CN114336523A - 主动短路控制方法、电机控制器及电机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种主动短路控制方法、电机控制器及电机控制系统，该方法适用于T型三电平逆变器。T型三电平逆变器包括并联的三相电路，一相电路包括一个竖桥和一个横桥，竖桥的上、下桥臂串联后并联于直流电源两端，横桥桥臂一端连接参考地，另一端连接竖桥的上、下桥臂的串联连接点，直流电源的正/负极分别通过一个电容连接参考地，各竖桥上、下桥臂的串联连接点连接电机。该方法包括：控制三相电路的竖桥和横桥中开关管的通断，以将直流电变换为三相交流电供给电机使用；当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，导通每相电路同一桥臂的开关管，并关断每相电路其他桥臂的开关管以短路电机。本申请可提高T型三电平逆变器的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种主动短路控制方法、电机控制器及电机控制系统。
背景技术
近几年，汽车引起的环境问题越来越受到重视，为了解决汽车尾气排放带来的环境压力，汽车制造商不遗余力地开发新能源汽车，特别是电动汽车。其中，电机控制器作为电动汽车电机系统的核心部件，具备实现直流电和交流电的相互转换的功能。具体地，电机控制器可以在电动汽车正常行驶时将动力电池的直流电逆变成三相交流电，为电机提供电源并控制电机输出转矩以驱动车辆行驶。在电动汽车滑行或制动过程中，电机控制器可以控制电机运行于馈电模式，将动能转换成电能给动力电池充电，以提升电动汽车的纯电续航里程。发明人在研究过程中发现，可采用T型三电平逆变器作为电机控制器，用于实现直流电与交流电的相互转换。
其中，由于电机运行过程存在反电势的特性，新能源汽车在行驶过程中如果出现电机转速异常及控制不良等情况，极有可能出现电机的反电势高于电机输入电压，从而引发反电势通过T型三电平逆变器倒灌动力电池，造成动力电池及相关高压器件的损坏。因此，如何在出现此类故障时，控制电机进入安全状态成为当前亟待解决的问题之一。
发明内容
本申请提供一种主动短路控制方法、电机控制器及电机控制系统，可提高用于电机控制系统的T型三电平逆变器的安全性和可靠性。
第一方面，本申请提供了一种主动短路控制方法，该主动短路控制方法适用于T型三电平逆变器。其中，T型三电平逆变器包括并联的三相电路，且三相电路中每一相电路中包括一个竖桥和一个横桥。竖桥的上桥臂和下桥臂串联后并联于直流电源两端，横桥的桥臂一端连接参考地，横桥的另一端连接竖桥的上桥臂与下桥臂的串联连接点，直流电源的正极通过第一分压电容连接参考地，直流电源的负极通过第二分压电容连接参考地，T型三电平逆变器中各竖桥的上桥臂与下桥臂的串联连接点连接电机。具体地，该方法包括：控制T型三电平逆变器中三相电路的竖桥和横桥中桥臂的开关管的导通或者关断，以将直流电源输出的直流电变换为三相交流电以提供给电机使用。当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，导通T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断每相电路中其他桥臂的开关管，以短路电机，也就是说，使得电机进入短路保护模式。
在本申请实施例中，当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，通过导通T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断每相电路其他桥臂内的开关管，可以短路上述电机，实现对T型三电平逆变器的主动短路控制，提高了T型三电平逆变器的安全性和可靠性。
结合第一方面，在第一种可行的实现方式中，通过导通T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和下桥臂的开关管，可短路上述电机，操作简便。
结合第一方面，在第二种可能的实施方式中，当竖桥中上桥臂的开关管的通流能力较强时，通过导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中上桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中下桥臂和横桥中桥臂的开关管，同样可以短路电机，以保证系统安全。
结合第一方面，在第三种可能的实施方式中，当竖桥中下桥臂的开关管的通流能力较强时，通过导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中下桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和横桥中桥臂的开关管，即可短路电机，提高主动短路的多样性。
结合第一方面，在第四种可能的实施方式中，通过关断T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并交替互补导通每相电路竖桥中上桥臂的开关管和每相电路竖桥中下桥臂的开关管，可短路电机，实现对T型三电平逆变器的主动短路控制。其中，T型三电平逆变器各相电路中竖桥的上桥臂中开关管同时导通或者同时关断。
在本申请实施例中，当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，导通的开关管中需要流过很大的短路电流。其中，若开关管通流能力不足，则极易引起开关管过热损毁。因此，当各相电路竖桥中上/下桥臂所采用的开关管的通流能力较弱时，可通过控制T型三电平逆变器每相电路中上桥臂的开关管和下桥臂的开关管交替互补导通，以使得上桥臂中的开关管与下桥臂中的开关管交替发热，避免仅保持单一侧(例如上桥臂或下桥臂)开关管同时导通的主动短路方案时，引起开关管过热损坏。
结合第一方面第一种可能的实施方式，在第五种可能的实施方式中，当检测到三相电路中任一横桥断路时，关断T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并交替互补导通每相电路竖桥中上桥臂的开关管和每相电路竖桥中下桥臂的开关管。其中，T型三电平逆变器各相电路中竖桥的上桥臂中开关管同时导通或者同时关断。
