CN105262059A - 一种电动汽车的主动短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车的主动短路保护电路，属于电动汽车技术领域。所述主动短路保护电路包括：控制模块，用于产生驱动信号、驱动使能信号、以及短路使能信号；逻辑电路，用于当驱动使能信号为第一电平时，控制六个功率开关器件均断开；当驱动使能信号为第二电平，短路使能信号为第一电平，且控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号中的至少一个为第一电平时，按照驱动信号控制串联的两个功率开关器件的通断；当驱动使能信号和短路使能信号均为第二电平时，控制第一电极相互连接的三个功率开关器件均导通、第二电极相互连接的三个功率开关器件均断开。本发明提高了电动汽车的安全性和使用寿命。

Description

一种电动汽车的主动短路保护电路

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，特别涉及一种电动汽车的主动短路保护电路。

背景技术

全球石油资源的日趋紧张和环境污染的日趋严重，推动了混合动力汽车、纯电动汽车等节能环保的电动汽车的发展。

电动汽车包括依次连接的电池、三相桥式逆变器和三相电机。电池通过三相桥式逆变器驱动三相电机转动，进而带动车轮转动，实现电动汽车的移动。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

当电池出现短路、过压、过流、过热等故障时，电池无法驱动三相电机转动，三相电机可能会在车轮的带动下被高速拖动，拖动产生的电能造成电池两端的电压升高(电池与三相电机通过三相桥式逆变器连通)，进而电池过压损坏。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种电动汽车的主动短路保护电路。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种电动汽车的主动短路保护电路，所述电动汽车包括三相桥式逆变器，所述三相桥式逆变器包括并联的三个桥臂，每个所述桥臂包括串联的两个功率开关器件，所述主动短路保护电路包括：

控制模块，用于产生分别控制六个所述功率开关器件通断的驱动信号、控制六个所述功率开关器件同时断开的驱动使能信号、以及控制是否进行主动电路保护的短路使能信号；

逻辑电路，用于当所述驱动使能信号为第一电平时，控制六个所述功率开关器件均断开；当所述驱动使能信号为第二电平，所述短路使能信号为第一电平，且控制串联的两个所述功率开关器件通断的驱动信号中的至少一个为第一电平时，按照所述驱动信号控制串联的两个所述功率开关器件的通断；当所述驱动使能信号为第二电平，所述短路使能信号为第一电平，且控制串联的两个所述功率开关器件通断的驱动信号均为第二电平时，控制串联的两个所述功率开关器件中的一个导通、串联的两个所述功率开关器件中的另一个断开；当所述驱动使能信号和所述短路使能信号均为第二电平时，控制第一电极相互连接的三个所述功率开关器件均导通、第二电极相互连接的三个所述功率开关器件均断开。

在本发明一种可能的实现方式中，所述驱动信号为脉冲宽度调制PWM信号。

可选地，控制串联的两个所述功率开关器件的所述驱动信号之间存在死区时间。

在本发明另一种可能的实现方式中，所述第一电平为低电平，且所述第二电平为高电平。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述第一电极为发射极，且所述第二电极为集电极；或者，所述第一电极为集电极，且所述第二电极为发射极；或者，所述第一电极为漏极，且所述第二电极为源极；或者，所述第一电极为源极，且所述第二电极为漏极。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述逻辑电路包括分别控制三个所述桥臂的三个逻辑子电路，每个所述逻辑子电路均包括分别控制串联的两个所述功率开关器件通断的第一电路和第二电路；

所述第一电路包括第一非门、第二非门、第一与门、第二与门和第三与门，控制串联的两个所述功率开关器件通断的驱动信号中的一个接入所述第一非门的输入端，控制串联的两个所述功率开关器件通断的驱动信号中的另一个接入所述第一与门的一个输入端，所述第一非门的输出端与所述第一与门的另一个输入端连接，所述短路使能信号接入所述第二非门的输入端，所述驱动使能信号接入所述第二与门的一个输入端，所述第二非门的输出端与所述第二与门的另一个输入端连接，所述第一与门的输出端和所述第二与门的输出端分别与所述第三与门的两个输入端连接，所述第三与门的输出端与接入所述第一与门的所述驱动信号控制的所述功率开关器件的控制端连接；

所述第二电路包括第四与门、第五与门和第一或门，接入所述第一非门的所述驱动信号和所述驱动使能信号分别接入所述第四与门的两个输入端，所述驱动使能信号和所述短路使能信号分别接入所述第五与门的两个输入端，所述第四与门的输出端和所述第五与门的输出端分别与所述第一或门的两个输入端连接，所述第一或门的输出端与接入所述第一非门的所述驱动信号控制的所述功率开关器件的控制端连接。

