CN108574262A - 具有反向电流保护电路的电气系统 - Google Patents

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Abstract

一种电气系统包括直流(DC)电压总线、向DC电压总线提供电源电压的电源、连接到电源的电机、位于电源和电机之间并包括能量耗散元件的反向电流保护(RCP)电路，以及控制器。作为相关方法的一部分，当电机的感应电压超过电压总线的电压电平时，控制器检测电流从电机流向电源的反向电流状态。控制器向RCP电路发送控制信号，以在反向电流状态的持续时间或等于或大于反向电流状态的持续时间的预定持续时间内引导电流通过能量耗散元件。

Description

具有反向电流保护电路的电气系统
背景技术
在具有固定励磁磁通量的电机的转矩-速度图中，存在最大旋转速度点，在该点，电机产生零转矩。这样的速度被称为电机的空载速度。在空载速度下，电机的供电电压基本上等于电机的感应电压/反电动势(back-EFM)。因此，对于给定电源电压，空载速度可以被认为是电机的最大转速。然而，电机的电流输出可以被控制成与励磁通量相对并且有效地减小净反电动势，从而在需要时选择性地允许电机比其空载速度更快地旋转。这种操作电机模式被称为“弱磁模式”。
例如，体现为多相电马达的电机具有提供给电机的相应数量的相绕组的一个或多个相电流的相位角。可以调整相位角以实现期望的弱磁效应。但是，如果给定的弱磁电流在超过空载转速的转速下突然消失，则由于全部励磁磁通量而引起的感应电压可能导致显著高于所施加的电压的电压电平。
如果在电机操作期间出现这样的事件，则可能导致电压尖峰或“过电压”状态，使得直流(DC)电压总线上的电压电平(即，总线电压)暂时地超过来自直流电池组、燃料电池或其他直流电源的电源电压。示例性的事件包括驱动信号的突然丢失或电机的定向反转以及转速的瞬时变化。电机在空载转速以上运行时发生的某些故障也可能导致类似的电压尖峰。不管根本原因如何，反向电流或“负电流”状态有时可能导致电路，其反向电流可能到达电源和其他连接的组件。
发明内容
如本文所述的电气系统被配置为保护电源，例如多单元直流(DC)电池组，以及其他敏感电路部件免受上述的反向电流状态。反向电流状态可能导致电气系统的DC电压总线上的不期望的电压尖峰。在不同的实施例中，电气系统包括反向电流保护(RCP)电路，其包括一个或多个能量耗散元件，例如电阻器、电容器组或一组半导体开关。响应于检测到反向电流状态，RCP电路自动连接到电路内的电流路径。能量耗散元件的连接吸收和耗散来自电机的储存能量，以代替允许这种能量通过电气系统传输回电源。
各种替代配置适合于检测和防止电气系统的输入驱动端子处的过压状态。本方法可用于某些示例的顶层系统，例如车辆、固定电气系统、发电厂、机器人、移动平台或其他机电或者电气系统，其中电机的反电动势或感应电压可能，在不希望的时间，从电机释放能量回到电源。因此，以在此阐述的方式通过RCP电路的控制来正确处理电压尖峰可以用于在反向电流状态期间保护电压源和其他敏感电路部件。
在一个示例性实施例中，电气系统包括DC电压总线、电源和电机，电机经由DC电压总线连接到电源，并且在一些实施例中，还包括功率逆变器模块(PIM)。电气系统还包括位于电源与PIM/电机之间的直流电压总线上的RCP电路。RCP电路包括一个或多个能量耗散元件。主开关可以用于选择性地将电源连接到电机。
作为这种实施例的一部分，当这种反向电流是不希望的时候，与RCP电路通信的控制器检测反向电流状态，即，电流趋向于从电机流向电源的状态。控制器可以被编程为响应于检测到反向电流状态而向RCP电路的主动控制元件发送控制信号，以使得电流流过一个或多个能量耗散元件。这样的控制行为可以在反向电流状态的持续时间内持续进行。因此，主开关的控制可以与RCP电路的控制紧密协调，以确保当电源断开时发生能量耗散控制行为。
