CN103969597B

CN103969597B - 用于检测逆变器模块中退饱和故障的方法和装置

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Publication number: CN103969597B
Application number: CN201410045000.3A
Authority: CN
Inventors: K.S.马加罗夫; D.唐; R.A.苏亚佐泽佩达; N.R.帕特尔; D.L.科瓦列夫斯基
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: CN103969597A; US20140218826A1; DE102014100956B4; US8913352B2; DE102014100956A1

Abstract

一种用于监测用于多相电动机/发电机的逆变器模块的方法，包括停止所述逆变器模块的运行，监测被设置成向所述逆变器模块供应电功率的高压总线上的电压，当所述高压总线上的电压的变化大于预定的阈值时检测到真故障发生，且当所述高压总线上的电压的变化小于所述预定的阈值时检测到假故障发生。

Description

用于检测逆变器模块中退饱和故障的方法和装置

技术领域

本公开涉及用于电动机/发电机的逆变器模块。

背景技术

该部分中的表述仅提供了与本公开相关的背景信息。因此，该表述不旨在构成对现有技术的承认。

逆变器使用例如绝缘栅驱动双极型晶体管（LGBT）或MOSFET的功率开关将高压DC电功率转变成高压AC功率，其被传递至电动机/发电机以在使用混合驱动和电驱动动力系系统的车辆中产生用于牵引作用力的扭矩。这种系统中的故障包括线到线的电气短路，接地故障，以及逆变器、电动机/发电机和在逆变器和电动机/发电机之间电气连接的多相电源总线的功率开关的击穿状态。与电动机/发电机的功率开关和绕组相关的故障可导致流过各种组件的过量电流，以及越过功率开关中之一或多个的集电极和发射极的电压幅值增大（被称为退饱和）。一个已知的故障模式是击穿状态，其中相同的逆变器引线中的上和下开关被同时转换为开。该状态导致击穿状态，其中DC总线被短路。该状态在DC总线上产生电压暂降。

已知的功率开关被控制为开状态或关状态的其中一个状态。当处于开状态中所述功率开关如设计那样起作用时，通过功率开关的电流是饱和的，即，全部的可用电流穿过开关，小部分电流由于开关电阻而耗散成热量。当处于关状态时，开关阻挡电流的流动。

功率开关中的退饱和故障会导致电流增大至超过最大运行极限，其中功率开关进入线性模式，这样对功率开关进行退饱和（DSAT）。当越过功率开关的集电极和发射极（Vce）的电压幅值升高高于阈值（例如1-2伏，此时门极-发射极电压为高）时，DSAT状态被认为出现。已知控制系统响应于DSAT故障包括立即关闭电动机/发电机。已知的系统被设置成监测功率开关集电极-发射极电压以检测DSAT故障，且包括控制系统以一旦检测到DSAT故障实现电动机/发电机的立即关闭。动力系系统暴露于外界干扰，外界干扰包括电磁干扰（EMI），其可触发故障的假检测和相关联的电动机/发电机的立即关闭（这是不需要的）。

已知的DSAT诊断方法包含使用硬件电路以监测电参数和执行设计用来保护硬件和系统不受电或热损害的补救动作。一个已知的保护防止DSAT故障的监测方法包括测量每个功率开关上的集电极和发射极之间的电压下降。已知的基于硬件的DSAT诊断被设计成迅速响应感知的故障，但是需要电路，所述电路必须在尚不知道系统性能的系统开发期间被设计且实施。因此，由于硬件电路制造公差变动和不期望的系统事件，基于硬件的诊断会遭受假判定的故障触发。由于硬件缺陷和公差叠加的问题，基于硬件的DSAT诊断会产生假判定的DSAT信号，导致电动机/发电机的不必要的关闭。已知的对与基于硬件的DSAT诊断相关的问题的补偿方法包括使用包括重试例程的诊断软件，其中首次的硬件诊断差错不触发系统宽范围关闭。已知的重试例程清除或抹去由基于硬件的诊断所检测到的故障，且允许系统使用重试计数重新开始可校准的次数。用于基于硬件的诊断的重试的数量可为预定的固定的值。该固定的重试数量形成保护以防止令人讨厌的差错，但是在真正的故障出现时会对硬件形成过载的状态。

