专利名称：制动能量回馈中直流母线过压保护的无触点开关装置的制作方法
技术领域：
制动能量回馈中直流母线过压保护的无触点开关装置涉及到电动汽车制动回馈能量吸收的技术领域。
背景技术：
电动汽车研发的相关技术中，电机制动能量的回馈是其中的关键技术之一。将传统的汽车的机械制动改变为电气制动，制动过程中，驱动电机被车轮通过驱动轴反拖，并且将制动能量反馈对蓄电池等储能装置充电。但是，当蓄电池容量已经充满时，制动回馈的能量再向蓄电池存储时，将出现过充现象，动力系统直流母线电压会升高，大大超出蓄电池额定电压，这会对蓄电池的性能造成严重损害，另一方面，瞬时制动回馈的能量过大，亦可造成直流母线电压过高。为了保证电动汽车动力系统的良好性能，解决这一问题是在直流母线上并联一个耗能装置(如吸收电阻)，将出现过充时的多余的回馈能量吸收，缓解蓄电池等储能装置承受的电压应力。耗能装置与直流母线的连接需要一个开关装置，在这里一般的触点开关不能胜任，因为直流母线的电压、电流等级较高，采用一般触点开关会遇到通断不可靠、产生电弧等问题。
实用新型内容本实用新型的目的是提出一种制动能量回馈中直流母线过压保护的无触点开关装置，该开关装置在正常的工作情况下(不出现直流母线过电压)是断开的；当直流母线出现过高的电压时，开关装置闭合，将耗能吸收单元并接在直流母线的两端，吸收多余能量，防止母线电压升高。
本实用新型的特征在于其特征在于，它含有IGBT功率开关与并联在直流母线上的吸收多余电能的电阻箱串联；检测电路含有并接在直流母线上的电压传感器，用于检测直流母线上的电压；和电阻箱串接的电流传感器，用于检测流过电阻箱的电流；驱动逻辑信号发生电路输入端连接电压传感器的信号输出端，将接收的电压信号与设定的上下限值进行比较，当高于上限值时输出高电平到IGBT驱动电路；IGBT驱动电路用于将接收的驱动逻辑信号转换为IGBT的开关模拟信号，以驱动IGBT管的开关，并反馈IGBT管的过流信号；保护电路接收检测电路传来的流过电阻箱的电流信号，和IGBT驱动电路反馈的IGBT管的过流信号，当流过电阻箱的电流信号大于设定的电流上限值或当有IGBT管的过流信号反馈来时，保护电路输出一个强制关断信号，使驱动逻辑信号发生电路输出的驱动逻辑信号无效。
所述驱动逻辑信号发生电路主要由两个电压比较器和一个RS触发器组成，两个电压比较器分别用于将输入的所述直流母线的电压信号与上限值和下限值进行比较，其两个输出端分别输入所述RS触发器的输入端，RS触发器的输出端连接所述IGBT驱动电路的一个输入端。
所述IGBT驱动电路主要含有一个与门和一个驱动芯片，所述与门的两个输入端分别连接所述驱动逻辑信号发生电路的输出端和所述保护电路的输出端，所述与门的输出端连接所述驱动芯片的输入端，该驱动芯片的输出端通过限流电阻连接所述IGBT管的栅极，该驱动芯片的过流检测输入端通过一个快恢复二极管连接IGBT管的集电极，过流反馈信号输出端连接所述保护电路的其中一个输入端。
所述保护电路含有一个光耦，一个比较器，一个与门和一个RS触发器；所述光耦接收所述IGBT驱动电路反馈的过流信号，输出端连接与门的一个输入端；所述比较器的一个输入端连接所述检测电路的电流信号输出端，另一个输入端接收电阻箱电流上限设定值，其输出端与所述与门的另一个输入端相连；所述与门的输出端连接所述RS触发器的R端，该RS触发器的S端连接复位开关，其输出端连接上述IGBT驱动电路中的与门的一个输入端。
在所述驱动逻辑信号发生电路的上限设定端和逻辑信号输出端之间有一个手动电路，该手动电路上串联有两个触点开关，当需要手动控制时，将连接在逻辑信号输出端上的双触点开关闭合在手动端。
所述驱动芯片的号为M57962L。
实验证明，本实用新型能够在直流母线电压过高时及时导通，而电压正常时断开，使储能元件能够及时地吸收多余的能量，达到了预期的目的。
图1是本开关装置与母线及储能元件的连接示意图；图2是本开关装置的电路原理框图；图3是本开关装置各组成部分的电路原理图，其中图3a是检测电路原理图，图3b是驱动逻辑信号发生电路原理图，图3c是保护电路原理图，图3d是IGBT驱动电路原理图，图3e是缓冲电路原理图。
具体实施方式
结合附图说明本实用新型的具体实施方式
。
如图1所示，无触点开关K与储能元件电阻箱串联，然后并联在直流母线上，当回馈电压过大时，无触点开关K自动闭合，电阻箱吸收多余的电能；当回馈电压不超过额定电压时，无触点开关K断开，电阻箱不吸收电能。在本实用新型中需要让开关K具有对母线电压检测并判断是否过压的功能，本实用新型还具有过压限值的设定功能，使用者可以根据具体情况需求设定过电压的限值。如在图1所示的应用场合下，由于蓄电池组的额定电压是336V，所以此时开关的过压判断的参考值设定为420V。本实用新型所提供的可以设定的过压参考值的设定范围是0V～500V。
