CN105270182B - 新能源汽车对母线高压的放电方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种新能源汽车对母线高压的放电方法，包括如下步骤：第1步，当整车控制器发出放电指令时，电池管理系统使高压电池与逆变器之间断开。第2步，电机控制器对逆变器中的六个功率开关器件进行控制，使得永磁同步电机的直轴电流随母线电压的降低而降低，交轴电流始终为零，从而将母线电容的能量消耗在永磁同步电机内部。第3步，当母线电压值在规定时间内下降至安全电压范围以内，则电机控制器使得永磁同步电机的三相主动短路，或者使得永磁同步电机的直轴电流与交轴电流均为零。否则，电机控制器使得永磁同步电机的三相主动短路，并向整车控制器反馈放电超时故障。本申请放电时间迅速，安全可靠，放电完成后母线电压不会再升高。

Description

新能源汽车对母线高压的放电方法

技术领域

本申请涉及一种新能源汽车对母线高压的安全放电方法。

背景技术

请参阅图1，新能源汽车(电动汽车、混合动力汽车等)的电机驱动系统主要包含高压电池、逆变器、永磁同步电机。高压电池是指输出的直流电压高于100V的蓄电池组，由电池管理系统(BMS)进行控制。逆变器用来将高压电池输出的直流转换为交流后，驱动永磁同步电机。电机控制器用来控制逆变器中各个功率开关器件的导通或关断，以及控制永磁同步电机。电机控制器对永磁同步电机的常见控制策略包括PWM(脉宽调制)、SPWM(正弦波脉宽调制)、SVPWM(空间矢量脉宽调制)等。

请参阅图2，所述逆变器通常采用典型的电压型三相桥式逆变电路。输入端由母线电容C连接高压电池输出的直流电压。该母线电容C同时并联三个桥臂，每个桥臂均为两个串联的功率开关器件(例如MOS晶体管、IGBT器件等)，每个功率开关器件Qi的源极和漏极之间又连接一个二极管Di。三个桥臂的两个功率开关器件之间的连接点均引出，作为三相交流电的输出端u、v、w，用来驱动三相永磁同步电机。

由于高压电池的输出电压高于100V，为保护人身安全，要求在逆变器的输入端配有放电电路，以在某些工况下降低母线电容C的高电压。

一种现有的放电电路是采用放电电阻，在需要放电的工况下使母线电容C连通放电电阻，利用放电电阻进行主动放电。这种放电电路的实现简单，限制条件少。但是主动放电电阻的功率大，占用一定体积，而且使用成本也较高。

另一种现有的放电电路是直流-直流转换器(DC-DC Converter)，在需要放电的工况下利用直流-直流转换器将母线电容C中的直流高压转换为直流低压后为车载低压电池充电，还有部分母线电容C中的电能消耗于直流-直流转换器自身的元件损耗。这种放电电路对于不含直流-直流转换器的单独逆变器而言，还需要增加直流-直流转换器才能实现放电功能。

目前，新能源汽车通常将逆变器中的六个功率开关器件均关断(称为Freewheel模式)作为安全模式。当发生车辆碰撞等恶劣工况时，在执行完毕对母线高压的放电策略后，一旦母线电压下降至安全电压范围就进入该安全模式。然而，如果永磁同步电机再被高速拖起(如碰撞工况中被发动机拖动)，那么永磁同步电机的能量会回馈至母线电容，使得母线电压再度引起高压风险。请参阅图3，现有的以Freewheel模式作为安全模式，在母线电压降至60V以下的安全电压范围后进入该安全模式，然而永磁同步电机的能量回馈至母线电容，导致母线电压再度升高，从而引起高压风险。

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对母线高压的放电方法，该方法无需增加额外的硬件成本，能够有效地在规定时间内将母线电压降至安全电压，从而确保维修人员或车辆驾驶员在特定工况下的高压安全。此外，该方法还能在放电完毕后保证永磁同步电机的能量不回馈至母线电容，杜绝了母线电压在放电完毕后再度升高的风险。

为解决上述技术问题，本申请新能源汽车对母线高压的放电方法包括如下步骤：

第1步，当整车控制器(HCU)发出对母线高压放电的指令时，电池管理系统使高压电池与逆变器之间完全断开；

第2步，电机控制器对逆变器中的六个功率开关器件进行控制，使得永磁同步电机的直轴电流随母线电压的降低而降低，交轴电流始终为零，从而将母线电容的能量消耗在永磁同步电机内部；