还公开了一种用于保护电气系统免受反向电流状态的方法。在一个可能的实施例中，该方法包括通过控制器检测反向电流状态，并接着断开主开关以选择性地从直流电压总线断开电源。通过控制器将控制信号传输到RCP电路，经由RCP电路的操作，以在反向电流状态的持续时间内指引电流的流动通过能量耗散元件。
结合附图，通过以下对执行本发明的最佳模式的详细描述，本发明的上述和其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据可能的切换实施例的具有电气系统的示例性车辆的示意性电路图，其中电气系统具有反向电流保护(RCP)电路。
图2是具有替代电容器组配置的RCP电路的实施例的示意图。
图3是RCP电路的另一替代实施例的示意图，其中能量耗散元件包括功率逆变器模块的半导体开关。
图4是图3所示的替代实施例的示意图，其中使用微控制器代替逻辑门来控制功率逆变器模块的能量耗散切换操作。
图5A和5B是可以作为电气系统的输入侧上的单独电力配线的一部分来实现的替代实施例的示意图。
图6A和6B是与图5A和5B中所示的替代无源放电实施例的示意图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记在全部多个附图中指代相同或相似的部件，图1中示出了示例的电气系统10，该电气系统能够可在车辆11或其他顶级系统上使用。电机(M)14，即牵引马达或马达/发电机单元可用于产生转矩，用于推进车辆、用于发电和/或为车辆的特定部件供电。例如，电机14可以连接到车辆11的相应的前驱动轴AA或后驱动轴BB或两者，并且被配置成产生适用于推进车辆的水平的相应的前或后扭矩(箭头TF和TR)。在另一个可能的实施例中，电机14可以连接到液压制动助力系统26，液压制动助力系统26被配置成产生适用于在制动操纵期间减速车辆11的水平的制动力。电机14因此可以被配置为在辅助制动操作期间，例如作为防抱死制动系统操纵的一部分，产生适用于使车辆减速或停止的水平的制动扭矩。其他可能的应用包括动力转向马达或主动悬架马达的应用，而非车辆应用可以包括固定的发电厂、机器人、移动平台或其他高阶系统，其中，有时电压尖峰可能导致电气系统10中的负电流/反向电流状态。
也就是说，例如当电机14运行在空载速度以上时，当电机14快速改变速度或者磁场控制丢失时，电机14可以将负电流注入，并且因此在电气系统10的直流(DC)电源总线23上感应出电压尖峰。当电机14在车辆11上使用，为延长的防抱死制动系统操纵提供动力，可能发生这种电压尖峰。可以在一些车辆11中设置硬电压阈值，在该阈值以上，敏感的车载控制器或监控电路自动重启或关闭以防止损坏。结果，需要适当地处理电流(箭头i)的回馈到图1的电气系统10中。下面进一步参考图2-6B来描述这种问题的可能的解决方案。
图1的电气系统10包括：直流电源12，例如多单元电池组或燃料电池，其中电源12将电源电压(VS)馈送到电气系统10中。电机14经由DC电压总线23电连接到电源12。当电机14为多相感应电机、永磁同步电机或其他多相电机时，电气系统10还可以包括功率逆变器模块(PIM)16，PIM可操作用于将来自DC电压总线23的DC功率转换成适合于为电机14的各个相绕组15供电的交流(AC)电力。
电连接到电源12和电机14两者的PIM 16与控制器(C)50通信并且经由控制器(C)50可控制。虽然为了清楚而与PIM 16分开示出，但是PIM 16还可以包括各种内部电子部件，包括各自具有校准的电容值的一组并联电容器(C1，C2和C3)、具有校准的电感值的电感器(L1)，以及电流传感器(A)21，例如电流分流加放大器或线性霍尔效应传感器，以及根据需要用于转换和过滤直流电压总线23上的功率的晶体管、二极管和导体(未示出)。在不脱离所公开的发明范围的情况下，电流传感器21可以位于直流电压总线23的负轨上，而不是如图所示的正轨上。
