CN103703673A - 在电驱动系统中调整保护时间的方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制电驱动系统的脉冲逆变器的控制装置(12)，具有：控制调节电路(12a)，该控制调节电路被设计用于产生用于脉冲逆变器的开关装置的脉宽调制控制信号；故障逻辑电路(12b)，该故障逻辑电路可以检测驱动系统中的故障状态，并且被设计用于选择脉冲逆变器的开关装置的被分配给相应故障状态的开关状态或者开关状态序列；以及保护电路(12c)，该保护电路以硬件来实现，并且包括被设计用于延迟控制信号以便实现最短保护时间的信号延迟装置(15)和被设计用于将脉冲逆变器的桥支路的两个互补开关装置的锁定彼此相对锁定的锁定装置(16a，16b)。

Description

在电驱动系统中调整保护时间的方法和控制装置

技术领域

本发明涉及在具有电机和脉冲逆变器的电驱动系统中、尤其是在控制脉冲逆变器的半导体开关的情况下调整保护时间的方法以及控制装置。

背景技术

例如在混合动力汽车中使用具有脉冲逆变器的电机，在混合动力汽车中电机可选择地在电动机或者发电机运行中运行。在电动机运行中，电机产生额外的驱动转矩，该驱动转矩例如在加速阶段中支持内燃机；在发电机运行中，电机产生电能，该电能被存储在诸如电池或者超级电容之类的蓄能器中。借助脉冲逆变器调整电机的运行方式和功率。

已知的脉冲逆变器包括一系列开关，利用这些开关可选择地相对于高的电位、即所谓的中间电路电压或者相对于低的参考电位、尤其是接地转换电机的各个相。由外部控制器控制这些开关，该外部控制器根据驾驶员期望(加速或制动)计算电机的额定运行点。脉冲逆变器与控制器相连接，并且从该控制器获得相应的运行数据和／或者控制指令。

在干扰或者故障的情况下，例如当电池电流太高或者引线电流太高时，将脉冲逆变器转换到安全状态，以便防止电气部件的可能的损害。在此可以以常规的方法实现不同的开关状态。

例如可以闭合全部的与低电位相连接的开关、即所谓的低侧开关，并且打开所有与高电位相连接的开关、即所谓的高侧开关。该运行方式也称作到低电位的短路状态。也可以替代地闭合所有高侧开关，并且打开所有低侧开关，使得出现到高电位的短路状态。在另一种断路方法的情况下打开脉冲逆变器的全部的开关。这也称作空转模式。

例如由公开文件DE102006003254A1已知断路方法的组合：在例如相电流在切换到短路状态之后还可能短时间上升以后，在那里建议，顺序地利用两种已知的断路运行方式，并且首先将电机转换到空转模式，随后转换到短路状态。

分别针对确定的保护时间激活空转模式，使得由于关断延迟或者剩余电压始终可以保证在高电位和低电位之间不出现短路。该保护时间在通过硬件进行调整的情况下例如由于温度波动或者运行持续时间引起的波动而经受一定的容差。与此不同，在通过脉冲逆变器的控制软件调整保护时间的情况下，可以实现准确的调整，然而不能通过软件对硬件中的故障反应作出反应。

公开文件DE9413274U1公开了一种用于利用微处理器对脉冲逆变器的控制信号进行脉宽调制以便产生脉宽调制(PWM)信号的门阵列以及用于死时间补偿、用于直流分量抑制和用于锁定的装置。

需要在所有故障情况下、尤其在故障导致的脉冲逆变器的不同运行状态之间的转变的情况下均能保证电驱动系统的安全性和稳健性的解决方案。

发明内容

本发明因此创建一种用于控制电驱动系统的脉冲逆变器的控制装置，具有：控制调节电路，该控制调节电路被设计用于产生用于脉冲逆变器的开关装置的脉宽调制控制信号；故障逻辑电路，该故障逻辑电路可以检测驱动系统中的故障状态，并且被设计用于选择脉冲逆变器的开关装置的被分配给相应故障状态的开关状态或者开关状态序列；和保护电路，该保护电路以硬件来实现，并且包括被设计用于延迟控制信号以便实现最短保护时间的信号延迟装置和被设计用于将脉冲逆变器的桥支路的两个互补开关装置的锁定彼此相对锁定的锁定装置。

