CN114744308A - 一种新能源车辆的直流功率双向控制装置及方法 - Google Patents

一种新能源车辆的直流功率双向控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新能源车辆的直流功率双向控制装置及方法，装置包括整车控制系统、低压控制单元和功率控制单元，功率控制单元包括串联连接的正向功率开关器件和反向功率开关器件；低压控制单元获取整车控制系统的控制信号，向功率控制单元发送控制指令，用于控制正向功率开关器件的通断，以及控制反向功率开关器件的通断。本发明增加低压控制单元和功率控制单元，且功率控制单元包括串联连接的正向功率开关器件和反向功率开关器件，通过低压控制单元控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断，实现电池系统输入输出的控制，提高了高压功率控制的快速性及多样性，满足新能源车辆在不同场景下对直流功率控制的需求。

Description

一种新能源车辆的直流功率双向控制装置及方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其是一种新能源车辆的直流功率双向控制装置及方法。
背景技术
动力电池系统作为新能源车辆特有的能量存储装置，关系到整车的安全性、动力经济性、维护使用成本等消费者所关心的性能。动力电池系统由于化学材料的存在，其使用及输出性能受到温度、自身状态等各方面因素的影响，当温度过低时或SOC(电池荷电状态，是电池当前电量与总电量的比值)过高时，应禁止动力电池系统输入电流；当SOC过低时，应禁止动力电池系统输出电流；当动力电池系统发生故障或者需要整车进行高压断电时，应禁止动力电池系统输入输出电流。
在传统整车应用中，一般会在直流功率回路中串联接入高压继电器，借此实现高压回路的关闭和导通功能。但继电器的控制原理为机械动作，无法实现单向导通或关闭，所能实现的功能较为单一且体积较大，无法与控制器进行深入有效集成。
专利文件CN201621230148.5通过手动切断开关与设置在高压配电装置内的接触器控制端进行操作实现对高压电的快速切断，避免当新能源车辆的高压电设备出现故障或遇紧急情况需立刻切断高压电时车辆发生危险，其目的是在自动控制关断失效时进行手动控制，为故障状态的备选方案，使用情况较单一。专利文件CN201910805225.7提供一种新能源汽车高压电源紧急切断的控制系统、方法及新能源汽车，能提升新能源汽车在高压电源紧急切断的可靠性，但其切断实现依靠高压继电器，关断速度较慢，且关断为双向关断，无法实现特定功率方向的控制。
发明内容
本发明提供了一种新能源车辆的直流功率双向控制装置及方法，用于解决现有对电池功率的输入输出控制反向单一的问题。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明第一方面提供一种新能源车辆的直流功率双向控制装置，包括整车控制系统，所述控制装置还包括低压控制单元和功率控制单元，所述功率控制单元包括串联连接的正向功率开关器件和反向功率开关器件；
所述低压控制单元获取整车控制系统的控制信号，向所述功率控制单元发送控制指令，用于控制所述正向功率开关器件的通断，以及控制所述反向功率开关器件的通断。
进一步地，所述正向功率开关器件包括第一受控回路和第一非受控回路，所述第一受回路连接所述低压控制单元，所述第一受控回路和所述第一非受控回路的导通方向相反；所述反向功率开关器件包括第二受控回路和第二非受控回路，所述第二受控回路连接所述低压控制单元，所述第二受控回路和第二非受控回路的导通方向相反。
进一步地，所述正向功率开关器件和反向功率开关器件均为MOS管或IGBT管。
进一步地，所述正向功率开关器件为单个器件或若干并联连接的单个器件组成的器件组；所述反向功率开关器件为单个器件或若干并联连接的单个器件组成的器件组。
进一步地，所述控制装置还包括电机系统，所述电机系统分别连接所述功率控制单元和整车控制系统。
本发明第二方面提供了一种新能源车辆的直流功率双向控制方法，基于所述的控制装置，所述控制方法包括以下步骤：
根据车辆的当前状态、驾驶需求及上下电控制逻辑，整车控制系统向低压控制单元发送控制信号；
所述低压控制单元基于所述控制信号，控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断。
进一步地，所述控制信号为高压上电指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向开关器件和反向功率开关器件均导通；
电流通过正向功率开关器件的第一受控回路和反向功率开关器件的第二非受控回路流出动力电池系统；电流通过反向功率开关器件的第二受控回路和正向功率开关器件的第一非受控回路流入动力电池系统。
进一步地，所述控制信号为禁止输入功率指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向功率开关器件导通，反向功率开关器件关断；
电流通过正向功率开关器件的第一受控回路和反向功率开关器件的第二非受控回路流出动力电池系统。
进一步地，所述控制信号为禁止输出功率指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向功率开关器件关断，反向功率开关器件导通；
电流通过反向功率开关器件的第二受控回路和正向开光功率器件的第一非受控回路流入动力电池系统。
进一步地，所述控制信号为高压下电指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向功率开关器件和反向功率开关器件均关断；
