CN103889768B - 切断电动电机的电源的安全方法及相应的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对由主电池（3）供电的多相电机（2）进行控制并提供电力的设备（1），包括：电子电源模块（4），从主电池（3）向电机的相提供电力；驱动模块（6），向电子电源模块（4）的晶体管（5）提供电驱动信号；以及监控单元（9），向所述驱动模块（6）提供驱动指令，所述驱动指令限定电子电源模块的晶体管（5）的斩波比。驱动模块（6）由包括继电器（20）的连接（18）供电，所述继电器能够瞬时中断对所述驱动模块（6）提供电力，从而停止所述电机（2）而不中断对监控单元（9）提供电力。

Description

切断电动电机的电源的安全方法及相应的设备
本发明的目的是提供一种用于对由电子电源模块供电的电机进行控制并提供电力的安全设备，具体来说涉及机动车辆的电机。更具体地，本发明的目的是实现中断向电机提供电力的安全方法。从电动车辆情况下的安全性观点来看，这是绝对必要的，以便保证从不产生与驾驶者的意愿不一致的驱动转矩。
例如，在配备有中央电动电机的车辆的情况下，当在行人交叉路口停止时不得产生电机转矩。一旦检测到故障，就必须极为迅速地反应并将电机（或多个电机）设置在安全状态中。在对电机进行驱动的情况下，设置在安全状态包括切断驱动以便不通过电机产生转矩，即、既没有电机转矩也没有制动转矩。
车辆在同一轴上具有两个独立主动轮的情况下，以上同样有效。这更有必要迅速地干预并以安全方式将两个电机设置在安全退出模式中（在对电机进行驱动的情况下，这个模式是切断驱动），因为当发生故障时，需要避免在两个车轮之间施加不同的转矩，这会使其难以保持期望的轨迹。
本发明能够应用于用于推进车辆的电动电机以及其他电动电机，例如，电动悬挂电机。
除了机动车辆应用以外，本发明还能够应用于由电子电源模块供电的任何电动电机。
能够推进车辆的电动电机由车载电能源供电。对于能源的一个解决方案例如能够是高容量、高电压电池。另一个解决方案能够是提供有氢的燃料电池或产生电力的任何其他能源，或者组合了不同能源的任何系统。在下文中，通称“主电池”将用于指代电能源。
主电池和电机由此出于安全性原因而通常与车辆底盘隔离。
通常在电子组件中内置控制模块，所述控制模块使得驾驶者的意愿被传送到向电机提供电力的电源设备，所述电子组件又由辅助电池供电，所述辅助电池通常具有较低电压，所述辅助电池的一个端子以车辆底盘为基准。
出于运转安全的原因，确保电动电机根据驾驶者的意愿正确地动作是重要的。如果发现不是这样的情况且电子驱动和电机组件处于故障情形，为了在紧急情况下能够瞬时切断对电机的驱动，就需要能够以可能的最可靠的方式中断对电机的相提供电力。
为此，能够考虑中断从对电机进行供电的主电池提供电力的电路，或者考虑中断连接到辅助电池的电子系统的控制链。
本发明的目的是提出一种用于对电动电机进行控制并提供电力的设备，其允许在驾驶者请求时紧急停止电机，或者进一步检测电力设备的驱动链中的故障。
这个系统必须确保最佳的安全性，以使得在断电后不再向电机的相继续提供电力，例如由于会继续独立地或非有意地运转的组件。这个系统必须考虑将电机与主电池组件隔离的限制，并且出于成本和可靠性的原因必须提出简单的架构。
为此，用于对由称为主电池的第一电池供电的多相电机进行控制并提供电力的设备包括：电子电源模块，从主电池向电机的相提供电力；驱动模块，向电子电源模块的晶体管提供电驱动信号；以及监控单元，向驱动模块提供驱动指令，所述驱动指令限定电子电源模块的晶体管的斩波比（choppingratio）。驱动模块由包括继电器的连接供电，所述继电器能够瞬时中断向驱动模块提供电力，从而停止电机而不中断对监控单元提供电力。
换言之，继电器能够在不中断向监控单元提供电力的情况下，完全切断向驱动模块提供能量。
有利地，驱动模块和监控单元能够由称为辅助电池的第二电池供电，继电器允许从该第二电池向将被中断的驱动模块提供电力。
