CN103042927B - 一种新能源汽车的拖车保护电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种新能源汽车的拖车保护电路。在隔离与驱动模块中新增了可由逆变器的高压侧的母线电容供电，并且增加了备用控制芯片。本申请还公开了所述拖车保护电路的实现方法。所述备用控制芯片中具有一个电压参考值。当母线电容两端电压小于所述电压参考值时，输出备用驱动信号以使得永磁同步电机输出转矩为负；当母线电容两端电压大于所述电压参考值时，输出备用驱动信号以使得永磁同步电机输出转矩为正。由此，本申请可在新能源汽车因故障而拖行时的对永磁同步电机进行扭矩输出控制，使其在电机模式与发电机模式之间不断切断，维持母线电容两端电压不大于设定安全电压，防止了电子器件可能出现的过压损坏。

Description

一种新能源汽车的拖车保护电路及其实现方法

技术领域

本申请涉及一种新能源汽车(包括电动汽车、混合动力汽车等)的拖车保护电路、以及该电路实现拖车保护的方法。

背景技术

请参阅图1，这是新能源汽车的电机控制系统的简化示意图。所述电机控制系统包括：

——永磁同步电机1，其机械输出轴与新能源汽车的传动系统相连，为新能源汽车输出扭矩与功率。当永磁同步电机1被高速拖动时，也反过来生成三相交流电。

——逆变器2，分为相互之间电气隔离的高压侧21和低压侧22。

——高压电池3，电压通常在几百伏特以上。

——低压电池4，电压一般为几十伏特，例如12V、24V等。

所述逆变器2的高压侧21的直流端与高压电池3相连，交流端与永磁同步电机1的三相交流电端口相连，驱动永磁同步电机1输出扭矩与功率，以及反馈永磁同步电机1的制动能量的作用。常见的高压侧21采用三相桥式逆变电路，由母线电容C1和三个桥臂并联组成。每个桥臂由两个功率开关器件串联组成，每个功率开关器件还反向并联一个二极管。常用的功率开关器件包括IGBT器件、MOS管等。

所述逆变器2的低压侧22包括电机控制系统的主控制板221、通信模块等。所述主控制板221包括DSP(数字信号处理器)、MCU(微控制单元)、各种传感器信号采集电路等。低压侧22一方面以低压电池4为低压设备供电，另一方面以主控制板221输出的驱动信号来控制低压设备。例如，高压侧21的各个功率开关器件的工作电源、控制信号均来自于低压侧22。

逆变器2的高压侧21与低压侧22之间通过隔离与驱动模块23进行电气隔离与低压设备驱动信号的传递。请参阅图2，隔离与驱动模块23中也分为高压侧23a和低压侧23b。隔离式DC-DC转换器231、信号隔离电路232均执行隔离功能，分别用来将低压电池4的电源、以及主控制板221生成的驱动信号，经一定的电平转换后分别作为开关驱动模块233的电源和驱动信号。开关驱动模块233位于隔离与驱动模块23的高压侧23a，执行驱动功能，用来控制逆变器2的高压侧21的各个功率开关器件。整个隔离与驱动模块23均由逆变器2的低压侧22负责供电。

在车辆正常行驶时，高压电池3通过逆变器2的高压侧21驱动永磁同步电机1。当车辆出现故障而被拖动时，永磁同步电机1因拖动而旋转，将会产生反电势，通过逆变器2的高压侧21中各个二极管为母线电容C1充电。而高压侧21中的功率开关器件和母线电容C1等均为电压敏感器件。车辆被拖行时永磁同步电机1所产生的反电势可能会对这些电压敏感器件造成损伤。

一种现有的新能源汽车的拖车保护方法是：拖车时将永磁同步电机1的驱动轮抬起，这样在车辆拖行过程中永磁同步电机1就不会转动，因而不会产生反电势。这种方法必须由专用拖车才能实现。

另一种现有的新能源汽车的拖车保护方法是：拖车时限制永磁同步电机1的转速，使其产生的反电势不会对电压敏感器件造成损伤。这种方法对新能源汽车的电机驱动系统的设计带来了困难。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种新能源汽车的拖车保护电路，该电路可以让新能源汽车不受时间、速度限制地被拖行，而仍能保证永磁同步电机、逆变器等核心设备的安全性。为此，本申请还要提供所述新能源汽车的拖车保护电路的实现方法。

