CN109159669A - 一种电驱动系统的保护系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电驱动系统的保护系统，包括：母线电压检测模块，用于检测母线电容端电压，并将检测的电压信息发送给故障逻辑判断模块；低压供电系统检测模块，用于对低压供电系统的故障状态进行检测，并将检测的故障状态信息发送给所述故障逻辑判断模块；故障逻辑判断模块，基于接收的电压信息和故障状态信息，确定电机进入短路模式或者空转模式，并将相应的控制指令发送给开关器件驱动模块；开关器件驱动电路，用于根据所述故障逻辑判断模块发送的控制指令，控制功率开关器件执行相应的操作，以使得电机进入相应的模式。本发明还提供一种电驱动系统的保护方法。本发明能够在逆变器出现故障时，使得电机处于安全状态。

Description

一种电驱动系统的保护系统和方法

技术领域

本发明涉及一种电机失速保护方法，具体涉及一种电动汽车的电驱动系统的保护系统和方法。

背景技术

动力电机是电动汽车的重要动力来源，尤其是对于纯电动汽车来说，是唯一的动力来源。采用永磁同步电机的电动汽车配置了逆变器专门对电机进行控制，控制永磁同步电机的转速、扭矩等，将高压动力电池的电能转化0000为电机的机械能，并通过机械装置驱动车轴转动，使车辆运行。在永磁同步电机驱动车辆运行时，电机处于电动状态。当车辆在制动能量回收时，电机处于发电状态，电机将机械能转化成电能给高压动力电池充电。逆变器控制电机工作时，若发生异常情况，如逆变器低压供电系统异常、传感器或者数据通信失灵等，逆变器会失去对电机的有效控制，若此时电机失速，电机将通过不可控整流向高压动力电池充电，导致动力电池失效甚至起火等安全隐患。尤其是逆变器的低压供电系统出现故障时，逆变器开关器件的驱动电路供电也会异常，驱动电路将不能驱动开关器件开通，开关器件一直处于关断状态，电机失速可能造成电驱动系统硬件的安全性问题并危害介入该车辆的人员安全性。

因此，如何使得电机一直处于安全状态变得至关重要。

发明内容

本发明的实例要解决的技术问题是提供一种当电驱动系统出现逆变器低压供电故障时，能够及时切断高压动力电池回路，并且基于逆变器实现对电机的控制保护，使电机工作在一种安全状态的电驱动系统的保护系统和方法。

本发明采用的技术方案为：

本发明实施例提供一种电驱动系统的保护系统，包括：低压供电系统故障检测模块、母线电压检测模块、故障逻辑判断模块和开关器件驱动电路，其中，

所述母线电压检测模块用于检测母线电容端电压，并将检测的电压信息发送给所述故障逻辑判断模块；

所述低压供电系统检测模块用于对低压供电系统的故障状态进行检测，并将检测的故障状态信息发送给所述故障逻辑判断模块；

所述故障逻辑判断模块基于接收的电压信息和故障状态信息，确定电机进入短路模式或者空转模式，并将相应的控制指令发送给所述开关器件驱动模块，其中，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压高于所述电驱动系统的最高工作电压时，确定电机进入短路模式，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压低于所述电驱动系统的最低工作电压时，确定电机进入空转模式；

所述开关器件驱动电路用于根据所述故障逻辑判断模块发送的控制指令，控制功率开关器件执行相应的操作，以使得电机进入相应的模式。

可选地，还包括：高压备份电源模块，所述高压备份电源模块用于在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障时，为所述低压供电系统故障检测模块、母线电压检测模块、故障逻辑判断模块和开关器件驱动电路供电。

本发明实施例还提供一种电驱动系统的保护方法，包括：

对母线电容端电压进行检测；

对低压供电系统的故障状态进行检测；

基于检测的电压信息和故障状态信息，确定电机进入短路模式或者空转模式；

其中，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压高于所述电驱动系统的最高工作电压时，确定电机进入短路模式，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压低于所述电驱动系统的最低工作电压时，确定电机进入空转模式。