能够连接继电器以使得其受到手动控制开关的控制。
根据优选实施例，监控单元连接到继电器并被配置为当自检过程检测到监控单元的运转故障时，断开继电器。
监控单元能够连接到监管系统，所述监管系统能够检测监控单元的过度占用率，所述监管系统还连接到继电器并被配置为当监控单元的响应时间超过特定阈值时，断开继电器。
在优选方式中，驱动模块与电子电源模块电隔离。
在优选实施例中，监控单元被配置为当继电器断开时保持运行。
电子电源模块优选地被配置为当继电器断开时保持连接到主电池。
根据可能的实施例，单个监控单元被配置为驱动两个不同驱动模块，所述两个不同驱动模块的每一个都专用于电动电机。公共继电器于是能够实现中断向两个驱动模块提供电力。根据这个实施例的变型，用于中断提供电力的两个继电器能够分别专用于两个驱动模块中的每一个。
根据另一个方面，本发明涉及一种机动车辆，所述机动车辆主动轮由电动电机驱动，所述电动电机由例如之前所述的设备提供电力。
车辆能够包含至少两个主动轮，所述至少两个主动轮的每一个都配备有电动电机，所述电动电机由例如之前所述的设备提供电力。
根据可能的实施例，同一车辆的两个电机能够由例如上述的设备共同提供电力。
根据另一个方面，本发明涉及一种对由主电池供电的多相电机进行控制并提供电力的方法，其中，为了获得电机的紧急停止，保持向监控单元提供电力，所述监控电源能够限定与所述电机相关联的电子电源模块的斩波比，并且中断对驱动模块提供电力，所述驱动模块由监控单元控制并能够向电子电源模块的晶体管提供控制信号。
通过阅读以下的说明，本发明进一步的目的、特性和优点会显现出来，所附的图1仅作为非限制性示例给出，并且参考所附的图1，其以图示方式表示根据本发明的用于控制并提供电力的设备。
如图1所示，用于控制并提供电力的设备1包括与车辆的底盘17隔离的电机电源单元31。电机电源单元31为三相电动电机2供电。电机电源单元31包括主电池3，所述主电池通过电子电源模块4为电机2供电。电机2例如能够通过配备有差速齿轮的传动系统（未示出）来驱动车辆的两个主动轮（未示出）。根据实施例的变型，电机2能够驱动车辆的单个主动轮，或者专用于另一个功能，例如车辆的悬挂。
主电池3是具有充足的电力的电池以确保车辆的推进并提供相对高的电压，该电压是通常在150到450伏之间的电压。电子电源模块4包括电气网络，其中，插入晶体管5和二极管34的对，以使得由主电池3提供的直流能够变换为到达电机2的三个相7的三相电流。每一个晶体管都和与晶体管并联安装的二极管相关联。仅作为示例给出图1中所示的所有电压，以便给出电压域的概念，设备1的不同部件在所述电压域中运转。
晶体管5的数量能够典型地为6个，并且能够是常用于此类电子电源模块的IGBT（绝缘栅双极晶体管）型。晶体管还可以是另一类晶体管，例如，MOSFET晶体管。
用于控制并提供电力的设备1还包括电子监控组件30，所述电子监控组件以底盘17为基准并由辅助电池16供电，所述辅助电池具有降低的电压，例如具有12伏数量级的电压。辅助电池16的一个端子由此连接到底盘17。电子监控组件30特别包括辅助电池16、监管系统15、电子监控单元9、驱动模块6和中断继电器20。
驱动模块6通过隔离接口10提供电动信号，所述电动信号通过连接隔离接口10与晶体管5的连接11传送。通过连接11提供的电动信号允许晶体管5导通或截止。
隔离接口10例如能够由变压器系统组成，驱动模块6在一系列变压器（未示出）的初级线圈上提供信号，该信号将借助磁感应传送到与该系列变压器的次级线圈连接的连接11中。
隔离接口10通过将车辆底盘与源自主电池3的车辆高压网隔离，而实现了确保乘客的安全。在发生人无论是否偶然接触了高压电路的带电部分时，这个安全原则也能够保护所述接地的（即车辆底盘）的人免于触电。
为了能够产生具有充足能量的信号以启动晶体管5，通过受控的电源19从辅助电池16为驱动模块6提供电力。