在本申请实施例中，当检测到T型三电平逆变器的三相电路中任一横桥断路时，通过关断每相电路横桥中桥臂的开关管，并在每个信号控制周期内交替互补导通每相电路竖桥中上桥臂的开关管和每相电路竖桥中下桥臂的开关管，可将交替互补导通上下桥臂中的开关管方案作为T型三电平逆变器的横桥故障时的备份主动短路方案，进一步保障电机控制系统的安全，以及提高电机控制系统的可靠性。
结合第一方面第五种可能的实施方式，在第六种可能的实施方式中，当三相电路中任一横桥的桥臂包括的任一开关管断路时，确定检测到三相电路中任一横桥断路。
结合第一方面第五种可能的实施方式，在第七种可能的实施方式中，当三相电路中任一横桥内的连线断路时，确定检测到三相电路中任一横桥断路。
结合第一方面至第一方面第七种可能的实施方式中的任一种，在第八种可能的实施方式中，当接收到整车控制器发送的主动短路指令时，确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
结合第一方面至第一方面第七种可能的实施方式中的任一种，在第九种可能的实施方式中，当检测到直流电源的输出异常时，确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
结合第一方面至第一方面第七种可能的实施方式中的任一种，在第十种可能的实施方式中，当检测到电机的转速超过预设转速阈值时，确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
结合第一方面至第一方面第七种可能的实施方式中的任一种，在第十一种可能的实施方式中，当检测到三相电路中任一相电路包括的任一开关管短路时，确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
结合第一方面第十一种可能的实施方式，在第十二种可能的实施方式中，当任一开关管为任一相电路横桥的桥臂中的开关管时，导通T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和下桥臂的开关管。
结合第一方面第十一种可能的实施方式，在第十三种可能的实施方式中，当任一开关管为任一相电路竖桥的上桥臂中的开关管时，导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中上桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中下桥臂和横桥中桥臂的开关管。
结合第一方面第十一种可能的实施方式，在第十四种可能的实施方式中，当任一开关管为任一相电路竖桥的下桥臂中的开关管时，导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中下桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和横桥中桥臂的开关管。
第二方面，本申请提供了一种电机控制器，该电机控制器包括T型三电平逆变器和该T型三电平逆变器的控制模块。其中，T型三电平逆变器包括并联的三相电路，三相电路中每一相电路中包括一个竖桥和一个横桥。竖桥的上桥臂和下桥臂串联后并联于直流电源两端，横桥的桥臂一端连接参考地，横桥的另一端连接竖桥的上桥臂与下桥臂的串联连接点，直流电源的正极通过第一分压电容连接参考地，直流电源的负极通过第二分压电容连接参考地，T型三电平逆变器中各竖桥的上桥臂与下桥臂的串联连接点连接电机；
上述控制模块用于：
控制T型三电平逆变器中三相电路的竖桥和横桥中桥臂的开关管的导通或者关断，以将直流电源输出的直流电变换为三相交流电以提供给电机使用；
当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，导通T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断每相电路其他桥臂的开关管，以使得电机进入短路保护模式。
结合第二方面，在第一种可行的实现方式中，上述控制模块具体用于：
导通T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和下桥臂的开关管。
结合第二方面，在第二种可能的实施方式中，上述控制模块具体用于：
导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中上桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中下桥臂和横桥中桥臂的开关管。
结合第二方面，在第三种可能的实施方式中，上述控制模块具体用于：
导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中下桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和横桥中桥臂的开关管。
结合第二方面，在第四种可能的实施方式中，上述控制模块具体用于：
关断T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并交替互补导通每相电路竖桥中上桥臂的开关管和每相电路竖桥中下桥臂的开关管；
其中，T型三电平逆变器各相电路中竖桥的上桥臂中开关管同时导通或者同时关断。
结合第二方面第一种可能的实施方式，在第五种可能的实施方式中，上述控制模块具体用于：
当检测到三相电路中任一横桥断路时，关断T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并交替互补导通每相电路竖桥中上桥臂的开关管和每相电路竖桥中下桥臂的开关管。其中，T型三电平逆变器各相电路中竖桥的上桥臂中开关管同时导通或者同时关断。
结合第二方面第五种可能的实施方式，在第六种可能的实施方式中，上述控制模块具体还用于：
当三相电路中任一横桥的桥臂包括的任一开关管断路时，确定检测到三相电路中任一横桥断路。
结合第二方面第五种可能的实施方式，在第七种可能的实施方式中，上述控制模块具体还用于：
当三相电路中任一横桥内的连线断路时，确定检测到三相电路中任一横桥断路。
结合第二方面至第二方面第七种可能的实施方式中的任一种，在第八种可能的实施方式中，上述控制模块具体还用于；
当从整车控制器接收到主动短路指令时，确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
结合第二方面至第二方面第七种可能的实施方式中的任一种，在第九种可能的实施方式中，控制模块具体还用于：