本发明实施例提供的电机失速保护系统和方法，在电动汽车电驱动系统出现故障甚至电驱动系统的低压供电系统出现故障时，根据电机的转速和电驱动系统的状态控制电机进入主动短路模式或者空转模式。避免了电机转速过高时，若发生低压供电系统故障或者传感器、通信故障的条件下，电机的反电动势超出动力电池、母线电容以及功率开关器件的电压承受能力，损坏动力电池、母线电容以及功率开关器件，甚至危害驾乘人员的安全。本发明可以在发生上述故障时，控制逆变器的开关器件，使电机短路，电机本身会产生负扭矩，电机绕组电流在电机内部流动，不会反灌到高压动力电池和母线电容等高压部件，保护高压部件、整车和驾乘人员的安全。当电机转速下降到某安全范围，控制逆变器的开关器件，使电机空转，防止低转速时电机短路产生过大的制动扭矩影响驾乘舒适性，并使车辆平缓地滑行到安全位置。

附图说明

图1为本发明实施例使用的电驱动系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的电机实施主动短路的扭矩、电流与转速关系的仿真示意图；

图3为本发明实施例提供的电驱动系统的保护系统的结构示意图。

图4为本发明实施例中的高压备份电源最小电源系统框图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

图1为本发明实施例使用的电驱动系统的结构示意图；图2为本发明实施例中的电机实施主动短路的扭矩、电流与转速关系的仿真示意图；图3为本发明实施例提供的电驱动系统的保护系统的结构示意图。图4为本发明实施例中的高压备份电源最小电源系统框图。

如图1所示，本发明实施例使用的电驱动系统包括高压电源1，该高压电源1可以是纯电动汽车的动力电池、混合动力汽车的动力电池，也可以是超级电容等提供电能的部件。母线支撑电容2，该母线电容2的正极接在高压电源1的正极，负极接高压电源1的地，作用是稳定高压电源1的电压。功率开关器件3，采用了三相全桥的拓扑结构，功率器件3a、3b、3c组成逆变器的上桥开关，3d、3e、3f组成逆变器的下桥开关，功率开关器件3可以是绝缘栅型双极性晶体管IGBT，也可以是场效应晶体管MOSFET等。动力电机4是三相永磁同步电机，该动力电机4起到驱动车轮转动，使车辆运行的作用。控制驱动系统5包含控制系统5a与驱动系统5b，控制系统5a采集高压电源1和动力电机4的信息，包括高压电源的电压值，动力电机4的三相电流值、电机转速和转子位置信号等，用于计算开关器件3a、3b、3c、3d、3e、3f的开关时序，驱动系统5b驱动开关器件3a、3b、3c、3d、3e、3f的开通与关断，并实现与控制系统5a的电气隔离，使动力电机4按照要求输出转矩并保护电驱动系统安全工作。继电器开关6，接通或切断高压电源1与逆变器7的电气连接。车辆电动运行时，电机4从高压电源1获得能量，将电能转化为机械能，驱动车辆行驶。在电机能量制动回收时，动力电机4将机械能转化成电能为高压电源1充电，以免制动能量被全部转化成热量而降低能量利用效率。

在车辆电动行驶或制动能量回收时，动力电源1和电机4之间的能量转换是通过逆变器7完成的。逆变器7包括母线支撑电容2、功率开关器件3和控制驱动系统5。当逆变器7低压系统供电异常、传感器或者数据通信失灵，逆变器7将不能可靠控制电机4。若此时电机4仍在高速转动，电机绕组的电流将通过功率器件3的反并联二极管电流回路向高压电源1充电，导致动力电池过压、过流或过热而损坏，严重的会引起起火等危害。