受控的电源19例如实现了即使当在辅助电池16的端子处的电压随辅助电池的充电状态而变化时，也为驱动模块6提供恒压。
因此向驱动模块6提供的电压例如在15伏的数量级，并且由连接11发送的信号的电压在同一数量级，例如也在最大15伏的数量级。
能够设想实施例的变型，其中，驱动模块6能够由可变电压源提供电力，并能够在不通过中间受控的电源19的情况下，从辅助电池16直接提供电力。
由驱动模块6提供的信号的时序由监控单元9限定，其以电子信号的形式通过连接或一系列连接8来发送指令基序（motif），驱动模块6将所述指令基序重新转录为具有足以启动晶体管5的振幅的信号。
通过连接或多个连接8传送的电压和电流振幅对应于微电子编程信号的振幅，例如，3到5伏数量级的电压。
监控单元9计算周期斩波比，所述斩波比必须取决于希望从电机2获得的转矩而施加到晶体管5上。
为此，监控单元9接收例如从安装在车辆上的油门踏板通过连接12到达的并根据车辆的加速来说明驾驶者意愿的信号。监控单元9还通过连接总线14接收从一系列传感器13到达的信息，例如转子位置传感器、电机温度传感器。监控单元9还从电机的相的电流的传感器接收信息。
取决于电机的当前运转点和驾驶者的指令，监控单元9确定电机的期望运转点并计算不同晶体管5的周期斩波比，所述不同晶体管需要获得该运转点。随后将这个周期斩波比的图表发送到驱动模块6。
还为监控单元9提供由监管和受控的电源系统15稳定的电流，常常是由缩写SBC（系统基础芯片）指定的。
监管和电源系统15为监控单元9提供来自辅助电池16的电力，为监控单元9提供足够稳定的电源电压，通常是稳定在3.3伏的电源。
监管系统15还能够检测监控单元9的过度占用率。为此，监管系统15向监控单元9发送请求，并验证应答正确，且对这些请求的响应时间不超过特定阈值。如果响应时间超过特定阈值，这就会反映监控单元9的计算机的过度占用率；这样的过度占用率导致计算或自动控制的误差的风险。
如果监管系统15检测到这个过度占用率，那么它就能够执行监控单元9的归零。
为了能够在紧急时停止对电机的驱动，将继电器20安装在连接18上，该连接实现了从辅助电池16为驱动模块6提供电力。在附图呈现的实施例中，由其磁线圈21启动继电器20。线圈21连接到逻辑门22，例如如果到达逻辑门22的一系列连接23、24、25中的至少一个发送等于1的逻辑信号，逻辑门22就在线圈21向继电器20提供断开信号。取决于实施例的变型，如果到达逻辑门的一个信号等于0，当然可以相反地决定继电器20必须断开。
到达逻辑门22的连接包括连接23、24、25，它们分别将逻辑门22连接到手动开关27、监管系统15、监控单元9，也可能连接到其他计算单元（未示出）。
借助连接23，能够在驾驶者或车内的另一人操作手动开关27时断开继电器20。开关27例如能够位于仪表盘上。
连接24连接到过载测试单元，所述过载测试单元用于内置在监管系统15中的电源28的监控和监管单元，如果监管系统15检测到监控单元9的过度占用率或不相符的电压，则发送等于1的信号。
连接25连接到执行连续测试的监控单元9的自检单元29，所述连续测试检查监控单元9的适当运转（时钟、ADC转换器等）。如果自检单元检测到监控单元9的故障，它就通过连接25发送等于1的信号。
当然能够在由监管系统15执行的测试的级别，或者在由监控单元9执行的测试的级别，限定用于电机紧急停止的附加的条件。
在此将继电器20说明为机械继电器，但当然可以由能够实现中断对驱动模块6提供电力的任何装置来代替，例如，晶体管型的静态开关。继电器20也可以内置到受控电源19中，或者作为继电器，或者作为命令，使其可以切断电源19。电源19可以是受命令控制的电源。逻辑门22的输出于是能够连接到受控的电源19，以便使电力的提供无效，即，如果到达逻辑门22的连接23、24、25中的至少一个发送等于1的逻辑信号，则发出命令，不再向驱动模块6提供电力。