当检测到直流电源的输出异常时，确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
结合第二方面至第二方面第七种可能的实施方式中的任一种，在第十种可能的实施方式中，控制模块具体还用于：
当检测到电机的转速超过预设转速阈值时，确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
结合第二方面至第二方面第七种可能的实施方式中的任一种，在第十一种可能的实施方式中，控制模块具体还用于：
当检测到三相电路中任一相电路包括的任一开关管短路时，确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
结合第二方面第十一种可能的实施方式，在第十二种可能的实施方式中，控制模块具体还用于：
当确定任一开关管为任一相电路横桥的桥臂中的开关管时，导通T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和下桥臂的开关管。
结合第二方面第十一种可能的实施方式，在第十三种可能的实施方式中，控制模块具体还用于：
当确定任一开关管为任一相电路竖桥的上桥臂中的开关管时，导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中上桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中下桥臂和横桥中桥臂的开关管。
结合第二方面第十一种可能的实施方式，在第十四种可能的实施方式中，控制模块具体还用于：
当确定任一开关管为任一相电路竖桥的下桥臂中的开关管时，导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中下桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和横桥中桥臂的开关管。
第三方面，本申请提供了一种电机控制系统，该电机控制系统包括直流电源、电机以及第二方面至第二方面第十四种可能的实现方式中任一种提供的电机控制器。
在本申请实施例中，当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，通过导通T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断每相电路其他桥臂的开关管，可实现对T型三电平逆变器的主动短路控制，提高电机控制系统的安全性和可靠性。
附图说明
图1是三相两电平逆变器的结构和开关状态示意图；
图2是三相两电平逆变器的主动短路模式的一开关状态示意图；
图3是三相两电平逆变器的主动短路模式的另一开关状态示意图；
图4是本申请提供的电机控制系统的结构示意图；
图5是T型三电平单相拓扑及其有效开关状态的示意图；
图6是不同开关状态下的T型三电平的通流情况示意图；
图7是本申请实施例提供的主动短路控制方法的流程示意图；
图8是本申请提供的T型三电平逆变器的主动短路模式的一开关状态示意图；
图9是本申请提供的T型三电平逆变器的主动短路模式的另一开关状态示意图；
图10是本申请提供的T型三电平逆变器的主动短路模式的另一开关状态示意图；
图11是本申请提供的T型三电平逆变器的主动短路模式的另一开关状态示意图。
具体实施方式
本申请提供的主动短路(active short circuit，ASC)控制方法适用于任何采用T型三电平逆变器的电机驱动场合，例如，可应用于新能源汽车(例如，纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车等)的电机控制系统中用于保护电机。
通常而言，电机作为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、转矩等，将高压动力电池的电能转化为电机的机械能，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。
在一些可行的实施方式中，电动汽车中配置的逆变器(即电机控制器)可以为三相两电平逆变器，请参见图1，图1是三相两电平逆变器的结构和开关状态示意图。如图1所示，三相两电平逆变器包括三个桥臂，每个桥臂包括串接连接的上桥臂开关管、下桥臂开关管，每个桥臂的上下两端分别连接高压电池的正负两端，三相两电平逆变器的三个输出端分别位于各桥臂上桥臂开关管、下桥臂开关管的连接点(如图1所示的A、B、C点)。正常工作下，在一个正弦周期中，每个桥臂开关管开通半个周期(即180°)，同一相上下桥臂开关管交替互补导通，各相开始导电的角度差为120°，且任一瞬间有3个桥臂同时导通，但不能出现同相桥臂上下开关管同时导通的状态,否则会引起直流侧电源短路。其中，令三相桥臂分别为Sa(Sa1、Sa2),Sb(Sb1、Sb2)和Sc(Sc1、Sc2)，各开关管在上下桥臂分布如图1所示。三相两电平逆变器在工作状态中每相桥臂的上下开关管只能一个导通则另一个关断或互换两种状态。其中，令Sa＝1时，Sa1导通、Sa2关断；Sa＝0时，Sa1关断、Sa2导通。同理类推Sb和Sc桥臂具有同样的开关状态，综合Sa、Sb、Sc桥臂的开关状态，共有8种组合状态，具体如图1中表格所示。在表格中所列Sa、Sb、Sc的8种组合开关状态中，7和8状态下三相两电平逆变器各相桥臂分别对应下臂同时导通、上臂同时导通，此状态(即7状态和8状态)即可实现电机系统进入ASC模式，具体开关状态的电路如图2和图3所示。其中，图2是三相两电平逆变器的主动短路模式的一开关状态示意图。其中，图2为通过控制各相桥臂分别对应的上桥臂同时导通，下桥臂同时关断的方式实现ASC方案。图3是三相两电平逆变器的主动短路模式的另一开关状态示意图。其中，图3为通过控制各相桥臂分别对应的上桥臂同时关断，下桥臂同时导通的方式实现ASC方案。不难理解的是，在ASC模式下，电机侧和动力电池侧无法有效形成回路。