发明内容

多相电动机/发电机被联接到逆变器模块。响应由基于硬件的退饱和诊断配置指示的逆变器模块中的初步故障，逆变器模块被停止且被设置成向逆变器模块供应电功率的高压总线上的电压被监测。当高压总线上的电压的变化大于预定的阈值时检测到产生真故障。当高压总线上的电压的变化小于预定的阈值时检测到产生假故障。

本发明提供如下方案：

1．用于监测逆变器模块的方法，所述逆变器模块用于多相电动机/发电机，所述方法包括：

响应于由基于硬件退饱和诊断配置所指示的所述逆变器模块中的初步故障的发生而：

停止所述逆变器模块的运行；

监测被设置成向所述逆变器模块供应电功率的高压总线上的电压；

当所述高压总线上的电压的变化大于预定的阈值时检测到真故障发生；以及

当所述高压总线上的电压的变化小于所述预定的阈值时检测到假故障发生。

2．根据方案1所述的方法，其中，当所述高压总线上的电压的变化大于所述预定的阈值时检测到真故障发生包括在采样窗口期间当所述高压总线上的电压的变化大于所述预定的阈值时检测到真故障发生。

3．根据方案2所述的方法，

其中，监测所述高压总线上的电压包括在所述采样窗口期间监测越过所述高压总线的基于时间的电压差；以及

其中，检测到所述假故障发生包括当所述基于时间的电压差小于所述预定的阈值时检测到所述假故障发生。

4．根据方案2所述的方法，

其中，检测到所述真故障发生包括当所述基于时间的电压差大于所述预定的阈值时检测到所述真故障发生。

5．根据方案1所述的方法，还包括：

执行真故障计数器以对真故障的发生计数；

当所述真故障计数器大于预定的真故障计数时确认逆变器模块故障；以及

当所述逆变器模块故障被确认时，禁止所述逆变器模块运行，且禁止所述多相电动机/发电机运行。

6．根据方案1所述的方法，还包括：

执行假故障计数器以对假故障的发生计数；

当所述假故障计数器大于预定的假故障计数时确认逆变器模块故障；以及

7．根据方案1所述的方法，其中，停止所述逆变器模块的运行包括禁止所述逆变器模块运行达预定的开关冷却周期。

8．根据方案1所述的方法，还包括在预定的开关冷却周期之后重启所述逆变器模块的运行。

9．根据方案1所述的方法，还包括：

执行真故障计数器以对真故障的发生计数，以及执行假故障计数器以对假故障的发生计数；

当所述逆变器模块故障被确认时，禁止所述逆变器模块运行且禁止所述多相电动机/发电机运行。

10．根据方案9所述的方法，还包括当所述假故障计数器大于预定的假故障计数时确认逆变器模块故障。

11．用于监测电动机/发电机的方法，包括：

基于监测逆变器模块高压开关的基于硬件退饱和诊断配置而检测与控制所述电动机/发电机的逆变器模块相关联的初步故障；以及

随后检测到初步故障：

停止所述逆变器模块的运行达预定的开关冷却周期，并监测向所述逆变器模块供应电功率的高压总线上的电压；以及

在所述开关冷却周期期间当所述高压总线上的电压的变化大于预定的阈值时检测到真故障发生。

12．根据方案11的方法，其中，检测到所述真故障发生包括在预定的采样窗口期间当所述高压总线上的电压的变化大于所述预定的阈值时检测到所述真故障发生。

13．根据方案11所述的方法：

其中，监测所述高压总线上的电压包括监测越过所述高压总线的基于时间的电压差；以及

14．根据方案11所述的方法，还包括：

随后检测初步故障：

在所述开关冷却周期期间当所述高压总线上的电压的变化小于所述预定的阈值时检测到假故障发生。

15．根据方案14所述的方法，还包括：

执行假故障计数器以对假故障的发生计数；

当所述逆变器模块故障被确认时禁止所述逆变器模块运行，且禁止所述多相电动机/发电机运行。

16．根据方案11所述的方法，还包括：

执行真故障计数器以对所述真故障的发生计数；以及

当所述真故障计数器大于预定的真故障计数时，确认逆变器模块故障；以及