为解决上述技术问题，本申请新能源汽车的拖车保护电路为：在逆变器的高压侧与低压侧之间具有隔离与驱动模块；所述隔离与驱动模块包括：

——隔离式DC-DC转换器，从逆变器的高压侧的母线电容取电，在隔离与驱动模块的低压侧生成低压侧控制电源，同时在隔离与驱动模块的高压侧生成高压侧驱动电源；

——备用控制芯片，位于隔离与驱动模块的低压侧，由所述低压侧控制电源供电，生成低压设备的备用驱动信号；

——逻辑电路，位于隔离与驱动模块的低压侧，由所述低压侧控制电源供电，当逆变器的低压侧的主控制板有输出驱动信号时，将该驱动信号输出；当逆变器的低压侧的主控制板没有输出驱动信号时，则将所述备用驱动信号输出；

——信号隔离电路，将逻辑电路输出的信号经隔离后传递给开关驱动模块；

——开关驱动模块，位于隔离与驱动模块的高压侧，由所述高压侧驱动电源供电，根据信号隔离电路输出的驱动信号，控制逆变器的高压侧的功率开关器件，从而调整永磁同步电机的输出转矩。

所述新能源汽车的拖车保护电路的实现方法为：从逆变器的高压侧的母线电容取电，在隔离与驱动模块的低压侧生成低压侧控制电源，同时在隔离与驱动模块的高压侧生成高压侧驱动电源；

所述低压侧控制电源为隔离与驱动模块的高压侧中的备用控制芯片和逻辑电路供电，所述备用控制芯片中具有一个电压参考值，该电压参考值不大于逆变器的高压侧的最大允许电压；当母线电容两端电压小于所述电压参考值时，该备用控制芯片输出备用驱动信号以使得永磁同步电机输出转矩为负；当母线电容两端电压大于所述电压参考值时，该备用控制芯片输出备用驱动信号以使得永磁同步电机输出转矩为正；

当逆变器的低压侧的主控制板有输出驱动信号时，所述逻辑电路将该驱动信号输出；当逆变器的低压侧的主控制板没有输出驱动信号时，所述逻辑电路将备用控制芯片输出的备用驱动信号输出；

所述高压侧驱动电源为开关驱动模块供电，所述开关驱动模块根据所述逻辑电路输出的信号控制逆变器的高压侧的功率开关器件，从而调整永磁同步电机的输出转矩。

本申请对逆变器的主要改变集中于隔离与驱动模块。传统的隔离与驱动模块仅由逆变器的低压侧供电，且缺少控制芯片。本申请则在隔离与驱动模块中新增了可由逆变器的高压侧的母线电容供电，并且增加了备用控制芯片。由此，本申请可在新能源汽车因故障而拖行时的对永磁同步电机进行扭矩输出控制，使其在电机模式与发电机模式之间不断切断，维持母线电容两端电压不大于设定安全电压，防止了电子器件可能出现的过压损坏。因此，本申请使得新能源汽车在出现故障而被拖行时，可以不使用专用拖车，也没有拖行时间或速度上的限制，可以被自由拖行。

附图说明

图1是新能源汽车的电机控制系统的结构示意图；

图2是传统新能源汽车的电机控制系统的电源结构示意图；

图3是本申请新能源汽车的拖车保护方法中的控制走向框图；

图4是本申请新能源汽车的拖车保护方法的流程图；

图5是新能源汽车的电机控制系统在车辆因故障被拖车时的示意图；

图6是图4中的隔离与驱动模块的本申请创新结构示意图。

图中附图标记说明：

1为永磁同步电机；2为逆变器；21为逆变器的高压侧；22为逆变器的低压侧；221为主控制板；23为隔离与驱动模块；23a为隔离与驱动模块的高压侧；23b为隔离与驱动模块的低压侧；231、231’均为隔离式DC-DC转换器；232为信号隔离电路；233为开关驱动模块；234为备用控制芯片；235为逻辑电路；3为高压电池；4为低压电池；5为冷却设备。

