大电路，且所述第一放大电路与所述主继电器的线圈、所述光耦的输入端串联连接在所述回馈控制回路中。
4.根据权利要求3所述的能量回馈保护电路，其特征在于：所述第一放大电路由两级或两级以上的三极管构成。
5.根据权利要求1所述的能量回馈保护电路，其特征在于：所述第二放大电路由两级或两级以上的三极管构成。
6.一种电机控制系统，其特征在于：所述电机控制系统还包括如权利要求1-5中任一项所述的能量回馈保护电路。
7.根据权利要求6所述的电机控制系统，其特征在于：所述电机控制系统还包括主控制单元，且所述主控制单元包括用于采样所述电容的电压的采样电路；所述主控制单元根据采样获得的电容电压向所述电池管理系统输出控制信号，所述电池管理系统根据来自所述主控制单元的控制信号控制所述第一开关单元导通或关断。
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