CN113787913A - 新能源汽车主驱控制器的故障响应方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种新能源汽车主驱控制器的故障响应方法及系统，所述方法包括：步骤1：控制器实时检测控制器故障并判断故障类型；步骤2：控制器判断是否为编码器故障，判断当前反电动势是否大于电压阈值；步骤3：控制器判断是否为驱动故障；步骤4：控制器判断永磁同步电机特征电流是否大于控制器过流电流；步骤5：主动短路过程中实时判断控制器温度和电机温度、实时判断电机电流、实时判断电机转速。本发明综合考虑了电机转速、反电动势、特征电流、控制器过流电流、母线电压、电机温度、控制器温度、故障等级和故障类型，可以有效解决新能源汽车高速行驶中控制器报故障损坏电容和IGBT问题，提高了产品的可靠性。

Description

新能源汽车主驱控制器的故障响应方法及系统

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，尤其涉及一种新能源汽车主驱控制器的故障响应方法及系统。

背景技术

随着世界范围内能源危机和环境污染问题的加剧，新能源汽车取代传统燃油车成为一种发展趋势。新能源汽车对动力系统的可靠性能要求非常严苛，必须保证任何工况下不能因为故障造成人员伤害。因此人们对新能源汽车可靠性要求越来越苛刻，而新能源汽车主驱控制器故障响应策略是影响新能源汽车可靠性的关键因素。业界普遍将故障分为三个等级分别对应三种响应策略，第一等级故障为停机故障对应的响应策略为关管，第二等级故障为降额故障对应策略为降功率运行，第三等级故障为警告故障对应故障策略为提示警告信息不采取其他措施。

新能源汽车主驱电机除了特斯拉等少数厂家使用交流异步机外，大部分厂家使用永磁同步机。永磁同步电机高速弱磁旋转产生的反电动势在控制器突然关管或者断开主接触器情况下会损坏控制器，存在安全隐患。这一安全隐患可以通过主动短路解决，所谓的主动短路即控制器同时开通三相上桥或者下桥短接电机三相绕组。

现有专利中，发明名称为“一种转矩控制方法和控制装置”(专利号：CN108880344A)公开的技术方案中以扭矩安全为目标，通过判断扭矩和转速执行主动短路，执行主动短路时未考虑编码器失效、永磁同步机特性电流和温度等因素影响；发明名称为“驱动电机控制器状态切换电路、控制方法及电机控制器”(专利号：CN112060914A)公开的技术方案中判断过流、过压和低压电源故障直接进行主动短路，当永磁同步机特性电流大于控制器过流电流时无法实现主动短路过程，同时低速执行主动短路转矩急剧变化容易造成追尾等事故；因此执行主动短路必须综合考虑转速、反电动势、特征电流、控制器温度、电机温度和母线电压等因素，否则容易出现策略失效问题。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种新能源汽车主驱控制器的故障响应方法及系统，以解决新能源汽车高速行驶中控制器报故障损坏电容和IGBT问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种新能源汽车主驱控制器的故障响应方法，包括：

步骤1：控制器实时检测控制器故障并判断故障类型，若为第一等级故障则执行步骤2；

步骤2：控制器判断是否为编码器故障，若否，则根据编码器反馈电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC，若是，根据估算的电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC；若大于，则执行步骤3，否则执行自由停车；

步骤3：控制器判断是否为驱动故障，若不是驱动故障则执行下桥臂主动短路，若是则判断是否为下桥臂驱动故障；若为下桥臂驱动故障，则执行上桥臂主动短路，若否，则执行下桥臂主动短路；

步骤4：控制器判断永磁同步电机特征电流是否大于控制器过流电流，特征电流大于控制器过流电流执行递增主动短路；特征电流小于控制器过流电流，执行全开式主动短路；

步骤5：主动短路过程中实时判断控制器温度和电机温度，当温度超过控制器或者电机过温点时暂停主动短路，当温度下降至低于过温点减10℃时继续执行主动短路；主动短路过程中实时判断电机电流，当电流超过控制器过流电流时暂停主动短路一个载波周期，下一载波周期继续执行主动短路；主动短路过程中实时判断电机转速，当电机反电动势小于电压阈值u_ASC，关闭正在执行主动短路的桥臂执行自由停车直至汽车停止运行。

