CN113644646A

CN113644646A - 一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法

Info

Publication number: CN113644646A
Application number: CN202110851208.4A
Authority: CN
Inventors: 严世宝; 李茂�; 魏永峰; 王文兵
Original assignee: Hefei Tongzhi Electrical Control Technology Co ltd
Current assignee: Hefei Tongzhi Electrical Control Technology Co ltd
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2021-11-12
Anticipated expiration: 2041-07-27

Abstract

本发明公开了电压均衡控制领域的一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法，电压均衡控制方法步骤如下：步骤1：判断各负载为上电状态还是待机状态；步骤2：上电状态：高压直流母线上电，各双向预充电模块为负载电容预充电，电压均衡一致时，完成预充电工作；步骤3：待机状态：各负载的继电器开关断开，采集高压直流母线电压与各负载端的电压并判断大小，如电压差值大于阈值，则接通该路负载对应的双向预充电模块，使该路负载放电或被充电。本发明实现了各负载与高压母线之间缓启，消除了负载与高压直流母线硬接通时的电流冲击，有效避免或消除了潜在的过流和异常电流保护的风险，改善了电网的特性和提升了电网供电品质，净化了用电环境。

Description

一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法

技术领域

本发明涉及母线电压均衡领域，具体是一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法。

背景技术

电动新能源车辆普遍采取混合电压体制供电系统，普遍具备一条高压直流母线、一条低压直流母线，甚至具有两条不同电压等级的高压直流母线。高压直流母线上的设备以电力设备为主，如驱动电机、空调、冷却风扇、泵等，低压直流母线上的设备以电子设备为主。

车辆电力设备往往以电机类负载居多，电机类负载基本都配有控制器，控制器输入端会配置有不同容值大小的滤波电容、支撑电容。电容的特性，决定了电容两端电压不能突变。当电容初始电压值极低时(电容荷电状态低)，突然接通电源，电路中会产生很大的冲击电流(电容充电)，该充电电流的大小可能对电网、电路、设备、保护装置造成损伤、损害。同时负载的车辆任务工况运行，各任务负载处于不同时序的通、断控制，往往造成整个母线系统中电压的不均衡现象。

以高压直流母线电气系统为例，负载1～负载n相互并联接在高压母线上。假定负载1～负载n为自带控制器的电机类负载，控制器输入端有较大电容。各负载端电压与高压直流母线电压不平衡时，如若直连通电，会造成较大的冲击电流。电压不平衡现象至少包括以下几种：

1、高压直流母线电压高于负载端电压

此种情况，高压直流母线电压会直接加到电压较低的负载侧，该负载端会出现瞬时过冲大电流，对电网、设备造成冲击损伤、损害，电网稳定特性受到影响。甚至会造成该路安全阈值保护误动作，负载线路主动保护切断，负载无法正常工作的严重后果。

2、个别负载端电压高于高压直流母线电压

该种情况往往出现在电机类偏感性负载突然抛载或异常停止，电感中存储的能量迅速抬升负载侧电压，以及母线突然过载，电压跌落。电压高于母线的负载端电容便会通过固态功率管的体二极管向母线放电。该路负通路出现反向冲击电流，反向冲击电流具有以下危害：

a)反向电流不受控制，往往也无监控，会造成“隐蔽性”伤害；

b)反向冲击电流有害于高压继电器触点，并且造成高压继电器无法电磁灭弧，影响触点接触电阻和寿命；

c)反向电流会造成高压直流网络中两个方向的电流碰撞，串扰高压直流网络；

d)在具备反向电流检测预警的网络中会出现误报警、误动作等不期望的结果。

为避免上述电压不均衡的现象，改善和提高电网的供电品质，需要对各负载和高压直流母线之间做好电压均衡控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法，包括高压直流母线，所述高压直流母线与高压输入电源、储能单元、安全监控装置连接，所述高压直流母线上并联有多路负载，每路负载均与高压直流母线之间各自连接有常开的继电器开关与双向预充电模块，所述继电器开关与双向预充电模块并联；电压均衡控制方法步骤如下：

步骤1：判断高压直流母线上各负载为上电状态还是待机状态，上电状态转为步骤2，待机状态转为步骤3；

步骤2：高压直流母线接通电源，各路负载连接的继电器开关断开，各个双向预充电模块为负载电容预充电，各负载电容与高压直流母线的电压均衡一致时，完成预充电工作，开始各负载的配电；

步骤3：待机状态下各负载对应的继电器开关处于断开状态，采集高压直流母线电压与各负载两端的电压，并判断高压直流母线电压与负载电压的大小，如果电压差值大于阈值，则接通该路负载对应的双向预充电模块，使该路负载放电或被充电。

