CN1944098A - 混合动力车辆用的一体化电源控制平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合动力车辆用的一体化电源平台，属于混合动力车辆的能量管理技术领域，适用于大功率驱动的混合动力车辆，尤其是混合动力客车和混合动力军用车辆。为解决目前混合动力车辆的车载电源多、能量效率低的缺点，本发明旨在提供一种多电源集成优化设计、集中布置冷却的统一电源平台。该电源平台分别由①斩波器、②逆变器1、③逆变器2、④逆变器3、⑤功率电子开关、⑥能耗制动开关、⑦能耗制动电阻、⑧整流逆变一体化装置和⑨直流母线组成。本发明的统一电源平台的电源工作效率高、散热效果好，而且一体化电源的体积、质量有所减小，有利于改善车内空间布置和改善电源冷却。

Description

混合动力车辆用的一体化电源控制平台
技术领域
本发明属于混合动力车辆(HEV，Hybrid Electric Vehicle)的能量管理系统(EMS，EnergyManagement System)技术领域，特别涉及混合动力车辆的电源一体化(IPS，IntegrativePower Supply)技术，更确切的说，本发明提出了一种混合动力车辆用的一体化电源控制平台，适用于采用混合动力系统的大客车、军用履带车辆等混合动力车辆。
背景技术
为了应对世界范围内日益严格的环保法规和未来的石油资源短缺，电动车辆(EV，Electric Vehicle)技术成为目前车辆工程(VE，Vehicle Engineering)领域最有发展前景的技术领域之一。跟纯电动车辆(EV，Electric Vehicle)和燃料电池车辆(FCEV，Fuel CellElectric Vehicle)相比，混合动力车辆由于成本相对低廉、关键技术更易于实现而成为发展最为迅速的电动车辆。
混合动力系统将发动机(Engine)与动力电池组(Power Batteries)的功率进行耦合，以驱动混合动力车辆行驶。在大功率混合动力车辆中，一方面包括交流电机(Motor)、变频器(Frequency Inverter)、冷却系统电源、制动系统电源与控制系统电源等众多电源设备，而各种元件用电体制却不尽相同；另一方面混合动力车辆作为一个大功率电源平台，要为多种车载电气设备提供电源。因此，在混合动力车辆上，不同用电体制的电源设备众多而相互独立，导致电源系统的结构复杂、效率低下、发热严重、冷却困难等问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的缺点，提出一种混合动力车辆用的一体化电源控制平台。该电源平台一方面实现了多个电源集成优化设计、集成优化控制，提高了电源的能量效率；另一方面实现了多个电源集中布置，综合冷却，并且有效的避免电磁干扰。电源一体化技术减小了车载电源的总体质量和体积，改善了混合动力车辆的车内空间布置和车辆动力性。
针对上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现。混合动力车辆用的一体化电源控制平台具有如下拓扑结构：动力电池组的正、负极并联在一组电源模块输入端的正、负极，包括斩波器、逆变器1、逆变器2、逆变器3和功率电子开关；而功率电子开关输出端的正、负极与整流逆变一体化装置输出端的正、负极并联在一起，其正、负极连接到直流母线的两极；能耗制动开关和能耗制动电阻串联，正、负极分别连接到直流母线的两极。
本发明具体实现方案如下：一体化电源控制平台的逆变器1、逆变器2、逆变器3和斩波器功率等级相同，其主回路共用同一组滤波电容、主控制芯片元件，实现了四个电源的一体化设计和集成优化控制，提高了能量效率，减少了发热量。
一体化电源控制平台采用七个电源在同舱内集中布置、综合冷却的技术，节省了车舱内部空间，改善了冷却管路布置，改善了电源的散热效果，并且有效的避免了电磁干扰。
