CN112848924A - 一种电动汽车、电机控制器及其热保护方法 - Google Patents

一种电动汽车、电机控制器及其热保护方法 Download PDF

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张剑
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Abstract

本申请公开了一种电动汽车、电机控制器及其热保护方法，以避免电机控制器内功率半导体器件出现热损伤。该方法包括：在电机控制器正常工作过程中，采样电机控制器内预设采样点的温度；判断电机控制器当前所处的工作模式，其中电机控制器有稳态模式、峰值模式和堵转模式三种工作模式；若所述采样点的温度超过电机控制器在当前工作模式下的过温阈值，控制电机控制器停止输出；其中电机控制器在不同工作模式下的过温阈值不同。

Description

一种电动汽车、电机控制器及其热保护方法
技术领域
本发明涉及热保护技术领域，更具体地说，涉及一种电动汽车、电机控制器及其热保护方法。
背景技术
电机控制器是电动汽车的核心部件之一。它从整车控制器获得整车需求，从动力电池包获得电能，经过自身逆变器的调制，获得控制电机需要的电流和电压，提供给电机，使得电机的转速和转矩满足整车要求。
电机控制器工作模式多样，长时间工作或大电流工作条件下都容易导致电机控制器内功率半导体器件(例如IGBT)热损伤，因此对电机控制器内功率半导体器件进行热保护是非常必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电动汽车、电机控制器及其热保护方法，以避免电机控制器内功率半导体器件出现热损伤。
一种电机控制器热保护方法，包括：
在电机控制器正常工作过程中，采样电机控制器内预设采样点的温度；
判断电机控制器当前所处的工作模式，其中电机控制器有稳态模式、峰值模式和堵转模式三种工作模式；
若所述采样点的温度超过电机控制器在当前工作模式下的过温阈值，控制电机控制器停止输出；其中电机控制器在不同工作模式下的过温阈值不同。
可选的，所述判断电机控制器当前所处的工作模式，包括：
当电机转速小于转速阈值，且电机控制器输出电流大于堵转电流时，判定电机控制器进入堵转模式；
当电机转速大于等于所述转速阈值，且电机控制器输出电流小于等于额定电流时，或当电机转速小于转速阈值，且电机控制器输出电流小于等于堵转电流时，判定电机控制器进入稳态模式；
当电机转速大于等于所述转速阈值，且峰值电流大于等于电机控制器输出电流，且电机控制器输出电流大于所述额定电流时，判定电机控制器进入峰值模式。
可选的，所述采样点的温度为电机控制器的冷板温度或电机控制器内功率半导体器件的基板温度。
可选的，当电机控制器当前处于稳态模式时，若所述采样点的温度大于降额阈值并且小于等于电机控制器在稳态模式下的过温阈值，控制电机控制器降额输出。
可选的，当电机控制器当前处于峰值模式时，若所述采样点的温度大于降额阈值并且小于等于电机控制器在峰值模式下的过温阈值，控制电机控制器降额输出。
一种电机控制器，包括：温度传感器和中央处理器；
所述中央处理器，用于在电机控制器正常工作过程中，控制所述温度传感器采样电机控制器内预设采样点的温度；判断电机控制器当前所处的工作模式，其中电机控制器有稳态模式、峰值模式和堵转模式三种工作模式；若所述采样点的温度超过电机控制器在当前工作模式下的过温阈值，控制电机控制器停止输出；其中电机控制器在不同工作模式下的过温阈值不同。
可选的，所述中央处理器具体采用下述方式判断电机控制器当前所处的工作模式：
当电机转速小于转速阈值，且电机控制器输出电流大于堵转电流时，判定电机控制器进入堵转模式；
当电机转速大于等于所述转速阈值，且电机控制器输出电流小于等于额定电流时，或当电机转速小于转速阈值，且电机控制器输出电流小于等于堵转电流时，判定电机控制器进入稳态模式；