可选地，每个所述逻辑子电路还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述短路使能信号通过所述第一电阻接地，所述驱动使能信号通过所述第二电阻接地，接入所述第一非门的所述驱动信号通过所述第三电阻接地，接入所述第一与门的所述驱动信号通过所述第四电阻接地。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述控制模块为数字信号处理DSP芯片。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述主动短路保护电路还包括：

驱动电路，用于放大所述逻辑电路的输出信号。

可选地，所述驱动电路包括至少一个磁耦隔离芯片。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过控制模块产生驱动使能信号和短路使能信号，逻辑电路当驱动使能信号和短路使能信号均为第二电平时，控制第一电极连接的三个功率开关器件均导通、第二电极连接的三个功率开关器件均断开，使三相输入线分别与六个功率开关器件的串联节点连接的三相电机短路，因此在电池出现短路、过压、过流、过热等故障时，可以通过将三相电机短路将其与电池之间不再连通，即使三相电机会高速拖动也不会造成电池过压损坏，提高了电动汽车的安全性和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的电动汽车的主动短路保护电路的应用场景图；

图2是本发明实施例一提供的一种电动汽车的主动短路保护电路的示意图；

图3是本发明实施例二提供的一种电动汽车的主动短路保护电路的示意图；

图4是本发明实施例二提供的逻辑子电路的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

下面先结合图1简单介绍一下本发明实施例提供的电动汽车的主动短路保护电路的应用场景。如图1所示，电动汽车包括依次连接的电池10、三相桥式逆变器20、三相电机30、以及与电池10连接的辅助放电设备40。三相桥式逆变器20的直流端和辅助放电设备40的输入端采用高压直流母线50连接。

其中，电池10通过三相桥式逆变器20向三相电机30输出交流电以驱动三相电机30转动，实现电动汽车的移动。电池10也直接向辅助放电设备40输出直流电以驱动辅助放电设备30工作。电池10还通过三相桥式逆变器20获得三相电机30被车轮高速拖动生成的交流电以进行充电。

三相桥式逆变器20的直流端与电池10连接，三相桥式逆变器20的交流端与三相电机30的三相输入端连接。三相桥式逆变器20起到驱动三相电机30输出扭矩和功率，以及将刹车时三相电机30被车轮拖动产生的能量反馈给电池10的作用。

在具体实现中，三相桥式逆变器20包括并联的三个桥臂，每个桥臂包括串联的两个功率开关器件，每个功率开关器件还可以反向并联一个二极管。功率开关器件可以为绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，简称IGBT)、金属氧化物半导体(MetalOxideSemiconductor，简称MOS)管等。

三相电机30的机械输出轴与电动汽车的传动系统连接，为电动汽车输出扭矩与功率。当三相电机30被高速拖动时，三相电机30也反过来生成三相交流电。

辅助放电设备40是指电动汽车中除了三相电机以外的耗能设备，主要包括直流/直流(DC/DC)变换器、空调、座椅加热器等。DC/DC变换器主要用于将高压直流电转换为低压直流电，为电动汽车的低压直流系统提供能量。空调主要用于将电能转换为机械能，驱动压缩机进行制冷/制热。座椅加热器主要用于将电能转换为热能，帮助座椅加热，提高用户在寒冷天气驾车的舒适性。

实施例一

本发明实施例提供了一种电动汽车的主动短路保护电路，如前所述，该电动汽车包括三相桥式逆变器，三相桥式逆变器包括并联的三个桥臂，每个桥臂包括串联的两个功率开关器件，参见图2，该主动短路保护电路包括：

控制模块101，用于产生分别控制六个功率开关器件通断的驱动信号、控制六个功率开关器件同时断开的驱动使能信号、以及控制是否进行主动电路保护的短路使能信号；

逻辑电路102，用于当驱动使能信号为第一电平时，控制六个功率开关器件均断开；当驱动使能信号为第二电平，短路使能信号为第一电平，且控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号中的至少一个为第一电平时，按照驱动信号控制串联的两个功率开关器件的通断；当驱动使能信号为第二电平，短路使能信号为第一电平，且控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号均为第二电平时，控制串联的两个功率开关器件中的一个导通、串联的两个功率开关器件中的另一个断开；当驱动使能信号和短路使能信号均为第二电平时，控制第一电极相互连接的三个功率开关器件均导通、第二电极相互连接的三个功率开关器件均断开。

