專利名稱：制動能量回饋中直流母線過壓保護(hù)的無觸點(diǎn)開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
制動能量回饋中直流母線過壓保護(hù)的無觸點(diǎn)開關(guān)裝置涉及到電動汽車制動回饋能量吸收的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電動汽車研發(fā)的相關(guān)技術(shù)中，電機(jī)制動能量的回饋是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。將傳統(tǒng)的汽車的機(jī)械制動改變?yōu)殡姎庵苿?，制動過程中，驅(qū)動電機(jī)被車輪通過驅(qū)動軸反拖，并且將制動能量反饋對蓄電池等儲能裝置充電。但是，當(dāng)蓄電池容量已經(jīng)充滿時(shí)，制動回饋的能量再向蓄電池存儲時(shí)，將出現(xiàn)過充現(xiàn)象，動力系統(tǒng)直流母線電壓會升高，大大超出蓄電池額定電壓，這會對蓄電池的性能造成嚴(yán)重?fù)p害，另一方面，瞬時(shí)制動回饋的能量過大，亦可造成直流母線電壓過高。為了保證電動汽車動力系統(tǒng)的良好性能，解決這一問題是在直流母線上并聯(lián)一個耗能裝置(如吸收電阻)，將出現(xiàn)過充時(shí)的多余的回饋能量吸收，緩解蓄電池等儲能裝置承受的電壓應(yīng)力。耗能裝置與直流母線的連接需要一個開關(guān)裝置，在這里一般的觸點(diǎn)開關(guān)不能勝任，因?yàn)橹绷髂妇€的電壓、電流等級較高，采用一般觸點(diǎn)開關(guān)會遇到通斷不可靠、產(chǎn)生電弧等問題。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種制動能量回饋中直流母線過壓保護(hù)的無觸點(diǎn)開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置在正常的工作情況下(不出現(xiàn)直流母線過電壓)是斷開的；當(dāng)直流母線出現(xiàn)過高的電壓時(shí)，開關(guān)裝置閉合，將耗能吸收單元并接在直流母線的兩端，吸收多余能量，防止母線電壓升高。
本實(shí)用新型的特征在于其特征在于，它含有IGBT功率開關(guān)與并聯(lián)在直流母線上的吸收多余電能的電阻箱串聯(lián)；檢測電路含有并接在直流母線上的電壓傳感器，用于檢測直流母線上的電壓；和電阻箱串接的電流傳感器，用于檢測流過電阻箱的電流；驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路輸入端連接電壓傳感器的信號輸出端，將接收的電壓信號與設(shè)定的上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)高于上限值時(shí)輸出高電平到IGBT驅(qū)動電路；IGBT驅(qū)動電路用于將接收的驅(qū)動邏輯信號轉(zhuǎn)換為IGBT的開關(guān)模擬信號，以驅(qū)動IGBT管的開關(guān)，并反饋IGBT管的過流信號；保護(hù)電路接收檢測電路傳來的流過電阻箱的電流信號，和IGBT驅(qū)動電路反饋的IGBT管的過流信號，當(dāng)流過電阻箱的電流信號大于設(shè)定的電流上限值或當(dāng)有IGBT管的過流信號反饋來時(shí)，保護(hù)電路輸出一個強(qiáng)制關(guān)斷信號，使驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路輸出的驅(qū)動邏輯信號無效。
所述驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路主要由兩個電壓比較器和一個RS觸發(fā)器組成，兩個電壓比較器分別用于將輸入的所述直流母線的電壓信號與上限值和下限值進(jìn)行比較，其兩個輸出端分別輸入所述RS觸發(fā)器的輸入端，RS觸發(fā)器的輸出端連接所述IGBT驅(qū)動電路的一個輸入端。