具体实施方式

请参阅图5至图6，下面将以一个具体实施例对本申请新能源汽车的拖车保护电路进行详细的说明。

所述新能源汽车的电机控制系统包括永磁同步电机1、逆变器2、高压电池3和低压电池4。逆变器2又分为高压侧21和低压侧22，两者之间通过隔离与驱动模块23进行电气隔离。正常工作时，高压侧21将高压电池3的高压直流电流转换为三相交流电，以驱动永磁同步电机1。永磁同步电机1的反馈能量也通过高压侧21转换并为高压电池3充电。正常情况下，低压侧22将低压电池4为低压设备供电，还以主控制板221的驱动信号来控制低压设备。冷却设备5就是一种典型的低压设备，其包括冷却风扇、冷却水泵等。高压侧21的功率开关器件等也由低压侧22提供低压电源和驱动信号。

所述隔离与驱动模块23进一步包括：

——隔离式DC-DC转换器231’，其从逆变器2的高压侧21的母线电容C1取电，在隔离与驱动模块23的低压侧23b生成低压侧控制电源，为备用控制芯片234、逻辑电路235等供电。同时在隔离与驱动模块23的高压侧23a生成高压侧驱动电源，为开关驱动模块233等供电。

——备用控制芯片234，位于隔离与驱动模块23的低压侧23b，由所述低压侧控制电源供电，生成低压设备的备用驱动信号。这里的低压设备主要是指逆变器2的高压侧21中的功率开关器件。在备用控制芯片234中具有一个电压参考值，该电压参考值不大于逆变器2的高压侧21的最大允许电压。当逆变器2的高压侧21中的母线电容C1两端电压小于所述电压参考值时，该备用控制芯片234输出备用驱动信号以使得永磁同步电机1输出转矩为负。当逆变器2的高压侧21中的母线电容C1两端电压大于所述电压参考值时，该备用控制芯片234输出备用驱动信号以使得永磁同步电机1输出转矩为正。

——逻辑电路235，位于隔离与驱动模块23的低压侧23b，由所述低压侧控制电源供电。该逻辑电路235执行判断功能：当逆变器2的低压侧22的主控制板221有输出驱动信号时，则逻辑电路235将该驱动信号输出。当逆变器2的低压侧22的主控制板221没有输出驱动信号时，则将隔离与驱动模块23的低压侧23b中的备用控制芯片234所输出的备用驱动信号输出。

——信号隔离电路232，将逻辑电路235输出的驱动信号经隔离后传递给开关驱动模块233。

——开关驱动模块233，位于隔离与驱动模块23的高压侧23a，由所述高压侧驱动电源供电。根据信号隔离电路232输出的驱动信号，控制逆变器2的高压侧21的功率开关器件，从而调整永磁同步电机1的输出转矩为正或为负。

结合图5、图6可以发现，逆变器2具有高压侧21和低压侧22。隔离与驱动模块23也具有高压侧23a和低压侧23b。由于隔离与驱动模块23属于逆变器2的一部分，因而高压侧23a也是属于高压侧21的一部分，低压侧23b也是属于低压侧22的一部分。

请参阅图4，并参考图5和图6，本申请新能源汽车的拖车保护方法为：

当新能源汽车出现故障时，为确保安全，高压电池3与逆变器2的高压侧21断开连接，低压电池4与逆变器2的低压侧22之间也由继电器(相当于开关)41断开连接，逆变器2的高压侧21的三个桥臂中的六个功率开关器件全部关断。此时，低压侧22无法从低压电池4获得供电，因而包括隔离与驱动模块23、冷却设备5、高压侧21的功率开关器件在内的所有低压设备都没有电源和驱动。

此时当新能源汽车被拖行时，本申请由逆变器2的高压侧21的母线电容C1在隔离与驱动模块23的低压侧23b生成低压侧控制电源，属于低压电源，用来给备用控制芯片234和逻辑电路235供电；同时由所述母线电容C1在隔离与驱动模块23的高压侧23a生成高压侧驱动电源，也属于低压电源，用来给开关驱动模块233供电。由母线电容C1生成低压侧控制电源、高压侧驱动电源例如采用隔离式DC-DC转换器231’。所述备用控制芯片234例如是DSP、MCU等，由于其仅用于故障拖车控制，因而较主控制板221上的处理器而言可采用功能更简单、成本更低廉的器件。所述逻辑电路235例如采用CPLD(复杂可编程逻辑器件)。

