CN110718897A - 具自动侦测功能的电压控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具自动侦测功能的电压控制装置，包括一电压控制单元与信号控制单元，电压控制单元包括一高压开关串联于该直流链结电容与电压供应器参考电位端之间，具有一控制端；一信号控制单元连接于控制端，通过侦测电压供应器的电压位准，当电压位准超过一保护电压值时，输出一切断信号至控制端，使高压开关开路，以切断电压供应端对直流链结电容的连接，达到保护马达驱动器避免过压的目的。

Description

具自动侦测功能的电压控制装置
技术领域
本发明涉及一种具自动侦测功能的电压控制装置，特别是关于一种适 用于电动车电压侦测与控制的电压控制装置。
背景技术
由于现在空气污染日愈严重，世界各国基于环境保护与环保因素，纷 纷致力于电动车发展，欧美更提出
Figure BDA0001728906140000011
年要全面禁止汽油车生产。 电动车动力来自于马达，由马达驱动电路来控制驱动马达运转。马达大致 可分成感应马达与永磁马达两大类。当马达转速愈高时其反电动势愈高， 此时若马达操作于发电机模式时反电动势高于电池电压，可以对电池充电。
现有的马达驱动电路方块图如图1所示，马达驱动电路包括有一三相 功率开关10连接一三相马达12，三相功率开关10受一信号控制单元11 输出一脉波宽度调变信号(PWM)的控制，驱动三相马达12运转，三相功率 开关10更连接一电池直流链结电容13及一电池14，以供应马达12运转 所需的电力。
在现有技术方面，中国第M500388号新型专利提出一种当电压检测单 元检测到外部电源单元的输出电压达到压控组件的阀值电压时，则压控组 件导通，输出相应的控制电位至开关单元，关闭开关单元以保护供电单元。 然而该技术无法使用于隔离式高压系统，对超过组件耐压的过电压仍无法 提供保护。
另外，中国第I381603号发明专利提出一种脉宽调变稳压器的过压保 护电路，包括：一功率晶体管、一控制驱动电路产生驱动该功率晶体管的 一脉宽调变驱动信号、以及一电压侦测电路侦测输入该功率晶体管的一电 源电压，当电源电压到达一预设电压值时，输出一过压保护信号，用以关 闭该脉宽调变驱动信号对于功率晶体管的驱动。然而该技术只关闭PWM， 对超过组件耐压的过电压仍无法提供保护。
发明内容
目前已知的电动车电池，当处于满电状态时并不容许充电，但若马达 正处于高速运转状态，例如车子行驶于长下坡状态，此时在空载状态下马 达的反电动势因无法对电池充电而处于过高状态，因而会造成马达驱动电 路的电压过高而损坏。因此需要发展出一种控制方法能有效控制马达驱动 电路的电压，以达到保护马达驱动电路的目的。
为达成上述目的，本发明提供的具自动侦测功能的电压控制装置包括 一电压控制单元与一信号控制单元，一信号控制单元的驱动电路输出一脉 波宽度调变信号(PWM)驱动一三相马达；一直流链结电容并联于三相功率 开关，连接于一电压供应端，以供应该三相马达运转电压，或由三相马达 的反电动势供应至电压供应端；一高压开关连接于该直流链结电容与一电 压供应端参考电位端之间，具有一控制端；一信号控制单元连接于控制端， 通过侦测电压供应端上的电压位准，当电压位准超过一保护电压值时，输 出一切断信号至控制端，使高压开关开路，以切断电压供应端对直流链结 电容与三项功率开关的连接。
本发明系统于关机状态仍时可自动侦测电压并唤醒微控制器进入保护 模式，另外本发明可避免电动车于高速拖吊或不当行驶时反电动势电压过 高，损坏马达驱动器。
附图说明
图1为现有的马达驱动器电路方块图。
图2为本发明自动侦测功能的电压控制装置实施例电路示意图。
图3为本发明的自动侦测电压控制流程示意图。
图4-1为本发明的执行弱磁控制流程示意图。
图4-2为本发明的执行单相控制流程示意图。
图5为本发明S1，S4，S6导通时的相电流示意图。
具体实施方式
本发明为一种具自动侦测功能的电压控制装置，使用于电动车的马达 驱动电路上，请参阅图2所示，为本发明电压控制装置的实施例电路示意 图。本发明实施例的电压控制装置具有两种保护机制，第一种为以软件控 制的电压保护机制，第二种为以硬件控制的电压控制机制。本发明的电压 控制装置包括一信号控制单元20、一电压控制单元30、一三相功率开关 10及一电池(BT3)14，其中该信号控制单元20又更包括一微控制器 (MCU)21、一驱动电路22及一稳压器(U2)23，而电压控制单元30则又包 括一直流链结电容13、一电压侦测器31、一比较器(U1A)32及一高压开关 40。