进一步地，步骤2中，若控制器连续两次监控到编码器故障信号，则立刻使用估算的电机角度和速度，100ms内编码器故障信号超过90％时间上报编码器故障。

进一步地，步骤2中，根据下式计算电机转子角度θ：

根据下式计算电机转子速度F_Es：

其中，ψ_fα和ψ_fβ为两相静止坐标系上转子磁场，

ψ_sα和ψ_sβ为两相静止坐标系定子磁场，L为永磁同步机电感，I_sα与I_sβ为静止两相坐标下电流，R为定子电阻，u_sα和u_sβ两相静止坐标系定子电压，

进一步地，步骤4中，采用下式计算永磁同步机特征电流I_Fe：

Ψ_f为永磁同步机转子磁链，L为永磁同步机电感。

进一步地，执行主动短路的电压阈值u_ASC为：

u_d4为母线电压。

相应地，本发明实施例还提供了一种新能源汽车主驱控制器的故障响应系统，包括：

模块1：控制器实时检测控制器故障并判断故障类型，若为第一等级故障则由模块2执行；

模块2：控制器判断是否为编码器故障，若否，则根据编码器反馈电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC，若是，根据估算的电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC；若大于，则由模块3执行，否则执行自由停车；

模块3：控制器判断是否为驱动故障，若不是驱动故障则执行下桥臂主动短路，若是则判断是否为下桥臂驱动故障；若为下桥臂驱动故障，则执行上桥臂主动短路，若否，则执行下桥臂主动短路；

模块4：控制器判断永磁同步电机特征电流是否大于控制器过流电流，特征电流大于控制器过流电流执行递增主动短路；特征电流小于控制器过流电流，执行全开式主动短路；

模块5：主动短路过程中实时判断控制器温度和电机温度，当温度超过控制器或者电机过温点时暂停主动短路，当温度下降至低于过温点减10℃时继续执行主动短路；主动短路过程中实时判断电机电流，当电流超过控制器过流电流时暂停主动短路一个载波周期，下一载波周期继续执行主动短路；主动短路过程中实时判断电机转速，当电机反电动势小于电压阈值u_ASC，关闭正在执行主动短路的桥臂执行自由停车直至汽车停止运行。

进一步地，模块2中，若控制器连续两次监控到编码器故障信号，则立刻使用估算的电机角度和速度，100ms内编码器故障信号超过90％时间上报编码器故障。

进一步地，模块2中，根据下式计算电机转子角度θ：

根据下式计算电机转子速度F_Es：

其中，ψ_fα和ψ_fβ为两相静止坐标系上转子磁场，

ψ_sα和ψ_sβ为两相静止坐标系定子磁场，L为永磁同步机电感，I_sα与I_sβ为静止两相坐标下电流，R为定子电阻，u_sα和u_sβ两相静止坐标系定子电压，

进一步地，模块4中，采用下式计算永磁同步机特征电流I_Fe：

Ψ_f为永磁同步机转子磁链，L为永磁同步机电感。

进一步地，执行主动短路的电压阈值u_ASC为：

u_dc为母线电压。

本发明的有益效果为：本发明综合考虑了电机转速、反电动势、特征电流、控制器过流电流、母线电压、电机温度、控制器温度、故障等级和故障类型，可以有效解决新能源汽车高速行驶中控制器报故障损坏电容和IGBT问题，提高产品的可靠性；本发明充分利用控制器已有资源，在不增加控制器成本的基础上提高了产品的可靠性；本发明充分考虑控制器极限能力，执行主动短路过程中实时监控电流和温度状态调整主动短路策略，更快的保护控制器。

附图说明

图1是本发明实施例的新能源汽车主驱控制器的主电路结构图。

图2是本发明实施例的新能源汽车主驱控制器的故障响应方法的流程图。

图3是本发明实施例的电机速度估算系统框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本领域的新能源汽车主驱控制器的主电路结构如图1所示。请参照图2，本发明实施例的新能源汽车主驱控制器的故障响应方法包括步骤1～步骤5。