动力电池系统无输入输出功率。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
1、本发明在现有车辆控制装置的基础上，增加低压控制单元和功率控制单元，且功率控制单元包括串联连接的正向功率开关器件和反向功率开关器件，通过低压控制单元控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断，实现电池系统输入输出的控制，包括仅输出功率、仅输入功率、同时输入输出功率以及禁止输入输出功率。提高了高压功率控制的快速性及多样性，满足新能源车辆在不同场景下对直流功率控制的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述装置实施例的结构示意图；
图2是本发明所述方法实施例的流程示意图；
图中110动力电池系统、111功率控制单元、102正向功率开关器件、103反向功率开关器件、104低压控制单元、112整车控制系统、107电机系统、108电机控制及驱动单元、109永磁同步驱动电机。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
新能源车辆相对传统内燃机车辆，增加了动力电池系统及驱动电机系统，动力电池系统为高压电能存储装置，在乘用车中电压平台多为300V平台，商用车中的电压平台多为600V平台，因此，为保证整车及司乘安全需要对整车高压进行可靠防护，其中最为重要的一点就是可以对高压回路进行快速关断及导通。
对于动力电池系统而言，受电池材料及电池容量的影响，在某些条件下需要对电池的使用状态进行限制，比如在低温条件下锂离子电池充电比较困难，充电时其负极表面易堆积形成金属锂，锂枝晶的生长会刺穿电池隔膜，造成电池内部短路，不仅对电池造成永久性损伤，还会诱发电池热失控，导致其使用安全性大大降低。在电池SOC过低或过高时，也应适时切断电池的输入输出功率回路，防止动力电池系统过充或过放。
对于驱动电机系统而言，受电机扭矩控制精度和系统故障处理方法的不同，电机系统会产生非预期的驱动或制动扭矩，会对动力电池系统产生输入或输出功率，这种现象对于高速电机系统更为明显。
综上所述，在整车应用工况特别是电机系统零扭矩或处于故障状态时，为避免非预期的输入输出功率对动力电池系统产生影响，同时为了提高整车高压电气的开通和关断速度，本发明提出了基于功率开关器件的快速双向直流功率控制装置。
如图1所示，本发明实施例提供了一种新能源车辆的直流功率双向控制装置，包括整车控制系统112，所述控制装置还包括低压控制单元104和功率控制单元111，所述功率控制单元111包括串联连接的正向功率开关器件102和反向功率开关器件103；所述低压控制单元104获取整车控制系统112的控制信号，向所述功率控制单元111发送控制指令，用于控制所述正向功率开关器件102的通断，以及控制所述反向功率开关器件103的通断。
整车控制系统112采集油门踏板信息并转换为电机的扭矩指令，通过CAN总线与电机系统107进行信息交互，包含电机系统107给的需求扭矩以及电机系统107的当前状态；通过CAN总线与动力电池系统110、低压控制单元104、电机系统107进行通讯，向电机系统107发送整车扭矩需求指令，确定动力电池系统的电压、电流及SOC等信息；同时根据整车控制逻辑向低压控制单元104发送高压电气系统的控制指令。
动力电池系统110为整车的能量储存装置，驱动状态下输出电能至电机控制及驱动单元108，电机控制及驱动单元108控制电机将电能转换为机械能输出，制动条件下将电机输入的机械能转换为电能进行存储，同时将电压、电流及SOC等自身状态参数发送至整车控制系统112。
低压控制单元104：可以为独立的控制单元，也可集成在整车控制器或其他控制器中，该控制单元具备功率开关器件的控制驱动电路，可使开关器件实现受控的正向导通或正向关闭。
电机系统107用于接收整车控制系统的扭矩需求，并根据预设的电流MAP将扭矩指令转变为id/iq(id和iq分别表示电机定子的d轴和q轴电流)指令，通过电流调节算法对id/iq进行闭环调节，输出PWM指令控制三相桥中IGBT器件的通断，实现id/iq电流的实时控制。在驱动工况下，电机系统消耗动力电池系统的电能，直流侧电流方向为正；在制动工况下，电机系统产生电流，向动力电池系统充电，直流侧电流方向为负。
功率控制单元111两个同类型的功率开关器件，根据应用电压的不同，功率开关器件可以是IGBT或MOSFET；根据直流电流的不同，功率开关器件可以为单个器件，也可采用多个器件并联的方式。功率开关器件中包含两个通路，受控回路通路和不受控通路，受控回路的通断受外部驱动信号控制，以正向使用为例，受控回路可以根据控制信号实现正向导通和正向关断两种状态，不受控回路则提供反向的常导通状态。
具体来说，所述正向功率开关器件102包括第一受控回路和第一非受控回路，所述第一受回路连接所述低压控制单元，所述第一受控回路和所述第一非受控回路的导通方向相反；所述反向功率开关器件103包括第二受控回路和第二非受控回路，所述第二受控回路连接所述低压控制单元，所述第二受控回路和第二非受控回路的导通方向相反。
功率控制单元111中的两个功率开关器件错向串联使用，其中功率开关器件102为正向使用，功率开关器件103为反向使用，以电流方向由动力电池正端流出，负端流入为正方向定义，正向功率开关器件102中包含受控的电流正向通道，不受控的电流负向通道；反向功率开关器件103中包含不受控的电流正向通道，受控的电流负向通道。
