CN107508528A

CN107508528A - 电动车辆逆变器的自限制有源放电电路

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Publication number: CN107508528A
Application number: CN201710432767.5A
Authority: CN
Inventors: 周彦; 唐宇清; 吴宏杰; 陈礼华; 沙拉姆·萨雷
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2017-12-22
Anticipated expiration: 2037-06-09
Also published as: DE102017112572A1; US20170355267A1; CN107508528B; US10035422B2

Abstract

连接到高压直流电源和电动车辆逆变器之间的正极和负极直流总线的直流链路电容器在车辆关断期间快速放电。跨接在链路电容器两端的有源放电电路具有与放电开关串联的放电电阻。放电开关具有用于可选择地使放电开关接通和断开的控制端子。禁用电路连接到控制端子，并且响应于禁用命令信号来断开放电开关。禁用电路在禁用命令信号停止时接通放电开关。由来自链路电容器的电压供电的定时电路在禁用命令信号停止时启动预定时间间隔，并且在预定时间间隔后，在来自链路电容器的电压保持在阈值以上时，连续地断开放电开关。

Description

电动车辆逆变器的自限制有源放电电路

技术领域

本发明总体上涉及用于电动车辆的驱动系统，并且更具体地，涉及当关闭电驱动系统时电容器的快速放电。

背景技术

诸如混合电动车(HEV)、插电式混合动力车(PHEV)的电动车辆使用逆变器驱动的电机来提供牵引扭矩和再生制动扭矩。逆变器通常采用相当大的储能电容器作为主直流链路(DC link)，以维持所需的总线电压并吸收开关相关的脉冲。直流链路电容器通常通过一对机械接触器(例如继电器)与高压(HV)电池连接。

例如，电驱动系统的关闭可能由车辆熄火、高压直流互锁错误或车辆碰撞引起。在关闭期间，通过打开机械接触器，HV电池与电力系统的其余部分快速隔离。但是，直流链路电容器仍然会有HV电荷。由于安全要求，HV电荷应在特定时间内快速放电。

用于对链路电容器放电的最简单的常规方法是通过跨接在电容器两端的电阻来耗散电荷。电阻布局可以是无源的或有源的。与链路电容器硬接线并联连接的无源放电电阻器(PDR)必须具有相对大的电阻，以避免在正常工作期间功率损耗过大。因此，将HV电荷耗散到安全的水平可能需要一到两分钟。

在某些情况下(例如碰撞)，可能需要或要求在更短的时间(例如5秒)内对电容器进行放电。因此，可以使用由晶体管开关控制的有源放电电阻器(ADR)，使得电荷可以通过较小的电阻值耗散。

为了在电子控制单元发生故障的情况下确保链路电容器的自动放电，ADR开关装置通常以通常将其连通的方式连接到电源总线，并且禁用电路(disable circuit)连接在控制单元和ADR开关装置之间。只要接收到来自控制单元的禁用命令信号，禁用电路就使ADR开关装置关闭。如果禁用命令(有意地或由于控制单元故障)被停止，则ADR开关装置连通以放电链路电容器。

当去除ADR的禁用命令信号时，电驱动器可以是几种可能的状态中的任一种。例如，可能有也可能没有电压源继续对电容器充电。即使在1)接触器继电器未能打开并且电池保持连接到链路电容器，或者2)车辆正在移动，并且来自旋转马达的反向电动势(BEMF)连接到链路电容器的情况下已经尝试关闭，则仍然可以向电容器提供电压。在这些条件下，ADR不仅耗散了链路电容器中保持的原始电荷，而且还会耗散由电压连续供应所支持的持续电流。因此，现有技术的ADR电路需要用于连续操作的部件功率容量和热额定值，以便在最坏情况下继续存在。此外，也可能需要用于耗散ADR电阻器中产生的连续热量的液体冷却散热器，这进一步增加了电路的成本。

发明内容

在本发明的一个方面，一种用于电动车辆的驱动系统包含适于连接到直流电源和逆变器之间的正极和负极直流总线的直流链路电容器。有源放电电路跨接在链路电容器两端，包含与放电开关串联的放电电阻器。放电开关具有用于可选择地使放电开关接通和断开的控制端子。禁用电路连接到控制端子，并且响应于禁用命令信号以断开放电开关。禁用电路在禁用命令信号停止时接通放电开关。由来自链路电容器的电压供电的定时电路配置为1)在禁用命令信号停止时启动预定时间间隔，以及2)在预定时间间隔之后来自链路电容器的电压保持在阈值以上时，连续地断开放电开关。

