CN112455282A - 混合主动放电电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了混合主动放电电路及其控制方法，其中混合主动放电电路包括控制器和高压动力电池，高压动力电池通过直流母线分别连接高压逆变器、高压DC/DC，所述高压DC/DC连接低压电池，所述直流母线的正负母线之间连接高压电容，所述高压逆变器连接高压交流负载，所述低压电池连接低压电池负载，所述高压DC/DC的连接所述直流母线的输入端设有放电支路；放电前期，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；放电后期，所述高压电容通过放电支路进行放电；放电电能一部分传输给低压电池、一部分消耗在HVDCDC变换器中，另一部分消耗在小型化的功率放电电阻上，具有放电速度快、功率放电电阻尺寸小、成本低、易控制及可靠性高的优点。

Description

混合主动放电电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车高压动力系统领域，具体涉及一种混合主动放电电路及其控制方法。
背景技术
在电动汽车和混合动力汽车中使用的逆变器输入端电压高于60Vdc，为保护人身安全，要求在逆变器的直流侧电容配有放电电路，以降低直流侧电容的电压。目前常用的主动放电法为外加主动放电回路，利用功率电阻放电，但是需要另外增加恒功率控制电路，增加成本，功率放电电阻体积大，功率放电电阻在多次放电后，也可能会损坏。
因此，设计一种节约能源、体积小、寿命长、工作可靠的放电电路是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种混合主动放电电路及其控制方法。
本发明采用的技术方案是设计一种混合主动放电电路，其包括控制器和高压动力电池，高压动力电池通过直流母线分别连接高压逆变器、高压DC/DC，所述高压DC/DC连接低压电池，所述直流母线的正负母线之间连接高压电容，所述高压逆变器连接高压交流负载，所述低压电池连接低压电池负载，所述高压DC/DC的连接所述直流母线的输入端设有放电支路；放电前期，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；放电后期，所述高压电容通过放电支路进行放电。
所述放电支路包括串联的放电电阻PTC和放电开关Q1，所述放电开关Q1受控制器控制。
所述高压动力电池与直流母线之间串接电源开关SW1。
所述直流母线还连接其他高压用电设备。
所述高压DC/DC包括依次连接的原边变换模块、高频变压器、副边变换模块，所述原边变换模块采用全桥拓扑结构，所述副边变换模块采用同步整流拓扑结构，副边变换模块包括第六开关Q6和第七开关Q7；所述第六开关Q6和第七开关Q7采用带有体二极管的MOS管。
本发明还设计了一种混合主动放电电路控制方法，所述放电电路采用上述的混合主动放电电路，所述控制方法包括:放电前期，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；放电后期，所述高压电容通过放电支路进行放电。
所述放电开始后检测所述高压电容电压，在高压电容电压高于门限电压时，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；在高压电容电压不高于门限电压时，所述高压电容通过放电支路进行放电；在高压电容电压低于阈值电压时，结束放电。
检测到高压电容电压不高于门限电压时，前段时间控制放电开关Q1短时间内持续导通进行预放电，后段时间用PWM信号控制放电开关Q1间歇导通进行放电。
进行预放电时，检测高压电容电压下降速率，高压电容电压下降速率不低于阈值速率时，结束放电，同时发出放电故障信号。
放电后开始对放电时长T进行计时，当放电时长T大于等于放电时长阈值Tn时，结束放电。
所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1、检测是否有放电使能信号，如无则转结束放电，如有则转步骤2；
步骤2、开始对放电时长T进行计时；
步骤3、高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；
步骤4、检测高压电容电压是否低于高于门限电压，如高于门限电压且放电时长T小于放电时长阈值Tn则转步骤3，如不高于门限电压则转步骤5；
步骤5、停止高压DC/DC向低压电池充电；
步骤6、控制放电开关Q1短时间内持续导通进行预放电；
步骤7、检测高压电容电压下降速率，判断高压电容电压下降速率低于阈值速率，如低于阈值速率则转步骤8，如不低于阈值速率则结束放电同时发出放电故障信号；