低压控制单元104根据总线指令或者既定策略通过驱动控制电路控制功率开关器件102及103的可控通路的通断。根据正向功率开关器件102和反向功率开关器件103的不同状态组合，实现动力电池功率的各方向控制。
如图2所示，本发明实施例还提供了一种新能源车辆的直流功率双向控制方法，基于上述控制装置，所述控制方法包括以下步骤：
S1,根据车辆的当前状态、驾驶需求及上下电控制逻辑，整车控制系统向低压控制单元发送控制信号；
S2,所述低压控制单元基于所述控制信号，控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断。
下面对动力电池系统功率的方向控制进行举例说明：
1)当所述控制信号为高压上电指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向开关器件和反向功率开关器件均导通；
电流通过正向功率开关器件的第一受控回路和反向功率开关器件的第二非受控回路流出动力电池系统；电流通过反向功率开关器件的第二受控回路和正向功率开关器件的第一非受控回路流入动力电池系统，此时动力电池可以自由输入输出功率。
2)当所述控制信号为禁止输入功率指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向功率开关器件导通，反向功率开关器件关断；
电流通过正向功率开关器件的第一受控回路和反向功率开关器件的第二非受控回路流出动力电池系统，同时屏蔽电机系统的驱动扭矩。
3)当所述控制信号为禁止输出功率指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向功率开关器件关断，反向功率开关器件导通；
电流通过反向功率开关器件的第二受控回路和正向开光功率器件的第一非受控回路流入动力电池系统。
4)当所述控制信号为高压下电指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向功率开关器件和反向功率开关器件均关断；
动力电池系统无输入输出功率，同时屏蔽电机系统的驱动扭矩。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种新能源车辆的直流功率双向控制装置，包括整车控制系统，其特征是，所述控制装置还包括低压控制单元和功率控制单元，所述功率控制单元包括串联连接的正向功率开关器件和反向功率开关器件；
所述低压控制单元获取整车控制系统的控制信号，向所述功率控制单元发送控制指令，用于控制所述正向功率开关器件的通断，以及控制所述反向功率开关器件的通断。
2.根据权利要求1所述新能源车辆的直流功率双向控制装置，其特征是，所述正向功率开关器件包括第一受控回路和第一非受控回路，所述第一受回路连接所述低压控制单元，所述第一受控回路和所述第一非受控回路的导通方向相反；所述反向功率开关器件包括第二受控回路和第二非受控回路，所述第二受控回路连接所述低压控制单元，所述第二受控回路和第二非受控回路的导通方向相反。
3.根据权利要求2所述新能源车辆的直流功率双向控制装置，其特征是，所述正向功率开关器件和反向功率开关器件均为MOS管或IGBT管。
4.根据权利要求2所述新能源车辆的直流功率双向控制装置，其特征是，所述正向功率开关器件为单个器件或若干并联连接的单个器件组成的器件组；所述反向功率开关器件为单个器件或若干并联连接的单个器件组成的器件组。
5.根据权利要求1-4任一项所述新能源车辆的直流功率双向控制装置，其特征是，所述控制装置还包括电机系统，所述电机系统分别连接所述功率控制单元和整车控制系统。
6.一种新能源车辆的直流功率双向控制方法，基于权利要求1所述的控制装置，其特征是，所述控制方法包括以下步骤：
根据车辆的当前状态、驾驶需求及上下电控制逻辑，整车控制系统向低压控制单元发送控制信号；
所述低压控制单元基于所述控制信号，控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断。
7.根据权利要求6所述新能源车辆的直流功率双向控制方法，其特征是，所述控制信号为高压上电指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向开关器件和反向功率开关器件均导通；
电流通过正向功率开关器件的第一受控回路和反向功率开关器件的第二非受控回路流出动力电池系统；电流通过反向功率开关器件的第二受控回路和正向功率开关器件的第一非受控回路流入动力电池系统。
8.根据权利要求6所述新能源车辆的直流功率双向控制方法，其特征是，所述控制信号为禁止输入功率指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向功率开关器件导通，反向功率开关器件关断；
电流通过正向功率开关器件的第一受控回路和反向功率开关器件的第二非受控回路流出动力电池系统。
9.根据权利要求6所述新能源车辆的直流功率双向控制方法，其特征是，所述控制信号为禁止输出功率指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向功率开关器件关断，反向功率开关器件导通；
电流通过反向功率开关器件的第二受控回路和正向开光功率器件的第一非受控回路流入动力电池系统。
10.根据权利要求6所述新能源车辆的直流功率双向控制方法，其特征是，所述控制信号为高压下电指令时，所述控制正向功率开关器件和反向功率开关器件的通断具体为：
低压控制单元控制正向功率开关器件和反向功率开关器件均关断；
动力电池系统无输入输出功率。
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