当电机转速大于等于所述转速阈值，且峰值电流大于等于电机控制器输出电流，且电机控制器输出电流大于所述额定电流时，判定电机控制器进入峰值模式。
可选的，所述温度传感器安装于电机控制器的冷板上或者安装于电机控制器内功率半导体器件的基板上，用于采集电机控制器的冷板温度或电机控制器内功率半导体器件的基板温度。
可选的，当电机控制器当前处于稳态模式时，所述中央处理器还用于在所述采样点的温度大于降额阈值并且小于等于电机控制器在稳态模式下的过温阈值时，控制电机控制器降额输出。
可选的，当电机控制器当前处于峰值模式时，所述中央处理器还用于在所述采样点的温度大于降额阈值并且小于等于电机控制器在峰值模式下的过温阈值时，控制电机控制器降额输出。
一种电动汽车，包括如上述公开的任一种电机控制器。
从上述的技术方案可以看出，由于电机控制器处于不同工作模式时，在相同时间内，从功率半导体器件晶圆传递至温度采样点的热量不同，所以本发明在不同工作模式下采用不同的过温阈值进行功率半导体器件热保护，从而兼顾了功率半导体器件热保护和充分发挥功率半导体器件的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。
图1为本发明实施例公开的一种电机控制器热保护方法流程图；
图2为本发明实施例公开的一种判断电机控制器当前所处的工作模式的流程图；
图3为本发明实施例公开的又一种电机控制器热保护方法流程图；
图4为本发明实施例公开的一种电机控制器结构示意图。
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。
参见图1，本发明实施例公开了一种电机控制器热保护方法，包括：
步骤S01：在电机控制器正常工作过程中，采样电机控制器内预设采样点的温度T1。之后进入步骤S02。
步骤S02：判断电机控制器当前所处的工作模式，其中电机控制器有稳态模式、峰值模式和堵转模式三种工作模式；若电机控制器当前处于稳态模式，进入步骤S03；若电机控制器当前处于峰值模式，进入步骤S04；若电机控制器当前处于堵转模式，进入步骤S05。
步骤S03：判断采样点的温度T1是否超过电机控制器在稳态模式下的过温阈值T1_threshold，若是，进入步骤S06，若否，返回步骤S01。
步骤S04：判断采样点的温度T1是否超过电机控制器在峰值模式下的过温阈值T2_threshold，若是，进入步骤S06，若否，返回步骤S01。
步骤S05：判断采样点的温度T1是否超过电机控制器在堵转模式下的过温阈值T3_threshold，若是，进入步骤S06，若否，返回步骤S01。其中，T1_threshold、T2_threshold、T3_threshold大小不等。一般的，T1_threshold＜T2_threshold，而T3_threshold相较于T1_threshold、T2_threshold这两个值之间的大小关系需要通过测试标定出来。
步骤S06：控制电机控制器停止输出，从而实现热保护，至此本轮控制结束。
具体的，电机控制器的工作模式分为稳态模式、峰值模式和堵转模式，这三种工作模式下输出的电流分别称为稳态电流、峰值电流和堵转电流。一般地，稳态电流＜峰值电流＜堵转电流，所以这三种工作模式下要求电机控制器的工作时间也不同，例如：在稳态模式下，要求电机控制器能够持续的工作；在峰值模式下，根据乘用车或商用车要求，要求电机控制器能够持续工作60秒或30秒；在堵转模式下，一般要求电机控制器仅持续工作几秒即可。
对电机控制器内功率半导体器件进行热保护是非常必要的，但电机控制器内功率半导体器件的结温无法直接采样得到，一般是通过采样电机控制器的冷板温度(或电机控制器内功率半导体器件的基板温度)后再间接推算出功率半导体器件的结温。在传统思维模式下，采样电机控制器的冷板温度(或电机控制器内功率半导体器件的基板温度)，将采样点温度与一固定阈值进行比较，当采样点温度超过该固定阈值时让电机控制器停止输出，即可实现对电机控制器内功率半导体器件的热保护。