需要说明的是，当停止工作时，驱动使能信号为低电平；当需要工作时，驱动使能信号为高电平。当正常工作时，短路使能信号为低电平；当电池出现短路、过压、过流、过热等故障而异常工作时，短路使能信号为高电平。控制各个桥臂的两个功率开关器件的驱动信号通常为高低电平正好相反的脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，简称PWM)信号，即控制一个功率开关器件的驱动信号为高电平时，控制另一个功率开关器件的驱动信号为低电平；控制一个功率开关器件的驱动信号变为低电平时，控制另一个功率开关器件的驱动信号变为高电平。

本发明实施例通过控制模块产生驱动使能信号和短路使能信号，逻辑电路当驱动使能信号和短路使能信号均为第二电平时，控制第一电极连接的三个功率开关器件均导通、第二电极连接的三个功率开关器件均断开，使三相输入线分别与六个功率开关器件的串联节点连接的三相电机短路，因此在电池出现短路、过压、过流、过热等故障时，可以通过将三相电机短路将其与电池之间不再连通，即使三相电机会高速拖动也不会造成电池过压损坏，提高了电动汽车的安全性和使用寿命。

实施例二

本发明实施例提供了一种电动汽车的主动短路保护电路，本实施例是实施例一提供的电动汽车的主动短路保护电路的具体介绍，如前所述，该电动汽车包括三相桥式逆变器，三相桥式逆变器包括并联的三个桥臂，每个桥臂包括串联的两个功率开关器件，参见图3，该主动短路保护电路包括：

控制模块201，用于产生分别控制六个功率开关器件通断的驱动信号、控制六个功率开关器件同时断开的驱动使能信号、以及控制是否进行主动电路保护的短路使能信号；

逻辑电路202，用于当驱动使能信号为第一电平时，控制六个功率开关器件均断开；当驱动使能信号为第二电平，短路使能信号为第一电平，且控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号中的至少一个为第一电平时，按照驱动信号控制串联的两个功率开关器件的通断；当驱动使能信号为第二电平，短路使能信号为第一电平，且控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号均为第二电平时，控制串联的两个功率开关器件中的一个导通、串联的两个功率开关器件中的另一个断开；当驱动使能信号和短路使能信号均为第二电平时，控制第一电极相互连接的三个功率开关器件均导通、第二电极相互连接的三个功率开关器件均断开。

可以理解地，当驱动使能信号为第一电平时，控制六个功率开关器件均断开，可以防止因操作不当而造成损坏电路器件。

当驱动使能信号为第二电平，短路使能信号为第一电平，且控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号均为第二电平时，控制串联的两个功率开关器件中的一个导通、串联的两个功率开关器件中的另一个断开，保证串联的两个功率开关器件同一时间最多只能有一个导通，避免由于软件编程错误或干扰造成控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号均为第二电平时，串联的两个功率开关器件同时导通而造成电池短路。

在本实施例的一种实现方式中，驱动信号可以为脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，简称PWM)信号。

可以理解地，PWM信号高电平和低电平交替出现的方波信号，驱动信号采用PWM信号可以实现六个功率开关器件周期性通断，通过调整六个PWM信号的时序，可以实现六个功率开关器件交替导通和断开，实现将输入的直流信号转换为交流信号输出。

其中，高电平时与低电平相对的高电压。在逻辑电平中，高电平为保证逻辑门的输入为高电平时的输入电平，低电平为保证逻辑门的输入为低电平时的输入电平。在数字逻辑电路中，低电平表示0，高电平表示1。一般规定低电平我0～0.25V，高电平为3.5～5V。

可选地，控制串联的两个功率开关器件的驱动信号之间可以存在死区时间。

可以理解地，在控制串联的两个功率开关器件的驱动信号之间设置死区时间，可以避免串联的两个功率开关器件同时导通而造成电池短路。

在本实施例的另一种实现方式中，第一电平可以为低电平，且第二电平为高电平；或者，第一电平可以为高电平，且第二电平为低电平。

可以理解地，第一电平和第二电平中的一个为低电平，另一个为高电平即可，本发明对此不作限制。

在本实施例的又一种实现方式中，第一电极可以为发射极，且第二电极为集电极；或者，第一电极可以为集电极，且第二电极为发射极；或者，第一电极可以为漏极，且第二电极为源极；或者，第一电极可以为源极，且第二电极为漏极。

可以理解地，当功率开关器件为三极管时，第一电极和第二电极中的一个为发射极，另一个为集电极；当功率开关器件为场效应性管时，第一电极和第二电极中的一个为漏极，另一个为源极，本发明对此不作限制。

在本实施例的又一种实现方式中，逻辑电路202可以包括分别控制三个桥臂的三个逻辑子电路，每个逻辑子电路均包括分别控制串联的两个功率开关器件通断的第一电路和第二电路。

