能量回馈充电电流限制的方法及装置与流程

[0001]
本发明涉及电流电路技术领域，特别涉及一种能量回馈充电电流限制的方法及一种能量回馈充电电流限制的装置。


背景技术：

[0002]
典型电驱系统由供电电源、电机、电机控制器和动作执行机构组成，电机轴连接并驱动动作执行机构动作，其中电机可工作在电动状态或发电状态，典型发电状态场景包括电机能量回馈制动、起重机缓慢下放重物、其他通过电机将重力势能转化为电能等场景等。在以电池作为重要供电能量来源的电驱系统中，如电机工作在发电状态，一方面如能将电机发电状态回馈的电能充入电池可提高能量利用率，延长产品续航时间；另一方面，过大的回馈充电电流会损伤电池，造成电池容量下降，寿命缩短，甚至引发火灾。
[0003]
现有技术中存在一些对反馈的电能进行限制的装置，但是这些装置存在以下缺点：
[0004]
1、包含限流限压模块、升压模块、充电模块三种dc-dc变换的功能模块，每种功能模块都包含有各自的功率开关与控制电路，硬件电路结构复杂，使得控制方法复杂化；
[0005]
2、功率转化级数多，能量损耗大，降低能量回收效率；
[0006]
3、没有考虑电池电量到了设定阈值后，再进行能量回收时，产生的多余能量消耗问题；
[0007]
4、充电电流随制动电压成正比限制，缺乏灵活性，降低回收效率。


技术实现要素：

[0008]
有鉴于此，本发明旨在提出一种能量回馈充电电流限制的方法及装置，以至少部分地解决以上问题。
[0009]
为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种能量回馈充电电流限制的方法，应用于电驱系统的能量回收中，所述电驱系统包括供电电池和电机，所述电机工作于电动状态或能量回馈状态，所述方法包括：确定所述电机工作于能量回馈状态；将所述电机回馈的第一充电电流经斩波后转换为第二充电电流，向所述供电电池充电；并基于所述第二充电电流，确定所述斩波的斩波控制信号。
[0010]
优选的，所述斩波包括：采用第一可控开关将所述第一充电电流斩切为系列脉冲电流，并通过电感将所述系列脉冲电流平滑后，得到所述第二充电电流；所述斩波控制信号用于控制所述第一可控开关的开闭。
[0011]
优选的，所述斩波控制信号为pwm控制信号，所述确定所述斩波的斩波控制信号，包括：确定所述pwm控制信号的占空比。
[0012]
优选的，基于所述第二充电电流，确定所述斩波的斩波控制信号，包括：判断所述第二充电电流是否大于设定电流阈值，若大于，则基于当前的pwm控制信号，减少输出至所述第一可控开关的pwm控制信号的占空比；若小于，则基于所述当前的pwm控制信号，增加输
出至所述第一可控开关的pwm控制信号的占空比。
[0013]
优选的，所述pwm控制信号的占空比预设有最小值；确定所述供电电池的当前电池电量高于保护阈值或者处于不能充电的情形，所述pwm控制信号的占空比为所述占空比最小值。
[0014]
优选的，所述方法还包括：将所述第一充电电流中转换为所述第二充电电流之外的电流进行耗散。
[0015]
优选的，所述耗散，包括：采用第二可控开关控制所述第一充电电流与电能耗散器件的连通；所述第二可控开关受控于所述斩波控制信号的反相信号，且与所述第一可控开关的开闭状态相反。
[0016]
优选的，所述方法还包括：对所述第一可控开关闭合时流入的所述第一充电电流进行蓄能，并在所述第一可控开关断开时利用所述蓄能对所述电感进行供能。
[0017]
在本发明的第二方面，还提供了一种能量回馈充电电流限制的装置，设置于电驱系统的供电电池和电机之间，所述电机工作于电动状态或能量回馈状态，所述装置包括：确定部件，用于确定所述电机工作于能量回馈状态；转换部件，将所述电机回馈的第一充电电流经斩波后转换为第二充电电流，向所述供电电池充电；控制部件，用于基于所述第二充电电流，确定所述斩波的斩波控制信号；以及耗散部件，用于将所述第一充电电流中转换为所述第二充电电流之外的电流进行耗散。
[0018]
优选的，所述转换部件包括：第一可控开关，用于将所述第一充电电流斩切为系列脉冲电流；以及电感，用于将所述系列脉冲电流平滑后，得到所述第二充电电流。