一体化电源控制平台集成优化设计、元件设备共享，取消了混合动力车辆发动机的专用启动电机，取消了低压控制回路的专用直流发电机，缩小了设备体积，减轻了车载质量。一方面，混合动力车辆取消了发动机的启动电机，由发电机工作在电动状态来反拖并启动发动机，此时，整流逆变一体化装置工作在逆变状态，功率电子开关打开，能量从动力电池组经功率电子开关流向直流母线，再经整流逆变一体化装置转化后流向发电机，以拖动发动机启动；发动机启动后，发电机将工作在发电状态，而整流逆变一体化装置工作在整流状态，功率由发动机发出，经发电机、整流逆变一体化装置转换后流向直流母线。另一方面，在动力电池组的正、负极和车载低压控制回路的正、负极之间设置斩波器，取消了原车载24V电池组的充电用直流发电机，将发电机变换成为DC/DC变换器，简化了系统结构，提高了能量转化效率，改善了电源品质。若发动机关闭，混和动力车辆由动力电池组单独驱动时，动力电池组的能量仍可以经斩波器变换流向24V控制回路和车载电器系统，并长时间为其供电。斩波器为24V控制回路和车载电器系统提供了稳定、可靠、高品质的电源。
在动力电池组的正、负极和直流母线的正、负极之间设置功率电子开关，根据混和动力车辆的能量管理策略来控制该开关的通断，进而控制动力电池组是否连接到直流母线，以及不同的工作状态下的能量流动方向。
在能耗制动电阻和直流母线之间设置能耗制动开关，根据混和动力车辆的能量管理策略来控制该开关的通断，进而选择是否需要接通能耗制动电阻，以消耗回收的制动能量。
在动力电池组的正、负极和制动油泵电机的输入端之间设置逆变器3，该逆变器为制动油泵电机提供了充足、稳定、品质可靠的能量源，确保其在各种工况下，尤其静音行驶和驻车制动时，都可以可靠工作。该电机、逆变器设计为伺服系统，车辆行驶时不消耗能量；车辆制动时，缩短了制动油泵的响应时间。
在动力电池组的正、负极和冷却风扇电机的输入端之间设置逆变器2，实现冷却风扇的交流驱动电机的变频调速。逆变器根据冷却对象的温度变化自动调节电机转速以及风扇转速，保证该电机可靠工作并节约能源。
在动力电池组的正、负极和冷却水泵电机的输入端之间设置逆变器1，实现冷却风扇的交流驱动电机的变频调速。逆变器根据冷却对象的温度变化自动调节电机转速，进而调节冷却水流量，保证该电机可靠工作并节约能源。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：第一，一体化电源控制平台实现了四个电源结构集成优化设计、重要元件共享、实施集成控制，提高了电源的能量效率，降低了电源的发热量；第二，一体化电源控制平台实现了多个电源集中布置，综合冷却，改善了系统的散热性能，兼顾了电磁兼容性能；第三，一体化电源控制平台代替了原有技术方案中的发动机的启动电机和控制系统的直流发电机，精简、优化了系统结构，减小了一体化电源的总体质量和体积，改善了混合动力车辆的车内布置空间。
附图说明
图1一体化电源控制平台结构方框图；
图中，元件1-9为一体化电源控制平台的内部结构，10-23为跟一体化电源平台相关的系统。具体的说，1为斩波器，2为逆变器一，3为逆变器二，4为逆变器三，5为功率电子开关，6为能耗制动开关，7为能耗制动电阻，8为整流逆变一体化装置，9为直流母线，10为动力电池组，11为发动机，12为增速箱，13为发电机，14为控制系统与车载低压电器，15为冷却水泵电机，16为冷却风扇电机，17为制动油泵电机，18为变频器一，19为驱动电机，20为驱动轮一，21为变频器2，22为驱动电机2，23为驱动轮2；
图2混合动力车辆结构原理图；
图中，01为动力电池组，02为发动机，03为增速箱，04为发电机，05表示一体化电源控制平台，06为控制系统与低压电器系统，07为冷却水泵电机，08为冷却风扇电机，09为制动油泵电机，10为直流母线，11为变频器一，12为驱动电机一，13为驱动轮一，14为变频器二，15为驱动电机二，16为驱动轮二；
图3一体化电源控制平台内部结构原理图；
图中，①为斩波器，②为逆变器1，③为逆变器2，④为逆变器3，⑤为功率电子开关，⑥为能耗制动开关，⑦为能耗制动电阻，⑧为整流逆变一体化装置，⑨为直流母线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