按照另一种实施方式，本发明创建一种系统，具有：按照本发明的控制装置；脉冲逆变器，具有全桥电路中的多个开关装置，这些开关装置通过控制装置来控制；和由脉冲逆变器供应供电电压的电机。

按照另一种实施方式，本发明创建一种用于控制电驱动系统的脉冲逆变器的方法，具有以下步骤：在软件电路中产生用于脉冲逆变器的开关装置的脉宽调制控制信号；检测驱动系统中的故障状态；选择脉冲逆变器的开关装置的被分配给相应故障状态的开关状态或者开关状态序列；以及延迟控制信号以便实现最短保护时间并且在硬件电路中锁定脉冲逆变器的桥支路的两个互补开关装置。

本发明的基本构思在于，组合两种机制来调整用于控制脉冲逆变器的功率开关元件的保护时间。一方面通过控制软件调整保护时间，使得可以将保护时间的长度纳入调节中并且可以对该长度进行动态适配。另一方面在连接在控制软件之后的硬件电路中、例如在具有计算机定时的可编程逻辑模块中在下游调整保护时间，以便能够保证在所控制的脉冲逆变器的高侧开关和低侧开关之间的最短保护时间和故障安全锁定。

通过在功率开关元件的驱动级之前的逻辑硬件元件，能够有利地实现最低限度保护措施、例如最短保护时间的调整以及半桥布置中的互补功率开关元件的故障安全锁定，而不负面地影响软件中的开关时间的调节。

本发明的实施方式的其它特征和优点由参考附图的以下描述得出。

附图说明

图1示出具有脉冲逆变器的电驱动系统的示意图；

图2示出脉冲逆变器的不同开关状态的状态图的示意图；

图3示出根据本发明的一种实施方式的脉冲逆变器的不同开关状态的状态图的示意图；

图4示出根据本发明的另一种实施方式的、具有脉冲逆变器和用于控制脉冲逆变器的控制装置的电驱动系统的示意图；

图5更详细地示出根据本发明的另一种实施方式的按照图4的控制装置的示意图；以及

图6示出根据本发明的另一种实施方式的用于控制脉冲逆变器的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出一种电驱动系统的示意图。该电驱动系统包括可以供应供电电压2的能量源1、例如诸如牵引电池之类的高压电源。该能量源1可以在电驱动车辆的驱动系统中例如被设计为蓄能器1。能量源1也可以是基于电网的，也就是说，电驱动系统从能量供应网获取电能。可以通过具有中间电路电容器4的中间电路3将供电电压2施加在脉冲逆变器5的供电接线端子上。在此，能量源1的接线端子1a处于高电位，并且能量源1的接线端子1b处于低电位，例如接地。脉冲逆变器5可以例如具有三相输出，其中通过功率接线端子10a、10b、10c将三相电机11连接到脉冲逆变器5上。

脉冲逆变器5可以为此在三个供电支路中分别具有开关装置，这些开关装置具有开关6a、6b、6c、8a、8b、8c和所分配的分别并联的空转二极管7a、7b、7c、9a、9b、9c，这些开关和空转二极管被布置在六脉冲整流器桥电路中。开关6a、6b、6c在此被称作高侧开关，开关8a、8b、8c被称作低侧开关。开关6a、6b、6c、8a、8b、8c在此可以例如是半导体开关，例如MOSFET开关或者IGBT开关。

