CN109873575A - 汽车、超低温环境下电机系统的启动方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种汽车、超低温环境下电机系统的启动方法及装置，该启动方法包括：判断当前是否处于超低温环境；在处于超低温环境时，向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率，从而对控制器、驱动电路及电机进行预热；判断是否满足预热结束条件；在满足预热结束条件时，通过所述驱动电路控制电机启动。实施本发明的技术方案，在不增加或更换硬件电路的条件下就可扩展电机系统的低温运行范围，因此，降低了产品成本。

Description

汽车、超低温环境下电机系统的启动方法及装置

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种汽车、超低温环境下电机系统的启动方法及装置。

背景技术

电机系统应用广泛，其电路结构如图1所示，包括有MCU、驱动电路、电力电子开关管(例如MOS管或者IGBT)、电机、电解电容、温度采样电路等器件。在实际应用中，电机系统须具备在宽温度范围下运行的特性，通常，汽车上的电机系统要求最低运行温度在-40℃上下，工业产品上的电机系统要求的最低运行温度在-20℃上下，在这个低温区域，电机系统必须具备可靠的启动和运行特性。但是，随着目前全球温室效应增强以及其它极端气候现象出现地越来越频繁，极冷天气更有可能出现在以前不会出现的地区，例如，2018年在美国明尼苏达州卡顿市录得的最低气温达到了-48℃。在这样的超低温环境(低于该产品的最低运行温度点的环境)下，元器件的参数会变动，电机的润滑油会冷冻，因此可能导致电机系统不具备启动运行的能力，影响电机系统的运行，进而影响最终产品的使用。因此，对于电机系统，如何应对超低温环境下的稳定启动具备很强的现实意义。

为了解决超低温环境下电机系统稳定启动的问题，较为常见的方式是：1.采用PTC进行加热，通过预热使整个电机系统脱离超低温区，进入最低运行温度范围，从而实现顺利的启动运行；2.采用更高温度范围规格的元器件，从而扩展现有产品的温度运行范围。但是，以上两种方式均会增加硬件成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术成本高的缺陷，提供一种汽车、超低温环境下电机系统的启动方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超低温环境下电机系统的启动方法，所述电机系统包括控制器、驱动电路及电机，在确定电机系统有运行需求时，控制器进行以下步骤：

步骤S10.判断当前是否处于超低温环境；

步骤S20.在处于超低温环境时，向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率，从而对控制器、驱动电路及电机进行预热；

步骤S30.判断是否满足预热结束条件；

步骤S40.在满足预热结束条件时，通过所述驱动电路控制电机启动。

优选地，所述步骤S30包括：

获取测温元件实时检测的环境温度，并根据所检测的环境温度判断是否脱离超低温环境；或，

判断进行预热的累计时间是否达到第一时间值。

优选地，所述步骤S10包括：

步骤S11.获取测温元件实时检测的环境温度，

步骤S12.判断当前环境温度是否低于预设温度值，或，判断环境温度为预设温度值的累计时间是否达到第二时间值；

步骤S13.若是，则确定当前是否处于超低温环境。

优选地，在步骤S40之后，还包括：

步骤S50.判断电机是否启动成功；

步骤S60.在电机启动不成功时，将当前启动失败次数加1，并获取等待时间，其中，初始的启动失败次数为0；

步骤S70.在等待时间内，向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率，从而对控制器、驱动电路及电机进行预热，直至等待时间结束，然后执行步骤S10。

优选地，在步骤S60中，根据当前启动失败次数确定等待时间和/或旋转电压矢量的电压幅值。

优选地，根据以下方式确定所述特定的旋转电压矢量：

根据额定频率确定所述特定的旋转电压矢量的旋转频率，且所述旋转频率大于额定频率的20％；

根据额定电流计算所述特定的旋转电压矢量的电压幅值，使电机内的电流小于额定电流。

优选地，步骤S60还包括：

判断当前启动失败次数是否达到预设次数值，若是，则进行故障上报。

优选地，向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率，包括：

采用PWM方法，向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率。

本发明还构造一种超低温环境下电机系统的启动装置，包括控制器及存储有计算机程序的存储器，所述控制器在运行所述计算机程序时执行以上所述的超低温环境下电机系统的启动方法的步骤。

本发明还构造一种汽车，包括电机系统，所述电机系统包括以上所述的超低温环境下电机系统的启动装置。

实施本发明的技术方案，在确定超低温环境下，控制器通过输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率，从而对控制器、驱动电路及电机等进行预热，使得电机系统脱离超低温区而实现可靠地启动和运行。该技术方案在不增加或更换硬件电路的条件下就可扩展电机系统的低温运行范围，因此，降低了产品成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，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。附图中：

图1是电机系统实施例一的电路图；

图2是本发明超低温环境下电机系统的启动方法实施例一的流程图；

图3是本发明超低温环境下电机系统的启动方法实施例二的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2是本发明超低温环境下电机系统的启动方法实施例一的流程图，首先说明的是，电机系统例如为：用于对汽车发动机进行散热的电子风扇、电动汽车的驱动电机等。而且，该电机系统包括有控制器、驱动电路及电机，当然还可进一步包括电流采样电阻、电解电容、驱动开关管、防反器件等。当控制器根据信号或接收到启动运行指令确定电机系统有运行需求时，控制器可进行以下步骤：

