CN116667289A - 用于电驱动系统的主动短路电路装置及其控制方法、车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电驱动系统的主动短路电路装置及其控制方法、车辆。主动短路电路装置包括：功率模块，功率模块的输入端与车辆的电源连接，功率模块的输出端与电机的三相输入端连接，功率模块用于将电源的输出电流转换为电机的三相电流；主动短路辅助模块，主动短路辅助模块设置于功率模块的输出端与电机的三相输入端之间；主动短路辅助模块具有工作状态和关闭状态，主动短路辅助模块处于工作状态时，主动短路辅助模块与电机的三相输入端形成闭合回路，以实现主动短路功能，主动短路辅助模块处于关闭状态时，功率模块的输出端与电机的三相输入端接通。本方案中主动短路辅助模块的初始温度较低，进入主动短路状态后不易发生过温问题。

Description

用于电驱动系统的主动短路电路装置及其控制方法、车辆

技术领域

本发明涉及车辆设计技术领域，具体而言，涉及一种用于电驱动系统的主动短路电路装置及其控制方法、车辆。

背景技术

现在市场上的主流新能源汽车普遍采用永磁同步电机，具有结构简单、高功率密度、高效率等优势，但也带来了高温易退磁、高速下具有高反电动势的缺点，永磁同步电机在高速控制下，其高反电动势将回馈到逆变系统，造成电驱逆变系统、乃至整车电控系统过压损害，现有针对永磁同步电机高反电动势的发明多从通过电驱逆变器主动短路方式实现，但未考虑进入主动短路时，由于大电流作用在功率模块上，带来的温升问题，在长期主动短路下可能造成功率模块烧毁。

在一些严重故障工况下，也需要通过主动短路的方式来保护逆变器，避免高压对逆变器内的功率模块造成损伤。一般采用将逆变器中功率模块下三桥全开和电机定子绕组构成闭合回路，即将电机的三相短接的方式来释放能量。但是主动短路发生时，电流会达到数千安培，同时持续1ms以上，如图3所示。这样恶劣的工况会使得功率模块的温度在短时间内有所上升，如图4所示，若主动短路发生前的工况比较剧烈，结温已经接近极限值，那么功率模块仍然存在过温损坏的风险。

针对上述的现有技术中的功率模块在进入主动短路时存在过温损坏风险的技术问题，目前尚未提出有效解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于电驱动系统的主动短路电路装置及其控制方法、车辆，以解决现有技术中的功率模块在进入主动短路时存在过温损坏风险的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于电驱动系统的主动短路电路装置，包括：功率模块，功率模块的输入端与车辆的电源连接，功率模块的输出端与电机的三相输入端连接，功率模块用于将电源的输出电流转换为电机的三相电流；主动短路辅助模块，主动短路辅助模块设置于功率模块的输出端与电机的三相输入端之间；主动短路辅助模块具有工作状态和关闭状态，主动短路辅助模块处于工作状态时，主动短路辅助模块与电机的三相输入端形成闭合回路，以实现主动短路功能，主动短路辅助模块处于关闭状态时，功率模块的输出端与电机的三相输入端接通。

进一步地，主动短路辅助模块包括：第一开关元件，第一开关元件为三个，三个第一开关元件的第一端分别与三相输入端连接，三个第一开关元件的第二端汇集于一处并连接设置。

进一步地，主动短路辅助模块还包括：第一稳压元件，第一稳压元件为三个，每一第一开关元件与一个第一稳压元件并联设置。

进一步地，第一开关元件为IGBT、MOSFET中的任意一种。

进一步地，第一稳压元件为二极管。

根据本发明的另一方面，提供了一种主动短路电路装置的控制方法，控制方法用于控制上述的用于电驱动系统的主动短路电路装置，控制方法包括如下步骤：检测三相输入端的电压和电源的输出电压；在三相输入端的电压满足第一预设条件的情况下，生成控制指令集，控制指令集用于控制主动短路辅助模块切换至工作状态，以使主动短路辅助模块与电机的三相输入端形成闭合回路，实现主动短路功能。

进一步地，功率模块至少包括逆变器，逆变器包括上三桥和下三桥，上三桥和下三桥的输出端与三相输入端连接，上三桥和下三桥均包括三个并联的第二开关元件，且每一第二开关元件均与一个第二稳压元件并联，上三桥和下三桥的输入端分别与电源的正极和负极连接，在三相输入端的电压满足第一预设条件的情况下，生成控制指令集，包括如下步骤：在三相输入端的电压满足第一预设条件的情况下，生成控制指令集中的第一控制指令和第二控制指令，第一控制指令用于断开功率模块的全部第二开关元件，第二控制指令用于开启主动短路辅助模块的全部第一开关元件，以使电机的三相电流在主动短路辅助模块与电机的三相输入端形成的闭合回路中流动。