但实际上，当电机控制器处于不同工作模式时，电机控制器持续工作的时间、工作的电流、工作的耗散功率均有差异，且功率半导体器件晶圆至采样点的热网络模型中存在热阻和热容，这将导致在不同工作模式下，在相同时间内，采样点温度与电机控制器内功率半导体器件结温间的差值并不相等(即不同工作模式下，在相同时间内，从功率半导体器件晶圆传递至温度采样点的热量不同)。所以，如果全程采用单一固定阈值进行功率半导体器件热保护，必然会导致在某些工作模式下该固定阈值过低，致使功率半导体器件的性能不能充分发挥，而在某些工作模式下该固定阈值过高，致使功率半导体器件存在热损伤的风险。
对此，本发明实施例在不同工作模式下采用不同的过温阈值进行功率半导体器件热保护，从而兼顾了功率半导体器件热保护和充分发挥功率半导体器件的性能。
其中需要说明的是，在本发明实施例中，采样点的温度由电机控制器内设置的温度传感器采集得到，所述温度传感器例如可以采用PT100温度传感器或NTC(NegativeTemperature Coefficient，负温度系数)温度传感器等，并不局限。本发明实施例的控制算法由电机控制器内的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)执行。
另外还需要说明的是，上述步骤S01～步骤S02限定了先采样电机控制器内预设采样点的温度T1，再判断电机控制器当前所处的工作模式，但实际上这两个动作之间的执行顺序并不局限，也可以调换为先判断电机控制器当前所处的工作模式，再采样电机控制器内预设采样点的温度T1，图1仅是给出了其中一个示例而并不成为局限。
可选的，电机控制器当前处于哪一种工作模式可以根据电机转速和电机控制器输出电流判断，如图2所示，具体为：
步骤S021：获取电机转速和电机控制器输出电流，之后进入步骤S022；
步骤S022：判断是否满足电机转速＜转速阈值(该转速阈值接近于零)，若是，进入步骤S023；否则，进入步骤S026；
步骤S023：判断是否满足电机控制器输出电流＞堵转电流，若是，进入步骤S024，否则，进入步骤S025；
步骤S024：判定电机控制器进入堵转模式，至此本轮判断流程结束。
步骤S025：判定电机控制器进入稳态模式，至此本轮判断流程结束。
步骤S026：将电机控制器输出电流与峰值电流、额定电流比较大小，若电机控制器输出电流≤额定电流，进入步骤S025，若峰值电流≥电机控制器输出电流＞所述额定电流，进入步骤S027；
步骤S027：判定电机控制器进入峰值模式，至此本轮判断流程结束。
其中需要说明的是，图2中先将电机转速与阈值作比较，再将电机控制器输出电流与阈值作比较，但实际上这两个动作之间的执行顺序并不局限，也可以调换为先将电机控制器输出电流与阈值作比较，再将电机转速与阈值作比较，图2仅是给出了其中一个示例而并不成为局限。
可选的，基于上述公开的任一实施例，本发明实施例还可以在稳态模式和/或峰值模式下设置降额阈值，在采样点的温度大于当前工作模式下的降额阈值并且小于等于电机控制器在当前工作模式下的过温阈值时，控制电机控制器降额输出；当同时在稳态模式和峰值模式下设置降额阈值时，两降额阈值可以相等也可以不等(由于堵转模式下持续工作时间非常短，一般只有几秒，为保证安全性，堵转模式下不考虑降额输出)。所谓降额输出就是限制电机控制器输出功率。控制电机控制器降额输出或/停止输出一般都是通过对电机控制器自身逆变器进行脉宽调制(例如SVPWM调制)来限制电机控制器输出功率/直接停止电机控制器功率输出。
以同时在稳态模式和峰值模式下设置降额阈值，并且两降额阈值相等为例，对应的电机控制器热保护方法如图3所示，包括：
步骤S11：在电机控制器正常工作过程中，采样电机控制器内预设采样点的温度T1；
步骤S12：判断电机控制器当前所处的工作模式，其中电机控制器有稳态模式、峰值模式和堵转模式三种工作模式；若电机控制器当前处于稳态模式，进入步骤S13；若电机控制器当前处于峰值模式，进入步骤S14；若电机控制器当前处于堵转模式，进入步骤S15。