在一些实施例中，步骤3中，当同时存在电压高于、低于高压直流母线电压的负载时，两种负载之间相互连通，使电压较高的负载向电压较低的负载充电，直到电压差达到设定值。

在一些实施例中，所述高压直流母线上各负载之间连接有公共放电装置。

在一些实施例中，高压直流母线通过一个总双向预充电模块与各负载连接，总双向预充电模块上并联有常开的总开关，各负载与高压直流母线的连接线路上各串联有常开的继电器开关；则电压均衡控制方法步骤如下：

步骤2：高压直流母线接通电源，依次判断各负载端的电压是否满足设定条件，如果满足，则该路继电器开关维持断开状态，如果不满足，则接通继电器开关，总双向预充模块为所有不满足设定电压条件的负载电容预充电，直至所有负载电容均满足设定条件后，总开关接通，各路负载的继电器开关接通，使高压直流母线与负载直连；

步骤3：采集高压直流母线电压与各负载端的电压，并判断高压直流母线电压与负载电压的大小，如果电压差值大于阈值，则接通该路负载对应的继电器开关。

在一些实施例中，所述设定条件指负载端的电压达到高压直流母线电压的95％～99％。

在一些实施例中，各路负载的继电器开关与防反二极管串联。

在一些实施例中，当任一路负载的电压达到高压直流母线电压的95％～99％时，接通该路的继电器开关，使高压直流母线直接对该路负载完成充电，然后进行该路负载的配电。

有益效果：本发明实现了各负载与高压母线之间缓启，消除负载与高压直流母线硬接通时的电流冲击，有效避免或消除了潜在的过流和异常电流保护的风险，改善了电网的特性和提升了电网供电品质，净化了用电环境。

附图说明

图1为本发明实施例1的原理图；

图2为本发明实施例1具有防反二极管时的原理图；

图3为本发明实施例2的原理图；

图4为本发明实施例2具有防反二极管时的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，参见图1，本实施例采用各种独立的双向预充电模块实现负载与母线之间的电压均衡控制。具体而言，高压直流母线与高压输入电源、储能单元、安全监控装置连接，高压直流母线上对地并联有1～n路负载，每路负载均与高压直流母线之间各自连接有常开的继电器开关与双向预充电模块，继电器开关与双向预充电模块并联(继电器开关为常开开关)。电压均衡控制方法步骤如下：

步骤2：常规情况下，高压直流母线初始上电时，各路负载无电压或残余电压在安全电压范围内，高压直流母线接通电源，各路负载连接的继电器开关为断开状态，此时通过各自负载回路上的双向预充电模块对负载前端的滤波、支撑电容进行预充电，实现负载1～负载n输入端的电容两端电压与高压直流母线的电压相互之间达成均衡，达到该条件后，负载方可配电运行。

在充电的过程中，当任一路负载两端的电压达到高压直流母线电压的95％～99％时，则接通该路的继电器开关，即旁路掉该路的双向预充电模块，使高压直流母线直接完成对该路负载充电，然后进行该路负载的配电。

步骤3：在待机状态下，待机状态下各负载对应的继电器开关处于断开状态，采集高压直流母线电压与各个负载两端的电压，并判断高压直流母线电压与各负载电压的大小。

当负载电压高于高压直流母线电压时，接通该路负载对应的双向预充电模块，使该路负载朝向高压直流母线放电，直至负载和母线电压平衡。

当负载电压低于高压直流母线电压时，接通该路负载对应的双向预充电模块，使高压直流母线对该路负载单独充电，实现电压平衡。

当同时存在电压高于、低于高压直流母线电压的负载时，除了采用上述两种方式，使得负载朝向高压直流母线放电或被充电之外，还可以同时连接电压高与电压低的两种负载，使电压较高的负载向电压较低的负载充电，直到电压差达到设定值，实现电压平衡。

高压直流母线上各负载之间连接有公共放电装置。当负载停止运行，系统断电之后(断开继电器开关)，可以选择控制需要放电的负载支路，通过公共放电装置进行放电。高压直流电气系统中只需要配置一组放电装置即可以实现全高压直流电气系统设备的断电放电任务。

实施例2，如图3所示，与实施例1的区别在于，本实施例采用一个总双向预充电模块实现各负载与母线之间的电压均衡控制。各负载与高压直流母线的连接线路上各串联有常开的继电器开关，总双向预充电开关上并联有总开关。由于各负载电容值大小不等，各负载开始工作条件不同，同一时刻，各路负载的电压值存在差异。负载工作过程中，动态的突加、突减，复杂工况的叠加、交替，往往会出现负载1～负载n与高压直流母线相互之间电压不均衡的现象。

本实施例中，高压直流母线上连接有超级电容、储能单元、外接电源、一体化电源(超级电容、储能单元、外接电源、一体化电源统称电源)，超级电容、储能单元由各自的BMS或充电电路负责充电和电压平衡，通过主控单元策略运算控制，可以实现车载多个负载电压与高压直流母线电压之间的均衡控制。

