一种电电混合能量回收方法

摘要

本发明公开了一种电电混合能量回收装置和方法，装置包括电池组、电机、电机控制系统和电容模块，电池组、电机均通过母线连接电机控制系统；还包括采集系统、控制单元、直流变换器、整流模块和电容模块；在电机控制系统与电池组之间的连线上安装采集系统；控制单元分别连接所述采集系统、整流模块、直流变换器和电容模块；所述整流模块连接电容模块，电容模块连接直流变换器和控制单元；直流变换器连接电池组。本发明避免了电磁组承受瞬间大电流，使得电池组免受电机发出的瞬间大电流冲击。同时，延长电池组的续航时间。降低了成本，缩小了体积。

权利要求

1.一种电电混合能量回收方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在电机负载减速或突然停止时，电机瞬间发出电能；控制单元向采集系统发出控制指令，采集系统中对电机控制系统和电池组之间的母线电流大小和流向进行采集，并将采集到的电流上报给控制单元；控制单元判断电流由电机控制系统流向电池组时，判断电机处于发电状态；

步骤2：控制单元控制整流模块导通，电机发出的交流电被整流模块转换为直流电存储在电容模块中；由于整流模块中开关器件的导通压降很小，和电机相连的母线的电位被拉低，使得电机控制系统无法给电池组进行大电流充电，从而避免了电池组受到电机瞬间产生的大电流冲击；

步骤3：在电容模块被充电的过程中，控制单元实时采样电容模块的电压，在电容模块的电压低于耐压值的情况下保持充电状态；如果电容模块的电压超过电容模块的耐压值，控制单元控制直流变换器开启，电容模块给电池组充电，在电容模块给电池组充电过程中，如果电容模块的电压低于电池组的最低电压，则控制单元控制直流变换器关断；

步骤4：在电容模块给电池组充电的过程中，采集系统根据控制单元的控制指令采集电池组的电压，当电池组中单个电池的电压达到规定值，则采集系统上报给控制单元，由控制单元控制直流变换器关闭，此时电池组能够给电机提供能量；否则，返回步骤3。

2.如权利要求1所述的电电混合能量回收方法，其特征在于，所述步骤3中所述的电池组的最低电压为2.5V。

3.如权利要求1所述的电电混合能量回收方法，其特征在于，所述步骤4中所述单个电池的电压的规定值为4.2V。

说明书

一种电电混合能量回收方法

技术领域

[0001] 本发明属于驱动技术领域，具体涉及一种电容和电池混合系统(简称电电混合)能量回收装置和方法。具体是用于如电机等具有发电功能的负载在发电状态时，输出的交流电经过转换后能给电容进行充电将能量储存起来。本发明适用于电电混合的电机驱动电路。

背景技术

[0002] 在由电池和电容构成的节能系统中，当电机作为负载增大功率时，电池组和电容组处于放电状态，满足负载大功率时对电流的需要，当负载短时间内需要消耗很大的电流时，常常由电容组来补充能量以避免电池短时间内过放电，从而延长电池的寿命；当负载逐步降低功率或者突然停止工作时，此时负载会发出电流，电流通过电机控制器给电容组或电池组充电。存在电池组会受到电机发出的大电流通过电机控制器冲击而损坏的问题，这种充放电系统中，电容组常常通过耦合控制器连接在电池组和电机控制器之间。为了实现理想的充电或放电过程，常常需要双向DC-DC(Bi-Directional direct current-direct current converter)配合。双向DC-DC的功率管常常由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)构成，同时由于大电流对开关的要求问题，使得几十到几百kW双向DC-DC的体积非常大，成本也比较高。在一些能量回收系统中，例如《超级电容与动力锂电池混合型电动汽车的工程研究》一文中，是采用电容模块回收能量。参见图1，该能量回收系统中，电容组充放电通过耦合控制器实现能量的分配，这种能量回收系统比较复杂，且因为大量使用IGBT导致体积也很庞大，成本较高。

发明内容

[0003] 针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的一个目的在于，提供一种能量回收装置。

[0004] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：

[0005] 一种电电混合能量回收装置，包括电池组、电机、电机控制系统和电容模块，所述电池组、电机均通过母线连接电机控制系统；还包括采集系统、控制单元、直流变换器、整流模块和电容模块；在所述电机控制系统与电池组之间的连线上安装有采集系统；所述控制单元分别连接所述采集系统、整流模块、直流变换器和电容模块；所述电机和整流模块之间通过母线相连接；所述整流模块的输出端连接电容模块的输入端，所述电容模块的输出端连接直流变换器和控制单元；所述直流变换器的输出端连接电池组。