步骤S13：判断采样点的温度T1相较于降额阈值T1_Derating、电机控制器在稳态模式下的过温阈值T1_threshold的大小，若T1＞T1_threshold，进入步骤S16，若T1_Derating＜T1≤T1_threshold，进入步骤S17，若T1≤T1_Derating，返回步骤S11。
步骤S14：判断采样点的温度T1相较于降额阈值T1_Derating、电机控制器在峰值模式下的过温阈值T2_threshold的大小，若T1＞T2_threshold，进入步骤S16，若T1_Derating＜T1≤T2_threshold，进入步骤S17，若T1≤T1_Derating，返回步骤S11。
步骤S15：判断采样点的温度T1是否超过电机控制器在堵转模式下的过温阈值T3_threshold，若是，进入步骤S16，若否，返回步骤S11。其中，T1_threshold、T2_threshold、T3_threshold大小不等。
步骤S16：控制电机控制器停止输出，从而实现热保护，至此本轮控制结束。
步骤S17：控制电机控制器降额输出，从而在轻微过温情况下避免停机并且实现热保护，之后返回步骤S11。
其中需要说明的是，上述步骤S11～步骤S12限定了先采样电机控制器内预设采样点的温度T1，再判断电机控制器当前所处的工作模式，但实际上这两个动作之间的执行顺序并不局限，也可以调换为先判断电机控制器当前所处的工作模式，再采样电机控制器内预设采样点的温度T1，图3仅是给出了其中一个示例而并不成为局限。
与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种电机控制器，如图4所示，包括：温度传感器和CPU；
所述CPU，用于在电机控制器正常工作过程中，控制所述温度传感器采样电机控制器内预设采样点的温度；判断电机控制器当前所处的工作模式，其中电机控制器有稳态模式、峰值模式和堵转模式三种工作模式；若所述采样点的温度超过电机控制器在当前工作模式下的过温阈值，控制电机控制器停止输出；其中电机控制器在不同工作模式下的过温阈值不同。
可选的，所述温度传感器位于电机控制器的冷板上或电机控制器内功率半导体器件的基板上，用于采集电机控制器的冷板温度或电机控制器内功率半导体器件的基板温度。
可选的，在上述公开的任一种电机控制器中，当电机控制器当前处于稳态模式时，所述CPU还用于在所述采样点的温度大于降额阈值并且小于等于电机控制器在稳态模式下的过温阈值时，控制电机控制器降额输出。
可选的，在上述公开的任一种电机控制器中，当电机控制器当前处于峰值模式时，所述CPU还用于在所述采样点的温度大于降额阈值并且小于等于电机控制器在峰值模式下的过温阈值时，控制电机控制器降额输出。
可选的，在上述公开的任一种电机控制器中，所述CPU具体采用下述方式判断电机控制器当前所处的工作模式：
当电机转速＜转速阈值(该转速阈值接近于零)，且电机控制器输出电流＞堵转电流时，判定电机控制器进入堵转模式；
当电机转速≥所述转速阈值，且电机控制器输出电流≤额定电流时，或当电机转速＜转速阈值，且电机控制器输出电流≤堵转电流时，判定电机控制器进入稳态模式；
当电机转速≥所述转速阈值，且峰值电流≥电机控制器输出电流＞所述额定电流时，判定电机控制器进入峰值模式。
可选的，在上述公开的任一种电机控制器中，所述温度传感器例如可以采用PT100温度传感器或NTC温度传感器等，但并不局限。
此外，本发明实施例还公开了一种电动汽车，包括如上述公开的任一种电机控制器。
综上所述，由于电机控制器处于不同工作模式时，在相同时间内，从功率半导体器件晶圆传递至温度采样点的热量不同，所以本发明在不同工作模式下采用不同的过温阈值进行功率半导体器件热保护，从而兼顾了功率半导体器件热保护和充分发挥功率半导体器件的性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的电机控制器而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种电机控制器热保护方法，其特征在于，包括：