附图说明

图1是示出了具有直流链路电容器的电动车辆驱动器的一个典型实施例的示意图；

图2是示出了用于对直流链路电容器进行放电的现有技术的有源放电电阻器的示意图；

图3是示出了本发明的定时电路的示意图；

图4是更详细地示出了本发明的定时电路的一个实施例的示意图；

图5A和5B是示出了当DC(直流)链路电容器接收到持续的电压供应时本发明的有源放电电路的动作的波形图；

图6A和6B是示出了当DC链路电容器没有接收到持续的电压供应时本发明的有源放电电路的成功放电动作的波形图；

图7是更详细地示出了本发明的定时电路的另一实施例的示意图。

具体实施方式

参考图1，电动车辆驱动系统10包括连接到接触器开关12和13的DC电源11(例如电池组或燃料电池)。接触器12和13优选是具有开启状态和关闭状态、用于将电池11选择性地连接到电驱动系统10的正极总线22和负极总线23的机械开关。

主电容器(即DC链路)16用作逆变器17的链接电容器。逆变器17包括桥式结构的多个开关装置。逆变器17中的开关以期望的方式切换以驱动马达18。

逆变器17中的每个开关装置优选地包含绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其它功率半导体开关装置。每个IGBT包括反向阻断二极管。每个IGBT具有连接到控制器20的相应控件(例如，基极)端子，该控制器20根据逆变器的各种操作模式来控制(即驱动)开关。

控制器20可以是可作为可编程设备商购的马达发电机控制单元(MGCU)。除了处理逆变器的脉冲宽度调制(PWM)控制之外，MGCU控制器20还可以经由如下所述的放电命令信号来控制链路电容器16的放电电路。

图2示出了连接在链路电容器16(例如，在正极DC总线22和负极DC总线23之间)两端的常规有源放电电路25。放电电路25包含与放电开关27串联的放电电阻器26。开关27具有用于响应于来自MGCU的禁用命令信号，经由禁用电路28可选择地使放电开关接通和断开的控制端子。禁用电路28的功能是执行禁用命令信号的逻辑反转。因此，当禁用命令信号具有高逻辑电平时，连接到控制端子的禁用电路28的输出具有低电压电平，使得开关27断开(并且电容器16不放电)。例如，通过将控制端子分流到负极总线23可以获得低电压电平。当禁用命令信号停止(即，降低到低逻辑电平)时，禁用电路28的输出自动上拉到足以导通放电开关27的电压，并且电容器16被快速放电，除非存在这样的条件，其中总线22和23两端继续被施加电压。

持续存在的电压可能是由于马达的反向电动势通过逆变器桥中的反向二极管或者接触器断开电池组的故障而导致的。在发生这种情况的情况下，可能需要放电电阻器26以连续的方式携带显著的电流。因此，现有技术对于放电电阻器需要相对较大的功率和高的额定温度和/或显著的散热能力，这导致额外的成本和空间要求。

本发明通过在链路电容器上施加持续存在的电压的情况下自动消除放电电阻器的工作来减少放电电阻器的散热要求。如图3所示，增加一个额外的定时电路，其用于将有源放电电路的工作时间限制在固定的短持续时间内。选择固定的短持续时间为仅足以以在正常条件下释放主链路电容器的存储能量。定时电路由主链路电容器的电压供电，使得只要电压源继续给电容器通电，它就能够保持放电开关的禁用状态。增加定时电路的好处是降低ADR的额定功率要求并降低其冷却要求。

参考图3，用于链路电容器16的有源放电电路包含与放电开关31串联的放电电阻器30，其中放电开关。放电开关31的控制端子用于在与控制端子连接的禁用电路32和定时电路33的控制下可选择地使放电开关31接通和断开。禁用电路32响应于来自控制器(例如MGCU)的禁用命令信号以断开放电开关31。在禁用命令信号停止时，禁用电路32接通放电开关31，使得电容器16可以被放电。

定时电路33由来自链路电容器16的电压供电。当禁用命令信号停止时，定时电路33启动预定的时间间隔(即，在正常条件下仅足以对链路电容器16放电的短固定时间)。可以使用数字技术(例如，计数器)或模拟技术(例如，RC网络(阻容网络)的电压上升)来实现时间间隔或延迟。当时间间隔到期时，定时电路33连续关闭放电开关31。定时电路33可以保持在该关闭状态，只要链路电容器16上的电压保持在阈值(例如，如下所述的定时电路33中的锁存晶体管(latching transistor)的导通阈值)以上，或者直到MGCU重新启动禁用命令信号。