步骤1：控制器实时检测控制器故障并判断故障类型，若为第一等级故障则执行步骤2。本发明实施例的控制器需要执行主动短路的第一等级故障为：过流故障、高压过压故障、低压过压故障、控制器过温故障、电机过温故障、低压欠压故障、高压欠压故障、编码器故障、驱动故障。

步骤2：控制器判断是否为编码器故障，若否，则根据编码器反馈电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC，若是，根据估算的电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC；若大于电压阈值u_ASC，则执行步骤3，否则执行自由停车。当控制器发生第一等级故障时，本发明实施例判断电机反电动势高于阈值u_ASC执行主动短路策略，低于阈值u_ASC执行自由停车策略。

步骤3：控制器判断是否为驱动故障，若不是驱动故障则执行下桥臂主动短路，若是则判断是否为下桥臂(即图1中2、4、6桥臂)驱动故障；若为下桥臂驱动故障，则执行上桥臂(即图1中1、3、5)主动短路，若为上桥臂(即图1中1、3、5)驱动故障，则执行下桥臂主动短路。本发明实施例根据驱动故障选择性执行主动短路策略，优先使用三相下桥执行主动短路策略，发生下桥驱动故障时执行上桥主动短路策略。

步骤4：控制器判断永磁同步电机特征电流是否大于控制器过流电流，特征电流大于控制器过流电流执行递增主动短路(即先同时开通2、4、6下桥臂五分之一载波周期，再同时关断五分之四载波周期时间，以后每个载波周期递增十分之一开通时间直至完全开通)；特征电流小于控制器过流电流，执行每个载波周期完全开通2、4、6三相桥臂的全开式主动短路。电机特征电流大于控制器过流电流会导致主动短路过程中发生过流故障，主动短路根据电机实际电流执行递增式主动短路策略或者全开式主动短路。

步骤5：主动短路过程中实时判断控制器温度和电机温度，当温度超过控制器或者电机过温点时暂停主动短路，当温度下降至低于过温点减10℃时继续执行主动短路(温度上升过程中，一直到过温点都在执行主动短路，到了过温点暂停主动短路，温度低于过温点减10℃再继续主动短路，本发明实施例加10℃滞环防止在过温点反复切换)。主动短路过程中实时判断电机电流，当电流超过控制器过流电流时暂停主动短路一个载波周期，下一载波周期继续执行主动短路。主动短路过程中实时判断电机转速，当电机反电动势小于电压阈值u_ASC，关闭正在执行主动短路的桥臂执行自由停车直至汽车停止运行。为了保护控制器和整车安全，本发明实施例根据控制器温度执行间歇性主动短路策略；为了保护电机和整车安全，本发明实施例根据电机温度执行间歇性主动短路策略。

本发明实施例综合考虑了电机转速、反电动势、特征电流、控制器过流电流、母线电压、电机温度、控制器温度、故障等级和故障类型，可以有效解决新能源汽车高速运行控制器报故障损坏电容和IGBT问题。

作为一种实施方式，步骤2中，若控制器连续两次监控到编码器故障信号，则立刻使用估算的电机角度和速度，100ms内编码器故障信号超过90％时间上报编码器故障。控制器编码器发生故障会导致主动短路策略因缺少速度信号失效，为解决该问题，本发明实施例在控制器驱动电机过程中利用电机电流和参数实时估算电机速度。控制器连续两次检测到编码器故障信号后切换估算角度和速度驱动电机，同时检测100ms内超过90％时间有编码器故障信号，上报编码器故障并使用估算速度执行故障策略。

此外，新能源汽车电机转速与车速存在固定减速比，电机转速也可以通过车速计算。如果VCU与控制器通讯的CAN数据帧中包含车速信息，控制器发生编码器故障可以增加使用车速计算的电机转速执行主动短路策略，整个系统安全级别更高。