在电机控制器正常工作过程中，采样电机控制器内预设采样点的温度；
判断电机控制器当前所处的工作模式，其中电机控制器有稳态模式、峰值模式和堵转模式三种工作模式；
若所述采样点的温度超过电机控制器在当前工作模式下的过温阈值，控制电机控制器停止输出；其中电机控制器在不同工作模式下的过温阈值不同。
2.根据权利要求1所述的电机控制器热保护方法，其特征在于，所述判断电机控制器当前所处的工作模式，包括：
当电机转速小于转速阈值，且电机控制器输出电流大于堵转电流时，判定电机控制器进入堵转模式；
当电机转速大于等于所述转速阈值，且电机控制器输出电流小于等于额定电流时，或当电机转速小于转速阈值，且电机控制器输出电流小于等于堵转电流时，判定电机控制器进入稳态模式；
当电机转速大于等于所述转速阈值，且峰值电流大于等于电机控制器输出电流，且电机控制器输出电流大于所述额定电流时，判定电机控制器进入峰值模式。
3.根据权利要求1所述的电机控制器热保护方法，其特征在于，所述采样点的温度为电机控制器的冷板温度或电机控制器内功率半导体器件的基板温度。
4.根据权利要求1所述的电机控制器热保护方法，其特征在于，当电机控制器当前处于稳态模式时，若所述采样点的温度大于降额阈值并且小于等于电机控制器在稳态模式下的过温阈值，控制电机控制器降额输出。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电机控制器热保护方法，其特征在于，当电机控制器当前处于峰值模式时，若所述采样点的温度大于降额阈值并且小于等于电机控制器在峰值模式下的过温阈值，控制电机控制器降额输出。
6.一种电机控制器，其特征在于，包括：温度传感器和中央处理器；
所述中央处理器，用于在电机控制器正常工作过程中，控制所述温度传感器采样电机控制器内预设采样点的温度；判断电机控制器当前所处的工作模式，其中电机控制器有稳态模式、峰值模式和堵转模式三种工作模式；若所述采样点的温度超过电机控制器在当前工作模式下的过温阈值，控制电机控制器停止输出；其中电机控制器在不同工作模式下的过温阈值不同。
7.根据权利要求6所述的电机控制器，其特征在于，所述中央处理器具体采用下述方式判断电机控制器当前所处的工作模式：
当电机转速小于转速阈值，且电机控制器输出电流大于堵转电流时，判定电机控制器进入堵转模式；
当电机转速大于等于所述转速阈值，且电机控制器输出电流小于等于额定电流时，或当电机转速小于转速阈值，且电机控制器输出电流小于等于堵转电流时，判定电机控制器进入稳态模式；
当电机转速大于等于所述转速阈值，且峰值电流大于等于电机控制器输出电流，且电机控制器输出电流大于所述额定电流时，判定电机控制器进入峰值模式。
8.根据权利要求6所述的电机控制器，其特征在于，所述温度传感器安装于电机控制器的冷板上或者安装于电机控制器内功率半导体器件的基板上，用于采集电机控制器的冷板温度或电机控制器内功率半导体器件的基板温度。
9.根据权利要求6所述的电机控制器，其特征在于，当电机控制器当前处于稳态模式时，所述中央处理器还用于在所述采样点的温度大于降额阈值并且小于等于电机控制器在稳态模式下的过温阈值时，控制电机控制器降额输出。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的电机控制器，其特征在于，当电机控制器当前处于峰值模式时，所述中央处理器还用于在所述采样点的温度大于降额阈值并且小于等于电机控制器在峰值模式下的过温阈值时，控制电机控制器降额输出。
11.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求6～10中任一项所述的电机控制器。
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