虽然为了说明清楚和简单起见，在图1和图2中被省略，PIM 16包含半导体开关，如图3和4中清晰所示，其开关状态被有效地控制以产生所需的电压波形。这些开关可以安排在上部和下部开关装置中，或成对设置，以控制PIM 16的功率转换功能。对于非限制性示例的图1-4的电机14的三相实施例，例如，可以使用三个这样的开关装置，每个电相具有两个开关装置，总共六个半导体开关，如图3所示。
通过“与”逻辑门17控制的主开关18可以设置在电源12与电机14之间。主开关18可以被配置为在某些阈值操作条件期间选择性地将电源12从DC电压总线23断开，例如当车辆11在关断事件之后或者响应于电气故障关闭时。以这种方式，主开关18可以为电气系统10提供主开启/关闭(例如，0/1二进制)控制功能。在一个示例性实施例中，主输入开关18可以被体现为如图所示的背对背MOSFET器件，以创建具有双向电流和电压阻断能力的示例性双向固态开关，或者实现为提供相同的所需开关功能的其他合适的机械或半导体开关元件。
图1的电气系统10以及图2-6B中所示的各种替代实施例包括位于电源12和PIM 16之间的反向电流保护(RCP)电路20。RCP电路20包括一个或多个能量耗散元件30，在图1中示出的是根据特定实施例，作为示例的电阻器(RB)，在该特定情况下为泄放电阻器。此处所用的泄放电阻器是电路电阻元件，该电路电阻元件被配置为当在放电电流的路径中连接时，在该情况下从电机14排出所存储的电荷。与RCP电路20通信的控制器50被配置为检测反向电流状态，在该状态下电流(箭头i)从电机14流向电源12，即负电流。当直流电压总线23上的直流总线电压(VIN)超过电源12的供电电压(VS)时，可能发生这种情况。在这样的过电压状态期间，控制器50向RCP电路20发送控制信号(箭头CCO)，以确保在反向电流状态的持续时间内电流(箭头i)通过能量耗散元件30的通路。
在图1的示例性实施例中，RCP电路20可以包括电流阈值比较器电路22(也标记为“i<0”)，以及“与”逻辑门24、半导体开关(S1)25、逻辑逆变器27、包括具有齐纳电压(VZ)的齐纳二极管28(DZ)的过电压检测器，以及限流电阻(R1)33。当DC总线电压(VIN)超过由齐纳电压(VZ)设定的预定的过电压阈值，即，齐纳二极管28的击穿电压和半导体开关S1的导通阈值电压(例如用于逻辑电平MOSFET的1V)时，并且同时电流(箭头i)被比较器电路22检测为负时，即反向电流状态是激活和正在进行时，RCP电路20被自动启动。当该情况发生时，进入“与”逻辑门24的第一电压信号被认定为真或高/1。
类似地，取决于是否存在反向电流状态，从比较器电路22馈送到与“与”逻辑门24中的第二电压信号是名义上0或1，当电流i<0，其表示反向电流状态时，进入“与”逻辑门24中的电压被认定为真或高/1。主开关18在能量耗散元件/电阻器30激活的持续时间，接收来自逻辑逆变器27的0或0VDC电压信号，并因此在相同条件下保持断开。
更具体地，当进入“与”逻辑门24的电压均为0时，通过接通RCP电路20内的半导体开关25，能量耗散元件30被自动插入电流(箭头i)的路径。图1的实施例中的能量耗散元件30的电阻值可以被选择为使得DC总线电压(VIN)保持在校准的电压极限内。当DC总线电压(VIN)落入这样的电压极限内时，RCP电路20通过半导体开关25的操作再次断开，同时主开关18重新接通以恢复电气系统10的正常的稳态操作。