所述IGBT驅(qū)動電路主要含有一個與門和一個驅(qū)動芯片，所述與門的兩個輸入端分別連接所述驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路的輸出端和所述保護(hù)電路的輸出端，所述與門的輸出端連接所述驅(qū)動芯片的輸入端，該驅(qū)動芯片的輸出端通過限流電阻連接所述IGBT管的柵極，該驅(qū)動芯片的過流檢測輸入端通過一個快恢復(fù)二極管連接IGBT管的集電極，過流反饋信號輸出端連接所述保護(hù)電路的其中一個輸入端。
所述保護(hù)電路含有一個光耦，一個比較器，一個與門和一個RS觸發(fā)器；所述光耦接收所述IGBT驅(qū)動電路反饋的過流信號，輸出端連接與門的一個輸入端；所述比較器的一個輸入端連接所述檢測電路的電流信號輸出端，另一個輸入端接收電阻箱電流上限設(shè)定值，其輸出端與所述與門的另一個輸入端相連；所述與門的輸出端連接所述RS觸發(fā)器的R端，該RS觸發(fā)器的S端連接復(fù)位開關(guān)，其輸出端連接上述IGBT驅(qū)動電路中的與門的一個輸入端。
在所述驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路的上限設(shè)定端和邏輯信號輸出端之間有一個手動電路，該手動電路上串聯(lián)有兩個觸點(diǎn)開關(guān)，當(dāng)需要手動控制時(shí)，將連接在邏輯信號輸出端上的雙觸點(diǎn)開關(guān)閉合在手動端。
所述驅(qū)動芯片的號為M57962L。
實(shí)驗(yàn)證明，本實(shí)用新型能夠在直流母線電壓過高時(shí)及時(shí)導(dǎo)通，而電壓正常時(shí)斷開，使儲能元件能夠及時(shí)地吸收多余的能量，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1是本開關(guān)裝置與母線及儲能元件的連接示意圖；圖2是本開關(guān)裝置的電路原理框圖；圖3是本開關(guān)裝置各組成部分的電路原理圖，其中圖3a是檢測電路原理圖，圖3b是驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路原理圖，圖3c是保護(hù)電路原理圖，圖3d是IGBT驅(qū)動電路原理圖，圖3e是緩沖電路原理圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
。
如圖1所示，無觸點(diǎn)開關(guān)K與儲能元件電阻箱串聯(lián)，然后并聯(lián)在直流母線上，當(dāng)回饋電壓過大時(shí)，無觸點(diǎn)開關(guān)K自動閉合，電阻箱吸收多余的電能；當(dāng)回饋電壓不超過額定電壓時(shí)，無觸點(diǎn)開關(guān)K斷開，電阻箱不吸收電能。在本實(shí)用新型中需要讓開關(guān)K具有對母線電壓檢測并判斷是否過壓的功能，本實(shí)用新型還具有過壓限值的設(shè)定功能，使用者可以根據(jù)具體情況需求設(shè)定過電壓的限值。如在圖1所示的應(yīng)用場合下，由于蓄電池組的額定電壓是336V，所以此時(shí)開關(guān)的過壓判斷的參考值設(shè)定為420V。本實(shí)用新型所提供的可以設(shè)定的過壓參考值的設(shè)定范圍是0V～500V。