第3步，当母线电压值在规定时间内下降至安全电压范围以内，则电机控制器使得永磁同步电机的三相主动短路，或者电机控制器使得永磁同步电机的直轴电流与交轴电流均为零；

否则，电机控制器使得永磁同步电机的三相主动短路，并向整车控制器反馈放电超时故障。

本申请通过软件控制的方法将母线高压降低至安全电压以内，不需要增加额外硬件成本，放电时间迅速，安全可靠，而且对电机的转速没有限制要求。同时在放电完成后，电机进入真正意义的安全模式，三相永磁同步电机的能量不会回馈至直流侧的母线电容。

附图说明

图1是新能源汽车的电机驱动系统的原理示意图；

图2是新能源汽车的逆变器的电路原理示意图；

图3是现有的安全模式下，母线电容输出的母线电压波形图；

图4是本申请的新能源汽车对母线高压的放电方法的流程图；

图5是放电模式下直轴电流id、交轴电流iq的控制轨迹示意图；

图6是本申请的一种实施例在放电模式下的母线电压波形图；

图7是本申请的一种实施例在放电模式下的直轴电流id、交轴电流iq波形图；

图8是本申请的一种实施例在放电模式下的三相电流波形图；

图9是本申请的一种实施例在放电模式下的电机输出扭矩波形图；

图10是本申请的另一种实施例在放电模式下的母线电压波形图。

具体实施方式

请参阅图1，本申请的新能源汽车的母线高压放电系统就是新能源汽车所普遍具有的高压电池、电池管理系统、逆变器、电机控制器、永磁同步电机。在此基础上无须增加诸如放电电阻、直流-直流转换器等额外的硬件结构，从而实现了成本最低。

请参阅图4，本申请的新能源汽车对母线高压的放电方法包括如下步骤：

第1步，在点火开关关闭或车辆发生碰撞等恶劣工况发生时，整车控制器向其他节点单元发送对母线高压的放电指令。在接受到放电指令后，电池管理系统在规定的时间内断开高压电池与逆变器的输入端之间的连接。

第2步，电机控制器控制永磁同步电机进入放电模式。所述放电模式是指：电机控制器对逆变器中的六个功率开关器件进行控制，使得永磁同步电机的直轴电流id按一定轨迹执行，交轴电流iq始终为零。所述放电模式与正常SVPWM控制模式(如扭矩控制)不尽相同，首先iq＝0A保证了永磁同步电机输出扭矩为零，防止放电模式下有非期望的扭矩输出；其次id按一定轨迹执行使永磁同步电机产生无功功率，从而消耗掉母线电容的能量。所述放电模式用于将母线电容的能量消耗在永磁同步电机内部。

所述id按一定轨迹执行是指：id值随母线电压的降低而降低，目的是保证放电电流随母线电压的降低而减小。请参阅图5，id值可以随母线电压的降低而线性降低，如斜线A所示；id值也可随母线电压的降低而非线性降低，如曲线B、曲线C所示。具体设置id控制轨迹时，还可一并参考电机特性，目的是保证母线电容在规定的时间内放电至安全电压范围以及电机驱动系统在规定时间内的发热是可接受的。

第3步，当母线电压值在规定时间内(例如毫秒级别)下降至安全电压范围(例如60V)以内，则电机控制器控制永磁同步电机退出放电模式，进入安全模式。所述安全模式是指：电机控制器使得永磁同步电机的三相主动短路，或者电机控制器使得永磁同步电机的直轴电流与交轴电流均为零。id＝iq＝0被称为零扭矩控制模式。

所述两种安全模式是独立的，可根据实际情况选则进入其中一种安全模式。如果永磁同步电机的三相短路电流较小，例如该三相短路电流小于电机的额度电流，优选采用三相短路状态的安全模式。如果永磁同步电机的反电势电压较小，例如其最高反电势电压小于高压电池的电压，优选采用零扭矩控制的安全模式。无论永磁同步电机处于哪一种安全模式，逆变器直流侧的母线电压都不再受电机输出的影响，是一种安全的状态。在此基础上，整车控制器关闭整个电力驱动模块，整个放电的流程安全结束。