步骤S10.判断当前是否处于超低温环境，若是，则执行步骤S20；若否，则直接进入正常启动环节，以开始启动和运行动作；

步骤S20.向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率，从而对控制器、驱动电路及电机进行预热；

在该步骤中，需说明的是，虽然理论上讲，无功功率是度量电抗和电源之间能量交换的速度度量，这个能量只是在电抗器和电源之间来回交换，并没有实际上消耗掉，所以也不会转换为任何其它形式，例如，发热、使电机进行机械运动。但是，任何实际上的用电器，甚至是电容器、电感器这样的器件，都不会是一个纯电抗，它都有一个等效串联的电阻成分；而输电线也不是超导体，也是有电阻的；变压器除了有电阻，传递磁场的矽钢片都有铁耗。因此，电抗和电源交换能量的时候，能量因为要通过这些阻碍部分才会变成热能而消耗掉。这个耗损是无功电度来回交替的时候顺便做的功，功是做在了输电线的实际直流阻抗上的。

基于上述原因，当控制器向驱动电路输出特定的旋转电压矢量时，电机内部便可形成同频率的电流矢量，产生无功功率使控制器运行在低效率区。预热包含：控制器控制功能的启动会引起相应模块的运行，从而产生的热量使控制器温度上升；驱动电路对驱动开关管的驱动引起驱动电路的温度上升，同时，驱动开关管的开通关断损耗以及导通损耗会引起驱动开关管的温度上升；电流在电机内部引起损耗使电机本体温度上升。当然也包含：无功功率引起电解电容内部纹波电流的增加，从而在内部电阻上引起的功率损耗使电解电容的温度上升；无功功率引起采样电阻电流的增加，从而使采样电阻的温度上升；无功功率引起防反器件内部电阻上的电流增加，从而在内部电阻上引起的功率损耗使防反器件的温度上升。

步骤S30.判断是否满足预热结束条件，若是，则执行步骤S30；若否，则继续执行步骤S20；

步骤S40.通过所述驱动电路控制电机启动。

在一个可选实施例中，控制器在确定所输出的旋转电压矢量时，可综合考量多个物理量来确定，因为：1.如果旋转频率的选择过低，电机直接同步转动(电机正常启动时，其旋转频率是从零慢慢增加的)，这会引起有功功率的输出，加大对供电电源的消耗；如果旋转频率选择过高，会引起电流噪音。2.如果电压幅值选择的过低，电容内的纹波电流较小，其它器件内的电流也太小，难以产生足够的热量；如果电压幅值过大，超过了某个器件的电流限幅可能会引起电路的损坏。因此，可根据以下方式确定所述特定的旋转电压矢量：

根据额定频率确定所述特定的旋转电压矢量的旋转频率，且所述旋转频率大于额定频率的20％；

根据额定电流计算所述特定的旋转电压矢量的电压幅值，使电机内的电流小于额定电流。

实际应用中，可通过多次测试结果来为特定旋转电压矢量确定合适的旋转频率及电压幅值，而且，在尝试再启动时，可根据实际情况对特定旋转电压矢量的旋转频率及电压幅值进行修正。

在一个可选实施例中，步骤S20可采用PWM方法向驱动电路输出特定的旋转电压矢量，例如包括：SPWM、SVPWM、max-min SVPWM、flat bottom PWM方法等。而PWM发波的方法也不限于7段PWM、5段PWM、3段PWM等。当然，本发明控制器输出特定的旋转电压矢量的方式并不局限于此。

在一个可选实施例中，步骤S10包括：

步骤S11.获取测温元件实时检测的环境温度，

步骤S12.判断当前环境温度是否低于预设温度值，或，判断环境温度为预设温度值的累计时间是否达到第二时间值；

步骤S13.若是，则确定当前是否处于超低温环境。

在该实施例中，首先说明的是，步骤S12中的判断方式与所采用的测温元件的精准测温范围相关，如果所采用的测温元件的最低测温点比该电机系统的最低运行温度点低，则可直接根据测温元件的测温数据来判断是否为超低温环境，即，判断判断当前环境温度是否低于预设温度值；如果所采用的测温元件的最低测温点即为该电机系统的最低运行温度点(目前大多数产品的测温元件一般都为这种)，则可用在该温度点的累计时间来判断是否为超低温环境，即，判断环境温度为预设温度值的累计时间是否达到第二时间值。