17．用于监测逆变器模块的方法，所述逆变器模块用于被设置成对车辆产生牵引扭矩的多相电动机/发电机，所述方法包括：

响应于由基于硬件退饱和诊断配置所指示的初步故障的发生，而停止所述逆变器模块达预定的开关冷却周期；

随后停止所述逆变器模块：

监测向所述逆变器模块供应电功率的高压总线上的电压；

当所述高压总线上的电压的变化大于预定的阈值时检测到真故障发生；

执行故障计数器以对真故障的发生计数；

当所述故障计数器超过预定的故障计数时确认逆变器模块故障；以及

当所述逆变器模块故障被确认时执行关闭以禁止所述多相电动机/发电机运行。

附图说明

现在将参照附图通过示例的方式描述一个或多个实施例，其中：

图1图示了根据本公开的包括高压蓄电池、逆变器模块和控制器的用于多相电动机/发电机的电力系统；

图2-1图示了根据本公开的故障确认配置，以监测、检测和确认在用于多相电动机/发电机的逆变器模块的功率开关中之一中的退饱和（DSAT）故障；

图2-2图示了根据本公开的包括执行故障计数配置的图2-1的故障确认配置的实施例的附加细节；

图3图示了根据本公开的高压总线电压上的真DSAT故障发生的效果；以及

图4图示了根据本公开的高压总线电压上的假DSAT故障发生的效果。

具体实施方式

现在参考附图，其中附图仅用于图示某些的示范性实施例的目的，且不用于对其进行限制的目的，图1示意性图示了用于多相电动机/发电机40的电气系统。该系统包括高压蓄电池30、逆变器模块20和控制器10。电动机/发电机40包括用于输送扭矩的输出构件42，例如向车辆系统或不做限制地向其他系统输送输送牵引扭矩。该系统包括高压总线，该高压总线包括将蓄电池30电连接于逆变器模块20的正极总线32和负极总线34。在一个实施例中，逆变器模块20优选包括控制器10、电压传感器35和开关模块21。电压传感器35监测正极总线32和负极总线34之间的电势，且信号地连接于控制器10。开关模块21优选包括总线电容器26和多个诸如IGBT等高压开关22，其通过相应的电线24与电动机/发电机30的相或引线互连。每个高压开关22包括内部监测电路，该内部监测电路测量越过集电极/发射极接合点的电压（Vce）且被设置成当Vce大于阈值时检测硬件故障。控制器10通过信号线27操作地连接于每个高压开关22，以控制其启动和停止，且信号地连接于每个高压开关22以监测和检测硬件故障的出现。电流传感器25被用于监测通过每个电线24的电流。电流传感器25信号连接于控制器10。控制器10包括多个控制例程11。控制器10优选通过连接总线15信号连接于其他系统和使用了电动机/发电机40的系统中的控制器。

控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器和相似的术语的意思是如下项目中的任意一个或其中的一个或多个的任意各种组合：专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或例程的中央处理单元（优选微处理器）及关联的内存和存储器（只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等）、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、合适的信号调制和缓冲电路以及提供所述功能的其他的组件。软件、固件、程序、指令、例程、代码、运算法则和相似的术语意思是包括校准和查表的任意的指令组。控制模块具有一系列的被执行以提供期望的功能的控制例程。例程被诸如中央处理单元等执行，且可被运行以监测从传感设备和其他网络控制模块的输入，且执行控制和诊断例程以控制驱动器的运行。可在运行中的发动机和车辆运行期间以规律的间隔（例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒）来执行例程。可选地，可响应事件的发生执行例程。