作为一种实施方式，如图3所示，两相静止坐标系下定子磁场方程和电压方程如下：

两相静止坐标系定子磁场ψ_sα和ψ_sβ方程：

式1中L为永磁同步机电感，I_sα与I_sβ为静止两相坐标下电流，ψ_f与为转子磁链，θ为转子磁场角度。

两相静止坐标系定子电压u_sα和u_sβ方程：

式2中R为定子电阻。

定子磁场ψ_sα和ψ_sβ包含互感磁场与转子永磁体磁场ψ_f，定子电压u_sα和u_sβ包含电阻压降与定子磁场微分相。

对定子电压积分，可计算得到定子磁场：

结合式(1)和式(3)，可得转子磁场ψ_fα和ψ_fβ：

根据式(4)可得转子角度：

根据式(5)可得转子速度：

作为一种实施方式，步骤4中，采用下式计算永磁同步机特征电流I_Fe：

Ψ_f为永磁同步机转子磁链，L为永磁同步机电感。

作为一种实施方式，执行主动短路的电压阈值u_ASC为：

u_dc为母线电压。

本发明实施例的新能源汽车主驱控制器的故障响应系统包括：

模块1：控制器实时检测控制器故障并判断故障类型，若为第一等级故障则由模块2执行；

模块2：控制器判断是否为编码器故障，若否，则根据编码器反馈电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC，若是，根据估算的电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC；若大于电压阈值u_ASC，则由模块3执行，否则执行自由停车；

模块3：控制器判断是否为驱动故障，若不是驱动故障则执行下桥臂主动短路，若是则判断是否为下桥臂驱动故障；若为下桥臂驱动故障，则执行上桥臂主动短路，若否，则执行下桥臂主动短路；

模块4：控制器判断永磁同步电机特征电流是否大于控制器过流电流，特征电流大于控制器过流电流执行递增主动短路；特征电流小于控制器过流电流，执行全开式主动短路；

模块5：主动短路过程中实时判断控制器温度和电机温度，当温度超过控制器或者电机过温点时暂停主动短路，当温度下降至低于过温点减10℃时继续执行主动短路；主动短路过程中实时判断电机电流，当电流超过控制器过流电流时暂停主动短路一个载波周期，下一载波周期继续执行主动短路；主动短路过程中实时判断电机转速，当电机反电动势小于电压阈值u_ASC，关闭正在执行主动短路的桥臂执行自由停车直至汽车停止运行。

作为一种实施方式，模块2中，若控制器连续两次监控到编码器故障信号，则立刻使用估算的电机角度和速度，100ms内编码器故障信号超过90％时间上报编码器故障。

作为一种实施方式，模块2中，根据下式计算电机转子角度θ：

根据下式计算电机转子速度F_Es：

其中，ψ_fα和ψ_fβ为两相静止坐标系上转子磁场，

ψ_sα和ψ_sβ为两相静止坐标系定子磁场，L为永磁同步机电感，I_sα与I_sβ为静止两相坐标下电流，R为定子电阻，u_sα和u_sβ两相静止坐标系定子电压，

作为一种实施方式，模块4中，采用下式计算永磁同步机特征电流I_Fe：

Ψ_f为永磁同步机转子磁链，L为永磁同步机电感。

作为一种实施方式，执行主动短路的电压阈值u_ASC为：

u_dc为母线电压。

本发明综合考虑电机转速、反电动势、特征电流、控制器过流电流、母线电压、电机温度、控制器温度、故障等级和故障类型判断控制器是否需要执行主动短路还是自由停车以及执行主动短路方式。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种新能源汽车主驱控制器的故障响应方法，其特征在于，包括：

步骤1：控制器实时检测控制器故障并判断故障类型，若为第一等级故障则执行步骤2；

步骤2：控制器判断是否为编码器故障，若否，则根据编码器反馈电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC，若是，根据估算的电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC；若大于，则执行步骤3，否则执行自由停车；

步骤3：控制器判断是否为驱动故障，若不是驱动故障则执行下桥臂主动短路，若是则判断是否为下桥臂驱动故障；若为下桥臂驱动故障，则执行上桥臂主动短路，若否，则执行下桥臂主动短路；