脉冲逆变器5被设计用于通过相应地控制开关6a、6b、6c、8a、8b、8c将电机11的相接线端子或者功率接线端子10a、10b、10c相对于高供电电位1a、例如供电电压2或者低参考电位1b、例如地电位相互转换。脉冲逆变器5确定电机11的功率和运行方式，并且由图1中没有示出的控制器相应地控制。

因此可以使电机11可选择地在电动机运行或者发电机运行中运行。在电动机运行中，电机产生额外的驱动转矩，该驱动转矩例如在加速阶段中支持内燃机。而在发电机运行中可以将机械能转化为电能并且存储在蓄能器1中或者反馈到供电网中。可以包括用于稳压的中间电路电容器4的中间电路3用于给脉冲逆变器5供应供电电压2。

图2示出图1中所示的电驱动系统的不同运行状态或者开关状态的状态图20的示意图。状态21是正常运行状态，该正常运行状态允许当电驱动系统中不存在干扰或者故障时相应地控制脉冲逆变器5。如果检测到故障，则可以在状态转变21a中从正常运行状态21转变为空转模式22。空转模式22的特征在于，所有开关6a、6b、6c、8a、8b、8c均被打开，并且电机11中可能存在的电流被引导通过空转二极管7a、7b、7c、9a、9b、9c，从而被减小或者被完全消除。

有利的是，在一定的时间间隔之后离开空转模式22。如果已经排除或者不再检测到故障，则可以在状态转变22a中重新转变为正常运行状态21。但是如果故障继续存在，则可以从空转模式22出发设置到安全的短路状态的状态转变。

为此根据检测到的故障的类型选择开关状态之一23或者24，可以借助状态转变22b或22c从空转模式22转变为该开关状态。开关状态23在此是到低电位1b、例如到诸如地电位之类的参考电位的短路状态23。低侧开关8a、8b、8c在该短路状态23中均闭合，而高侧开关6a、6b、6c打开。因此在该状态中功率接线端子10a、10b、10c分别与低电位1b相连接。由此使电流能够通过空转二极管9a、9b、9c或者低侧开关8a、8b、8c。而开关状态24是到高电位1a、例如到供电电位的短路状态24。低侧开关8a、8b、8c在该短路状态24中均打开，而高侧开关6a、6b、6c闭合。因此在该状态中功率接线端子10a、10b、10c分别与高电位1a相连接。由此使电流能够通过空转二极管7a、7b、7c或者高侧开关6a、6b、6c。

图3示出图1中所示的电驱动系统的不同运行状态或者开关状态的改进的状态图20′的示意图。状态图20′与状态图20的区别在于，可以从四个开关状态(正常运行状态21、空转模式22、到低电位1b的短路状态23和到高电位1a的短路状态24)中的每一个开关状态直接变换为另一个开关状态。例如可以从正常运行状态21经由状态转变21b和21c变换为到低电位1b的短路状态23或者到高电位1a的短路状态24。可以从短路状态23和24分别经由状态转变23a和23b或者24a和24c变换为正常运行状态21或者变换为空转模式22。同样也可以经由状态转变23c或24b从一个短路状态直接变换到另一个短路状态。

视状态变换而定，在此情况下应注意，视所使用的开关技术而定，开关6a、6b、6c或8a、8b、8c的开关过程需要确定的时间，例如几百纳秒，并且在脉冲逆变器5的相供电支路的开关中的开关过程的时间重叠会使高电位1a与低电位1b短路，这可能导致损害或者甚至毁坏参与的开关。

因此在控制电路中设置有最短保护时间，在该最短保护时间内，脉冲逆变器5的桥电路支路的各两个半导体开关、也就是每一对高侧开关和低侧开关均处于打开状态中，以便可靠地防止在相应的桥电路支路中出现短路。

图4示出一种电驱动系统40的示意图，该电驱动系统具有脉冲逆变器5和用于控制脉冲逆变器5的控制装置12。脉冲逆变器5在此包括可以分别与高电位或低电位相连接的第一供电接线端子5b和第二供电接线端子5a。在此，电驱动系统40与图1中所示的电驱动系统的区别在于，设置有控制装置12，该控制装置被设计用于控制脉冲逆变器5的开关装置。为此控制装置12包括控制调节电路(Steuerregelschaltung)12a、故障逻辑电路12b、保护电路12c和驱动电路12d。