[0006] 进一步的，所述电池组的第一节电池的正极和最后一节电池的负极分别与母线的正极性线和负极性线分别相连。

[0007] 进一步的，所述采集系统包括由霍尔器件构成的电流采样电路，霍尔器件安装在电机控制系统与电池组之间的母线上。

[0008] 进一步的，所述整流模块选择可控硅整流器件。

[0009] 进一步的，所述电容模块由多个特性相同的电容并联构成。

[0010] 进一步的，所述直流变换器采用单向DC-DC。

[0011] 本发明的另一个目的在于，提供一种电电混合能量回收方法，包括如下步骤：

[0012] 步骤1：在电机负载减速或突然停止时，电机瞬间发出电能；控制单元向采集系统发出控制指令，采集系统中对电机控制系统和电池组之间的母线电流大小和流向进行采集，并将采集到的电流上报给控制单元；控制单元判断电流由电机控制系统流向电池组时，判断电机处于发电状态；

[0013] 步骤2：控制单元控制整流模块导通，电机发出的交流电被整流模块转换为直流电存储在电容模块中；由于整流模块中开关器件的导通压降很小，和电机相连的母线的电位被拉低，使得电机控制系统无法给电池组进行大电流充电，从而避免了电池组受到电机瞬间产生的大电流冲击；而图1所示的传统节能系统的电池组无法回避大电流的冲击；

[0014] 步骤3：在电容模块被充电的过程中，控制单元实时采样电容模块的电压，在电容模块的电压低于耐压值的情况下保持充电状态；如果电容模块的电压超过电容模块的耐压值，控制单元控制直流变换器开启，电容模块给电池组充电，在电容模块给电池组充电过程中，如果电容模块的电压低于电池组的最低电压，则控制单元控制直流变换器关断；

[0015] 步骤4：在电容模块给电池组充电的过程中，采集系统根据控制单元的控制指令采集电池组的电压，当电池组中单个电池的电压达到规定值，则采集系统上报给控制单元，由控制单元控制直流变换器关闭，此时电池组能够给电机提供能量；否则，返回步骤3。

[0016] 进一步的，所述步骤3中所述的电池组的最低电压为2.5V。

[0017] 进一步的，所述步骤4中所述单个电池的电压的规定值为4.2V。

[0018] 和传统的能量回收装置相比，本发明的有益效果：

[0019] (1)本发明在回收能量的设计上是从电机和电机控制系统之间的连线取电荷进行能量储存，因电容能承受瞬间大电流，无需限流，因此整个设计方案相对于传统方案简化了设计，另外，整流模块为电机控制系统分担了部分来自电机发出的电流，整流模块可采用导通压降小的开关器件来代替IGBT，这样能大大降低能量回收装置的体积和成本。

[0020] (2)因整流模块工作时，拉低了电机控制系统和电机之间连线的电位，使得电机处于发电状态时，电机无法通过电机控制系统对电池组进行充电，使得电池组免受电机发出的瞬间大电流冲击，保护了电池组。

[0021] (3)直流变换器为小功率的单向1kw以下的DC-DC，可及时对电池组补充能量，一定程度上减少了通过外部充电方式来补充电池组能量的充电次数，延长电池组的续航时间。同时该DC-DC为小功率单向的，设计上和传统的大功率双向DC-DC，在方案设计上简化很多，同时降低了成本，缩小了体积。

附图说明

[0022] 图1是传统的电电混合充放电系统的示意图。

[0023] 图2是本发明的电电混合能量回收装置的示意图。

[0024] 图3是本发明的电电混合能量回收流程图。

[0025] 图4是本发明的电电混合能量回收装置的实例图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对技术方案的实施作进一步地详细描述。