进一步地，第一预设条件为三相输入端的电压大于电源的输出电压。

进一步地，控制指令集用于控制主动短路辅助模块切换至工作状态后，方法还包括：在三相输入端的电压满足第二预设条件的情况下，控制功率模块的全部第二开关元件、主动短路辅助模块的全部第一开关元件断开；第二预设条件为三相输入端的电压小于电源的输出电压。

根据本发明的另一方面，提供了一种车辆，车辆具有用于电驱动系统的主动短路电路装置，用于电驱动系统的主动短路电路装置为上述的用于电驱动系统的主动短路电路装置。

应用本发明的技术方案，当电机无主动短路需求时，可以关闭主动短路辅助模块，以使得功率模块的输出端与电机的三相输入端接通，实现正常的功率输出功能，当产生主动短路需求时，关闭功率模块并开启主动短路辅助模块，使得主动短路辅助模块与电机的三相输入端形成闭合回路，实现主动短路功能，主动短路辅助模块由于在不启用时均关闭，初始温度较低，进入主动短路状态后不易发生过温问题，从而降低进入主动短路状态后功率模块过温损坏的风险。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的用于电驱动系统的主动短路电路装置的实施例的电路示意图；

图2示出了根据本发明的用于电驱动系统的主动短路电路装置的开启主动短路功能的实施例的电流流向示意图；

图3示出了主动短路时电机三相端的电流变化曲线；

图4示出了现有技术中主动短路时功率模块的温度变化曲线；

图5示出了根据本发明的主动短路电路装置的控制方法的流程示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、功率模块；2、电源；3、三相输入端；4、主动短路辅助模块。

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组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请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对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

为便于说明本申请的实施例的技术效果，对现有技术中的ASC主动短路介绍如下：

ASC主动短路的英文全称为Active short circuit，其实现形式为：上三桥或下三桥全开(导通)，使电机定子绕组形成闭合回路。是一种电机的安全保护机制，防止控制器系统产生损坏。

电机运行过程中，电机转子旋转会产生反电势，转速越高反电势越大。反电势小于母线电压时，电流不会经过续流二极管流入电源，对系统无影响；反电势大于母线电压时，则电流反方向流动，由电机经续流二极管流入电源，发生电流倒灌，相当于对稳压电容Cdc充电，两端电压升高，若长时间充电，电压过高，有击穿稳压电容的风险。所以此时需控制逆变器进入ASC模式，即下(上)三桥导通，与电机U V W三项形成短路，通过电机定子绕组将产生的反电势耗散掉。电机转速降到低速下时，要及时退出ASC状态，原因是在低速下ASC会产生较大的制动扭矩，产生非预期后果。

但是主动短路发生时，电流会达到数千安培，同时持续1ms以上，如图3所示。这样恶劣的工况会使得功率模块的温度在短时间内有所上升，如图4所示，若主动短路发生前的工况比较剧烈，结温已经接近极限值，那么功率模块仍然存在过温损坏的风险。

结合图1至图2所示，根据本申请的具体实施例，提供了一种用于电驱动系统的主动短路电路装置，以解决现有技术中的功率模块在进入主动短路时存在过温损坏风险的技术问题。

主动短路电路装置包括功率模块1和主动短路辅助模块4，功率模块1的输入端与车辆的电源2连接，功率模块1的输出端与电机的三相输入端3连接，功率模块1用于将电源2的输出电流转换为电机的三相电流；主动短路辅助模块4设置于功率模块1的输出端与电机的三相输入端3之间；主动短路辅助模块4具有工作状态和关闭状态，主动短路辅助模块4处于工作状态时，主动短路辅助模块4与电机的三相输入端3形成闭合回路，以实现主动短路功能，主动短路辅助模块4处于关闭状态时，功率模块1的输出端与电机的三相输入端3接通。

应用本实施例的技术方案，当电机无主动短路需求时，可以关闭主动短路辅助模块4，以使得功率模块1的输出端与电机的三相输入端3接通，实现正常的功率输出功能，当产生主动短路需求时，关闭功率模块1并开启主动短路辅助模块4，使得主动短路辅助模块4与电机的三相输入端3形成闭合回路，实现主动短路功能，主动短路辅助模块4由于在不启用时均关闭，初始温度较低，进入主动短路状态后不易发生过温问题，从而降低进入主动短路状态后功率模块过温损坏的风险。

应当明白的是，主动短路电路装置还包括用于控制功率模块1和主动短路辅助模块4的工作状态的控制器及其相关的控制线路。

具体地，主动短路辅助模块4包括第一开关元件，第一开关元件为三个，三个第一开关元件的第一端分别与三相输入端3连接，三个第一开关元件的第二端汇集于一处并连接设置。

如图1和图2所示，当主动短路辅助模块4处于工作状态时，三相输入端4与三个第一开关元件构成闭合回路，以消耗过高的电势，避免对电池进行反充，损坏电池。第一开关元件的设置使得主动短路辅助模块4的控制更便捷。