参见图4，第一电路1包括第一非门11、第二非门12、第一与门13、第二与门14和第三与门15，控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号中的一个接入第一非门11的输入端，控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号中的另一个接入第一与门13的一个输入端，第一非门11的输出端与第一与门13的另一个输入端连接，短路使能信号接入第二非门12的输入端，驱动使能信号接入第二与门14的一个输入端，第二非门12的输出端与第二与门14的另一个输入端连接，第一与门13的输出端和第二与门14的输出端分别与第三与门15的两个输入端连接，第三与门15的输出端与接入第一与门13的驱动信号控制的功率开关器件的控制端连接。

第二电路2包括第四与门21、第五与门22和第一或门23，接入第一非门11的驱动信号和驱动使能信号分别接入第四与门21的两个输入端，驱动使能信号和短路使能信号分别接入第五与门22的两个输入端，第四与门21的输出端和第五与门22的输出端分别与第一或门23的两个输入端连接，第一或门23的输出端与接入第一非门11的驱动信号控制的功率开关器件的控制端连接。

可以理解地，逻辑电路采用非门、与门、或门等逻辑门器件，功耗低、成本低廉、运行稳定且控制迅速。

下面结合图4简单介绍一下逻辑子电路的工作过程：

当驱动使能信号为低电平时，第二与门14输出低电平，第三与门15输出低电平；同时第四与门21和第五与门22均输出低电平，第一或门23输出低电平。

当驱动使能信号为高电平，短路使能信号为低电平，且控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号均为低电平时，第一非门11输出高电平，第一与门13输出低电平，第三与门15输出低电平；同时第四与门21输出低电平，第五与门22输出低电平，第一或门23输出低电平。

当驱动使能信号为高电平，短路使能信号为低电平，且接入第一非门11的控制信号为低电平，接入第一与门13的控制信号为高电平时，第一非门11输出高电平，第一与门13输出高电平；同时第四与门21输出低电平，第五与门22输出低电平，第一或门23输出低电平。

当驱动使能信号为高电平，短路使能信号为低电平，且接入第一非门11的控制信号为高电平，接入第一与门13的控制信号为低电平时，第一非门11输出低电平，第一与门13输出低电平；同时第四与门21输出高电平，第五与门22输出低电平，第一或门23输出高电平。

当驱动使能信号为高电平，短路使能信号为低电平，且控制串联的两个功率开关器件通断的驱动信号均为高电平时，第一非门11输出低电平，第一与门13输出低电平；同时第四与门21输出高电平，第五与门22输出低电平，第一或门23输出高电平。

当驱动使能信号和短路使能信号均为高电平时，第二非门12输出低电平，第二与门14输出低电平，第五与门15输出低电平；同时第五与门22输出高电平，第一或门23输出高电平。

可选地，每个逻辑子电路还可以包括第一电阻31、第二电阻32、第三电阻33和第四电阻34，短路使能信号通过第一电阻31接地，驱动使能信号通过第二电阻32接地，接入第一非门11的驱动信号通过第三电阻33接地，接入第一与门13的驱动信号通过第四电阻34接地。

可以理解地，短路使能信号、驱动使能信号和驱动信号均通过电阻接地，可以避免在没有输入信号的时候误触发了逻辑电路。

在本实施例的又一种实现方式中，控制模块202可以为数字信号处理(DigitalSignalProcessing，简称DSP)芯片。

可以理解地，DSP芯片内置PWM发生器，且PWM占空比和频率可以设置。而且DSP芯片的运行稳定且速度较快，能实现高速控制。

在本实施例的又一种实现方式中，参见图3，该主动短路保护电路还可以包括：

驱动电路203，用于放大逻辑电路202的输出信号。

具体地，驱动电路203包括与三相桥式逆变器的六个功率开关器件对应的六个功率放大器件，功率放大器件的输出端与对应的功率开关器件的输入端连接，功率放大器件的输入端接输入到对应的功率开关器件的信号。