电压均衡控制方法步骤如下：

步骤2：常规情况下，高压直流母线初始上电时，各路负载无电压或残余电压，在安全电压范围内，高压直流母线接通电源，依次判断各负载端的电压是否满足设定条件。如果满足，则该路继电器开关维持断开状态，如果不满足，则接通继电器开关，总双向预充模块为所有不满足设定电压条件的负载电容预充电。这里的设定条件指负载端的电压达到高压直流母线电压的95％～99％。直至所有负载电容均满足设定条件后，总开关接通，各路负载的继电器开关接通，使高压直流母线与负载直连。

当总负载电容容值在20000μF以内时，采用恒流5A的双向预充电模块可以在5s时间将电容两端电压升到母线电压的99％。

总双向预充电模块主要工作在负载上电前的准备阶段。在高压直流母线上电前，所有的负载端继电器都是断开状态。然后上电时根据预充电的需要(负载特性类型，是否含有容性)判断，是同时预充还是分时分批预充。由于双向预充电模块采用BUCK电路PWM控制方式，功率管开关损耗占总损耗的比例较大，功率管具有一定量的温升。当双向预充电模块需要进行宽范围的环境温度的适应性，且负载总电容较大时，需要进行分批、分段进行充电。

具体而言，在同一批次充电过程中，如果判断某些回路的负载预充电已达到设定条件，某些回路的负载预充电仍未达到要求，则重复执行步骤2，重新按顺序判断各负载端的电压是否达到要求，进行下一批次的预充电。为了防止有倒灌或反充，在进行下一批预充电之前，上一批已经达到设定条件的负载连接的继电器开关断开，使其电压自持。反复执行步骤2，直至所有负载端电压均达到高压直流母线电压的95％～99％时，即可通过总开关直接旁路掉双向预充电模块，实现负载与高压直流母线的直连，完成充电过程。一般情况下，一个批次内即可完成使负载端电压均达到设定条件。

步骤3：高压直流母线上各负载为待机状态时，待机状态下各负载对应的继电器开关处于断开状态，采集高压直流母线与各负载两端的电压进行自检，如果检测到个别负载端电压高于高压直流母线电压时，系统只接通该路负载。譬如负载5的两端电压高于高压直流母线电压，则接通负载5对应的继电器开关K25，通过总双向预充电模块的反向充电功能，将该负载端电容上的电荷转移到高压直流母线上储能单元、超级电容内，从而降低了负载端电容电压，实现负载端电压与高压直流母线电压之间的均衡。由于高压直流母线上容量极高(相对于单一负载端)，负载对高压直流母线放电过程基本上不会影响母线电压的明显变化。

如图2、4所示，上述实施例1、2中的高压直流电气系统工作过程中，由统一电源进行供电，在正常配电过程中，一般不会出现负载电压高于母线电压的现象，也不会出现各负载间电压明显差异的情况。然而在典型抛载试验或特殊任务工况下，的确会出现负载端电压升高的瞬态情况，该负载支路会出现瞬时反向冲击电流。此种情况，可以在各路负载的继电器开关正向串联防反二极管，则在负载端电压达到设定条件之后，无需断开该路的继电器开关，防反二极管起着阻断负载端电流向其他负载端反灌的防反作用。

安装防反二极管后，负载控制器(或固态配电模块)需要完善的保护措施，如过压吸收、RCD续流、吸收回路等措施。对抛载的动态过程产生的反向电势进行有效吸收。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims

1.一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法，包括高压直流母线，所述高压直流母线与高压输入电源、储能单元、安全监控装置连接，所述高压直流母线上并联有多路负载，其特征在于，

每路负载均与高压直流母线之间各自连接有常开的继电器开关与双向预充电模块，所述继电器开关与双向预充电模块并联；电压均衡控制方法步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法，其特征在于，步骤3中，当同时存在电压高于、低于高压直流母线电压的负载时，两种负载之间相互连通，使电压较高的负载向电压较低的负载充电，直到电压差达到设定值。

3.根据权利要求1所述的一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法，其特征在于，所述高压直流母线上各负载之间连接有公共放电装置。

4.根据权利要求1所述的一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法，其特征在于，高压直流母线通过一个总双向预充电模块与各负载连接，总双向预充电模块上并联有常开的总开关，各负载与高压直流母线的连接线路上各串联有常开的继电器开关；则电压均衡控制方法步骤如下：

5.根据权利要求4所述的一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法，其特征在于，所述设定条件指负载端的电压达到高压直流母线电压的95％～99％。

6.根据权利要求1或4所述的一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法，其特征在于，各路负载的继电器开关与防反二极管串联。

7.根据权利要求1所述的一种多个任务负载与母线之间的电压均衡控制方法，其特征在于，当任一路负载的电压达到高压直流母线电压的95％～99％时，接通该路的继电器开关，使高压直流母线直接对该路负载完成充电，然后进行该路负载的配电。