如圖2所示，本實(shí)用新型以功率開關(guān)器件(本發(fā)明選用IGBT)為基礎(chǔ)，提供了一種無觸點(diǎn)開關(guān)裝置。圖中“直流母線+”為母線的高端(即“+”端)，“直流母線-”為母線的低端(即“-”端)。該裝置在電路設(shè)計(jì)上包括電壓電流檢測電路、功率開關(guān)器件及其緩沖電路單元、開關(guān)器件的驅(qū)動電路、驅(qū)動信號的邏輯電路以及開關(guān)器件的保護(hù)電路。電壓電流檢測電路檢測直流母線的電壓和流過電阻箱的電流信號。驅(qū)動信號的邏輯電路的功能是根據(jù)設(shè)定的電壓上下限指以及電壓檢測信號，產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動邏輯信號。開關(guān)器件IGBT的驅(qū)動電路將來自于驅(qū)動信號邏輯電路的邏輯上的驅(qū)動信號(數(shù)字上的“高”或“低”)處理成為合乎功率開關(guān)器件開關(guān)驅(qū)動波形及功率要求的實(shí)際驅(qū)動信號(模擬的)來控制其開關(guān)。功率開關(guān)器件IGBT與其緩沖電路一起構(gòu)成控制電阻箱線路通斷的執(zhí)行單元，緩沖電路用來吸收開關(guān)瞬時(shí)的脈沖功率以削平流過IGBT的峰值電流或IGBT兩端的峰值電壓。IGBT的保護(hù)電路，用于防止IGBT的過流，它接收流過電阻箱的電流信號，以及IGBT驅(qū)動模塊反饋的IGBT過流信號，當(dāng)流過電阻箱的電流，或者IGBT集電極電流超過限值時(shí)，保護(hù)電路給IGBT加上強(qiáng)制關(guān)斷的信號以保護(hù)器件免受破壞。
如圖3a所示，檢測電路主要由電壓和電流傳感器組成(型號分別為LV28-P和LT308-S7)，負(fù)責(zé)檢測直流母線的電壓和電流。電壓傳感器并接在直流母線上，檢測到的直流母線的電壓Vmo，將與圖3b中使用者設(shè)定(通過調(diào)節(jié)電位器Rr1和Rr2來設(shè)定)的過壓值比較可以用來產(chǎn)生驅(qū)動的邏輯信號。電流傳感器與電阻箱串接，用于檢測流過電阻箱的電流。
驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路，本實(shí)用新型提供的開關(guān)裝置有兩種工作模式——自動和手動，因此驅(qū)動邏輯信號的發(fā)生也有兩種方式。其具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3(b)所示，主要由兩個電壓比較器(LM139)、RS觸發(fā)器(CD4044)以及觸點(diǎn)開關(guān)組成。自動運(yùn)行時(shí)，檢測電路輸出的信號Vmo通過電壓比較器進(jìn)行上下限值比較，自行判斷給出驅(qū)動邏輯信號Ui，當(dāng)高于上限值時(shí)，輸出電平Ui為高電平，當(dāng)?shù)陀谙孪拗禃r(shí)，輸出電平為低電平，在上下限值之間時(shí)，為保持狀態(tài)；手動運(yùn)行時(shí)，開關(guān)裝置的通斷完全由人的手工操作來完成，電壓檢測信號在此時(shí)不起任何作用。
見圖3c，保護(hù)電路主要由光耦P521、電壓比較器LM139、與門74HC08、RS觸發(fā)器CD4044以及復(fù)位開關(guān)組成，它對電流檢測電路的輸出信號Imo進(jìn)行判斷，同時(shí)也接收來自于IGBT驅(qū)動模塊反饋的過流信號(M57962L8的8腳的輸出)，這兩路過流信號中只要有一個信號為有效(“低”有效)，保護(hù)電路即輸出強(qiáng)制關(guān)斷IGBT的信號，對IGBT起保護(hù)作用。圖3d中M57962L的8腳為IGBT過流故障信號的輸出腳(過流信號反饋輸出端)，當(dāng)流過IGBT的電流超過它的工作電流限制時(shí)這個引腳8輸出低電平，使光耦P521的另一側(cè)導(dǎo)通，給與門74HC08一個低電平使保護(hù)信號UP為“0”；通過調(diào)節(jié)電位器Rri來設(shè)定另一路電流保護(hù)的限值，這一路保護(hù)使用者根據(jù)實(shí)際情況(能量吸收裝置如電阻箱允許流過電流的最大值)來設(shè)計(jì)，電流檢測電路的輸出信號Imo與這個參考值相比較即可得到這一路保護(hù)信號，超過設(shè)定的限值時(shí)，比較器LM139輸出為“0”，低于限值為“1”。