[0019]
优选的，所述控制部件包括：电流采样电路，用于获取所述第二充电电流的耦合电流，确定所述第二充电电流的测量值；逻辑控制器，用于基于存储的控制逻辑和测量值，确定所述斩波控制信号的波形参数，以及波形发生器，用于根据所述波形参数生成所述斩波控制信号。
[0020]
优选的，所述控制逻辑包括：确定所述第二充电电流大于设定电流阈值，则基于当前的pwm控制信号，减少输出至所述第一可控开关的pwm控制信号的占空比；确定所述第二充电电流小于设定电流阈值，则基于所述当前的pwm控制信号，增加输出至所述第一可控开关的pwm控制信号的占空比；确定所述供电电池的当前电池电量高于保护阈值或者处于不能充电的情形，所述pwm控制信号的占空比为预设的占空比最小值。
[0021]
优选的，所述装置还包括：电容，所述电容的一端与所述电感与第一可控开关的连接端相连，另一端与所述供电电池的负极相连。
[0022]
优选的，所述耗散部件通过第二可控开关接收需要耗散的电流；所述第二可控开关，用于控制所述第一充电电流与所述耗散部件的连通；所述第二可控开关在所述电机工作于能量回馈状态时，与所述第一可控开关的开闭状态相反。
[0023]
本发明实施方式提供的技术方案，具有以下有益效果：
[0024]
1)方案逻辑简单，实用性较高；
[0025]
2)能够在限制回馈充电电流的条件下，尽可能的增大回馈充电电流，提升充电能力；在电池电量充足时，可以通过电阻将电池不能回收的电能消耗掉。
[0026]
3)与传统的多级限制模块相比，避免了功率转化级数多，能量损耗大的问题，提高了装置能量回收效率。
[0027]
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0028]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0029]
图1为本发明一实施方式中的能量回馈充电电流限制的方法的步骤示意图；
[0030]
图2为本发明一实施方式中的能量回馈充电电流限制的方法的实施步骤图；
[0031]
图3为本发明一实施方式中的能量回馈充电电流限制的装置的结构示意图；
[0032]
图4为本发明一实施方式中的能量回馈充电电流限制的装置的电路实施结构图；
[0033]
图5为本发明一实施方式中的能量回馈充电电流限制的装置的仿真效果图。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
[0035]
图1为本发明一实施方式中的能量回馈充电电流限制的方法的步骤示意图，如图1所示，一种能量回馈充电电流限制的方法，应用于电驱系统的能量回收中，所述电驱系统包括供电电池和电机，所述电机工作于电动状态或能量回馈状态，所述方法包括：
[0036]
s01、确定所述电机工作于能量回馈状态；
[0037]
当电动汽车处于驱动工况时，供电电池或电池组为主要动力源，电机作为电动汽车的机械动力源，工作于电动状态，将电能转化为驱动电动车辆行驶的动能。而在能量回馈的工况下，电机由外部的机械力所带动，工作于能量回馈状态，生成回馈电流。对此回馈电流进行能量回收能够提高能量利用率。但是该回馈电流并不稳定，电流值的波动太大，其过大的回馈电流可能会对供电电池造成损害。
[0038]
s02、将所述电机回馈的第一充电电流经斩波后转换为第二充电电流，向所述供电电池充电；
[0039]
斩波主要是指在开关电源调压过程中，原来一条直线的电源，被线路“斩”成了一块一块的脉冲。通过斩波将第一充电电流变换为第二充电电流，能够可控地调整供电电池的充电电流，避免在第一充电电流过大时对供电电池造成的损害，也避免了固定式的电流转化在第一充电电流过小时的能量损失。
[0040]
s03、并基于所述第二充电电流，确定所述斩波的斩波控制信号。
[0041]
本实施方式通过采集第二充电电流，通过负反馈对斩波控制信号进行控制。在第二充电电流较大时通过减小斩波间隔降低斩波后的电流，或者在第二充电电流较小时通过增大斩波间隔提升斩波后的电流，从而保持向供电电池的充电电流的平稳性。同时能够在第一充电电流较小时保证较高的电流转换率。