可以理解地，驱动电路提高了逻辑电路的输出信号的驱动能力，使其有足够的电流或电压导通和断开功率开关器件。

可选地，驱动电路203可以包括至少一个磁耦隔离芯片。

可以理解地，磁耦隔离芯片可以将驱动控制模块、逻辑电路等控制电路的电源与驱动三相电机的电源隔离，提高整体的抗干扰能力。

本发明实施例通过控制模块产生驱动使能信号和短路使能信号，逻辑电路当驱动使能信号和短路使能信号均为第二电平时，控制第一电极连接的三个功率开关器件均导通、第二电极连接的三个功率开关器件均断开，使三相输入线分别与六个功率开关器件的串联节点连接的三相电机短路，因此在电池出现短路、过压、过流、过热等故障时，可以通过将三相电机短路将其与电池之间不再连通，即使三相电机会高速拖动也不会造成电池过压损坏，提高了电动汽车的安全性和使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动汽车的主动短路保护电路，所述电动汽车包括三相桥式逆变器，所述三相桥式逆变器包括并联的三个桥臂，每个所述桥臂包括串联的两个功率开关器件，其特征在于，所述主动短路保护电路包括：

控制模块，用于产生分别控制六个所述功率开关器件通断的驱动信号、控制六个所述功率开关器件同时断开的驱动使能信号、以及控制是否进行主动电路保护的短路使能信号；

逻辑电路，用于当所述驱动使能信号为第一电平时，控制六个所述功率开关器件均断开；当所述驱动使能信号为第二电平，所述短路使能信号为第一电平，且控制串联的两个所述功率开关器件通断的驱动信号中的至少一个为第一电平时，按照所述驱动信号控制串联的两个所述功率开关器件的通断；当所述驱动使能信号为第二电平，所述短路使能信号为第一电平，且控制串联的两个所述功率开关器件通断的驱动信号均为第二电平时，控制串联的两个所述功率开关器件中的一个导通、串联的两个所述功率开关器件中的另一个断开；当所述驱动使能信号和所述短路使能信号均为第二电平时，控制第一电极相互连接的三个所述功率开关器件均导通、第二电极相互连接的三个所述功率开关器件均断开。

2.根据权利要求1所述的主动短路保护电路，其特征在于，所述驱动信号为脉冲宽度调制PWM信号。

3.根据权利要求2所述的主动短路保护电路，其特征在于，控制串联的两个所述功率开关器件的所述驱动信号之间存在死区时间。

4.根据权利要求1所述的主动短路保护电路，其特征在于，所述第一电平为低电平，且所述第二电平为高电平。

5.根据权利要求1所述的主动短路保护电路，其特征在于，所述第一电极为发射极，且所述第二电极为集电极；或者，所述第一电极为集电极，且所述第二电极为发射极；或者，所述第一电极为漏极，且所述第二电极为源极；或者，所述第一电极为源极，且所述第二电极为漏极。

6.根据权利要求1所述的主动短路保护电路，其特征在于，所述逻辑电路包括分别控制三个所述桥臂的三个逻辑子电路，每个所述逻辑子电路均包括分别控制串联的两个所述功率开关器件通断的第一电路和第二电路；

所述第一电路包括第一非门、第二非门、第一与门、第二与门和第三与门，控制串联的两个所述功率开关器件通断的驱动信号中的一个接入所述第一非门的输入端，控制串联的两个所述功率开关器件通断的驱动信号中的另一个接入所述第一与门的一个输入端，所述第一非门的输出端与所述第一与门的另一个输入端连接，所述短路使能信号接入所述第二非门的输入端，所述驱动使能信号接入所述第二与门的一个输入端，所述第二非门的输出端与所述第二与门的另一个输入端连接，所述第一与门的输出端和所述第二与门的输出端分别与所述第三与门的两个输入端连接，所述第三与门的输出端与接入所述第一与门的所述驱动信号控制的所述功率开关器件的控制端连接；

所述第二电路包括第四与门、第五与门和第一或门，接入所述第一非门的所述驱动信号和所述驱动使能信号分别接入所述第四与门的两个输入端，所述驱动使能信号和所述短路使能信号分别接入所述第五与门的两个输入端，所述第四与门的输出端和所述第五与门的输出端分别与所述第一或门的两个输入端连接，所述第一或门的输出端与接入所述第一非门的所述驱动信号控制的所述功率开关器件的控制端连接。

7.根据权利要求6所述的主动短路保护电路，其特征在于，每个所述逻辑子电路还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述短路使能信号通过所述第一电阻接地，所述驱动使能信号通过所述第二电阻接地，接入所述第一非门的所述驱动信号通过所述第三电阻接地，接入所述第一与门的所述驱动信号通过所述第四电阻接地。

8.根据权利要求1所述的主动短路保护电路，其特征在于，所述控制模块为数字信号处理DSP芯片。

9.根据权利要求1所述的主动短路保护电路，其特征在于，所述主动短路保护电路还包括：

驱动电路，用于放大所述逻辑电路的输出信号。

10.根据权利要求9所述的主动短路保护电路，其特征在于，所述驱动电路包括至少一个磁耦隔离芯片。