一旦发生上述故障，必须及时切断继电器开关6，同时使电机主动短路，防止电机的反电动势过高，给母线支撑电容2过充电导致相关的高压部件损毁。使电机进入短路模式，可以采用开通功率开关器件3的高边开关3a、3b、3c，同时关断低边开关3d、3e、3f；也可以开通功率开关器件3d、3e、3f，同时关断3a、3b、3c。

图2是某款电机主动短路条件下，转速和扭矩的对应关系。如图2所示，当转速较高(大于3000r/min)时，电机短路的制动扭矩较小，可以使车辆继续滑行至安全位置。当转速较低(低于500r/min)时，电机短路的制动扭矩则陡然增大，影响了车辆驾乘的舒适性，减少了滑动的距离，并且，也为人力推动车辆至安全位置带来较大阻碍。故低速情况下，应避免电机进入短路状态。电机速度较低时，应同时关断功率开关器件3a、3b、3c、3d、3e、3f，使电机进入空转模式。此时，电机不输出扭矩。

因此，需要在电驱动系统出现逆变器低压供电故障时，及时对电机进行控制保护，使电机工作在一种安全状态。为此，本发明提供一种电驱动系统的保护系统。如图3所示，本发明实施例提供的电机失速保护系统包括：低压供电系统故障检测模块9、母线电压检测模块8、故障逻辑判断模块10和开关器件驱动电路12。

其中，所述母线电压检测模块8用于检测母线电容端电压，并将检测的电压信息发送给所述故障逻辑判断模块10。当继电器6接通时，母线电容2的电压等于高压电源1的电压。当继电器6断开，电机4空转时，电机的反电动势为母线电容2充电，故母线电容电压在一定程度上反应了电机的空转转速。因此，实时监测母线电压，是触发电机失速保护系统工作的重要条件。

所述低压供电系统检测模块9用于对低压供电系统的故障状态进行检测，并将检测的故障状态信息发送给所述故障逻辑判断模块10。

所述故障逻辑判断模块10基于接收的电压信息和故障状态信息，确定电机进入短路模式或者空转模式，并将相应的控制指令发送给所述开关器件驱动模块，其中，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压高于所述电驱动系统的最高工作电压时，确定电机进入短路模式，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压低于所述电驱动系统的最低工作电压时，确定电机进入空转模式。具体地，低压供电系统故障检测模块9检测到故障，并将故障上报给逻辑判断模块10。

所述开关器件驱动电路12用于根据所述故障逻辑判断模块发送的控制指令，控制功率开关器件执行相应的操作，以使得电机进入相应的模式。该开关器件驱动电路12设置在驱动系统5b中。

具体地，母线电压检测模块8检测母线电容端电压，一旦母线电容电压超过某一阈值，代表电机空转转速超过某一阈值，母线电压检测模块8将此信息上报给逻辑判断模块10，逻辑判断模块10判断电机应该进入短路模式，防止电机反电动势过高发生危险。当母线电压检测模块8检测到母线电容电压低于某一阈值时，同样将此信息上报给逻辑判断模块10，逻辑判断模块10判断电机进入空转模式。电机进入短路模式或空转模式由驱动系统5b根据逻辑判断模块10发出的指令，执行功率开关器件3a、3b、3c、3d、3e、3f的相应开关动作实现。

此外，在逆变器7的低压供电故障时，控制驱动系统5将不能正常工作，驱动系统5b无法开通功率开关器件3。为了实现电机的短路控制，需要辅助电压提供高压电源，为此，本发明实施例的电机失速保护系统还包括高压备份电源模块11。所述的高压备份电源模块11是在逆变器低压供电失灵后的供电电源。逆变器低压供电故障发生后，逆变器内部的MCU以及开关器件驱动电路由于供电故障，无法正常工作。此时，高压备份电源模块11提供使逆变器控制电机进入安全工作状态的最小电源系统，仅为能实现电机短路功能的部分电路供电，包括母线电压检测模块8、低压供电系统故障检测模块9、逻辑判断模块10和驱动系统5b的部分电路。同时切断向控制系统5a的供电回路，控制系统5a处于掉电状态，包括动力电机相电流信号、转子位置信号和通信数据等消失，这样保证了高压备份电源的最小功率和体积。而当逆变器低压供电正常时，高压备份电源模块不参与供电。