在這里低電平有效的RS觸發(fā)器CD4044主要作用是完成正常的起動過程以及故障排除后的電路復(fù)位功能，具體過程如下。整個電路上電之初，74HC08的輸出為“1”，即CD4044的R端輸入為“1”，由于電容C1的充電需要一個過程，因此起初S端為“0”，故此時(shí)CD4044的輸出為“1”，當(dāng)C1充電結(jié)束時(shí)，R、S端輸入均為“1”，故CD4044的輸出將保持為“1”，電路完成了正常啟動；當(dāng)過流故障發(fā)生時(shí)，74HC08輸出為“0”，即R端為“0”，而S端是為“1”的，故此時(shí)CD4044的輸出將置“0”，保護(hù)信號UP隨即發(fā)生作用，“切斷”Ui，顯然，切斷Ui之后，由于IGBT斷開，沒有了電流，74HC08的輸出將變?yōu)椤?”，R、S的輸入又均為“1”，故CD4044的輸出將保持為“0”，直至故障排除后按下復(fù)位按鈕，復(fù)位按鈕按下時(shí)，S變?yōu)椤?”，觸發(fā)器輸出置“1”，松開按鈕電容C1充電完成后，S又變回“1”，觸發(fā)器的輸出又將保持為“1”，電路恢復(fù)正常工作。由于對于檢測電路送來的電流檢測信號，同樣是將其與一個過流參考值進(jìn)行對比，以此來判斷是否過流，因此，本發(fā)明的裝置提供了過流限值的自行設(shè)定功能(通過電位器Rri可進(jìn)行調(diào)節(jié))，使用者可以根據(jù)具體情況設(shè)定使保護(hù)電路動作的過電流的限值，這個電流限值的調(diào)節(jié)范圍是0A～500A。
見圖3d，IGBT的驅(qū)動電路主要由三菱IGBT專用驅(qū)動模塊M57962L組成，其主要功能是將信號級的驅(qū)動邏輯信號轉(zhuǎn)變成為滿足驅(qū)動IGBT開通和關(guān)斷所需的波形和功率要求的功率級信號(這里，是將開通的邏輯信號轉(zhuǎn)變?yōu)?15V的脈沖來開通IGBT，將關(guān)斷的邏輯信號轉(zhuǎn)變成為-10V的脈沖關(guān)斷IGBT)，同時(shí)IGBT的驅(qū)動模塊向保護(hù)電路輸出自己的過電流檢測信號。
見圖3e，IGBT及其緩沖電路部分是“開”和“關(guān)”動作的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本發(fā)明中使用了典型的RCD緩沖電路以避免IGBT受開關(guān)尖峰電壓和電流的沖擊，從而保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。
權(quán)利要求1.制動能量回饋中直流母線過壓保護(hù)的無觸點(diǎn)開關(guān)裝置，其特征在于，它含有IGBT功率開關(guān)與并聯(lián)在直流母線上的吸收多余電能的電阻箱串聯(lián)；檢測電路含有并接在直流母線上的電壓傳感器，用于檢測直流母線上的電壓；和電阻箱串接的電流傳感器，用于檢測流過電阻箱的電流；驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路輸入端連接電壓傳感器的信號輸出端，將接收的電壓信號與設(shè)定的上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)高于上限值時(shí)輸出高電平到IGBT驅(qū)動電路；IGBT驅(qū)動電路用于將接收的驅(qū)動邏輯信號轉(zhuǎn)換為IGBT的開關(guān)模擬信號，以驅(qū)動IGBT管的開關(guān)，并反饋IGBT管的過流信號；保護(hù)電路接收檢測電路傳來的流過電阻箱的電流信號，和IGBT驅(qū)動電路反饋的IGBT管的過流信號，當(dāng)流過電阻箱的電流信號大于設(shè)定的電流上限值或當(dāng)有IGBT管的過流信號反饋來時(shí)，保護(hù)電路輸出一個強(qiáng)制關(guān)斷信號，使驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路輸出的驅(qū)動邏輯信號無效。