[0027] 为了便于理解本发明的技术方案，先介绍传统的电电混合充放电系统。如图1所示，传统的电电混合充放电系统包括电机、电机控制系统、电池组、电容模块和耦合控制器。其中，电机由一组三相电感线圈构成，与传统技术的电机没有本质区别。当电机加速时，充当负载消耗电能；当电机减速或突然停止时又作为发电机发出电能；电机控制系统主要由IGBT作为开关器件构成的整流桥和IGBT驱动电路构成，在电机作为负载消耗电能时，电机控制系统作为直流转换为交流的转换器将电池组发出的直流电转换成电机需要的三相交流电；反之，在电机减速或突然停止时电机发出电流，电机控制系统作为交流转换成电流的转换器，将电机发出的三相交流电转换成电容模块可以充电的直流电能储存在电容模块中。电池组由一组特性参数相同的电池串并联起来构成的供电单元，给电机提供电能。电容模块由一组特性参数相同的电容并联构成，在电机加速时能提供瞬间大电流满足电机瞬时功率的需要；在电机减速或突然停止时，它又能储存电机发出电能。耦合控制器由双向DC-DC构成。当电机加速时，瞬间消耗的电能主要由电容模块提供，并通过耦合控制器变换成电机工作时需要的电压和电流，再经过电机控制系统转换成交流提供给电机，当电机减速或突然停止时，电机发出的电能先经过电机控制系统转换成直流，再经过耦合控制器变换成适合电容模块充电的工作电压和电流，给电容模块充电。这种能量回收系统比较复杂，且因为大量使用IGBT导致体积也很庞大，成本较高。

[0028] 如图2所示，本发明的电电混合能量回收装置，包括电池组、采集系统、控制单元、整流模块、电容模块、直流变换器、电机和电机控制系统。其中，电池组、电机均通过母线连接电机控制系统；在电机控制系统与电池组之间的连线上安装有采集系统；控制单元分别连接采集系统、整流模块、直流变换器和电容模块；电机和整流模块之间也通过母线相连接，由电机发出的电流接入整流模块；整流模块的输出端连接电容模块的输入端，电容模块的输出端连接直流变换器和控制单元；直流变换器的输出端连接电池组。

[0029] 各部件选择如下：

[0030] 电池组由一组特性参数相同的电池串联构成的供电单元。电池组的第一节电池的正极和最后一节电池的负极分别与母线的正极性线和负极性线分别相连；电机作为负载消耗电流时，电池组发出的电流通过母线提供给电机。

[0031] 电机控制系统与传统电电混合充放电系统在组成和功能上没有区别。

[0032] 采集系统，包括由霍尔器件构成的电流采样电路。霍尔器件安装在电机控制系统与电池组之间的母线上。采集系统用于根据控制单元的控制指令，对电机控制系统和电池组之间的母线电流大小和方向进行采集，并将采集到的电流上报给控制单元。这部分在电路组成及功能上与传统的采集系统没有区别。同时也用于根据控制单元的控制指令，将电池组的电压采样上报给控制单元。

[0033] 控制单元可由集成模数转换功能的处理器构成，也可以是单独的处理器和模数转换电路构成。控制单元用于接收采集系统上报的电流数字信号，据此判断电机控制系统输出电流的大小及电流方向，判断当前电机作为负载的工作状态是消耗电能状态还是发电状态；另外，因控制单元具有模数转换电路，因此还用于对电容模块的电压进行采样来检测电容存储电量的情况。如果电容模块的电压较高则表明电容模块中存储了很多电量，此时控制单元控制直流变换器导通，按照电池组的充电电流和电压的要求进行充电，补充能量。反之，表明电容模块中存储的电量很少，控制单元控制直流变换器关断。

[0034] 整流模块选择可控硅整流器件。用于将电机发出的三相交流电流转换成直流电流储存在电容模块中。

[0035] 电容模块由多个特性相同的电容并联构成一个储能系统，用于接收来自整流模块输出的直流电，当电机处于发电状态时提供瞬间大电流满足电机瞬时功率的需要，在电机减速或突然停止时，用于储存电机发出的电能。

[0036] 直流变换器采用单向DC-DC，用于当电容模块充满电时，向电池组进行充电，以及时补充电池组能量。由于电池组充电是一个化学过程，原则上对充电电流的大小有限制，因此通过直流变换器向电池组进行充电，根据电池的充电要求设定合适的充电电流，确保电池组的安全和可靠。因不同功率的电容模块中电容的容量、耐压电气参数不一定相同，组成电池组的单个电池充电电压、充电电流电气参数也不一定相同，因此，单向DC-DC的设计需要根据实际电容模块和电池组的电气参数来调整。该转换器与传统直流变换器在工作原理图上没有本质区别。