如图2所示，本实用新型以功率开关器件(本发明选用IGBT)为基础，提供了一种无触点开关装置。图中“直流母线+”为母线的高端(即“+”端)，“直流母线-”为母线的低端(即“-”端)。该装置在电路设计上包括电压电流检测电路、功率开关器件及其缓冲电路单元、开关器件的驱动电路、驱动信号的逻辑电路以及开关器件的保护电路。电压电流检测电路检测直流母线的电压和流过电阻箱的电流信号。驱动信号的逻辑电路的功能是根据设定的电压上下限指以及电压检测信号，产生IGBT的驱动逻辑信号。开关器件IGBT的驱动电路将来自于驱动信号逻辑电路的逻辑上的驱动信号(数字上的“高”或“低”)处理成为合乎功率开关器件开关驱动波形及功率要求的实际驱动信号(模拟的)来控制其开关。功率开关器件IGBT与其缓冲电路一起构成控制电阻箱线路通断的执行单元，缓冲电路用来吸收开关瞬时的脉冲功率以削平流过IGBT的峰值电流或IGBT两端的峰值电压。IGBT的保护电路，用于防止IGBT的过流，它接收流过电阻箱的电流信号，以及IGBT驱动模块反馈的IGBT过流信号，当流过电阻箱的电流，或者IGBT集电极电流超过限值时，保护电路给IGBT加上强制关断的信号以保护器件免受破坏。
如图3a所示，检测电路主要由电压和电流传感器组成(型号分别为LV28-P和LT308-S7)，负责检测直流母线的电压和电流。电压传感器并接在直流母线上，检测到的直流母线的电压Vmo，将与图3b中使用者设定(通过调节电位器Rr1和Rr2来设定)的过压值比较可以用来产生驱动的逻辑信号。电流传感器与电阻箱串接，用于检测流过电阻箱的电流。
驱动逻辑信号发生电路，本实用新型提供的开关装置有两种工作模式——自动和手动，因此驱动逻辑信号的发生也有两种方式。其具体实现电路如图3(b)所示，主要由两个电压比较器(LM139)、RS触发器(CD4044)以及触点开关组成。自动运行时，检测电路输出的信号Vmo通过电压比较器进行上下限值比较，自行判断给出驱动逻辑信号Ui，当高于上限值时，输出电平Ui为高电平，当低于下限值时，输出电平为低电平，在上下限值之间时，为保持状态；手动运行时，开关装置的通断完全由人的手工操作来完成，电压检测信号在此时不起任何作用。
见图3c，保护电路主要由光耦P521、电压比较器LM139、与门74HC08、RS触发器CD4044以及复位开关组成，它对电流检测电路的输出信号Imo进行判断，同时也接收来自于IGBT驱动模块反馈的过流信号(M57962L8的8脚的输出)，这两路过流信号中只要有一个信号为有效(“低”有效)，保护电路即输出强制关断IGBT的信号，对IGBT起保护作用。图3d中M57962L的8脚为IGBT过流故障信号的输出脚(过流信号反馈输出端)，当流过IGBT的电流超过它的工作电流限制时这个引脚8输出低电平，使光耦P521的另一侧导通，给与门74HC08一个低电平使保护信号UP为“0”；通过调节电位器Rri来设定另一路电流保护的限值，这一路保护使用者根据实际情况(能量吸收装置如电阻箱允许流过电流的最大值)来设计，电流检测电路的输出信号Imo与这个参考值相比较即可得到这一路保护信号，超过设定的限值时，比较器LM139输出为“0”，低于限值为“1”。在这里低电平有效的RS触发器CD4044主要作用是完成正常的起动过程以及故障排除后的电路复位功能，具体过程如下。整个电路上电之初，74HC08的输出为“1”，即CD4044的R端输入为“1”，由于电容C1的充电需要一个过程，因此起初S端为“0”，故此时CD4044的输出为“1”，当C1充电结束时，R、S端输入均为“1”，故CD4044的输出将保持为“1”，电路完成了正常启动；当过流故障发生时，74HC08输出为“0”，即R端为“0”，而S端是为“1”的，故此时CD4044的输出将置“0”，保护信号UP随即发生作用，“切断”Ui，显然，切断Ui之后，由于IGBT断开，没有了电流，74HC08的输出将变为“1”，R、S的输入又均为“1”，故CD4044的输出将保持为“0”，直至故障排除后按下复位按钮，复位按钮按下时，S变为“0”，触发器输出置“1”，松开按钮电容C1充电完成后，S又变回“1”，触发器的输出又将保持为“1”，电路恢复正常工作。由于对于检测电路送来的电流检测信号，同样是将其与一个过流参考值进行对比，以此来判断是否过流，因此，本发明的装置提供了过流限值的自行设定功能(通过电位器Rri可进行调节)，使用者可以根据具体情况设定使保护电路动作的过电流的限值，这个电流限值的调节范围是0A～500A。