图1中的操作以及在此描述的各种替代实施例可以经由控制器50来实现。控制器50可以被体现为一个或多个计算机设备，并配备有必要的存储器(M)和处理器(P)，以及相关的硬件和软件，例如时钟或定时器、输入/输出电路等。存储器(M)包括足够数量的只读存储器，例如磁存储器或光存储器，在该存储器上记录实现本文所述过程的计算机可读指令100。
图2描绘了替代配置的电气系统10A。代替图1的功率耗散电阻器(R1)，RCP电路120使用电容器组(C4)作为替代能量耗散元件130。电容器组(C4)在特定的过电压条件下接通，以图1的泄放电阻(RB)的方式选择性地吸收能量。为了说明简单起见，半导体开关(S1)25被示意性地示出为图2中的简单的开/关切换装置，但是可以被体现为图1中所示的MOSFET，体现为IGBTs或其他合适的半导体开关器件。
图2的RCP电路120断开主开关18，该主开关18可以可选地包括如图所示的并联电阻器(R3)，并且在示例性实施例中当DC总线电压(VIN)达到阈值电压，例如16VDC时接通半导体开关25。闭合半导体开关25对RCP电路120的电容器组(C4)充电，其中电容器组(C4)的大小被设定为吸收与这种阈值电压相关的能量/电流。电阻器(R4)可以与电容器组(C4)并联放置，以在下一个过电压事件发生之前以期望的速率帮助电容器组(C4)放电。电气系统10A的其余部分基本如图1所示。
图3是电气系统10B的实施例的示意图，其通过选择性短路控制来耗散来自电机14的能量。具体地，该实施例使用PIM 16的上部开关(US)和下部开关(箭头LS)可用的门信号(箭头19)。在图3的示例性布置中，作为硬件设备的一组“与”逻辑门42可以与上部开关(US)一起布置，以截取来自相应的门驱动器G1、G3和G5的门信号(箭头19)，并且一组“或”逻辑门44可以与下部开关(LS)一起布置，以截取来自相应的门驱动器G2、G4或G6的门信号(箭头19)。虽然为了说明简单起见未示出，但是在替代实施例中，“与”逻辑门42可以与下部开关(LS)一起布置，而“或”逻辑门44可以与上部开关(US)一起布置。在图3的示例实施例中，电机14的上部开关(US)和绕组起到能量消耗元件230的作用，上部开关(US)和“或”逻辑门42形成RCP电路220。
当直流总线电压(VIN)超过阈值电压并且反向/负电流(箭头i)经由电流传感器21和比较器电路22被检测到时，图3的RCP电路220关闭主开关18。RCP电路220也打开PIM 16中的所有三个上部开关(US)，同时关闭所有下部开关(LS)。在其他实施例中，在这样的实施例中，“或”逻辑门44和“与”逻辑门42的位置简单地交换，RCP电路220可以关闭上部开关(US)并开启下部开关(LS)。该控制行为有效地使电机14的指定的相绕组15短路，以防止电路10B中的电流(箭头i)回流。
反向电流期间的过压状态可以通过例如齐纳二极管28和电阻器(R1)33之类的过压检测器以及如所示出的“与”逻辑门24的操作来感测。也就是说，当DC总线电压(VIN)超过齐纳电压(VZ)并且电流传感器21检测到反向电流状态时，“与”逻辑门24产生标称高电压输出(例如，5VDC)以导通PIM 16的上部开关(US)。“与”逻辑门24的输出可以在预定的时间段内被锁存或保持高电平，以允许引起反向电流的能量在绕组15中耗散。控制器50可以重置“与”锁存器以允许PIM 16的正常操作。通过“或”逻辑门44的行为，即使门驱动器G2、G4和G6不是作为PIM 16的常规功率转换功能的一部分有效地驱动下部开关(LS)，这种情况也会发生。
其中将控制信号传输到所述RCP电路包括将控制信号传输到每个上部开关的对应逻辑门，以在上部开关保持断开的同时经由下部开关使所述机器绕组短路。