步骤4：控制器判断永磁同步电机特征电流是否大于控制器过流电流，特征电流大于控制器过流电流执行递增主动短路；特征电流小于控制器过流电流，执行全开式主动短路；

步骤5：主动短路过程中实时判断控制器温度和电机温度，当温度超过控制器或者电机过温点时暂停主动短路，当温度下降至低于过温点减10℃时继续执行主动短路；主动短路过程中实时判断电机电流，当电流超过控制器过流电流时暂停主动短路一个载波周期，下一载波周期继续执行主动短路；主动短路过程中实时判断电机转速，当电机反电动势小于电压阈值u_ASC，关闭正在执行主动短路的桥臂执行自由停车直至汽车停止运行。

2.如权利要求1所述的新能源汽车主驱控制器的故障响应方法，其特征在于，步骤2中，若控制器连续两次监控到编码器故障信号，则立刻使用估算的电机角度和速度，100ms内编码器故障信号超过90％时间上报编码器故障。

3.如权利要求2所述的新能源汽车主驱控制器的故障响应方法，其特征在于，步骤2中，根据下式计算电机转子角度θ：

根据下式计算电机转子速度F_Es：

其中，ψ_fα和ψ_fβ为两相静止坐标系上转子磁场，

ψ_sα和ψ_sβ为两相静止坐标系定子磁场，L为永磁同步机电感，I_sα与I_sβ为静止两相坐标下电流，R为定子电阻，u_sα和u_sβ两相静止坐标系定子电压，

4.如权利要求1所述的新能源汽车主驱控制器的故障响应方法，其特征在于，步骤4中，采用下式计算永磁同步机特征电流I_Fe：

Ψ_f为永磁同步机转子磁链，L为永磁同步机电感。

5.如权利要求1所述的新能源汽车主驱控制器的故障响应方法，其特征在于，执行主动短路的电压阈值u_ASC为：

u_dc为母线电压。

6.一种新能源汽车主驱控制器的故障响应系统，其特征在于，包括：

模块1：控制器实时检测控制器故障并判断故障类型，若为第一等级故障则由模块2执行；

模块2：控制器判断是否为编码器故障，若否，则根据编码器反馈电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC，若是，根据估算的电机速度判断当前反电动势是否大于电压阈值u_ASC；若大于，则由模块3执行，否则执行自由停车；

模块3：控制器判断是否为驱动故障，若不是驱动故障则执行下桥臂主动短路，若是则判断是否为下桥臂驱动故障；若为下桥臂驱动故障，则执行上桥臂主动短路，若否，则执行下桥臂主动短路；

模块4：控制器判断永磁同步电机特征电流是否大于控制器过流电流，特征电流大于控制器过流电流执行递增主动短路；特征电流小于控制器过流电流，执行全开式主动短路；

模块5：主动短路过程中实时判断控制器温度和电机温度，当温度超过控制器或者电机过温点时暂停主动短路，当温度下降至低于过温点减10℃时继续执行主动短路；主动短路过程中实时判断电机电流，当电流超过控制器过流电流时暂停主动短路一个载波周期，下一载波周期继续执行主动短路；主动短路过程中实时判断电机转速，当电机反电动势小于电压阈值u_ASC，关闭正在执行主动短路的桥臂执行自由停车直至汽车停止运行。

7.如权利要求6所述的新能源汽车主驱控制器的故障响应系统，其特征在于，模块2中，若控制器连续两次监控到编码器故障信号，则立刻使用估算的电机角度和速度，100ms内编码器故障信号超过90％时间上报编码器故障。

8.如权利要求7所述的新能源汽车主驱控制器的故障响应系统，其特征在于，模块2中，根据下式计算电机转子角度θ：

根据下式计算电机转子速度F_Es：

其中，ψ_fα和ψ_fβ为两相静止坐标系上转子磁场，

ψ_sα和ψ_sβ为两相静止坐标系定子磁场，L为永磁同步机电感，I_sα与I_sβ为静止两相坐标下电流，R为定子电阻，u_sα和u_sβ两相静止坐标系定子电压，

9.如权利要求6所述的新能源汽车主驱控制器的故障响应系统，其特征在于，模块4中，采用下式计算永磁同步机特征电流I_Fe：

Ψ_f为永磁同步机转子磁链，L为永磁同步机电感。

10.如权利要求6所述的新能源汽车主驱控制器的故障响应系统，其特征在于，执行主动短路的电压阈值u_ASC为：

u_dc为母线电压。

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