当放电的时间超过允许的最大值且母线电压值仍大于安全电压范围(例如未断开高压电池与逆变器输入端的连接等)，则判断发生放电超时故障。此时电机控制器将该故障反馈给整车控制器，同时使永磁同步电机进入三相主动短路的安全模式，防止电机系统引起母线电容的电压升高。

图6～图9是本申请的一种具体实施例所对应的信号波形图。该实施例中永磁同步电机带一定转速放电，直轴电流id随母线电压值降低而线性降低。对母线高压放电后进入的安全模式为永磁同步电机的三相主动短路。

图6展示了放电模式下的母线电容的母线电压波形图。从图中可以看出使用本申请的放电方法可将母线电压在50ms左右的时间从350V降为60V。在放电过程中，母线电压迅速地被降低，而且没有大的电压突变；放电时间较快，能够满足高压安全的要求。

图7展示了放电模式下的永磁同步电机的直轴电流id、交轴电流iq波形图。从图中可以看出在放电的过程中，id近似线性变化，iq几乎为零。当放电过程结束时，永磁同步电机进入三相主动短路状态。

图8展示了放电模式下的永磁同步电机的三相电流lu、lv、lw波形图。比较图8和图6、图7可以看出在放电的过程中，三相电流lu、lv、lw的幅值跟随着id同步地线性降低。因此，三相电流lu、lv、lw的幅值跟随着母线电压的降低而同步地减小。实际上，不论直流电流id随母线电压值降低是线性还是非线性降低，三相电流lu、lv、lw的幅值都跟随着id同步降低，也就都跟随着母线电压同步降低。当放电过程结束时，永磁同步电机进入三相短路状态。

图9展示了放电模式下的永磁同步电机的输出扭矩波形图。从图中可以看出在放电的过程中，永磁同步电机的输出扭矩几乎为零，而且没有大的扭矩波动，因而在放电过程中没有非期望的输出扭矩存在。

图10是本申请的另一种具体实施例所对应的信号波形图。该实施例中永磁同步电机带一定转速放电，直轴电流id随母线电压值降低而线性降低。对母线高压放电后进入的安全模式为永磁同步电机的零扭矩控制。

图10展示了放电模式下的母线电容的母线电压波形图。图10在放电完毕后进入零扭矩控制的安全模式，图6在放电完毕后进入三相主动短路的安全模式，比较图3、图6、图10可以发现无论采用本申请所提供的哪一种安全模式，都不会导致母线电压在放电完毕后再次被抬升而引起高压的风险。

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 (5)

1.一种新能源汽车对母线高压的放电方法，其特征是，包括如下步骤：

第1步，当整车控制器发出对母线高压放电的指令时，电池管理系统使高压电池与逆变器之间完全断开；

第2步，电机控制器对逆变器中的六个功率开关器件进行控制，使得永磁同步电机的直轴电流随母线电压的降低而降低，交轴电流始终为零，从而将母线电容的能量消耗在永磁同步电机内部；

第3步，当母线电压值在规定时间内下降至安全电压范围以内，则电机控制器使得永磁同步电机的三相主动短路，或者电机控制器使得永磁同步电机的直轴电流与交轴电流均为零；

否则，电机控制器使得永磁同步电机的三相主动短路，并向整车控制器反馈放电超时故障。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车对母线高压的放电方法，其特征是，所述方法第2步中，所述直轴电流或者随母线电压的降低而线性降低，或者随母线电压的降低而非线性降低。

3.根据权利要求2所述的新能源汽车对母线高压的放电方法，其特征是，所述方法第2步中，当所述直轴电流随母线电压的降低而降低，则永磁同步电机的三相电流的幅值随直轴电流同步降低，即三相电流的幅值随母线电压的降低而同步降低。

4.根据权利要求1所述的新能源汽车对母线高压的放电方法，其特征是，所述方法第3步中，当永磁同步电机的三相短路电流小于其额度电流，则当母线电压值在规定时间内下降至安全电压范围以内，电机控制器使得永磁同步电机的三相主动短路。

5.根据权利要求1所述的新能源汽车对母线高压的放电方法，其特征是，所述方法第3步中，当永磁同步电机的最高反电势电压小于高压电池的电压，则当母线电压值在规定时间内下降至安全电压范围以内，电机控制器使得永磁同步电机的直轴电流与交轴电流均为零。