首先介绍本发明以软件控制的电压保护机制，其中信号控单元20中的 微控制器(MCU)21会输出一脉波宽度调变信号(PWM)，经该驱动电路22 连接于该三相功率开关10，用以驱动三相功率开关10驱动该三相马达12， 该直流链结电容13并联于三相功率开关10，且更连接于一电压供应端 (HV)，该电压供应端(HV)则连接电池(BT3)14，用以供应该三相马达12运 转电压，或由三相马达12的反电动势供应至电压供应端(HV)对电池 (BT3)14充电。
其中高压开关40连接于该直流链结电容13与该电池14之间，该高压 开关40具有一控制端，连接于该信号控制单元20的该微控制器(MCU)21， 受微控制器(MCU)21的控制形成开路或导通，导通时使该直流链结电容13 并联于该电池14，其中该电压侦测器31连接于该电压供应端(HV)，用以 侦测该电压供应端(HV)上的电压位准，经一第一隔离器34输出至该微控 制器(MCU)21，当微控制器(MCU)21判断该电压供应端(HV)上的电压位准 超过一保护电压值(Vn)时，输出一切断信号(HV CTL)至该高压开关40的 控制端，使高压开关40开路，以切断该直流链结电容13并联于电池14， 意即切断该电池(BT3)14与该三相马达12之间的充电连接，反之，若电压 供应端(HV)上的电压位准未超过该保护电压值(Vn)时，则该高压开关 (S1)40导通，该电池(BT3)14并联于该直流链结电容13，意即该电池(BT3)14 并联于该三相马达12之间。其中该保护电压值(Vn)由该微控制器(MCU)21 所设定。
众所周知，当电动车在加速行驶时是由电池(BT3)14供电给三相马达 12，信号控制单元20输出PWM信号控制三相功率开关10驱动三相马达 12运转，而当电动车行驶于下坡状态时，三相马达12即转换为发电机模 式，其反电动势所产生的电压可对电池(BT3)14进行充电，但若电池(BT3)14 为满电状态，而不容许充电的情况下，三相马达12在发电模式又无负载下 运转时，其所产生的电压(反电动势)会因此过高，而造成三相功率开关10 损坏。
因此本发明利用该高压开关40连接于该直流链结电容13与该电池14 之间，较佳地该高压开关30是连接于该直流链结电容13的为一接地端 (GNDC)与该电池14的接地端(GNDHV)之间，该电压侦测器31可侦测该 电压供应端(HV)上电池(BT3)14的电压位准，当电池(BT3)14的电压位准超 过一保护电压值(Vn)时，输出一切断信号(HV CTL)至该高压开关40的控 制端，使高压开关40开路，以切断该电压供应端(HV)与电池(BT3)14之间 的并联连接，而不会让过高的电压损害到马达驱动电路。
本实施例中该电池(BT3)14为电动车的锂电池，输出为高压直流电。 而该三相功率开关10可以为三相MOSFET或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。 该直流链结电容13由多个电容(C1n～Cnn)串接而成。而该高压开关40可 以为一MOSFET或继电器所构成的开关控制电路。
接下来介绍本发明以硬件保护的电压控制机制，其中本发明的电压控 制单元30的该电压侦测器31连接于该电压供应端(HV)，用以侦测该电池(BT3)14的电压位准，输出一电位信号值(V1)，比较器(U1A)32比较该电位 信号值(V1)是否超过一设定电位值(VTH)，若超过，则经一第二隔离器35 输出信号WK_HV致能该稳压器(U2)23。
其中该比较器(U1A)33具有一第一比较端、一第二比较端及一输出端， 该第一比较端连接于该电压侦测器31，接收该电位信号值(V1)，其中该第 二比较端连接于一设定电位值(VTH)，当该电位信号值(V1)大于该设定电 位值(VTH)时，其输出端输出一高电位信号(WK_HV)，反之输出一低电位 信号。其中该稳压器(U2)23具有一输出控制端(CTL)连接于该比较器 (U1A)32的输出端，当该比较器(U1A)32输出高电位信号(WK_HV)时，该 稳压器(U2)23输出端(OUT)输出一工作电压(+VDD)，以提供该微控制器 (MCU)21与其它电路运作电力，当该比较器(U1A)31输出低电位信号时， 该稳压器(U2)23关闭该工作电压(+VDD)的输出，使微控制器(MCU)21进 入关电的休眠状态。