[0042]
s04、将所述第一充电电流中转换为所述第二充电电流之外的电流进行耗散。
[0043]
当对第一充电电流进行斩波时，第一充电电流被分为两部分，一部分转换为第二充电电流，另外的电流并不进行回收充电。这部分未回收的电流可以进行另外的利用，也可以进行耗散。本实施方式采用对其进行耗散，主要是电路结构的简化进行考虑的。通过以上实施方式，通过简单的调控能够保持向供电电池的充电电流的平稳性，且能量损失很小，能
量回收率高。
[0044]
在本发明提供的一种实施方式中，所述斩波包括：采用第一可控开关将所述第一充电电流斩切为系列脉冲电流，并通过电感将所述系列脉冲电流平滑后，得到所述第二充电电流；所述斩波控制信号用于控制所述第一可控开关的开闭。当第一可控开关断开时，通过的电流为0，当第一可控开关闭合时，第一充电电流通过该开关。因此当第一可控开关通过开闭的状态转换，将连续的第一充电电流变换为断续的电流，即系列脉冲电流，至此充电电流的能量得到了降低。此处的第一可控开关优选为功率开关管igbt，具有开关速度快和工作电流大的优点。再利用电感的电流阻抗作用对所述系列脉冲电流进行平滑，从而得到较为平稳的第二充电电流。斩波控制信号用于控制第一可控开关的断开和闭合，从而实现对第二充电电流的控制。以上实施方式，不仅具有电路结构简单的优点，还具有元件耗能低和反应速度快的优点。
[0045]
在本发明提供的一种实施方式中，所述斩波控制信号为pwm控制信号，所述确定所述斩波的斩波控制信号，包括：确定所述pwm控制信号的占空比。脉冲宽度调制(pwm)为一系列脉冲构成的信号，通过pwm控制信号中的高电平和低电平，对应于第一可控开关的闭合和断开。现有技术中可以通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整pwm的周期、pwm的占空比而达到控制充电电流的目的。本实施方式采用对pwm控制信号的占空比的调整来实现对第一可控开关的控制，进而实现对第二充电电流的控制。
[0046]
在本发明提供的一种实施方式中，基于所述第二充电电流，确定所述斩波的斩波控制信号，包括：判断所述第二充电电流是否大于设定电流阈值，若大于，则基于当前的pwm控制信号，减少输出至所述第一可控开关的pwm控制信号的占空比；若小于，则基于所述当前的pwm控制信号，增加输出至所述第一可控开关的pwm控制信号的占空比。第一可控开关受到pwm控制信号的控制，当pwm控制信号的占空比升高时，一个周期内的闭合时间增加，断开时间减小，对应的，通过第一可控开关的第一充电电流则增加，脉冲电流之间的间隔减小，从而提升第二充电电流的电流。反之亦然。通过检测第二充电电流的大小，从而确定pwm控制信号的占空比，通过第一可控开关的接通时间对第二充电电流进行调整，实现负反馈和平稳电流的目的。
[0047]
在本发明提供的一种实施方式中，所述pwm控制信号的占空比预设有最小值；确定所述供电电池的当前电池电量高于保护阈值或者处于不能充电的情形，所述pwm控制信号的占空比为所述占空比最小值。当供电电池电量高于保护阈值或者供电电池处于不能充电的情况下，pwm占空比调至最小，制动产生的电能不回收。此处的占空比最小值优选为0％，即第一可控开关处于常开状态，使电机反馈的第一充电电流全部不能转换为第二充电电流。
[0048]
图2为本发明一实施方式中的能量回馈充电电流限制的方法的实施步骤图，如图2所示，对其展示的逻辑控制图简要描述如下：
[0049]
当电机工作于能量回馈状态时，对供电电池进行检测，此处的检测包括电池电量检测和充电工况检测，当供电电池的当前电池电量高于保护阈值或者处于不能充电的情形时，将pwm控制信号的占空比调至最小。如果不属于以上情况，则判断充电电流(第二充电电流)与设定阈值之间相减所得的差值，若大于零，则减小pwm控制信号的占空比；相反的，若
小于零，则增大pwm控制信号的占空比，当该占空比增大到100％时，全部的回馈能量会被供电电池回收，此时第二充电电流和第一充电电流相等。通过此逻辑流程确定pwm控制信号的占空比。
[0050]