[0037] 电机由一组三相电感线圈构成，与传统的电机没有本质区别。当电机加速时，充当负载消耗电能；当电机减速或突然停止时又作为发电机发出电能。

[0038] 电机控制系统采用IGBT作为开关器件构成的整流桥和IGBT驱动电路。

[0039] 图4为与本发明相关的电电混合装置相关的电路简图。图中M为电机；电机控制系统包括六个英飞凌公司生产的IGBT模块FS600R07A2E3，每个耐压达到650V，通电流能力达到600A(见图中虚线框部分)。整流模块包括六个TECCOR公司生产的可控硅整流二极管S6070W，每个二极管都具有600V反向耐压及70A的通电流能力(见图中虚线框部分)，图中可控硅的A，B，C，D，E，F六个控制点，分别连接到控制单元的六个控制管脚，由六个控制管脚控制可控硅的导通与关闭。显然整流模块的过电流能力要远低于电机控制系统中的IGBT的过电流能力。控制单元包括ADUC812处理器，该处理器带有两路12位的数模转换器DAC，8通道每个通道都是12位精度的模数转换器ADC，ADUC812的模数转换通道比较多，一方面转换采集系统的采集的电流转化的电压值，一方面也采集电容模块的电压。采集系统包括相连接的霍尔器件和电流采样电路，它将霍尔器件取样的电流转换为电压值，由ADUC812自带的模数转换部分进行转换。采集系统和ADUC812之间通过模数转换接口相连；直流变换器为小功率的单向1kw以下的DC-DC，与传统直流变换器在工作原理图上没有本质区别，其输入端与分别与电容的正负极相连，输出端分别与电池的正负极相连。控制单元的一个控制管脚连接直流变换器的工作使能端，控制管脚为高使能直流变换器进入工作状态，为低高禁止直流变换器工作。值得说明的是，本图所示的电电混合能量回收装置仅仅是实际使用中的一个特例，因电机的运用场合不同比如电动汽车和电动摩托车，功率并不完全相同，其中器件、模块的参数需要根据实际情况进行选型，在不违反基本原理的情况下，相关的多个变换都视为本发明涉及的范围。

[0040] 如图3所示，本发明的电电混合能量回收方法包括如下步骤：

[0041] 步骤1：在电机负载减速或突然停止时，电机瞬间发出电能；控制单元向采集系统发出控制指令，采集系统中对电机控制系统和电池组之间的母线电流大小和流向进行采集，并将采集到的电流上报给控制单元；控制单元判断电流由电机控制系统流向电池组时，判断电机处于发电状态。

[0042] 步骤2：控制单元控制整流模块导通，电机发出的交流电被整流模块转换为直流电存储在电容模块中；由于整流模块中开关器件的导通压降很小，和电机相连的母线的电位被拉低，使得电机控制系统无法给电池组进行大电流充电，从而避免了电池组受到电机瞬间产生的大电流冲击；而图1所示的传统节能系统的电池组无法回避大电流的冲击；

[0043] 步骤3：在电容模块被充电的过程中，控制单元实时采样电容模块的电压，在电容模块的电压低于耐压值的情况下保持充电状态；如果电容模块的电压超过电容模块的耐压值，控制单元控制直流变换器开启，电容模块给电池组充电，在电容模块给电池组充电过程中，如果电容模块的电压低于电池组的最低电压(一般为2.5V)，则控制单元控制直流变换器关断；

[0044] 步骤4：在电容模块给电池组充电的过程中，采集系统根据控制单元的控制指令采集电池组的电压，当电池组中单个电池的电压达到规定值(一般为4.2V)，则采集系统上报给控制单元，由控制单元控制直流变换器关闭，此时电池组能够给电机提供能量；否则，返回步骤3。

[0045] 本发明提出的电电混合能量回收装置和方法，通过在电机和电机控制系统之间添加电容模块来回收电机发出的电能，与传统设计方式在电池组和电机控制系统之间添加电容模块回收电能相比，本发明中当电机处于放电状态时，因整流模块工作时，拉低了电机控制系统和电机之间连线的电位，使得电机处于发电状态时，电机无法通过电机控制系统对电池组进行充电，使得电池组免受电机发出的瞬间大电流冲击，保护了电池组，实现了传统电电混合系统不能实现的功能；同时整流模块也可采用导通压降小、成本更低的类似可控硅的开关器件来实现，而给电池充电的DC-DC也是单向小功率的，为保证电池的安全和可靠性，其充电电流很小，这些设计都降低了整机方案的设计成本和体积。同时，通过内部充电的方式来补充电池能量在一定程度上能够减少通过外部充电方式来给电池补充能量的次数，延长了电池的续航时间。本发明在实现回收电能的同时，也能给电池提供一条充电路径。