图4表示了高压备份电源模块的输入输出关系，高压备份电源的输入取自母线电容电压，其输出分为隔离的两部分，一部分为弱电供电，一部分为驱动系统供电。考虑到成本和体积，与不具备硬件主动短路功能的电驱动系统相比，本专利设计的附加电路要求具有成本低、占PCB面积小等优势，同时不能影响电驱动系统的原有功能和性能。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电驱动系统的保护方法，由于该方法所解决问题的原理与前述系统相似，因此该方法的实施可以参见前述系统的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的电机失速保护方法，包括以下步骤：

对母线电容端电压进行检测；

对低压供电系统的故障状态进行检测；

基于检测的电压信息和故障状态信息，确定电机进入短路模式或者空转模式；

其中，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压高于所述电驱动系统的最高工作电压时，确定电机进入短路模式，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压低于所述电驱动系统的最低工作电压时，确定电机进入空转模式。

上述各步骤可通过前述的各模块来实现，在此不再赘述。

综上，本发明提供的电驱动系统的保护系统和方法，在电动汽车电驱动系统出现故障甚至电驱动系统的低压供电系统出现故障时，根据电机的转速和电驱动系统的状态控制电机进入主动短路模式或者空转模式。避免了电机转速过高时，若发生低压供电系统故障或者传感器、通信故障的条件下，电机的反电动势超出动力电池、母线电容以及功率开关器件的电压承受能力，损坏动力电池、母线电容以及功率开关器件，甚至危害驾乘人员的安全。本发明可以在发生上述故障时，控制逆变器的开关器件，使电机短路，电机本身会产生负扭矩，电机绕组电流在电机内部流动，不会反灌到高压动力电池和母线电容等高压部件，保护高压部件、整车和驾乘人员的安全。当电机转速下降到安全范围，控制逆变器的开关器件，使电机空转，防止低转速时电机短路产生过大的制动扭矩影响驾乘舒适性，并使车辆平缓地滑行到安全位置。

以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种电驱动系统的保护系统，其特征在于，包括：低压供电系统故障检测模块、母线电压检测模块、故障逻辑判断模块和开关器件驱动电路，其中，

所述母线电压检测模块用于检测母线电容端电压，并将检测的电压信息发送给所述故障逻辑判断模块；

所述低压供电系统检测模块用于对低压供电系统的故障状态进行检测，并将检测的故障状态信息发送给所述故障逻辑判断模块；

所述故障逻辑判断模块基于接收的电压信息和故障状态信息，确定电机进入短路模式或者空转模式，并将相应的控制指令发送给所述开关器件驱动模块，其中，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压高于所述电驱动系统的最高工作电压时，确定电机进入短路模式，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压低于所述电驱动系统的最低工作电压时，确定电机进入空转模式；

所述开关器件驱动电路用于根据所述故障逻辑判断模块发送的控制指令，控制功率开关器件执行相应的操作，以使得电机进入相应的模式。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：高压备份电源模块，所述高压备份电源模块用于在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障时，为所述低压供电系统故障检测模块、母线电压检测模块、故障逻辑判断模块和开关器件驱动电路供电。

3.一种电驱动系统的保护方法，其特征在于，包括：

对母线电容端电压进行检测；

对低压供电系统的故障状态进行检测；

基于检测的电压信息和故障状态信息，确定电机进入短路模式或者空转模式；

其中，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压高于所述电驱动系统的最高工作电压时，确定电机进入短路模式，在所述故障状态信息表征低压供电系统存在故障和所述电压信息表征母线电压低于所述电驱动系统的最低工作电压时，确定电机进入空转模式。