其中，由于T型三电平逆变器相较于三相两电平逆变器具有输出电压谐波含量小、输出电压的变化率dv/dt小、电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)小等优点，因此，T型三电平逆变器可以作为电动汽车的高性能电机控制方案。请参见图4，图4是本申请提供的电机控制系统的结构示意图。如图4所示，电机控制系统包括电机控制器、直流电源和电机。其中，电机控制器包括T型三电平逆变器和T型三电平逆变器的控制模块。具体地，直流电源通过T型三电平逆变器与电机连接，控制模块与T型三电平逆变器连接。应当理解的是，控制模块可通过输出脉宽调制(pulse width modulation，PWM)波，用于控制T型三电平逆变器中各相电路中各个开关管的开通、关断顺序，进而使得该T型三电平逆变器的三个输出端可以输出一组幅值相等、频率相等、相位相差120°的三相电信号，以供电机使用。相应地，电机控制器的控制模块还可以在电机控制系统出现故障时，控制T型三电平逆变器进入主动短路工作模式，避免对电机控制系统中的硬件造成损毁，以及危害驾乘人员的安全。
可选的，电机控制系统中还可以包括整车控制器(vehicle control unit，VCU)。例如，请一并参见图4，其中，VCU可以通过控制器局域网络(controller area network，CAN)总线与电机控制器连接。通常而言，VCU作为汽车的指挥管理中心，可以用于监视车辆状态、诊断车辆故障和处理车辆故障等。例如，当VCU检测到车辆故障时，可向电机控制器中的控制模块发送主动短路指令，以使控制模块控制T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
具体地，T型三电平逆变器可以包括并联的三相电路，其中，一相电路中包括一个竖桥和一个横桥。每相电路的竖桥的上桥臂和下桥臂串联后并联于直流电源两端，每相电路的横桥的桥臂一端连接参考地，另一端连接竖桥的上桥臂与下桥臂的串联连接点。直流电源的正极通过第一分压电容C1连接参考地，直流电源的负极通过第二分压电容C2连接参考地，T型三电平逆变器中各竖桥的上桥臂与下桥臂的串联连接点(即如图4中的A、B、C点)连接电机，即T型三电平逆变器的三个输出端分别位于各竖桥的上桥臂中开关管与下桥臂中开关管的串联连接点。其中，本申请实施例中电机可以包括交流异步电动机、永磁式电动机以及开关磁阻电机等，具体根据实际应用场景确定，在此不做限制。直流电源可包括高压动力电池(为方便描述，可简称动力电池或电池)、直流转直流(direct current to directcurrent，DC/DC)电路等，在此不做限制。
如图4所示，各相电路的竖桥的上桥臂中包括第一开关管(如图4中A相电路中的开关管Sa1，B相电路中的开关管Sb1，C相电路中的开关管Sc1)，各相电路的竖桥的下桥臂中包括第二开关管(如图4中A相电路中的开关管Sa2，B相电路中的开关管Sb2，C相电路中的开关管Sc2)。其中，第一开关管的集电极连接电源正极，第一开关管的发射极连接第二开关管的集电极，第二开关管的发射极连接电源负极。例如，请参见图4，开关管Sa1、Sb1和开关管Sc1的集电极连接电源正极，开关管Sa1、Sb1和开关管Sc1的发射极分别连接开关管Sa2、Sb2和开关管Sc2的集电极，开关管Sa2、Sb2和开关管Sc2的发射极连接电源负极。
其中，开关管Sa1的发射极与开关管Sa2的集电极之间的连接点A为A相电路的竖桥中上桥臂与下桥臂之间的串联连接点。开关管Sb1的发射极与开关管Sb2的集电极之间的连接点B为B相电路的竖桥中上桥臂与下桥臂之间的串联连接点。开关管Sc1的发射极与开关管Sc2的集电极之间的连接点C为C相电路的竖桥中上桥臂与下桥臂之间的串联连接点。相应地，各相电路横桥的桥臂中包括第三开关管(如图4中A相电路中的开关管Sa3，B相电路中的开关管Sb3，C相电路中的开关管Sc3)和第四开关管(如图4中A相电路中的开关管Sa4，B相电路中的开关管Sb4，C相电路中的开关管Sc4)。其中，第三开关管的集电极连接参考地，第三开关管的发射极连接第四开关管的发射极，第四开关管的集电极连接于每相电路的竖桥中上桥臂与下桥臂之间的串联连接点。例如，请参见图4，开关管Sa3、Sb3和Sc3的集电极连接参考地，开关管Sa3、Sb3和Sc3的发射极分别连接开关管Sa4、Sb4和Sc4的发射极，开关管Sa4、Sb4和Sc4的集电极分别连接A点、B点和C点。通常而言，第一开关管和第二开关管为电气规格相同的开关管，第三开关管和第四开关管为电气规格相同的开关管。如图4所示，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的栅极分别连接控制模块。
不难理解的是，上述各相电路中的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管可包括由硅半导体材料(silicon，Si)或者第三代宽禁带半导体材料的碳化硅(silicon carbide，SiC)或者氮化镓(gallium nitride，GaN)等材料制成的金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)或带逆阻型的绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)等，在此不做限制。为方便描述，以下本申请实施例皆以各开关管为带逆阻型IGBT为例进行说明。
其中，请参见图5，图5是T型三电平单相拓扑及其有效开关状态的示意图。如图5所示，T型三电平的有效开关状态主要有三种，分别为输出正电平、零电平和负电平。其中，以A相电路为例，当开关管Sa1，Sa3同时导通，Sa4，Sa2同时关断时，输出端A相对于直流侧零电位参考点O点的电平为Vdc/2(即正电平)。当开关管Sa3、Sa4同时导通，Sa1，Sa2同时关断时，输出端A相对于O点的电平为0(即零电平)。当开关管Sa4，Sa2同时导通，Sa1，Sa3同时关断时，输出端A相对于O点的电平为-Vdc/2(即负电平)。也就是说，A点的相电压幅值包括Vdc/2(即正电平)，0(即零电平)，-Vdc/2(即负电平)这三种电平状态，故称为三电平逆变器。进一步地，根据四个IGBT在电路中的排列方式(即T字型)，因此可称作T型三电平逆变器。应该理解的是，开关管Sa1与Sa2不能同时导通，在不考虑死区时间时，开关管Sa1和Sa4的驱动脉冲是互补的，开关管Sa3和Sa2的驱动脉冲是互补的。其中，开关状态不能在正电平对应的开关状态与负电平对应的开关状态之间直接转换，而必须通过0状态(即零电平对应的开关状态)来过渡。其中，当输出电流方向不同时，T型三电平逆变器在各开关状态下的通流情况也有所差异。例如，请参见图6，图6是不同开关状态下的T型三电平的通流情况示意图。