在图4中更详细地示出了本发明的一个优选实施例。禁用电路32具有与正极总线22和负极总线23之间的齐纳(Zener)二极管35串联连接的上拉电阻器34。上拉电阻器34和二极管35之间的连接点连接到放电开关31的栅极端子37，该放电开关31优选地包含增强型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。禁用电路32包括接收禁用命令信号以选择性地利用负极总线23分流连接点36的禁用分流器(disable shunt)38。当禁止分流器38由于存在禁用命令信号而有效时，MOSFET 31的连接点36和栅极端子37保持在低电压(接近负极总线23)，使得放电MOSFET 31被关闭。当禁用命令停止并禁用分流器38切换到打开状态时，连接点36不再被分流到负极总线23。因此，电流开始流过电阻器(例如，上拉电阻器34)，并且连接点36处的电压迅速上升直到达到齐纳二极管35的特性击穿电压。击穿电压足够高以导通MOSFET 31来启动电容器16的放电(即，齐纳击穿电压大于MOSFET的导通阈值)。

定时电路33还在连接点36处接收增加的电压(即，电路33由来自电容器16的电压供电)。定时电路33具有用作连接在放电MOSFET 31的栅极端子37和负极总线23之间的锁存开关的MOSFET 40。锁存MOSFET 40的栅极端子41连接到电阻器42和电容器43之间的连接点，电阻器42和电容器43连接在接点36和负极总线23之间。电阻器42和电容器43与上拉电阻器34一起形成RC定时网络。根据RC网络的RC时间常数，电容器43两端的电压逐渐升高直到达到MOSFET 40的导通阈值(假设来自电容器16的功率保持足够长的时间)。

图5A和5B示出了通过在因为电容器继续连接到电池或者由马达的反向电动势支持而实际上不会发生放电时停止(即断开)禁用命令信号来启动主电容器放电尝试时图4的本发明的操作。如图5A所示，迹线(trace)50表示放电开关的栅极控制端子处的电压(例如，图4中的连接点36处的电压)。在时间t₁之前，由于禁止分流器的激活，栅极电压固定在大体为零伏特。在时间t₁，禁用命令信号停止，栅极电压迅速上升到较高的电压。栅极电压的大小由例如约15V的齐纳二极管的击穿电压确定。结果，放电开关在时间t₁接通。如图5B所示，电流迹线52同样在时间t₁转变为正值。在这种情况下，由于向电容器继续供给电压，所以不会发生电容器放电。因此，通过图5中的放电电路的电流在时间t₁之后保持在大致相同的水平。紧接在时间t₁之后，MOSFET 40处于其关闭区域，并且放电电路的操作不受定时电路的影响。

图5A示出了对应于定时电路33中的锁存MOSFET 40的栅极电压的迹线51。迹线51表示在RC网络中的电容器上的逐渐增加的电压，其最终在时间t₂(即，在由电阻器42和34以及电容器43的特性确定的预定时间间隔之后)达到锁存MOSFET的导通阈值。在时间t₂，定时电路33中达到稳定状态条件，其中锁存MOSFET 40的导通将连接点36处的电压拉低到齐纳二极管35的击穿电压以下。在该稳定状态下，MOSFET 40完全导通，导致MOSFET 40和MOSFET31的栅极电压大体相同。选择MOSFET 40和31使得它们具有不同的导通阈值，其中MOSFET31的导通阈值电压高于MOSFET 40的导通阈值电压。因此，当在MOSFET40保持导通的情况下达到稳定状态时，MOSFET 31仍然被断开。因此，如图5B所示，在时间t₂，通过放电电阻器30的电流下降到零。

图6A和6B示出了当没有持续存在的电压被提供给主电容器并且放电可以正常进行时通过停止(即关闭)禁用命令信号来启动主电容器放电尝试时的图4的本发明的操作。如图6A所示，迹线53表示放电开关的栅极控制端子处的电压(例如，图4中的连接点36处的电压)。在时间t₁之前，由于禁用分流器的激活，栅极电压固定在大体为零伏特。在时间t₁，禁用命令信号停止，栅极电压迅速上升到齐纳电压。结果，放电开关在时间t₁再次接通。如图6B所示，电流迹线55同样在时间t₁转变为正值。在快速上升之后，随着主链路电容器放电，电流迹线55开始衰减。链路电容器16中的衰减电压由图6B中的迹线56示出。

主电容器放电导致图6A中由迹线53示出的放电MOSFET 31的栅极电压的相应衰减。定时电路33的RC网络的充电导致如迹线54所示的锁存MOSFET 41的栅极电压逐渐上升。然而，对RC网络中的定时电容充电的主电容器电压的减小导致栅极电压迹线54未能达到锁存MOSFET 40的导通阈值。在时间t₃达到稳定状态，其中两个MOSFET都被断开，并且在主链路电容器16上仅暂时保持小的电压。因此，定时电路33对正常放电操作没有显著影响。