图1中，动力电池组10的正、负极与直流母线9之间设置功率电子开关5，用以控制动力电池组是否与直流母线接通。该功率电子开关是受控元件，它的通断决定于整车能量管理和驱动控制策略。
图1中，能耗制动电阻7的一端与直流母线9之间设置能耗制动开关6，用以控制变频器一18、变频器二21是否向能耗制动电阻放电。该能耗制动开关是受控元件，它的通断决定于直流母线电压与两个变频器的耐压。
图1中，发动机11取消了常规的启动电机。当启动发动机时，功率电子开关5导通，整流逆变一体化装置8工作在逆变模式，动力电池组10的电能经功率电子开关5、直流母线9和整流逆变一体化装置8流向发电机13，发电机工作在电动状态，用以反拖、启动发动机；当发动机启动以后，发电机工作在发电状态，整流逆变一体化装置工作在整流模式，为直流母线输送功率。
图1中，动力电池组10的正、负极与控制系统14之间设置斩波器1，确保控制回路的24V电池的端电压维持在合理的范围之内。当该电池端电压偏低时，斩波器及时予以充电，保证低压控制回路工作可靠；当该电池端电压偏高时，斩波器暂时停止工作，节约能量。
图1中，冷却水泵15、冷却风扇16和制动油泵17的驱动电机都采用交流电机，在电机与动力电池组10的输出端之间分别设置逆变器一2、逆变器二3和逆变器三4。三个逆变器分别为三台变频调速的电机提供稳定、高品质的电源输出。而且，三台逆变器与斩波器1功率等级相当，所以，四个电源集成优化设计，共用一组滤波电容、控制芯片元件；四个电源集中布置，共用一副外壳和支架，也改善了冷却管路布置及其散热效果。
由于采用集成设计和集中布置的技术方案，本发明的一体化电源控制平台具有这样的有益效果，即简化系统结构，提高电源的能量效率，减少并改善散热，减小装置总体体积和质量，改善车内空间布置。

Claims (8)

1.一种混合动力车辆用的一体化电源控制平台，为整车的驱动系统、控制系统、制动系统、冷却系统、车载辅助电器系统提供电能，其特征是，动力电池组的正、负极并联到一组电源模块的输入端的正、负极，包括斩波器、逆变器1、逆变器2、逆变器3和功率电子开关，而功率电子开关的输出端的正、负极与整流逆变一体化装置的输出端的正、负极并联在一起，连接到直流母线的正、负极；能耗制动开关和能耗制动电阻串联，两端分别连接在直流母线的正、负极；一体化电源控制平台实现四个电源模块集成优化设计，即逆变器1、逆变器2、逆变器3和斩波器共用一组滤波电容、主控制芯片元件；一体化电源控制平台实现七个电源模块的集中布置，避免电磁干扰，实现综合冷却。
2.根据权利要求1所述的一体化电源控制平台，其特征是：混合动力车辆取消了发动机的启动电机，由发电机工作在电动状态来代替所述的启动电机以启动发动机，而整流逆变一体化装置工作在逆变状态为发电机提供能量。
3.根据权利要求1所述的一体化电源控制平台，其特征是：在动力电池组的正、负极和直流母线的正、负极之间设置功率电子开关，所述功率电子开关的通断由混合动力车辆的整车控制策略来决定，用以选择动力电池组是否连接到直流母线。
4.根据权利要求1所述的一体化电源控制平台，其特征是：在能耗制动电阻和直流母线之间设置能耗制动开关，所述的能耗制动开关的通断由混合动力车辆的整车控制策略来决定，用以选择能耗制动电阻是否消耗制动回收能量。
5.根据权利要求1所述的一体化电源控制平台，其特征是：在动力电池组的正、负极和车载低压控制回路的正、负极之间设置斩波器，取代原车载24V电池组的充电用直流发电机。
6.根据权利要求1所述的一体化电源控制平台，其特征是：在动力电池组的正、负极和制动系统的油泵驱动电机的输入端之间设置逆变器3。
7.根据权利要求1所述的一体化电源控制平台，其特征是：在动力电池组的正、负极和冷却系统的风扇驱动电机的输入端之间设置逆变器2。
8.根据权利要求1所述的一体化电源控制平台，其特征是：在动力电池组的正、负极和冷却系统的水泵驱动电机的输入端之间设置逆变器1。
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