如图6中图(a)为正电平通正电流的示意图。此时，开关管Sa1，Sa3处于同时导通状态，开关管Sa4，Sa2处于同时关断状态，且电流路径为“+”→Sa1→“VA”。如图6中的图(b)为正电平通负电流的示意图。此时，开关管Sa1，Sa3处于同时导通状态，开关管Sa4，Sa2处于同时关断状态，且电流路径为“VA”→Sa1→“+”。如图6中的图(c)为零电平通正电流的示意图。此时，开关管Sa3，Sa4处于同时导通状态，开关管Sa1，Sa2处于同时关断状态，且电流路径为“O”→Sa3→Sa4→“VA”。如图6中的图(d)为零电平通正电流的示意图。此时，开关管Sa3，Sa4处于同时导通状态，开关管Sa1，Sa2处于同时关断状态，且电流路径为“VA”→Sa4→Sa3→“O”。如图6中的图(e)为负电平通正电流的示意图。此时，开关管Sa2，Sa4处于同时导通状态，开关管Sa1，Sa3处于同时关断状态，且电流路径为“-”→Sa2→“VA”。如图6中的图(f)为负电平通负电流的示意图。此时，开关管Sa2，Sa4处于同时导通状态，开关管Sa1，Sa3处于同时关断状态，且电流路径为“VA”→Sa2→“-”。应当理解的是，上述正电流为如图6中(a)(c)(e)所示的流出电流，上述负电流为如图6中(b)(d)(f)的流入电流。
下面将结合图7至图11，对本申请提供的方法中控制T型三电平逆变器的三相电路中开关管的通断以将直流电转换为三相交流电，以及如何控制T型三电平逆变器进入主动短路模式进行示例说明。
请参见图7，图7是本申请实施例提供的主动短路控制方法的流程示意图。如图7所示，本申请提供的方法可包括步骤：
S101、控制T型三电平逆变器中三相电路的竖桥和横桥中桥臂的开关管的导通或者关断，以将直流电源输出的直流电变换为三相交流电以提供给电机使用。
在一些可行的实施方式中，当电机控制系统正常工作时，可通过控制模块控制T型三电平逆变器中三相电路的竖桥和横桥中桥臂的开关管的导通或者关断，以将直流电源输出的直流电变换为三相交流电以提供给电机使用。也就是说，可以通过控制模块输出PWM波信号，用于控制T型三电平逆变器中各相电路中各个开关管的开通、关断顺序，进而使得该T型三电平逆变器的三个输出端可以输出一组幅值相等、频率相等、相位相差120°的三相电信号(即三相交流电)，以供电机使用。其中，该三相电信号可以用于电机转动，并控制电机输出转矩以驱动车辆行驶。
应当理解的是，当电机控制系统正常工作时，在一个信号控制周期内，每相电路中竖桥包括的第一开关管和第二开关管只有半个周期有电流流过，竖桥的损耗主要包括IGBT的导通损耗、开通损耗和关断损耗。每相电路的横桥中包括的第三开关管和第四开关管在整个周期内均有电流流过，因此横桥的损耗主要包括IGBT的导通损耗、二极管的导通损耗和二极管的反向恢复损耗等。
S102、当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，导通T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断每相电路其他桥臂的开关管，以短路电机。
在一些可行的实施方式中，当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，通过导通T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断每相电路其他桥臂的开关管，可以短路电机。应当理解的是，在主动短路工作模式下，电机侧和动力电池侧无法有效形成回路。
通常而言，当控制模块接收到VCU发送的主动短路指令时，可确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。例如，当VCU确定T型三电平逆变器中某个开关管故障时或者电机控制系统中存在硬件故障时，VCU可向控制模块发送主动短路指令，以使控制模块通过实施ASC以避免不可控整流对其它器件或动力电池的损坏。可选的，当控制模块检测到直流电源输出异常时，也可确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。其中，直流电源输出异常可包括直流电流输出电压过大(例如，输出电压大于预设最大输出电压)或输出电压过小(例如，输出电压小于预设最小输出电压)等。也就是说，当动力电池故障时，可通过实施ASC以使电机、电机控制器与动力电池侧隔离，保证整车高压安全。可选的，当控制模块检测到电机的转速超过预设转速阈值时，可确定T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。例如，当检测到整车失控时，可通过实施ASC以产生反向转矩，使车辆缓慢制动，实现安全停车。又例如，当整车行驶过程中电机转速过高或异常时，实施ASC可避免过高的反电势对动力电池、母线电容及其它高压器件的损坏。
具体地，在一些可行的实施方式中，通过控制导通T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和下桥臂的开关管，进而实现T型三电平逆变器的主动短路控制。例如，请参见图8，图8是本申请提供的T型三电平逆变器的主动短路模式的一开关状态示意图。如图8所示，当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，可同时闭合T型三电平逆变器中各相电路横桥中桥臂的开关管(即开关管Sa3、Sb3、Sc3、Sa4、Sb4和Sc4)，并同时断开各相电路竖桥中上桥臂的开关管(即开关管Sa1、Sb1和Sc1)和竖桥中下桥臂的开关管(即开关管Sa2、Sb2和Sc2)。为方便描述，以下本申请实施例可将上述导通T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和下桥臂的开关管的方案简称为第一ASC方案。