图7示出了本发明的替代实施例，其中定时间隔被放电电路中的部件独立地控制，并且其中MOSFET的导通阈值不需要满足任何特定关系。在图7中，由上拉电阻器34和齐纳二极管35形成的禁用电路的功能如前所述。在这种情况下，禁用分流器由双重禁止分流器60的一半提供。禁用分流器60为包含具有连接在总线22和23之间的电阻器63和电容器64的独立RC网络的定时电路提供明确的分流(即，到负极总线23的路径)。锁存MOSFET 61具有连接在放电MOSFET 31的栅极控制端子和负极总线23之间的输出端(即，漏极和源极端子)。锁存MOSFET 61的栅极控制端子62被连接到电阻器63和电容器64之间的连接点。齐纳二极管65连接在栅极端子62和负极总线23之间以保护MOSFET 61。

图7中的定时电路的预定时间间隔t₂仅取决于电阻器63和电容器64(连同MOSFET61的阈值电压)，并且与上拉电阻器34无关。当电容器64上出现的电压达到锁存MOSFET 61的导通阈值，则接通MOSFET 61。结果，用于放电MOSFET 31的栅极电压下降到低电位并且断开MOSFET 31。因此，保持在总线22和23两端的持续存在的电压导致有源放电功能的关闭。

鉴于上述发明，示出了定时电路，其将有源放电电路操作限制到固定的短时间段，这显著地降低了有源放电电阻器额定功率要求和冷却要求。附加电路的成本低于通过减小放电电阻并消除或减少冷却部件而实现的成本节约。

Claims

1.一种用于电动车辆的驱动系统，包含：

直流链路电容器，所述直流链路电容器适于连接到直流电源和逆变器之间的正极和负极直流总线；

有源放电电路，所述有源放电电路跨接在所述链路电容器两端，包含与放电开关串联的放电电阻器，其中所述放电开关具有用于可选择地使所述放电开关接通和断开的控制端子；

禁用电路，所述禁用电路连接到所述控制端子并且响应于禁用命令信号而断开所述放电开关，其中所述禁用电路一经所述禁用命令信号停止就接通所述放电开关；和

定时电路，所述定时电路由来自所述链路电容器的电压供电并且配置为：1)一经所述禁用命令信号停止就启动预定时间间隔，以及2)在所述预定时间间隔之后，在来自所述链路电容器的所述电压保持在阈值以上时，连续地断开所述放电开关。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述禁用电路包含：

与齐纳二极管串联在总线之间的上拉电阻器，其中所述上拉电阻器和所述齐纳二极管之间的连接点连接到所述放电开关的所述控制端子；和

禁用分流器，所述禁用分流器响应于所述禁用命令信号，而将所述放电开关的所述控制端子连接到所述负极总线。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述定时电路包含：

在所述放电开关的所述控制端子与所述负极总线之间的锁存开关，其中，所述锁存开关具有用于选择性地使所述锁存开关接通和断开的控制端子；和

连接到所述总线并连接到所述锁存开关的所述控制端子的RC网络，所述RC网络用于在所述预定时间间隔之后接通所述锁存开关，从而断开所述放电开关。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述RC网络包含连接在所述锁存开关的所述控制端子和所述负极总线之间的电容器。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述放电开关和所述锁存开关各自包含相应的场效应晶体管(FET)。

6.根据权利要求5所述的系统，其中用于所述放电开关的所述FET具有高于所述锁存开关的所述FET的阈值电压的阈值电压。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述RC网络连接在所述连接点和所述负极总线之间。

8.根据权利要求3所述的系统，其中所述禁用电路进一步包含：

第二分流器，所述第二分流器响应于所述禁用命令信号，而将所述锁存开关的所述控制端子连接到所述负极总线；和

连接在所述锁存开关的所述控制端子和所述负极总线之间的第二齐纳二极管。

9.一种用于逆变器的电容器放电系统，包含：

与晶体管串联的放电电阻器，所述放电电阻器配置为连接在所述电容器的正极端子和负极端子之间；

禁用电路，所述禁用电路响应于禁用命令，而通过将晶体管控制端子分流到所述电容器的负极端子来断开所述晶体管；和

由所述电容器供电的定时电路，所述定时电路在所述命令停止后的预定时间后断开所述晶体管。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述定时电路配置为，在所述命令停止后的所述预定时间之后，只要所述电容器的正极端子和负极端子之间的电压高于阈值电压或所述命令被重新启动，就连续地断开所述晶体管。