作为短路的结果，电流(箭头i)在上部开关(US)或下部开关(LS)与电机14的相绕组15之间的回路中按路线发送，取决于上部开关或下部开关中的哪个打开以及哪个关闭，相关的能量作为热量在内部消散。当下部开关(LS)如图所示配备“或”逻辑门44时，在反向电流和过压状态期间下部开关(LS)导通，而在这种特定情况下的上部开关(US)将保持断开。这个行为通过下部开关使电机绕组15短路。尽管主动短路可能导致电机14的温度升高，但是通过适当的控制和温度监测，电机14可以有效地用于吸收在DC总线上产生电压尖峰的短时间反向电流事件中存在的过量能量。
如图4所示，主动短路可通过具有作为控制器50或作为附加或分离的控制装置的微控制器(MC)60的电气系统10C来实现。微控制器60可以用来代替图3所示的基于物理硬件的“与”逻辑门44和“或”逻辑门42。在这样的实施例中，作为RCP电路320的一部分的微控制器60使用软件编程来提供硬件中断信号(箭头INTR)，以基本上与图3相同的方式，控制PIM16的上部和下部开关(US，LS)的开/关切换状态。图3和图4的实施例可能需要努力，例如，如果电机14的温度升高到超过期望的温度极限，通过中断主动短路状态，以确保电机14在主动短路状态下运行时保持在该极限内。作为额外的益处，微控制器60可以将输入信号提供给主开关18以连接或断开图1的电源12。
上文描述的图1-4的实施例可能需要与电气系统10、10A、10B或10C的硬件和软件集成。由于这也许是不可能的，所以可以使用硬件解决方案来实现相同的目的，例如作为图1-4的电驱动集成的实施例的替代方案，通过封装图5A、5B、6A或6B中所示的电路至DC电力连接器内或者连接至DC电压总线23的接线线束内。
首先参考图5A和5B，两个可能的RCP电路420和520可以被实现为可连接到DC电压总线23的供电/输入侧的硬件模块，例如作为线束的一部分。图5A的RCP电路420使用功率电阻器(R1)作为泄放电阻，以类似于图1所示的实施例的方式耗散能量。也就是说，半导体开关(S1)25可以与作为上述能量消耗元件30的电阻器(R1)串联放置。当DC总线电压明显超过齐纳电压(VZ)时，半导体开关25在节点72处由高门信号导通。在这种情况下，反向电流首先通过齐纳二极管28流向电阻器(RB)，在这种情况下充当下拉电阻器，并导通半导体开关S1，半导体开关S1将电阻器(R1)置于直流总线23两端的位置以耗散能量。可以通过图5A的RCP电路420的功能，使用图5B的RCP电路520获得额外的控制精度，其中半导体开关(S1)25经由具有如图所示的电阻器R5和R6的运算放大器55被驱动。RCP电路520可以在DC电压总线两端连接，并且经由上述的DC电压总线23的校准参考电压(VREF)和感测电压(VSX)供电。当发生特定量值或严重性的过压状态时，可以使用图5B的实施例来导通半导体开关25。
图6A和6B描绘了可以用作图5A和5B的实施例的替代方案的RCP电路620和720的无源硬件实施例。在图6A的RCP电路620中，金属氧化物变阻器(MOV)可以跨越DC电压总线23连接，并用作能量耗散元件330。类似地，在图6B的RCP电路720中，超级电容器可以跨越DC电压总线23连接，并用作能量耗散元件430。图6A的MOV的额定工作电压、钳位电压和能量额定值，以及图6B的超级电容器的电容是经过精心选择的，以响应于过压/反向电流状态提供所需的能量消耗速率和电平。就相对的益处而言，图6A的实施例的较低的电压钳位精度是可以改善的，尽管通过使用图6B的实施例的代价是额外的质量和部件成本。