控制调节电路12a被设计用于产生用于脉冲逆变器5的开关装置的控制信号。例如可以在微处理器中构成控制调节电路12a，可以通过控制软件在微处理器中产生用于脉冲逆变器5的相应的脉宽调制信号。在此，控制调节电路12a此外还可以被设计用于已经在所使用的调节算法中动态地调整用于控制脉冲逆变器5的桥电路支路中的互补开关装置的保护时间。例如由控制调节电路12a所生成的保护时间可以取决于电驱动系统40的当前的运行状态或者开关状态。例如当要求变换运行状态时，例如当从正常运行状态21变换到空转模式22时，可以通过控制调节电路动态地适配这些保护时间。

将故障逻辑电路12b连接在控制调节电路12a之后。故障逻辑电路12b除了可以处理由控制调节电路12a所产生的用于脉冲逆变器5的开关装置的控制信号之外，还可以处理(没有示出的)故障检测装置的故障信号13。故障检测装置可以被设计用于检测电驱动系统40中的故障并且作为故障信号13转发给故障逻辑电路12b。故障逻辑电路12b被设计用于根据故障检测装置所检测的一个或多个故障选择被分配给相应的故障图(Fehlerbild)的开关状态或者开关状态序列。通过将故障逻辑电路12b布置在控制调节电路12a之后，可以通过保护电路12c对故障信号作出反应，这就是说，不需要在控制调节电路12a的软件中对故障信号作出反应。这提高控制装置12的安全性和可靠性，因为可以独立于控制调节电路12a的软件的失效在保护电路12c中处理故障反应。

保护电路12c获得由故障逻辑电路12b修改的用于脉冲逆变器5的开关装置的控制信号。保护电路12c可以被设计用于独立于通过控制调节电路12a调整的用于开关装置的保护时间而提供用于控制信号的最短保护时间。保护电路12c此外还可以被设计用于实现锁定保护，该锁定保护保证脉冲逆变器5的桥电路支路的成对控制的高侧和低侧开关彼此相对被锁定，这就是说，这样的开关对的两个开关装置不可能同时闭合。

保护电路12c可以为此优选地以硬件来构建，例如以离散逻辑电路或者作为可编程的逻辑模块或者以所提到的可能性的组合来构建。

通过驱动电路12d处理由保护电路12c必要时修改的用于脉冲逆变器5的开关装置的控制信号。驱动电路12d形成低压控制装置12和用于脉冲逆变器5的开关装置的高压控制电路之间的接口。因此保护电路12c是在驱动电路12d之前的最后一个逻辑元件，使得可以在任何情况下、即尤其也独立于控制调节电路12a的调节可靠地实现最短保护时间和锁定机制。

图5更详细地示出按照图4的控制装置12的示意图。图5中的控制装置12与图4中的控制装置12的区别在于，按照一种实施方式更详细地示出了保护电路12c的可能的部件。

保护电路12c包括与锁定装置16a、16b耦合的信号延迟装置15。所述信号延迟装置15在此可以包括多个移位寄存器15a、15b、...15n，这些移位寄存器从故障逻辑电路12b获得控制信号并且被设计用于将控制信号移动预定的时间间隔。信号延迟装置15可以例如被设计用于通过由移位寄存器15a、15b、...15n延迟控制信号来定义最短保护时间的可调整的长度。在图5中仅以三个移位寄存器示例性地说明了多个移位寄存器15a、15b、...15n，当然任何其它数量的移位寄存器同样是可能的。例如可以通过信号延迟装置15的可选移位寄存器的数量来适配最短保护时间的粒度。移位寄存器15a、15b、...15n可以例如是通过控制调节电路12a的计算机时钟进行定时的D触发器电路。有利地针对脉冲逆变器5的每个开关装置的控制信号设置自己的移位寄存器链15a、15b、...15n。例如可以通过控制调节电路12a的计算机时钟对移位寄存器15a、15b、...15n进行定时。