见图3d，IGBT的驱动电路主要由三菱IGBT专用驱动模块M57962L组成，其主要功能是将信号级的驱动逻辑信号转变成为满足驱动IGBT开通和关断所需的波形和功率要求的功率级信号(这里，是将开通的逻辑信号转变为+15V的脉冲来开通IGBT，将关断的逻辑信号转变成为-10V的脉冲关断IGBT)，同时IGBT的驱动模块向保护电路输出自己的过电流检测信号。
见图3e，IGBT及其缓冲电路部分是“开”和“关”动作的最终执行机构，本发明中使用了典型的RCD缓冲电路以避免IGBT受开关尖峰电压和电流的冲击，从而保证装置的稳定运行。
权利要求1.制动能量回馈中直流母线过压保护的无触点开关装置，其特征在于，它含有IGBT功率开关与并联在直流母线上的吸收多余电能的电阻箱串联；检测电路含有并接在直流母线上的电压传感器，用于检测直流母线上的电压；和电阻箱串接的电流传感器，用于检测流过电阻箱的电流；驱动逻辑信号发生电路输入端连接电压传感器的信号输出端，将接收的电压信号与设定的上下限值进行比较，当高于上限值时输出高电平到IGBT驱动电路；IGBT驱动电路用于将接收的驱动逻辑信号转换为IGBT的开关模拟信号，以驱动IGBT管的开关，并反馈IGBT管的过流信号；保护电路接收检测电路传来的流过电阻箱的电流信号，和IGBT驱动电路反馈的IGBT管的过流信号，当流过电阻箱的电流信号大于设定的电流上限值或当有IGBT管的过流信号反馈来时，保护电路输出一个强制关断信号，使驱动逻辑信号发生电路输出的驱动逻辑信号无效。
2.如权利要求1所述的制动能量回馈中直流母线过压保护的无触点开关装置，其特征在于，所述驱动逻辑信号发生电路主要由两个电压比较器和一个RS触发器组成，两个电压比较器分别用于将输入的所述直流母线的电压信号与上限值和下限值进行比较，其两个输出端分别输入所述RS触发器的输入端，RS触发器的输出端连接所述IGBT驱动电路的一个输入端。
3.如权利要求1所述的制动能量回馈中直流母线过压保护的无触点开关装置，其特征在于，所述IGBT驱动电路主要含有一个与门和一个驱动芯片，所述与门的两个输入端分别连接所述驱动逻辑信号发生电路的输出端和所述保护电路的输出端，所述与门的输出端连接所述驱动芯片的输入端，该驱动芯片的输出端通过限流电阻连接所述IGBT管的栅极，该驱动芯片的过流检测输入端通过一个快恢复二极管连接IGBT管的集电极，过流反馈信号输出端连接所述保护电路的其中一个输入端。
4.如权利要求1所述的制动能量回馈中直流母线过压保护的无触点开关装置，其特征在于，所述保护电路含有一个光耦，一个比较器，一个与门和一个RS触发器；所述光耦接收所述IGBT驱动电路反馈的过流信号，输出端连接与门的一个输入端；所述比较器的一个输入端连接所述检测电路的电流信号输出端，另一个输入端接收电阻箱电流上限设定值，其输出端与所述与门的另一个输入端相连；所述与门的输出端连接所述RS触发器的R端，该RS触发器的S端连接复位开关，其输出端连接上述IGBT驱动电路中的与门的一个输入端。
5.如权利要求2所述的制动能量回馈中直流母线过压保护的无触点开关装置，其特征在于，在所述驱动逻辑信号发生电路的上限设定端和逻辑信号输出端之间有一个手动电路，该手动电路上串联有两个触点开关，当需要手动控制时，将连接在逻辑信号输出端上的双触点开关闭合在手动端。
6.如权利要求3所述的制动能量回馈中直流母线过压保护的无触点开关装置，其特征在于，所述驱动芯片的号为M57962L。
专利摘要制动能量回馈中直流母线过压保护的无触点开关装置涉及到电动汽车制动回馈能量吸收的技术领域。其特征在于，它含有与并联在直流母线上的吸收多余电能的电阻箱相串联的IGBT功率开关，以及用于检测直流母线电压和流过电阻箱电流的检测电路，用于产生驱动逻辑信号的驱动逻辑信号发生电路，用于将接收的驱动逻辑信号转换为IGBT的开关模拟信号，以驱动IGBT管的开关，和用于判断IGBT管和流过电阻箱电流是否过流，从而强制关断IGBT管的保护电路。本实用新型能够在直流母线电压过高时及时导通，而电压正常时断开，使储能元件能够及时地吸收多余的能量。
文档编号H02H9/04GK2650371SQ03249069
公开日2004年10月20日 申请日期2003年9月26日 优先权日2003年9月26日
发明者高大威, 卢青春, 秦孔建 申请人:清华大学