步骤8、用PWM信号控制放电开关Q1间歇导通进行放电；
步骤9、判断高压电容电压是否低于阈值电压，如低于阈值电压则转步骤10，如不低于阈值电压且放电时长T小于放电时长阈值Tn则转步骤8；
步骤10、结束放电。
所述放电时长阈值Tn为3秒，阈值电压的取值范围为50至60伏。
所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电时，所述第六开关Q6和第七开关Q7可以控制其进行同步整流，也可以通过其体二极管进行整流。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
本发明采用混合主动放电模式，放电路径由单一消耗在功率放电电阻上变为一部分能量传输给低压电池、一部分能量消耗在HVDCDC变换器中，另一部分能量消耗在小型化的功率放电电阻上，具有放电速度快、功率放电电阻尺寸小、成本低、易控制及可靠性高的优点。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1为本发明较佳实施例的原理框图；
图2为本发明较佳实施例HVDCDC变换器的电路图；
图3为本发明较佳实施例控制流程图；
图4为本发明较佳实施例波形时序图。
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，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种混合主动放电电路，参看图1示出的本发明较佳实施例的原理框图，其包括控制器和高压动力电池，高压动力电池通过直流母线分别连接高压逆变器、高压DC/DC，所述高压DC/DC连接低压电池，所述直流母线的正负母线之间连接高压电容，所述高压逆变器连接高压交流负载，所述低压电池连接低压电池负载，所述高压DC/DC的连接所述直流母线的输入端设有放电支路；放电前期，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；放电后期，所述高压电容通过放电支路进行放电。
图1中C1为高压逆变器等效输入电容，包括DC-LINK 电容及其他内部电容。C2为高压DC/DC（HVDCDC）等效输入电容，包括DC-LINK 电容及其他内部电容。Cn为其他高压设备等效输入电容，包括车载充电机、高压空调等设备。SW1为高压电池主继电器，包含主正、主负两个继电器触点。高压逆变器或HVDCDC接收到主动放电指令后，通过开启HVDCDC 工作，将高压电容C1、C2、Cn 上的能量给低压电池用来充电及消耗在HVDCDC 工作过程中，如开关损耗等。
在较佳实施例中，所述放电支路包括串联的放电电阻PTC和放电开关Q1，所述放电开关Q1受控制器控制。放电开关Q1可采用MOSFET。由于HVDCDC 输出电压水平的局限性，其在HV 输入电压下降到较低水平后，即本专利中注明的HV门限电压，无法继续将高压电容C1、C2、Cn 上的能量给低压电池用来充电及消耗在HVDCDC 工作过程中，故本专利增加了PTC 放电方法，用以补充HV 电压降低到HV电压门限电压之下后的主动放电。PTC主动放电将高压电容C1、C2、Cn上剩余的能量以热的形式消耗在PTC电阻上。图2中，功率放电电阻不局限于PTC电阻，也可以使用绕线电阻、水泥电阻等其他电阻类型。
图1中，细线箭头为放电时功率流向，由高压逆变器、HVDCDC原边侧和其他高压用电设备流向低压电池及低压电池负载。
图1中，除了抬高HVDCDC输出电压以消耗高压电容能量外，也可在安全工作范围内采用抬高其工作频率，实现利用HVDCDC 开关损耗来主动放电。
针对现有技术中存在的问题和不足，本发明提供一种混合主动放电电路及其控制方法。放电路径由单一消耗在功率放电电阻上变为一部分能量传输给低压电池、一部分能量消耗在HVDCDC变换器中，另一部分能量消耗在小型化的功率放电电阻上等多种混合主动放电方式。基于该混合主动放电控制方法，电动汽车高压逆变器可以实现放电速度快、功率放电电阻尺寸降低甚至无需功率放电电阻、成本低、易控制及可靠性高的特点。
在较佳实施例中，所述高压动力电池与直流母线之间串接电源开关SW1。需要对高压动力电池充电时，或高压动力电池需要对负载供电时，控制器接通电源开关SW1。控制器发出动放电指令或高压逆变器内部故障导致主动放电指令时，电源开关SW1会切断，防止更大安全事故。
在较佳实施例中，所述直流母线还连接其他高压用电设备。
参看图2示出的本发明较佳实施例HVDCDC变换器的电路图，所述高压DC/DC包括依次连接的原边变换模块、高频变压器、副边变换模块，所述原边变换模块采用全桥拓扑结构，所述副边变换模块采用同步整流拓扑结构，副边变换模块包括第六开关Q6和第七开关Q7；所述第六开关Q6和第七开关Q7采用带有体二极管的MOS管。原边变换模块将C1、C2乃至Cn中的高压直流电变换为直流脉冲，经高频变压器传达给副边变换模块，副边变换模块进行整流后向低压电池充电。图2中Vhv为高压电容电压。