在本发明提供的一种实施方式中，所述耗散，采用第二可控开关控制所述第一充电电流与电能耗散器件的连通；所述第二可控开关受控于所述斩波控制信号的反相信号，且与所述第一可控开关的开闭状态相反。此处的第二可控开关也优选为功率开关管igbt，电能耗散器件优选为电阻。当电能耗散器件直接接入电路时，会一直对第一充电电流进行耗散，不利于能量回收利用。本实施方式中，采用第二可控开关仅在需要的时候对多余电能进行耗散，第二可控开关与第一可控开关的开闭状态相反，即第一充电电流被分为两部分，一部分转换为第二充电电流，另外的电流接入电能耗散器件。当然在具体的实施中，第一可控开关和第二可控开关也可以整合为一个选择开关，直接在转换支路和耗散支路之间进行选择性接通，对接入的第一充电电流进行流向的选择。
[0051]
在本发明提供的一种实施方式中，所述方法还包括：对所述第一可控开关闭合时流入的所述第一充电电流进行蓄能，并在所述第一可控开关断开时利用所述蓄能对所述电感进行供能。如前所述，第二充电电流由系列脉冲电流经电感平滑后形成的，第一可控开关存在频繁的开断，为了防止形成冲击电流，对供电电池的造成影响，因此加入电容，保证回馈充电电流的连续性。同时该电容具有的储能作用，能够在第一可控开关断开时，对电感进行供能，从而进一步保证第二充电电流的连续性。
[0052]
图3为本发明一实施方式中的能量回馈充电电流限制的装置的结构示意图，如图3所示，在本发明提供的一种实施方式中，还提供了一种能量回馈充电电流限制的装置，设置于电驱系统的供电电池和电机之间，所述电机工作于电动状态或能量回馈状态，所述装置包括：确定部件，用于确定所述电机工作于能量回馈状态；转换部件，将所述电机回馈的第一充电电流经斩波后转换为第二充电电流，向所述供电电池充电；控制部件，用于基于所述第二充电电流，确定所述斩波的斩波控制信号；以及耗散部件，用于将所述第一充电电流中转换为所述第二充电电流之外的电流进行耗散。当电机工作于电动状态时，供电电池直接向电机供电，本能量回馈充电电流限制的装置不会发送作用。当电机工作于能量回馈状态时，电机的角色从消耗电能变换为生成电能，会生成向供电侧输出电流，此时的电流为第一充电电流。该电流经过斩波转换，即对电流大小进行处理后向供电电池进行充电，此时的充电电流为第二充电电流。转换部件和控制部件能够对电机回馈的第一充电电流控制在稳定的向供电电池的充电电流，以此有效地解决对供电电池充电电流过大问题，能量回收效率低的问题。
[0053]
图4为本发明一实施方式中的能量回馈充电电流限制的装置的电路实施结构图，如图4所示，电机工作于电动状态或能量回馈状态，则对应于图4中二极管d和开关g3的不同工作状态。当电机工作于电动状态时，二极管d处于正向导通状态，供电电池的电能通过二极管d，以及驱动器向电机提供驱动所需电能，而开关g3为断开状态，此时无需执行能量回馈充电电流限制的方法，也没有电机回馈的电流。当确定部件所确定的电机工作于能量回馈状态时，二极管d处于反向断路状态，开关g3的为闭合状态，此时从电机回馈的第一充电电流通过转换部件到达供电电池，为供电电池充电。其中二极管d和开关g3的作用分别描述如下：二极管d：反馈的充电电流直接对供电电池充电时，过大的电流会造成供电电池损害，
所在供电电池正极反接二极管d，避免了直充带来的供电电池损害，同时在供电电池向电机供电时候，限制驱动器的回馈电流对电池造成损害开关。g3：防止供电电池供电时，能量在电感和电容上消耗，电机处于电动状态下断开，电机处于能量回馈状态下闭合，其实施可以采用继电器等。
[0054]
所述转换部件包括：第一可控开关，用于将所述第一充电电流斩切为系列脉冲电流；以及电感，用于将所述系列脉冲电流平滑后，得到所述第二充电电流。当第一可控开关g1导通时，第一充电电流的一部分通过电感l向电池充电，一部分向电容c充电；当第一可控开关g1关断时，电容c会释放电能续流，保证充电电流的连续性。
[0055]
所述控制部件包括：电流采样电路，用于获取所述第二充电电流的耦合电流，确定所述第二充电电流的测量值；逻辑控制器，用于基于存储的控制逻辑和测量值，确定所述斩波控制信号的波形参数，以及波形发生器，用于根据所述波形参数生成所述斩波控制信号。其中电流采样电路可以采用互感采样、串联分压或者霍尔传感等，逻辑控制器包括单片机、处理器或plc等，波形发生器优选为uc3879芯片等pwm芯片等。其中逻辑控制器中存储的控制逻辑如前述的方法所述，此处不再重复。