可选的，在一些可行的实施方式中，当竖桥中上桥臂的开关管的通流能力较强时，还可以控制导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中上桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中下桥臂和横桥中桥臂的开关管，进而实现T型三电平逆变器的主动短路控制。例如，请参见图9，图9是本申请提供的T型三电平逆变器的主动短路模式的另一开关状态示意图。如图9所示，当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，可同时闭合T型三电平逆变器中各相电路竖桥中上桥臂的开关管(即开关管Sa1、Sb1和Sc1)，并同时关断各相电路竖桥中下桥臂的开关管(即开关管Sa2、Sb2和Sc2)和横桥中桥臂的开关管(即开关管Sa3、Sb3、Sc3、Sa4、Sb4和Sc4)。为方便描述，以下本申请实施例可将上述导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中上桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中下桥臂和横桥中桥臂的开关管的方案简称为第二ASC方案。
可选的，在一些可行的实施方式中，当竖桥中下桥臂的开关管的通流能力较强时，还可以控制导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中下桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和横桥中桥臂的开关管，进而实现T型三电平逆变器的主动短路控制。例如，请参见图10，图10是本申请提供的T型三电平逆变器的主动短路模式的另一开关状态示意图。如图10所示，当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，可同时闭合T型三电平逆变器中各相电路竖桥中下桥臂的开关管(即开关管Sa2、Sb2和Sc2)，并同时关断各相电路竖桥中上桥臂的开关管(即开关管Sa1、Sb1和Sc1)和横桥中桥臂的开关管(即开关管Sa3、Sb3、Sc3、Sa4、Sb4和Sc4)。为方便描述，以下本申请实施例可将上述导通T型三电平逆变器中每相电路竖桥中下桥臂的开关管，同时关断每相电路竖桥中上桥臂和横桥中桥臂的开关管的方案简称为第三ASC方案。
可选的，在一些可行的实施方式中，当各相电路竖桥中上/下桥臂所采用的开关管的通流能力较弱时，还可以通过控制关断T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并交替互补导通每相电路竖桥中上桥臂的开关管和每相电路竖桥中下桥臂的开关管，进而实现T型三电平逆变器的主动短路控制。其中，T型三电平逆变器各相电路中竖桥的上桥臂中开关管同时导通或者同时关断。应当理解的是，通过交替互补导通上、下桥臂中开关管的方式可使得上桥臂中的开关管与下桥臂中的开关管交替发热，以避免过大的短路电流损坏竖桥中的开关管。
例如，请参见图11，图11是本申请提供的T型三电平逆变器的主动短路模式的另一开关状态示意图。如图11所示，当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，可以关断T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并在每个信号控制周期内交替互补导通每相电路竖桥中上桥臂的开关管和每相电路竖桥中下桥臂的开关管。例如，在前半个信号控制周期中闭合T型三电平逆变器中各相电路竖桥中上桥臂的开关管(即开关管Sa1、Sb1和Sc1)，并同时关断各相电路竖桥中下桥臂的开关管(即开关管Sa2、Sb2和Sc2)和横桥中桥臂的开关管(即开关管Sa3、Sb3、Sc3、Sa4、Sb4和Sc4)。在后半个信号控制周期中闭合T型三电平逆变器中各相电路竖桥中下桥臂的开关管(即开关管Sa2、Sb2和Sc2)，并同时关断各相电路竖桥中上桥臂的开关管(即开关管Sa1、Sb1和Sc1)和横桥中桥臂的开关管(即开关管Sa3、Sb3、Sc3、Sa4、Sb4和Sc4)。或者，在前半个信号控制周期中闭合T型三电平逆变器中各相电路竖桥中下桥臂的开关管(即开关管Sa2、Sb2和Sc2)，并同时关断各相电路竖桥中上桥臂的开关管(即开关管Sa1、Sb1和Sc1)和横桥中桥臂的开关管(即开关管Sa3、Sb3、Sc3、Sa4、Sb4和Sc4)。在后半个信号控制周期中闭合T型三电平逆变器中各相电路竖桥中上桥臂的开关管(即开关管Sa1、Sb1和Sc1)，并同时关断各相电路竖桥中下桥臂的开关管(即开关管Sa2、Sb2和Sc2)和横桥中桥臂的开关管(即开关管Sa3、Sb3、Sc3、Sa4、Sb4和Sc4)等。也就是说，可设置各相电路竖桥中上、下桥臂的开关管交替互补导通的导通占空比皆为50％，进而可使得T型三电平逆变器中每相电路的上桥臂和下桥臂中的开关管均衡发热，避免始终保持单一侧(例如上桥臂或下桥臂)开关管同时导通时，引起开关管过热损毁。可选的，还可以设置各相电路竖桥中上桥臂的开关管的导通占空比为40％，下桥臂的开关管的导通占空比为60％，或者上桥臂的开关管的导通占空比为30％，下桥臂的开关管的导通占空比为70％等，具体根据实际应用场景确定，在此不做限制。为方便描述，以下本申请实施例可将上述关断T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并交替互补导通每相电路竖桥中上桥臂的开关管和每相电路竖桥中下桥臂的开关管的方案简称为第四ASC方案。
可选的，在一些可行的实施方式中，当逆变器控制器检测到T型三电平逆变器中某一相电路中某个开关管短路时，可确定T型三电平逆变器需要进入主动短路工作模式。其中，所采用的ASC方案可由短路的开关管确定。例如，当三相电路中任一相电路的横桥的桥臂中某个开关管短路时，可采用全部导通三相电路的横桥中开关管的主动短路方案(即第一ASC方案)以实现对T型三电平逆变器的主动短路控制。又例如，当三相电路中任一相电路的竖桥的上桥臂中开关管短路时，可采用全部导通三相电路的竖桥的上桥臂中的开关管的主动短路方案(即第二ASC方案)以实现对T型三电平逆变器的主动短路控制。又例如，当三相电路中任一相电路的竖桥的下桥臂中开关管短路时，可采用全部导通三相电路的竖桥的下桥臂中开关管的主动短路方案(即第三ASC方案)以实现对T型三电平逆变器的主动短路控制。
可选的，在一些可行的实施方式中，还可以将上述第四ASC方案作为第一ASC方案的候补方案或备选方案。也就是说，当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，可优先采用第一ASC方案，当第一ASC方案失效时，再将第四ASC方案作为候补方案。具体地，当检测到三相电路中任一横桥发生断路时，可确定第一ASC方案失效，因此，可以通过关断T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并在每个信号控制周期内交替互补导通每相电路竖桥中上桥臂的开关管和每相电路竖桥中下桥臂的开关管，进而实现T型三电平逆变器的主动短路控制。应当理解的是，这种采用备份方案的方式可提高电机控制系统的可靠性和安全等级。