其中该设定电位值(VTH)由该电压供应端(HV)经一直流转换器33转 换成一电路电压(+Vcc)，再由两个电阻器(R1、R3)分压所形成，该设定电 位值(VTH)可调整该两个电阻器(R1、R3)的分压电阻值。其中该稳压器 (U2)23由一车载系统电池(BT1)供应电力，转换为稳定电压的该工作电压 (+VDD)。其中该稳压器(U2)23的输出控制端(CTL)更连接一启动电源信号 (V_IGN)，当车辆启动时，该启动电源信号(V_IGN)为高电位，表示车载处 于开电状态，此时该稳压器(U2)23输出该工作电压(+VDD)。
请参阅图3所示，为本发明自动侦测电压的控制流程示意图。本发明 的微控制器(MCU)21可以操作于一正常模式或者主动保护模式，其中微控 制器(MCU)21操作于正常模式为车辆正常行驶状态。当电动车于启动状态 时，启动电源信号(V_IGN)为高电位ON(S401)，则微控制器(MCU)21启动 (S402)正常模式。若启动电源信号(V_IGN)为低电位，但该比较器(U1A)32 输出高电位的正常信号(WK_HV)时(S403)，同样微控制器(MCU)21启动(S402)正常模式。若启动电源信号(V_IGN)为低电位，而比较器(U1A)32输 出也是低电位的异常信号时，表示微控制器(MCU)21是在关电的休眠状 态。
当微控制器(MCU)21启动(S402)正常模式时，会侦测该电池(BT3)14 的电压位准是否处于过高状态，当该电位信号值(V1)小于该保护电压值(Vn) 时(S404)表示电池电压正常，则控制该高压开关(S1)导通(S405)，进入后续 流程(S410)，三相马达12的反电动势可对电池(BT3)14充电。当该电位信 号值(V1)大于该保护电压值(Vn)加上迟滞电压(ΔV)时(S406)，表示电池的 电压准位过高，则控制该高压开关(S1)开路(S407)，以切断电池对马达驱动 器的危害。此时该三相马达12的反电动势无法对该电池(BT1)14充电。若 此时马达仍持续运转，则微控制器(MCU)21进入主动电压控制模式(S408)， 立即降低电压以保护三相功率开关10与直流链结电容13，避免过压损坏。 若电位信号值(V1)大于该保护电压值(Vn)，但小于保护电压值(Vn)加上迟 滞电压(ΔV)时，同样控制该高压开关(S1)导通(S409)，进入后续流程 (S410)。
当微控制器(MCU)21操作在主动保护模式时，为车辆处于高速拖吊状 态或在关电时车辆处于高速行驶状态，该启动电源信号(V_IGN)为低电位 (Off)，该稳压器(U2)23未输出工作电压(+VDD)，该微控制器(MCU)21处 于关电状态，但因该三相马达12的反电动势使电压位应端(HV)的电压值 大于设定电位值(VTH)，因此稳压器(U2)23输出工作电压(+VDD)以启动微 控制器(MCU)22。
请一并参阅图4-1、图4-2及图5所示，图4-1为本发明主动电压控制 的执行弱磁控制流程示意图，Id大小视欲使电压下降的快慢与容许范围决 定。图4-2为本发明主动电压控制的执行单相控制流程示意图，例如S1ON， 随即S4，S6ON，Duty视欲使电压下降的快慢决定。同理S3，S2，S6与 S5，S2，S4组合亦然。图5为本发明三相功率开关S1，S4，S6导通(ON) 时的相电流示意图。由图示知当有电流附载时，直流链结电容电压应会逐 渐降低至安全范围。

Claims (14)

1.一种具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，包括：
一三相功率开关，受一信号控制单元的控制，输出一脉波宽度调变信号，驱动一三相马达；
一直流链结电容，并联于该三相功率开关，连接一电池的一电压供应端以供应该三相马达运转电压，或由该三相马达的反电动势供应至该电压供应端对该电池充电；
一高压开关，串联于该直流链结电容与一参考电位端之间，具一控制端；