图2-1示意性地示出了故障确认配置200，其作为一个或多个例程和预定的阈值被执行以监测、检测和确定用于多相电动机/发电机的逆变器模块的故障，例如在控制器10中执行其中一个控制例程11以控制参考图1描述的用于多相电动机/发电机40的逆变器模块20。整体上，监测逆变器模块包括响应于由基于硬件的退饱和诊断配置指示的初步故障的发生而停止逆变器模块的运行，和监测高压总线上的电压。当高压总线上的电压的变化大于预定的阈值时可检测到真故障的发生。当高压总线上的电压的变化小于阈值时可检测到假故障发生。本领域技术人员将意识到阈值比较包括已知的滞后技术。表1被提供为图2-1的索引，其中数字标识的块和相应的功能被如下给出。

表1

例如在使用混动车辆或电动车辆时钥匙启动车辆期间，多相电动机/发电机40进行中的运行期间，故障确认配置200执行。优选地，通过测量越过每个高压开关的集电极-发射极接合点的电压（Vce）（202），逆变器模块执行硬件DSAT诊断配置以监测内部电路的输出，该内部电路被设置成检测硬件DSAT故障的出现。此外，越过高压总线的电压（Vbus）以高采样速率被周期地采样(例如，在一个实施例中每0.1ms)，且与用于多相电动机/发电机40的电路的电压、电流和运行相关的参数被监测。当未检测到基于硬件的DSAT故障时，硬件DSAT诊断重新执行（204）（0），且没有另外的动作。

当高压开关中任意一个的Vce大于预定的阈值时，逆变器模块检测到基于硬件的DSAT故障出现，且对电动机/发电机40执行立即关闭达开关冷却周期（例如在一个实施例关闭了30ms），这响应基于硬件的DSAT故障的检测。如本文描述的那样，基于硬件的DSAT故障被考虑为初步故障，其经受确认或无效。

当基于硬件的DSAT故障被检测到时（204）（1），与故障确认配置200相关的一个或多个例程与电动机/发电机的运行同时地启动和运行（206）。控制模块能够执行逆变器模块的关闭，或者可选地能够抑制逆变器模块的运行。此外，故障确认配置200确定越过电路的高压总线的电压（Vbus）是否位于可允许的电压范围内（208）。可允许的电压范围是系统特定的且基于该系统中使用的高压蓄电池的标准电压。在一个实施例中可允许的电压范围可为标准电压的+/-10%，且在一个实施例中标准电压可为300V。

当越过电路的高压总线的电压（Vbus）在可允许的电压范围外时（208）（0）时，故障确认配置200指示对于该迭代由硬件DSAT诊断所检测到的初步故障是假故障（假）（216）。总电压差（ΔV）被重置为0，故障计数器配置执行（220），且逆变器模块的运行被重新开始。该动作防止由检查诸如在蓄电池连接/断开连接事件期间的已知的不正常条件下的电压所引起的故障的发生。

当越过高压总线的电压（Vbus）位于可允许的电压范围时（208）（1），通过执行确认循环209而继续运行。执行确认循环209以确定电压差（Vdif），该电压差是对于所述确认循环209本迭代的越过高压总线的电压（Vbus）和对于确认循环209上一个迭代的越过高压总线的电压（Vprv）之间的差，其根据如下的关系。

Vdif = Vbus – Vprv [1]。

根据如下关系，越过高压总线的总的累计的电压差（ΔV）被计算（201）为对于在先迭代的总电压差（ΔVprv）与电压差（Vdif）的和。

ΔV = ΔVprv + Vdif [2]。

监测电压差（Vdif）的例程以用于测量越过高压总线的电压（Vbus）的采样率（在一个实施例中例如每0.1ms）执行，且越过高压总线的总的累计的电压差（ΔV）在采样窗口内被确定。采样窗口优选小于开关冷却周期。在一个实施例中，当开关冷却周期为30ms时，采样窗口为20ms。正如被理解的那样，在下一个迭代期间，总的累计的电压差（ΔV）变成对于在先迭代的总电压差。总的累计的电压差（ΔV）指示出现（或未出现）越过高压总线的电压暂降（Vbus），该电压暂降可能响应于初步故障发生而在采样窗口期间发生。总的累计的电压差（ΔV）和电压差（Vdif）提供了基于时间的差以用于在电压尖峰及其他非故障的系统异常与真故障之间进行区分。