在一个可选实施例中，步骤S30包括：获取测温元件实时检测的环境温度，并根据所检测的环境温度判断是否脱离超低温环境。

在一个可选实施例中，步骤S30包括：判断进行预热的累计时间是否达到第一时间值。在该实施例中，可预先配置第一时间值，在启动时进行固定时间的预热。

当然，在其它实施例中，也可综合当前环境及预热时间两者的情况来判断是否结束预热。

进一步地，当汽车需要启动时，由于受环境、器件的机械磨损、启动参数等的影响，有时并不能一次启动成功，因此，有必要进行再次启动。在现有的电机系统的启动逻辑中，一次启动失败后需等待一段时间，然后再次尝试启动，而且，在等待时间内什么都不做。本申请在上述实施例的基础上，还对电机系统的启动逻辑进行改进，利用两次启动的间隔时间对电机系统进行预热，以提高电机启动成功的几率。

图3是本发明汽车发动机的电子风扇启动方法实施例二的流程图，该实施例的启动方法相比图2所示的启动方法，所不同的仅是，在步骤S40之后，还进行以下步骤：

步骤S50.判断电机是否启动成功，若否，则执行步骤S60；若是，则将当前启动失败次数清零，并根据电机系统的功率需求控制电机的转速，这样可根据实际需求合理调节转速，从而降低电机的能耗，延长寿命；

步骤S60.将当前启动失败次数加1，并获取等待时间，其中，初始的启动失败次数为0；

步骤S70.在等待时间内，向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率，从而对控制器、驱动电路及电机进行预热，直至等待时间结束，然后执行步骤S10。

进一步地，步骤S60还包括：根据当前启动失败次数确定等待时间和/或旋转电压矢量的电压幅值。在该实施例中，每次启动失败至再次尝试启动的等待时间可以不完全相同，例如，可设置：一次启动失败后等待15s；二次次启动失败后等待30s；三次启动失败后等待60s，等等。另外，每次预热所使用的旋转电压矢量的电压幅值也可不同，例如，在多次启动都失败的情况下，再次尝试启动时，可根据一个较大的电流来计算电压幅值。

进一步地，步骤S60还包括：

判断当前启动失败次数是否达到预设次数值，若是，则进行故障上报。

本发明还构造一种超低温环境下电机系统的启动装置，该启动装置包括控制器及存储有计算机程序的存储器，控制器在运行该计算机程序时执行上述超低温环境下电机系统的启动方法的步骤。

本发明还构造一种汽车，包括电机系统，该电机系统包括以上所述的超低温环境下电机系统的启动装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种超低温环境下电机系统的启动方法，所述电机系统包括控制器、驱动电路及电机，其特征在于，在确定电机系统有运行需求时，控制器进行以下步骤：

步骤S10.判断当前是否处于超低温环境；

步骤S20.在处于超低温环境时，向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率，从而对控制器、驱动电路及电机进行预热；

步骤S30.判断是否满足预热结束条件；

步骤S40.在满足预热结束条件时，通过所述驱动电路控制电机启动。

2.根据权利要求1所述的超低温环境下电机系统的启动方法，其特征在于，所述步骤S30包括：

获取测温元件实时检测的环境温度，并根据所检测的环境温度判断是否脱离超低温环境；或，

判断进行预热的累计时间是否达到第一时间值。

3.根据权利要求1所述的超低温环境下电机系统的启动方法，其特征在于，所述步骤S10包括：

步骤S11.获取测温元件实时检测的环境温度，

步骤S12.判断当前环境温度是否低于预设温度值，或，判断环境温度为预设温度值的累计时间是否达到第二时间值；

步骤S13.若是，则确定当前是否处于超低温环境。

4.根据权利要求1所述的超低温环境下电机系统的启动方法，其特征在于，在步骤S40之后，还包括：

步骤S50.判断电机是否启动成功；

步骤S60.在电机启动不成功时，将当前启动失败次数加1，并获取等待时间，其中，初始的启动失败次数为0；

步骤S70.在等待时间内，向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率，从而对控制器、驱动电路及电机进行预热，直至等待时间结束，然后执行步骤S10。

5.根据权利要求4所述的超低温环境下电机系统的启动方法，其特征在于，在步骤S60中，根据当前启动失败次数确定等待时间和/或旋转电压矢量的电压幅值。

6.根据权利要求4所述的超低温环境下电机系统的启动方法，其特征在于，根据以下方式确定所述特定的旋转电压矢量：

根据额定频率确定所述特定的旋转电压矢量的旋转频率，且所述旋转频率大于额定频率的20％；

根据额定电流计算所述特定的旋转电压矢量的电压幅值，使电机内的电流小于额定电流。

7.根据权利要求4所述的超低温环境下电机系统的启动方法，其特征在于，步骤S60还包括：

判断当前启动失败次数是否达到预设次数值，若是，则进行故障上报。

8.根据权利要求4所述的超低温环境下电机系统的启动方法，其特征在于，向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率，包括：

采用PWM方法，向驱动电路输出特定的旋转电压矢量以在电机内部产生无功功率。

9.一种超低温环境下电机系统的启动装置，包括控制器及存储有计算机程序的存储器，其特征在于，所述控制器在运行所述计算机程序时执行权利要求1-8任一项所述的超低温环境下电机系统的启动方法的步骤。

10.一种汽车，包括电机系统，其特征在于，所述电机系统包括权利要求9所述的超低温环境下电机系统的启动装置。