一电压侦测器，连接于该电源供应端，用以侦测该电压供应端上该电池的电压位准；及
一微控制器，连接于该电压侦测器的输出端及高压开关的该控制端，判断该电池的电压位准，当该电压位准超过一保护电压值时，输出一切断信号至该控制端，使该高压开关开路，以切断该电压供应端对该电池的连接。
2.如权利要求1所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该三相功率开关为三相MOSFET或绝缘栅双极晶体管。
3.如权利要求1所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该直流链结电容由多个电容串接而成。
4.如权利要求1所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该高压开关为一MOSFET或继电器构成的开关控制电路。
5.如权利要求1所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该参考电位端与一接地端连接。
6.如权利要求1所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该微控制器与该电压侦测器之间更设有一隔离器。
7.如权利要求1所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该保护电压值由该微控制器设定。
8.如权利要求1所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该微控制器操作于一正常模式，为车辆正常行驶状态，侦测该电池的电压位准是否处于过高状态，当该电位信号值小于该保护电压值时，则该三相马达的反电动势能够对该电池充电，当该电位信号值大于该保护电压值时，则输出该切断信号至该高压开关的控制端，以切断该三相马达的反电动势对该电池的充电连接。
9.如权利要求1所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该微控制器操作于一主动保护模式，为车辆处于高速拖吊状态或在关电时车辆处于高速行驶状态，该启动电源信号为低电位，该稳压器未输出该工作电压，该微控制器处于休眠状态，由于该三相马达的反电动势使该电压位应端电压值大于该设定电位值，该稳压器输出该工作电压以启动微控制器。
10.一种具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，包括：
一直流链结电容，连接一电池的一电压供应端；
一电压侦测器，连接于该电压供应端，用以侦测该电压供应端的电压位准，输出一电位信号值；
一比较器，具有一第一比较端、一第二比较端及一输出端，该第一比较端连接于该电压侦测器，接收该电位信号值，其中该第二比较端连接于一设定电位值，当该电位信号值大于该设定电位值时输出一高电位的正常信号，反之输出一低电位的异常信号；及
一稳压器，具有一输出控制端连接于该比较器的输出端，当该比较器输出该高电位的正常信号时，输出一工作电压以提供该微控制器所需电力，当该比较器输出该低电位异常信号时，关闭该工作电压的输出。
11.如权利要求10所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该设定电位值由该电压供应端经一直流转换器转换成一电路电压，再由两个电阻器分压所形成，该设定电位值能够调整该两个电阻器的分压电阻值。
12.如权利要求10所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该稳压器由一车载系统电池供应电力转换为稳定电压的该工作电压。
13.如权利要求10所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该稳压器与该比较器输出端之间更设有一隔离器。
14.如权利要求10所述的具自动侦测功能的电压控制装置，其特征在于，该稳压器的该输出控制端更连接一启动电源信号，当车辆启动时该启动电源信号为高电位，使该稳压器输出该工作电压。
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