所述备用控制芯片234设定一个电压参考值Vdc_ref，该电压参考值不大于逆变器2的高压侧21的最大允许电压。例如，高压侧21的三相桥式逆变电路由650V的功率开关器件和450V的膜电容组成，那么该电压参考值可设为400V。又如，高压侧21的三相桥式逆变电路由1200V的功率开关器件和900V的膜电容组成，那么该电压参考值可设为800V。当母线电容C1两端电压Vdc小于所述电压参考值Vdc_ref时，该备用控制芯片222输出驱动信号以使得永磁同步电机1输出转矩为负，即永磁同步电机1工作于发电机模式。当母线电容C1两端电压Vdc大于所述电压参考值Vdc_ref时，该备用控制芯片222输出驱动信号以使得永磁同步电机1输出转矩为正，则永磁同步电机1工作于电动机模式。这样便将母线电容C1两端电压Vdc稳定在所述电压参考值Vdc_ref。

请参阅图3，本申请还可进一步地通过PI(比例-积分)控制器或PID(比例-积分-微分)控制器，并采用成熟的无位置传感器控制算法和弱磁控制算法，实现将母线电容C1的两端电压Vdc稳定在所述的参考电压值Vdc_ref附近。这些算法可以根据永磁同步电机1输出的扭矩应该为正或为负，得到高压侧21的三相桥臂的六个功率开关器件的驱动信号，最终实现母线电容C1两端电压的闭环控制，保证其不会超过逆变器2的高压侧21的最大允许电压，因而不会造成逆变器2的高压侧21因过压损坏。

一般来说，新能源汽车永磁同步电机的正常转矩控制需要位置传感器(例如旋转变压器)。然而对于位置传感器或其采集电路故障情况下的拖车，则无法实现正常的转矩控制，采用无位置传感器控制可以解决这个问题。

在这种拖车控制策略下，当电机转速较低，反电势线电压幅值小于参考电压Vdc_ref时，永磁同步电机1工作于发电机模式，但输出电流很小，负转矩也非常小，几乎等于零，所以不会造成拖车困难。由于电流较小，逆变器的能量损耗也很小，所以也不需要散热。直接转矩控制算法(DTC)就是一种无位置传感器控制算法，其核心为磁链和转矩估计器，在磁链估计基础上计算出位置信号进行控制，更详细的内容可以参考论文《AnalysisofDirectTorqueControlinPermanentMagnetSynchronousMotorDrives》(作者：ZhongL.等。出自期刊《IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS》第3期第12卷第528～536页，1997年5月)。

当永磁同步电机1的转速升高，其产生的反电势线电压幅值超过设定参考电压Vdc_ref时，则需要采用弱磁控制算法(FluxWeakeningcontrol)。该弱磁控制算法可以参见论文《Expansionofoperatinglimitsforpermanentmagnetmotorbycurrentvectorcontrolconsideringinvertercapacity》(作者：Morimoto,S.等。出自期刊《IEEETransactionsonIndustryApplications》第5期第26卷第866～871页，1990年9月～10月)，此时一部分相电流需要用于弱磁，所以相电流将增大。如果永磁同步电机1的转速持续增加，相电流增加到某一设定值时，隔离与驱动模块23的低压侧23b中的备用控制芯片234所输出的备用驱动信号中还包括有开启冷却设备5，从而为逆变器2的高压侧21和永磁同步电机1散热，防止它们因过热损坏。

如图1所示，逆变器2的低压侧22原本就有主控制板221，其向包括隔离与驱动模块23、高压侧21的功率开关器件在内的各种低压设备输出正常的驱动信号。如图2所示，现有的隔离与驱动模块23中没有控制芯片。如图6所示，本申请在隔离与驱动模块23的低压侧23b中增加了备用控制芯片234，其主要向高压侧23a的开关驱动模块233(也可向冷却设备5等)输出备用的驱动信号。这两路驱动信号都汇集到逻辑电路235，由逻辑电路235将正常驱动信号优先输出，而将备用驱动信号作为次选输出。这样即便在新能源汽车因故障而拖行时，也可由新增的备用控制芯片234实现拖车保护功能。