保护电路12c此外包括锁定装置16a、16b，这些锁定装置被设计用于保证脉冲逆变器5的桥支路的互补开关装置的锁定。锁定装置16a接收用于高侧开关的控制信号H以及用于低侧开关的取反控制信号

作为输入信号。例如被构建为逻辑与门的锁定装置16a产生对应于控制信号H和控制信号

的逻辑与关系的输出信号作为输出信号。以这种方式，只有当低侧开关可靠闭合时，才能释放用于高侧开关的控制信号H。锁定装置16b接收用于低侧开关的控制信号L以及用于高侧开关的取反控制信号

作为输入信号。例如被构建为逻辑与门的锁定装置16b产生对应于控制信号L和控制信号

的逻辑与关系的输出信号作为输出信号。以这种方式，只有当高侧开关可靠闭合时，才能释放用于低侧开关的控制信号H。

图6示出一种用于控制脉冲逆变器的方法30的示意图。在第一个步骤3８中在软件电路中产生用于脉冲逆变器的开关装置的脉宽调制控制信号。在第二个步骡32中检测驱动系统中的故障状态。在第三个步骤33中选择脉冲逆变器的开关装置的被分配给相应故障状态的开关状态或者开关状态序列。在第四个步骤34中延迟控制信号以便实现最短保护时间并且在硬件电路中锁定脉冲逆变器的桥支路的两个互补开关装置。该方法30尤其可以被用来运行如图4和5中所示的电驱动系统。

Claims (6)

1.一种用于控制电驱动系统的脉冲逆变器(2)的控制装置(12)，具有：

控制调节电路(12a)，该控制调节电路被设计用于产生用于脉冲逆变器(5)的开关装置的脉宽调制控制信号；

故障逻辑电路(12b)，该故障逻辑电路能够检测驱动系统中的故障状态，并且被设计用于选择脉冲逆变器(5)的开关装置的被分配给相应故障状态的开关状态或者开关状态序列；以及

保护电路(12c)，该保护电路以硬件来实现，并且包括被设计用于延迟控制信号以便实现最短保护时间的信号延迟装置(15)和被设计用于将脉冲逆变器(5)的桥支路的两个互补开关装置的锁定彼此相对锁定的锁定装置(16a，16b)。

2.根据权利要求1所述的控制装置(12)，此外具有：

驱动电路(12d)，该驱动电路被设计用于根据由保护电路(12c)输出的控制信号来驱动脉冲逆变器(5)的开关装置。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的控制装置(12)，信号延迟装置(15)包括多个通过控制调节电路(12a)的计算机时钟进行定时的移位寄存器(15a，15b，15n)。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的控制装置(12)，锁定装置(16a，16b)包括至少两个逻辑与门，这些逻辑与门分别收到第一开关装置的控制信号以及与第一开关装置互补的第二开关装置的取反控制信号作为输入信号。

5.一种系统，具有：

根据权利要求1～4中任一项所述的控制装置(12)；

脉冲逆变器(5)，具有全桥电路中的多个开关装置，这些开关装置通过控制装置来控制；以及

电机(1)，该电机由脉冲逆变器(5)供应供电电压。

6.一种用于控制电驱动系统的脉冲逆变器(2)的方法，具有以下步骤：

在软件电路中产生用于脉冲逆变器(5)的开关装置的脉宽调制控制信号；

检测驱动系统中的故障状态；

选择脉冲逆变器(5)的开关装置的被分配给相应故障状态的开关状态或者开关状态序列；以及

延迟控制信号以便实现最短保护时间，并且在硬件电路中锁定脉冲逆变器(5)的桥支路的两个互补开关装置。

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