本发明还公开了一种混合主动放电电路控制方法，所述放电电路采用上述的混合主动放电电路，所述控制方法包括:放电前期，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；放电后期，所述高压电容通过放电支路进行放电。需要指出接收到控制器发出的主动放电指令后，启动高压DC/DC同时将其输出电压抬高给低压电池充电。具体抬高电压值由HVDCDC硬件参数与电压电池参数决定。
所述放电开始后检测所述高压电容电压，在高压电容电压高于门限电压时，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；在高压电容电压不高于门限电压时，所述高压电容通过放电支路进行放电；在高压电容电压低于阈值电压时，结束放电。在不同型号的设备中，门限电压会有所不同，在本专利中未做具体的限定。
在较佳实施例中，检测到高压电容电压不高于门限电压时，PTC开始放电之前，为保护PTC及其串联MOSFET Q1，前段时间控制放电开关Q1短时间内持续导通进行预放电，即PTC预放电。此PTC预放电过程，通过给定短时PTC放电使能。后段时间用PWM信号控制放电开关Q1间歇导通进行放电。PTC放电采用PWM脉冲使能放电方式，以降低PTC电阻及MOSFET Q1的损耗及热应力，进而提高可靠性。图3中， HVDCDC放电开始之前，也可以增加相同于PTC预放电的方式进行HVDCDC预放电，用来检测是否有继电器粘连等故障。
在较佳实施例中，进行预放电时，检测高压电容电压下降速率，高压电容电压下降速率不低于阈值速率时，结束放电，同时发出放电故障信号。
图3中， 检测到HV电压无法正常降低，或HV电压下降速率不符合设计需要，或放电时间超时（3s）等故障后，上报车身控制器进行保护预警。
在较佳实施例中，接收到控制器发出的主动放电指令后，计时器开始对放电时长T进行计时，当放电时长T大于等于放电时长阈值Tn时，结束放电。
参看图3示出的本发明较佳实施例控制流程图，所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1、检测是否有放电使能信号，如无则转结束放电，如有则转步骤2；
步骤2、开始对放电时长T进行计时；
步骤3、高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；
步骤4、检测高压电容电压是否低于高于门限电压，如高于门限电压且放电时长T小于放电时长阈值Tn则转步骤3，如不高于门限电压则转步骤5；
步骤5、停止高压DC/DC向低压电池充电；
步骤6、控制放电开关Q1短时间内持续导通进行预放电（该步骤对应图4中的T1～T2时间段）；
步骤7、检测高压电容电压下降速率，判断高压电容电压下降速率低于阈值速率，如低于阈值速率则转步骤8，如不低于阈值速率则结束放电同时发出放电故障信号；
步骤8、用PWM信号控制放电开关Q1间歇导通进行放电（该步骤对应图4中的T2～T3时间段）；
步骤9、判断高压电容电压是否低于阈值电压，如低于阈值电压则转步骤10，如不低于阈值电压且放电时长T小于放电时长阈值Tn则转步骤8；
步骤10、结束放电。
在较佳实施例中，所述放电时长阈值Tn为3秒，阈值电压的取值范围为50至60伏。
在较佳实施例中，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电时，所述第六开关Q6和第七开关Q7可以控制其进行同步整流，也可以通过其体二极管进行整流。参看图3，高压DC/DC向低压电池充电时同步整流管Q6和Q7也可以不开通，使用其寄生体二极管实现增加放电损耗，加快主动放电速度。
图4示出的是本发明较佳实施例波形时序图。
控制HVDCDC的启动与输出电平，和控制PTC放电线路的使能，两个控制对象分别通过Q2～Q5和Q6～Q7的驱动信号，Q1的驱动信号进行了实现，其中，Q6和Q7为HVDCDC副边侧的同步整流管。
T0 时刻接收到主动放电指令。
T0～T1，HVDCDC 输出电压抬高，开始主动放电，将高压电容能量转移到低压电池及部分消耗在HVDCDC 内部。
T1～T2，PTC预放电，此PTC预放电过程，通过给定短时PTC放电使能，并监测HV电压变化是否符合预设HV下降速率来判定。
T2～T3，PTC放电，将HVDCDC放电后剩余能量消耗在PTC电阻上，此过程采用PWM放电方式，降低PTC电阻和Q1的平均损耗。
T3 时刻，HV电容电压降低到安全电压以下。