所述隔离式DC-DC转换器231’可以采用变压器方案，而信号隔离电路232可以采用光耦方案或者磁隔离器件实现。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新能源汽车的拖车保护电路，在逆变器的高压侧与低压侧之间具有隔离与驱动模块；其特征是：所述隔离与驱动模块包括：

——隔离式DC-DC转换器，从逆变器的高压侧的母线电容取电，在隔离与驱动模块的低压侧生成低压侧控制电源，同时在隔离与驱动模块的高压侧生成高压侧驱动电源；

——备用控制芯片，位于隔离与驱动模块的低压侧，由所述低压侧控制电源供电，生成低压设备的备用驱动信号；

——逻辑电路，位于隔离与驱动模块的低压侧，由所述低压侧控制电源供电，当逆变器的低压侧的主控制板有输出驱动信号时，将该驱动信号输出；当逆变器的低压侧的主控制板没有输出驱动信号时，则将所述备用驱动信号输出；

——信号隔离电路，将逻辑电路输出的驱动信号经隔离后传递给开关驱动模块；逻辑电路输出的驱动信号，为主控制板有输出的驱动信号或者备用控制芯片生成的备用驱动信号；

——开关驱动模块，位于隔离与驱动模块的高压侧，由所述高压侧驱动电源供电，根据信号隔离电路输出的驱动信号，控制逆变器的高压侧的功率开关器件，从而调整永磁同步电机的输出转矩。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车的拖车保护电路，其特征是，所述新能源汽车的电机控制系统包括永磁同步电机、逆变器、高压电池和低压电池；逆变器又分为相互之间电气隔离的高压侧和低压侧；

高压侧将高压电池高压直流电流转换为三相交流电，以驱动永磁同步电机；永磁同步电机的反馈能量也通过高压侧转换并为高压电池充电；

低压侧为低压设备提供低压电源和驱动信号。

3.根据权利要求2所述的新能源汽车的拖车保护电路，其特征是，逆变器的高压侧采用三相桥式逆变电路，由母线电容和三个桥臂并联组成；每个桥臂由两个功率开关器件串联组成，每个功率开关器件还反向并联一个二极管。

4.根据权利要求2所述的新能源汽车的拖车保护电路，其特征是，所述隔离式DC-DC转换器采用变压器，信号隔离电路采用光耦或磁隔离器件。

5.一种新能源汽车的拖车保护电路的实现方法，其特征是：从逆变器的高压侧的母线电容取电，在隔离与驱动模块的低压侧生成低压侧控制电源，同时在隔离与驱动模块的高压侧生成高压侧驱动电源；

所述低压侧控制电源为隔离与驱动模块的高压侧中的备用控制芯片和逻辑电路供电，所述备用控制芯片中具有一个电压参考值，该电压参考值不大于逆变器的高压侧的最大允许电压；当母线电容两端电压小于所述电压参考值时，该备用控制芯片输出备用驱动信号以使得永磁同步电机输出转矩为负；当母线电容两端电压大于所述电压参考值时，该备用控制芯片输出备用驱动信号以使得永磁同步电机输出转矩为正；

当逆变器的低压侧的主控制板有输出驱动信号时，所述逻辑电路将该驱动信号输出；当逆变器的低压侧的主控制板没有输出驱动信号时，所述逻辑电路将备用控制芯片输出的备用驱动信号输出；

所述高压侧驱动电源为开关驱动模块供电，所述开关驱动模块根据所述逻辑电路输出的驱动信号控制逆变器的高压侧的功率开关器件，从而调整永磁同步电机的输出转矩。

6.根据权利要求5所述的新能源汽车的拖车保护电路的实现方法，其特征是，当新能源汽车出现故障时，高压电池与逆变器的高压侧断开连接，低压电池与逆变器的低压侧之间也由继电器断开连接，逆变器的高压侧的三个桥臂中的六个功率开关器件全部关断。

7.根据权利要求5所述的新能源汽车的拖车保护电路的实现方法，其特征是，所述备用控制芯片中采用PI控制器或PID控制器，并采用无位置传感器控制算法和弱磁控制算法，实现将母线电容的两端电压稳定在所述的电压参考值、且不超过逆变器的高压侧的最大允许电压。