电压表32能够连接到监控单元9，从而测量例如在继电器20的下游（与辅助电池16相关的下游）与车辆底盘17之间的监控电压，以便首先确保期望的退出模式（即，电机驱动切断）实际有效，其次（如有必要）在电子装置的初始化阶段期间测试该切断的正确运转。
因而能够向监控单元9通知继电器20已断开。继电器20在技术上相当容易实现，因为它中断中等电压的线路且不必将它与车辆底盘隔离。
如果要选择例如通过断开连接11来禁止对电机提供电力，就必须每个连接提供一个继电器，或者提供能够同时断开所有连接的多路继电器，所述连接11也是低电压连接。当然可以设想直接在电机2的电源相上，或者在主电池3与电子电源模块4之间提供切断继电器。但这个继电器或这一组继电器会受到必须耐受相当大的功率和电压（150到440伏数量级的电压，强度能够高达例如300或400安培）的约束，以及必须为其提供相对于底盘17隔离的控制的约束。继电器借助其构造包含了在其线圈与其触点之间的隔离。如果继电器安装在高电压区中，这个继电器就必须能够在来自主电池的电压下运转，并且在线圈与触点之间的隔离的质量必须符合主电池的电压级别。
相反地，直接设置在辅助电池16的端子的继电器，或者涉及中断监控单元9的电源连接33的继电器既不受到隔离约束，也无需耐受高压。
但在它致使停止实现对电机的相提供电力的信号的同时，这个继电器的断开还致使监控单元9停止。因此在停止电机的同时，就会丢失整个信息流，其例如通过通电制动策略或者通过如果无需延长电机停止则通电电机2的立即重启的过程来使得可能有助于控制车辆。
进一步，会发生继续通过连接18为驱动模块6提供电力而不通过连接18接收任何指令信号，所述驱动模块空转（race）且尽管在没有从监控单元9发出的指令的情况下仍继续向晶体管5传送信号。
因此就不会获得或者在延迟情况下获得电机的期望紧急停止。相反地，通过切断向驱动模块6提供的电力，后者不会具有足以产生用于晶体管5的命令信号的能量。
在没有命令信号的情况下，晶体管5因此将保持在截止位置，由于与每一个晶体管相关联的二极管34都安装在相对于主电池3的端子的非导通方向上，就没有电流能够传送向电机2的相7。
本发明的目的不限于所述的实施例，可以变化为许多变型。例如，在为车辆配备两个主动轮，它们的每一个都由专用电机驱动的情况下，可以设想为每一个主动轮复制该系统。还可以设想仅部分复制系统，借助相同的监管系统15和相同的监控单元9，使得可以向两个不同驱动模块6发送斩波比指令。则能够为每一个驱动模块6配备专用继电器20，所述专用继电器不同于其他驱动模块的继电器，并且实现了任一个电机被独立地停止。
如果驱动模块6提供多个输出信号，则图1中所述的系统还可以允许同时控制几个电机，所述多个输出信号对应于与不同电机相关的电子电源模块4的多个晶体管。在此情况下，继电器20的启动允许同时停止如此受控制的所有电机。
根据本发明的用于控制并提供电力的设备使得能够借助低压继电器来确保在紧急时电机的立即切断，如有必要，继电器的一个端子可以连接到车辆底盘。控制退出模式的设定，即电机的有效切断，也易于实现，因为它足以验证在底盘与驱动模块的电源点之间的电压。
主电池不必是在150V到450V之间的高电电压源。它可以是较高的电压源或较低的电压源，甚至是与辅助电池相同的源。
在低电压电池（例如低于60V）的情况下，并非总是必须采取在电池部与底盘之间的隔离。在此类结构中，根据本发明的驱动模块无需是与底盘隔离的模块。
在相对低的电源电压（60V数量级）的情况下，可以设想仅将单个源用于电力网络和辅助网络。
在具有由独立电机操作的几个主动轮的电动车辆的情况下，根据本发明的设备可以具有特定值。系统于是允许独立地切断任一电机，或者同时可靠地切断两个电机，从而避免与单一电机的错误运转相关的稳定性损失，并由此避免车轮之间的不同转矩。

Claims (13)