将总的累计的电压差（ΔV）与电压阈值进行比较（212）。当总的累计的电压差（ΔV）大于电压阈值时（212）（1），故障确认配置200指示硬件DSAT诊断检测的初步故障是真实的故障（真），因此检测越过高压总线的电压暂降（Vbus）。确认循环209终止，总的累计的电压差（ΔV）被重置为零（218），且执行故障计数器配置（220）。

当总的电压差（ΔV）小于电压阈值时（212）（0），确定与确认循环209的迭代的执行相关的采样窗口是否过去（214）。采样窗口代表硬件DSAT诊断检测初步故障发生之后的过去的时间周期，基于与DSAT故障的发生相关的已知的电压暂降特性，且优选小于开关冷却周期，例如在一个实施例中小于30ms。

当采样窗口在未检测越过高压总线的电压暂降（Vbus）的情况下已经过去，因此获得大于电压阈值的总的电压差（ΔV）时（214）（1），确认循环209终止，且故障确认配置200指示对于本迭代，硬件DSAT诊断检测的初步故障为假故障（假）（216）。总的电压差（ΔV）被重置为零，且逆变器模块的运行被重新开始。否则，所述确认循环209的本迭代终止（204）（0），且另一个迭代开始。该运行继续直到确认循环209的采样窗口过去或者总的电压差（ΔV）大于电压阈值（212）（1），因此利用执行故障计数配置（220）而终止故障确认配置200的运行。

图2-2示意性示出了包括执行故障计数配置（220）的故障确认配置200的实施例的附加细节。故障计数配置（220）被执行为一个或多个例程和预定的校准阈值以确认用于多相电动机/发电机的逆变器模块（例如用于参照图1描述的多相电动机/发电机40的逆变器模块20）的功率开关中之一的退饱和（DSAT）故障。表2被提供为图2-2的索引，其中数字标识块和相应的功能被如下给出。

表2

当硬件DSAT诊断检测的初步故障未能具有对应的越过高压总线的电压暂降（Vbus）时，硬件DSAT诊断检测的初步故障被识别为假故障（假）（216）且假故障计数器增加（204）。将假故障计数器与假故障计数阈值比较（245），该假故障计数阈值优选为相对大的数量。当硬件DSAT诊断检测的初步故障对应于越过高压总线的电压暂降（Vbus）时（218），初步故障被识别为真故障（真），且真故障计数器被增加（230）。将真故障计数器与真故障计数阈值比较（235），该真故障计数阈值优选为相对小的数量，例如二或三。当真故障计数器大于真故障计数阈值时（250）（1），逆变器模块故障被确认，且执行系统关闭（255）。相似地，当假故障计数器大于假故障计数阈值时（250）（1），逆变器模块故障被确认，且执行系统关闭（255）。系统关闭包括禁止逆变器模块运行，且因此禁止多相电动机/发电机运行。当假故障计数器小于假故障计数阈值且真故障计数器小于真故障计数阈值时（250）（0），不确认逆变器模块故障，且禁止用于多相电动机/发电机的逆变器模块运行达例如小于30ms的预定的开关冷却周期，然后重新开始（260）。包括假故障计数器和假故障计数阈值的运行的部分基于以下的理解：重复的假故障的发生指示在系统中存在未检测到故障的一些形式，其引起导致假故障检测的状态。

图3图示地示出了与水平轴310示出的时间相关的高压总线电压320和DSAT故障指示器330，且描绘了发生真DSAT故障对高压总线电压320的影响。高压总线电压320包括原始总线电压322和过滤的总线电压324。开始，原始总线电压322为正常水平，指示大约260Vdc且DSAT硬件故障指示器330为0值，指示不存在初步DSAT硬件故障。在312时刻，通过变成1值，DSAT硬件故障指示器330指示初步DSAT硬件故障。在312时刻和316时刻之间描绘20ms的采样窗口。原始总线电压322利用幅值降落至大约230Vdc而立即响应于所指示的DSAT故障，且在控制配置停止逆变器模块以消除所指示的DSAT故障的影响时而开始恢复。过滤的总线电压324虽然以降低的速率而下降，但是在314时刻实现了大约245Vdc的最小的电压，这发生于在312时刻产生所指示的DSAT硬件故障之后大约12ms处。因此，电压变化的时间速率dV/dT大约为-1333V/Sec。该数据指示真DSAT故障的发生对原始总线电压322和过滤的总线电压324具有对应的可测量的影响。响应于该故障确认，逆变器模块的硬性关闭发生。