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims (13)

1.一种混合主动放电电路，其特征在于,包括控制器和高压动力电池，高压动力电池通过直流母线分别连接高压逆变器、高压DC/DC，所述高压DC/DC连接低压电池，所述直流母线的正负母线之间连接高压电容，所述高压逆变器连接高压交流负载，所述低压电池连接低压电池负载，所述高压DC/DC的连接所述直流母线的输入端设有放电支路；
放电前期，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；
放电后期，所述高压电容通过放电支路进行放电。
2.如权利要求1所述的混合主动放电电路，其特征在于,所述放电支路包括串联的放电电阻PTC和放电开关Q1，所述放电开关Q1受控制器控制。
3.如权利要求1所述的混合主动放电电路，其特征在于,所述高压动力电池与直流母线之间串接电源开关SW1。
4.如权利要求1所述的混合主动放电电路，其特征在于,所述直流母线还连接其他高压用电设备。
5.如权利要求1至4任一项所述的混合主动放电电路，其特征在于,所述高压DC/DC包括依次连接的原边变换模块、高频变压器、副边变换模块，所述原边变换模块采用全桥拓扑结构，所述副边变换模块采用同步整流拓扑结构，副边变换模块包括第六开关Q6和第七开关Q7；所述第六开关Q6和第七开关Q7采用带有体二极管的MOS管。
6.一种混合主动放电电路控制方法，其特征在于,所述放电电路包括权利要求1至5任一项所述的混合主动放电电路，所述控制方法包括:放电前期，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；放电后期，所述高压电容通过放电支路进行放电。
7.如权利要求6所述的混合主动放电电路控制方法，其特征在于,所述放电开始后检测所述高压电容电压，在高压电容电压高于门限电压时，所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；在高压电容电压不高于门限电压时，所述高压电容通过放电支路进行放电；在高压电容电压低于阈值电压时，结束放电。
8.如权利要求7所述的混合主动放电电路控制方法，其特征在于,检测到高压电容电压不高于门限电压时，前段时间控制放电开关Q1短时间内持续导通进行预放电，后段时间用PWM信号控制放电开关Q1间歇导通进行放电。
9.如权利要求8所述的混合主动放电电路控制方法，其特征在于,进行预放电时，检测高压电容电压下降速率，高压电容电压下降速率不低于阈值速率时，结束放电，同时发出放电故障信号。
10.如权利要求9所述的混合主动放电电路控制方法，其特征在于,放电后开始对放电时长T进行计时，当放电时长T大于等于放电时长阈值Tn时，结束放电。
11.如权利要求10所述的混合主动放电电路控制方法，其特征在于,所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1、检测是否有放电使能信号，如无则转结束放电，如有则转步骤2；
步骤2、开始对放电时长T进行计时；
步骤3、高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电；
步骤4、检测高压电容电压是否低于高于门限电压，如高于门限电压且放电时长T小于放电时长阈值Tn则转步骤3，如不高于门限电压则转步骤5；
步骤5、停止高压DC/DC向低压电池充电；
步骤6、控制放电开关Q1短时间内持续导通进行预放电；
步骤7、检测高压电容电压下降速率，判断高压电容电压下降速率低于阈值速率，如低于阈值速率则转步骤8，如不低于阈值速率则结束放电同时发出放电故障信号；
步骤8、用PWM信号控制放电开关Q1间歇导通进行放电；
步骤9、判断高压电容电压是否低于阈值电压，如低于阈值电压则转步骤10，如不低于阈值电压且放电时长T小于放电时长阈值Tn则转步骤8；
步骤10、结束放电。
12.如权利要求11所述的混合主动放电电路控制方法，其特征在于,所述放电时长阈值Tn为3秒，阈值电压的取值范围为50至60伏。
13.如权利要求6所述的混合主动放电电路控制方法，其特征在于,所述高压电容通过高压DC/DC向低压电池充电时，所述第六开关Q6和第七开关Q7可以控制其进行同步整流，也可以通过其体二极管进行整流。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113612271A (zh) * 2021-07-16 2021-11-05 蜂巢传动系统(江苏)有限公司保定研发分公司 直流高压回路的主动放电方法、装置及车辆

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