2.如權(quán)利要求1所述的制動能量回饋中直流母線過壓保護(hù)的無觸點(diǎn)開關(guān)裝置，其特征在于，所述驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路主要由兩個電壓比較器和一個RS觸發(fā)器組成，兩個電壓比較器分別用于將輸入的所述直流母線的電壓信號與上限值和下限值進(jìn)行比較，其兩個輸出端分別輸入所述RS觸發(fā)器的輸入端，RS觸發(fā)器的輸出端連接所述IGBT驅(qū)動電路的一個輸入端。
3.如權(quán)利要求1所述的制動能量回饋中直流母線過壓保護(hù)的無觸點(diǎn)開關(guān)裝置，其特征在于，所述IGBT驅(qū)動電路主要含有一個與門和一個驅(qū)動芯片，所述與門的兩個輸入端分別連接所述驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路的輸出端和所述保護(hù)電路的輸出端，所述與門的輸出端連接所述驅(qū)動芯片的輸入端，該驅(qū)動芯片的輸出端通過限流電阻連接所述IGBT管的柵極，該驅(qū)動芯片的過流檢測輸入端通過一個快恢復(fù)二極管連接IGBT管的集電極，過流反饋信號輸出端連接所述保護(hù)電路的其中一個輸入端。
4.如權(quán)利要求1所述的制動能量回饋中直流母線過壓保護(hù)的無觸點(diǎn)開關(guān)裝置，其特征在于，所述保護(hù)電路含有一個光耦，一個比較器，一個與門和一個RS觸發(fā)器；所述光耦接收所述IGBT驅(qū)動電路反饋的過流信號，輸出端連接與門的一個輸入端；所述比較器的一個輸入端連接所述檢測電路的電流信號輸出端，另一個輸入端接收電阻箱電流上限設(shè)定值，其輸出端與所述與門的另一個輸入端相連；所述與門的輸出端連接所述RS觸發(fā)器的R端，該RS觸發(fā)器的S端連接復(fù)位開關(guān)，其輸出端連接上述IGBT驅(qū)動電路中的與門的一個輸入端。
5.如權(quán)利要求2所述的制動能量回饋中直流母線過壓保護(hù)的無觸點(diǎn)開關(guān)裝置，其特征在于，在所述驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路的上限設(shè)定端和邏輯信號輸出端之間有一個手動電路，該手動電路上串聯(lián)有兩個觸點(diǎn)開關(guān)，當(dāng)需要手動控制時(shí)，將連接在邏輯信號輸出端上的雙觸點(diǎn)開關(guān)閉合在手動端。
6.如權(quán)利要求3所述的制動能量回饋中直流母線過壓保護(hù)的無觸點(diǎn)開關(guān)裝置，其特征在于，所述驅(qū)動芯片的號為M57962L。
專利摘要制動能量回饋中直流母線過壓保護(hù)的無觸點(diǎn)開關(guān)裝置涉及到電動汽車制動回饋能量吸收的技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，它含有與并聯(lián)在直流母線上的吸收多余電能的電阻箱相串聯(lián)的IGBT功率開關(guān)，以及用于檢測直流母線電壓和流過電阻箱電流的檢測電路，用于產(chǎn)生驅(qū)動邏輯信號的驅(qū)動邏輯信號發(fā)生電路，用于將接收的驅(qū)動邏輯信號轉(zhuǎn)換為IGBT的開關(guān)模擬信號，以驅(qū)動IGBT管的開關(guān)，和用于判斷IGBT管和流過電阻箱電流是否過流，從而強(qiáng)制關(guān)斷IGBT管的保護(hù)電路。本實(shí)用新型能夠在直流母線電壓過高時(shí)及時(shí)導(dǎo)通，而電壓正常時(shí)斷開，使儲能元件能夠及時(shí)地吸收多余的能量。
文檔編號H02H9/04GK2650371SQ03249069
公開日2004年10月20日 申請日期2003年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月26日
發(fā)明者高大威, 盧青春, 秦孔建 申請人:清華大學(xué)