其中，上述三相电路中任一横桥发生断路包括三相电路中任一横桥中的任一开关管断路，或者是三相电路中任一横桥内的连线断路。也就是说，当第一ASC方案的短路环路发生单点故障(例如，管子故障、连线断开等)时，可以将各相电路中竖桥的上桥臂和下桥臂的开关管交替互补导通的方案作为第一ASC方案失效时的备份ASC方案，以保障系统安全。可选的，也可以将上述第二ASC方案或第三ASC方案作为上述第一ASC方案失效时的备选方案。
可选的，在一些可行的实施方式中，还可以将第二ASC方案，或者第三ASC方案，或者第四ASC方案作为T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时的优先采用方案，以将其他主动短路方案作为优先采用方案失效时的备选方案。具体地，当第二ASC方案作为优先采用方案时，可将第一ASC方案或第三ASC方案作为备选方案。当第三ASC方案作为优先采用方案时，可将第一ASC方案或第二ASC方案作为备选方案。当第四ASC方案作为优先采用方案时，可将第一ASC方案作为备选方案。
在本申请中，通过控制T型三电平逆变器中三相电路的竖桥和横桥中桥臂的开关管的导通或者关断，可将直流电源输出的直流电变换为三相交流电以提供给电机使用。其中，当T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，通过导通T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断每相电路其他桥臂的开关管，可实现对T型三电平逆变器的主动短路控制，提高系统的安全性和可靠性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (21)
1.一种主动短路控制方法，所述主动短路控制方法适用于T型三电平逆变器，所述T型三电平逆变器包括并联的三相电路，所述三相电路中每一相电路中包括一个竖桥和一个横桥，所述竖桥的上桥臂和下桥臂串联后并联于直流电源两端，所述横桥的桥臂一端连接参考地，所述横桥的另一端连接所述竖桥的上桥臂与下桥臂的串联连接点，所述直流电源的正极通过第一分压电容连接所述参考地，所述直流电源的负极通过第二分压电容连接所述参考地，所述T型三电平逆变器中各竖桥的上桥臂与下桥臂的串联连接点连接电机，其特征在于，所述方法包括：
控制所述T型三电平逆变器中三相电路的竖桥和横桥中桥臂的开关管的导通或者关断，以将所述直流电源输出的直流电变换为三相交流电以提供给所述电机使用；
当所述T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，导通所述T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断所述每相电路其他桥臂的开关管，以使得所述电机进入短路保护模式。
2.根据权利要求1所述的主动短路控制方法，其特征在于，所述导通所述T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断所述每相电路其他桥臂的开关管，包括：
导通所述T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中上桥臂和下桥臂的开关管。
3.根据权利要求1所述的主动短路控制方法，其特征在于，所述导通所述T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断所述每相电路其他桥臂的开关管，包括：
导通所述T型三电平逆变器中每相电路竖桥中上桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中下桥臂和横桥中桥臂的开关管。
4.根据权利要求1所述的主动短路控制方法，其特征在于，所述导通所述T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断所述每相电路其他桥臂的开关管，包括：
导通所述T型三电平逆变器中每相电路竖桥中下桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中上桥臂和横桥中桥臂的开关管。
5.根据权利要求1所述的主动短路控制方法，其特征在于，所述导通所述T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断所述每相电路其他桥臂的开关管，包括：
关断所述T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并交替互补导通所述每相电路竖桥中上桥臂的开关管和所述每相电路竖桥中下桥臂的开关管；
其中，所述T型三电平逆变器各相电路中竖桥的上桥臂中开关管同时导通或者同时关断。
6.根据权利要求2所述的主动短路控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
当检测到所述三相电路中任一横桥断路时，关断所述T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并交替互补导通所述每相电路竖桥中上桥臂的开关管和所述每相电路竖桥中下桥臂的开关管；
其中，所述T型三电平逆变器各相电路中竖桥的上桥臂中开关管同时导通或者同时关断。
7.根据权利要求1所述的主动短路控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
当检测到所述三相电路中任一相电路包括的任一开关管短路时，确定所述T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
8.根据权利要求7所述的主动短路控制方法，其特征在于，所述导通所述T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断所述每相电路其他桥臂的开关管，包括：