1.一种用于对由主电池(3)供电的两个多相电动电机(2)进行控制并提供电力的设备(1)，包括：两个电子电源模块(4)，所述两个电子电源模块将电力从所述主电池(3)提供给相应的多相电动电机的相；两个驱动模块(6)，所述两个驱动模块将电驱动信号提供给相应的电子电源模块(4)的晶体管(5)；以及监控单元(9)，所述监控单元将驱动指令提供给所述驱动模块(6)，所述驱动指令限定所述电子电源模块的所述晶体管(5)的斩波比，每个所述驱动模块(6)由包括继电器(20)的连接(18)供电，所述继电器能够瞬时中断对所述驱动模块(6)提供电力，从而停止所述多相电动电机(2)而不中断对监控单元(9)提供电力，所述设备的特征在于：所述驱动模块(6)与所述电子电源模块(4)电隔离，单个监控单元(9)被配置为驱动两个不同的驱动模块(6)，所述两个不同的驱动模块中的每一个驱动模块都专用于多相电动电机(2)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述驱动模块(6)和所述监控单元(9)能够由辅助电池(16)供电，所述辅助电池具有比所述主电池(3)更低的电压，所述继电器(20)允许将电力从该辅助电池(16)提供给将被中断的所述驱动模块(6)。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述继电器(20)能够由手动控制开关(27)控制。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述监控单元(9)连接到所述继电器(20)并被配置为当自检过程检测到所述监控单元(9)的运转故障时，断开所述继电器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述监控单元(9)连接到监管系统(15)，所述监管系统能够检测所述监控单元(9)的过度占用率，所述监管系统还连接到所述继电器(20)并被配置为当所述监控单元(9)的响应时间超过特定阈值时，断开所述继电器(20)。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述监控单元(9)被配置为当所述继电器(20)断开时保持运行。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电子电源模块(4)被配置为当所述继电器(20)断开时保持连接到所述主电池(3)。
8.根据权利要求1所述的设备，包括公共继电器(20)，所述公共继电器用于中断对所述两个驱动模块(6)提供电力。
9.根据权利要求1所述的设备，包括两个继电器，所述两个继电器用于中断分别专用于所述两个驱动模块(6)中的每一个驱动模块的电力的提供。
10.一种机动车辆，所述机动车辆的主动轮由多相电动电机驱动，所述多相电动电机由根据权利要求1－9中的任一项所述的设备(1)提供电力。
11.一种机动车辆，所述机动车辆具有至少两个主动轮，所述至少两个主动轮中的每一个主动轮都配备有多相电动电机(2)，所述多相电动电机由根据权利要求1至7中的任一项所述的设备(1)提供电力。
12.一种机动车辆，所述机动车辆具有至少两个主动轮，所述至少两个主动轮中的每一个主动轮都配备有多相电动电机，至少两个多相电动电机(2)共同由根据权利要求8或9所述的设备(1)提供电力。
13.一种对由主电池(3)供电的两个多相电动电机(2)进行控制并提供电力的方法，其中，为了实现所述多相电动电机(2)的紧急停止，保持向能够限定与相应的多相电动电机相关联的两个电子电源模块(4)的斩波比的监控单元(9)提供电力，并且中断对两个驱动模块(6)提供电力，所述两个驱动模块由所述监控单元(9)控制并能够将控制信号提供给相应的电子电源模块(4)的晶体管(5)，并且其中所述驱动模块(6)与所述电子电源模块(4)电隔离，单个监控单元(9)被配置为驱动两个不同的驱动模块(6)，所述两个不同的驱动模块中的每一个驱动模块都专用于多相电动电机(2)。
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