图4图表地示出了与水平轴410示出的时间相关的包括高压总线电压420和DSAT故障指示器430的信号，且描绘了产生假DSAT故障对高压总线电压420的影响。高压总线电压420包括原始总线电压422和过滤的总线电压424。开始，原始总线电压422为正常水平，指示在大约260Vdc，且DSAt硬件故障指示器430为0值，指示未出现DSAT硬件故障。在412时刻，通过变成1值，DSAT硬件故障指示器430指示初步DSAT硬件故障，虽然是由诸如硬件电路制造公差变动或EMI变化的其他因素引起的假故障。在412时刻和416时刻之间描绘20ms的采样窗口。原始总线电压422和过滤的总线电压424未能响应于所指示的DSAT硬件故障。因此，假故障能够被消除而不引起不需要的系统关闭。当假故障发生时，系统能够通过执行重试进行响应，其中系统关闭、在例如30ms的开关冷却周期期间等待热量从开关散出，以及执行电路重置和返回在线。

与图3和4中示出的真故障和假故障相关的电压特性在故障确认配置200的实施例中被研发和使用，其参考图2-1和图2-2被描述，以监测、检测和确认逆变器模块的故障，所述逆变器模块用于多相电动机/发电机，例如逆变器模块20，其用于参照图1描述的多相电动机/发电机40。

本公开已描述了某些的优选的实施例和其修改。，可在阅读和理解详细说明时发生对于其他的另外修改和改变。因此，本公开不是旨在限定被公开为预期实施本公开的最佳模式的特定实施例，本公开而是将包括落入所附的权利要求的范围内的所有实施例。

Claims

1.用于监测逆变器模块的方法，所述逆变器模块用于多相电动机/发电机，所述方法包括：

停止所述逆变器模块的运行；

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述高压总线上的电压的变化大于所述预定的阈值时检测到真故障发生包括在采样窗口期间当所述高压总线上的电压的变化大于所述预定的阈值时检测到真故障发生。

3.根据权利要求2所述的方法，

4.根据权利要求2所述的方法，

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

执行真故障计数器以对真故障的发生计数；

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

执行假故障计数器以对假故障的发生计数；

7.根据权利要求1所述的方法，其中，停止所述逆变器模块的运行包括禁止所述逆变器模块运行达预定的开关冷却周期。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括在预定的开关冷却周期之后重启所述逆变器模块的运行。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

10.根据权利要求9所述的方法，还包括当所述假故障计数器大于预定的假故障计数时确认逆变器模块故障。

11.用于监测多相电动机/发电机的方法，包括：

基于监测逆变器模块高压开关的基于硬件退饱和诊断配置而检测与控制所述多相电动机/发电机的逆变器模块相关联的初步故障；以及

随后检测到初步故障：

12.根据权利要求11的方法，其中，检测到所述真故障发生包括在预定的采样窗口期间当所述高压总线上的电压的变化大于所述预定的阈值时检测到所述真故障发生。

13.根据权利要求11所述的方法：

14.根据权利要求11所述的方法，还包括：

随后检测初步故障：

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

执行假故障计数器以对假故障的发生计数；

16.根据权利要求11所述的方法，还包括：

执行真故障计数器以对所述真故障的发生计数；以及

17.用于监测逆变器模块的方法，所述逆变器模块用于被设置成对车辆产生牵引扭矩的多相电动机/发电机，所述方法包括：

随后停止所述逆变器模块：

监测向所述逆变器模块供应电功率的高压总线上的电压；

执行故障计数器以对真故障的发生计数；