上文详述的选择性控制的能量耗散方法允许用于响应于反向电流状态，改善图1的电气系统10以及图2-6B的可选实施例的整体质量的方法。当DC总线电压(VIN)超过预定限制时，实施例通过选择性地将一个或多个耗散元件连接至反向电流路径中来处理过电压。其他实施例选择性地缩短电机14的马达绕组以阻止反向电流流动，例如在再生制动事件期间或者当电机试图反转方向时或者当PIM 16的开关关闭电机14的速度超过空载速度时。另外的其他实施例可以纯粹以硬件的形式作为线束的一部分来实现。然而，所公开的实施例旨在将DC总线电压保持在可接受的水平，同时有助于防止电气系统10的部件的过早失效。
虽然已经详细描述了用于执行本发明的最佳模式，但是本发明所涉及的领域的技术人员将认识到在所附权利要求的范围内的用于实践本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种电气系统，包括：
直流(DC)电压总线；
电源，其向所述DC电压总线提供电源电压；
电机，其经由所述直流电压总线连接到所述电源；
反向电流保护(RCP)电路，其位于所述电源和所述电机之间，所述反向电流保护(RCP)电路包括能量耗散元件；以及
控制器，其与所述反向电流保护(RCP)电路通信，所述控制器被配置为当所述电机的感应电压超过所述DC电压总线的电压电平时，检测所述电气系统的反向电流状态，在所述反向电流状态中，电流从所述电机流向所述电源，其中所述控制器被配置为向所述反向电流保护(RCP)电路发送控制信号，以便在所述反向电流状态的持续时间内引导所述电流通过所述能量耗散元件。
2.如权利要求1所述的电气系统，还包括主开关，所述主开关被配置为选择性地将所述电源连接到所述DC电压总线或将所述电源与所述DC电压总线断开，其中，所述控制器被编程为断开所述主开关并且从而在所述反向电流状态的持续时间内将所述电源从所述DC电压总线断开。
3.如权利要求1所述的电气系统，其中所述能量耗散元件包括电阻器。
4.如权利要求1所述的电气系统，其中所述能量耗散元件包括电容器组。
5.如权利要求1所述的电气系统，还包括电连接到所述DC电压总线和所述电机的多相功率逆变器模块(PIM)，所述多相功率逆变器模块(PIM)具有与所述电机的相的个数相等的多个上半导体开关和多个下半导体开关，其中所述电机包括相绕组，并且所述能量耗散元件包括所述电机的所述相绕组以及所述上半导体开关和所述下半导体开关。
6.如权利要求5所述的电气系统，还包括多个“或”逻辑门以及锁存“与”逻辑门，其中每一个“或”逻辑门都连接到相应的门驱动器，所述锁存“与”逻辑门响应于检测到所述反向电流状态以及所述DC总线的电压电平超过预定的过压阈值向所述“或”逻辑门中的每一个提供电压信号，所述电压信号被配置为导通所有的下半导体开关以阻止反向电流进入DC总线。
7.如权利要求6所述的电气系统，所述反向电流保护(RCP)电路包括齐纳二极管，所述齐纳二极管具有连接到所述“与”逻辑门的负极，以检测所述电机的感应电压何时超过预定的过电压阈值。
8.如权利要求1所述的电气系统，其中所述控制器是连接到所述功率逆变器模块(PIM)的每个所述半导体开关的相应的门驱动器的微控制器，并且其中所述微控制器被配置为当所述电机的感应电压超过所述DC电压总线的电压电平时，响应于检测到所述反向电流状态，接通所述功率逆变器模块(PIM)的所述上半导体开关并断开所述下半导体开关。
9.如权利要求1所述的电气系统，还包括DC电力连接器，其中所述反向电流保护(RCP)电路被封装在所述DC电力连接器内。
10.如权利要求9所述的电气系统，其中所述反向电流保护(RCP)电路包括作为所述能量耗散装置的与功率电阻器串联的半导体开关，并且还包括以下中的一个：齐纳二极管和运算放大器，其中所述半导体开关具有连接到所述齐纳二极管的负极或所述运算放大器的输出的栅极。
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