[0056]
在本发明提供的一种实施方式中，所述装置还包括：电容，所述电容的一端与所述电感与第一可控开关的连接端相连，另一端与所述供电电池的负极相连。由于第一可控开关g1存在频繁的开断，为了防止形成冲击电流，对电池的造成影响，加入电容c，其连接方式如图4所示，具有一定的滤波作用。而且电容c还在储能的作用，在第一可控开关g1处于断开时，电容c会释放电能续流，保证充电电流的连续性。
[0057]
所述装置还包括电能耗散支路，所述电能耗散支路接受所述第一充电电流的输入；所述电能耗散支路包括：第二可控开关，用于控制所述第一充电电流与耗散部件的连通；所述第二可控开关受控于所述斩波控制信号的反相信号，且与所述第一可控开关的开闭状态相反；以及耗散部件，用于耗散输入的电流。具体的，第二可控开关g2为igbt，可采用pwm信号驱动，在电机处于电动状态时，g1与g2全部关断，供电电池给电机供电；在电机处于反馈状态时，g1与g2开断状态形成互补，实现对第一充电电流的分流控制，达到限制回馈充电电流过大的目的。电阻r，用于电机工作在发电状态下，使用电阻消耗多余的能量。此处g1与g2的控制信号可以由控制部件直接输出两路相位相反的开关控制信号，也可以采用将一路的开关控制信号通过采用非门或cmos反相器等反相器，得到另外一路开关控制信号。
[0058]
为了进一步验证本发明实施方式的技术效果，在matlab/simulink中搭建本方案所提出的装置硬件电路，通过仿真验证模拟能量回馈过程如下：
[0059]
在电机处于能量回馈状态下，产生交流感应电动势，经过驱动器整流的变换，转换为直流对供电电池充电，所以用电压源模拟回馈充电电流，开关g3一直处于闭合状态，可以省略，其他元器件结构与位置不变，g1与g2开断互补，采用pwm驱动，运行仿真得到仿真效果图。
[0060]
图5为本发明一实施方式中的能量回馈充电电流限制的装置的仿真效果图，如图5所示，在本图中的控制思路为：通过控制pwm占空比，保持能量回馈充电电流(即第二充电电流)在设定限制阈值附近。从上至下，依次为：能量回馈充电电压、pwm控制信号和回馈充电电流(即第一充电电流)及设定限制阈值、平均电阻电流。
[0061]
模拟的回馈充电电压，即第一充电电流对应的电压，在约53v
±
4v波动，符合能量
回馈的实际工况。取图5中所示的4段仿真工况分析说明。
[0062]
第一时间段：能量回馈充电电压不断增大，回馈充电电流小于设定的限制阈值，增大pwm占空比，所以回馈充电电流增大至阈值附近，电能大部分回馈电池，小部分在电阻上消耗。
[0063]
第二时间段：该阶段充电电流已经接近阈值，为了维持充电电流限制，pwm占空比与制动感应电动势变化呈反比例变化，电阻上消耗的能量与感应电动势的变化一致。
[0064]
第三时间段：感应电动势处于低峰，将pwm占空比调至最大，全部的电能进行回馈充电，电阻上无能量消耗。
[0065]
第四时间段：设定阈值改变，回馈充电电流控制策略能够继续保持在阈值附近。
[0066]
从以上分析来看，本发明提出的装置及方法能够有效的限制回馈电流，避免过大的回馈充电电流对电池造成损害。
[0067]
本发明的实施例提供的方法和装置在在采用电池供电的电驱动系统上使用，由于转化级数少，功率开关能够快速的开断，在高速制动时候，能够快速的进行能量回收，缩短制动距离。
[0068]
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
[0069]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0070]
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0071]
此外，本发明实施例的不同实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。