当所述任一开关管为所述任一相电路横桥的桥臂中的开关管时，导通所述T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中上桥臂和下桥臂的开关管。
9.根据权利要求7所述的主动短路控制方法，其特征在于，所述导通所述T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断所述每相电路其他桥臂的开关管，包括：
当所述任一开关管为所述任一相电路竖桥的上桥臂中的开关管时，导通所述T型三电平逆变器中每相电路竖桥中上桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中下桥臂和横桥中桥臂的开关管。
10.根据权利要求7所述的主动短路控制方法，其特征在于，所述导通所述T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断所述每相电路其他桥臂的开关管，包括：
当所述任一开关管为所述任一相电路竖桥的下桥臂中的开关管时，导通所述T型三电平逆变器中每相电路竖桥中下桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中上桥臂和横桥中桥臂的开关管。
11.一种电机控制器，其特征在于，所述电机控制器包括T型三电平逆变器和所述T型三电平逆变器的控制模块，所述T型三电平逆变器包括并联的三相电路，所述三相电路中每一相电路中包括一个竖桥和一个横桥，所述竖桥的上桥臂和下桥臂串联后并联于直流电源两端，所述横桥的桥臂一端连接参考地，所述横桥的另一端连接所述竖桥的上桥臂与下桥臂的串联连接点，所述直流电源的正极通过第一分压电容连接所述参考地，所述直流电源的负极通过第二分压电容连接所述参考地，所述T型三电平逆变器中各竖桥的上桥臂与下桥臂的串联连接点连接电机；
所述控制模块用于：
控制所述T型三电平逆变器中三相电路的竖桥和横桥中桥臂的开关管的导通或者关断，以将所述直流电源输出的直流电变换为三相交流电以提供给所述电机使用；
当所述T型三电平逆变器进入主动短路工作模式时，导通所述T型三电平逆变器中每相电路同一桥臂的开关管，并关断所述每相电路其他桥臂的开关管，以使得所述电机进入短路保护模式。
12.根据权利要求11所述的电机控制器，其特征在于，所述控制模块具体用于：
导通所述T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中上桥臂和下桥臂的开关管。
13.根据权利要求11所述的电机控制器，其特征在于，所述控制模块具体用于：
导通所述T型三电平逆变器中每相电路竖桥中上桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中下桥臂和横桥中桥臂的开关管。
14.根据权利要求11所述的电机控制器，其特征在于，所述控制模块具体用于：
导通所述T型三电平逆变器中每相电路竖桥中下桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中上桥臂和横桥中桥臂的开关管。
15.根据权利要求11所述的电机控制器，其特征在于，所述控制模块具体用于：
关断所述T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并交替互补导通所述每相电路竖桥中上桥臂的开关管和所述每相电路竖桥中下桥臂的开关管；
其中，所述T型三电平逆变器各相电路中竖桥的上桥臂中开关管同时导通或者同时关断。
16.根据权利要求12所述的电机控制器，其特征在于，所述控制模块具体还用于：
当检测到所述三相电路中任一横桥断路时，关断所述T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，并交替互补导通所述每相电路竖桥中上桥臂的开关管和所述每相电路竖桥中下桥臂的开关管；
其中，所述T型三电平逆变器各相电路中竖桥的上桥臂中开关管同时导通或者同时关断。
17.根据权利要求11所述的电机控制器，其特征在于，所述控制模块具体还用于：
当检测到所述三相电路中任一相电路包括的任一开关管短路时，确定所述T型三电平逆变器进入主动短路工作模式。
18.根据权利要求17所述的电机控制器，其特征在于，所述控制模块具体还用于：
当确定所述任一开关管为所述任一相电路横桥的桥臂中的开关管时，导通所述T型三电平逆变器中每相电路横桥中桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中上桥臂和下桥臂的开关管。
19.根据权利要求17所述的电机控制器，其特征在于，所述控制模块具体还用于：
当确定所述任一开关管为所述任一相电路竖桥的上桥臂中的开关管时，导通所述T型三电平逆变器中每相电路竖桥中上桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中下桥臂和横桥中桥臂的开关管。
20.根据权利要求17所述的电机控制器，其特征在于，所述控制模块具体还用于：
当确定所述任一开关管为所述任一相电路竖桥的下桥臂中的开关管时，导通所述T型三电平逆变器中每相电路竖桥中下桥臂的开关管，同时关断所述每相电路竖桥中上桥臂和横桥中桥臂的开关管。
21.一种电机控制系统，其特征在于，所述电机控制系统包括直流电源、电机以及如权利要求11-20任一项所述的电机控制器。
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| CN105514941A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-04-20 | 联合汽车电子有限公司 | 电动汽车逆变器保护装置及其保护方法 |
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| CN109038498A (zh) * | 2018-08-29 | 2018-12-18 | 深圳腾势新能源汽车有限公司 | 电机保护系统 |
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-
2020
- 2020-12-16 CN CN202011489126.1A patent/CN114336523A/zh active Pending
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