进一步地，主动短路辅助模块4还包括第一稳压元件，第一稳压元件为三个，每一第一开关元件与一个第一稳压元件并联设置。第一稳压元件的设置可对电路起到保护作用，避免电压电流突变引起的电路损坏。

其中，第一开关元件为IGBT、MOSFET中的任意一种。优选地，第一开关元件为IGBT，即绝缘栅双极型晶体管，其具有驱动功率较小、栅极电流较小、损耗较小的特点，应用于主动短路辅助模块4中，实用性更高。

进一步地，第一稳压元件为二极管。二极管具有获取方便、操作简单的特点，且应根据不同的电路特性，例如电路电压等，选择不同的二极管。本实施例中，第一稳压元件可以为肖特基二极管。

上述实施例中，主动短路辅助模块4由三个开关T7、T8、T9组成，在功率模块1正常工作时始终处于断开状态，当逆变器需要进入主动短路状态时，T1～T6断开，T7、T8、T9闭合与电机绕组构成回路实现主动短路功能。

根据本申请的另一具体实施例，还提供了一种主动短路电路装置的控制方法，控制方法用于控制上述的用于电驱动系统的主动短路电路装置，如图5所示，控制方法包括如下步骤：

S51，检测三相输入端3的电压和电源2的输出电压；

S52，在三相输入端3的电压满足第一预设条件的情况下，生成控制指令集，控制指令集用于控制主动短路辅助模块4切换至工作状态，以使主动短路辅助模块4与电机的三相输入端3形成闭合回路，实现主动短路功能。

通过步骤S51—步骤S52，在三相输入端3的电压满足第一预设条件的情况下，控制主动短路辅助模块4切换至工作状态，以使主动短路辅助模块4与电机的三相输入端3形成闭合回路，实现主动短路功能，其中，第一预设条件可以为三相输入端3的电压大于电源2的输出电压，也可以为三相输入端3的电压在预设阈值范围内波动，第一预设条件优选为有对电源2进行反充损坏电源的风险条件。这样设置可有效保护电源2，避免损坏电源2。

进一步地，功率模块1至少包括逆变器，逆变器包括上三桥和下三桥，上三桥和下三桥的输出端与三相输入端3连接，上三桥和下三桥均包括三个并联的第二开关元件，且每一第二开关元件均与一个第二稳压元件并联，上三桥和下三桥的输入端分别与电源2的正极和负极连接，在三相输入端3的电压满足第一预设条件的情况下，生成控制指令集，包括如下步骤：

S521，在三相输入端3的电压满足第一预设条件的情况下，生成控制指令集中的第一控制指令和第二控制指令，第一控制指令用于断开功率模块1的全部第二开关元件，第二控制指令用于开启主动短路辅助模块4的全部第一开关元件，以使电机的三相电流在主动短路辅助模块4与电机的三相输入端3形成的闭合回路中流动。

通过步骤S521，在三相输入端3的电压满足第一预设条件的情况下，断开功率模块1的全部第二开关元件，开启主动短路辅助模块4的全部第一开关元件，可使得此时的功率模块1处于断开状态，与主动短路功能隔绝，由主动短路辅助模块4进行主动短路，主动短路辅助模块4的初始温度较低，不易发生过温风险，提升主动短路电路装置的安全性。

优选地，第一预设条件为三相输入端3的电压大于电源2的输出电压。这样可避免电机对电源2进行反向充电损坏电源2，应当明白的是，开启主动短路功能的瞬间，会产生较大的电流，有损坏开关元件的风险，可以适当放宽开启主动短路功能的条件(例如增大三相输入端3的电压阈值)，适当让电机对高压电池充电，保证充电电压在合理范围即可。

进一步地，控制指令集用于控制主动短路辅助模块4切换至工作状态后，方法还包括：

S53，在三相输入端3的电压满足第二预设条件的情况下，控制功率模块1的全部第二开关元件、主动短路辅助模块4的全部第一开关元件断开；第二预设条件为三相输入端3的电压小于电源2的输出电压。

通过步骤S53，三相输入端3的电压小于电源2的输出电压时，将第一开关元件和第二开关元件全部断开，反电势小于母线电压，无法经过续流二极管向高压电池整流回馈，不能形成闭合回路，不会有电流产生，也就没有扭矩输出。

根据本申请的另一具体实施例，还提供了一种车辆，车辆具有用于电驱动系统的主动短路电路装置，用于电驱动系统的主动短路电路装置为上述的用于电驱动系统的主动短路电路装置。

本申请还提供了一种用于电驱动系统的主动短路电路装置及其控制方法的优选实施例。本实施例基于三相全桥逆变系统与电机等效电路组成的电驱系统进行改进，其中，逆变系统主要由直流母线电容、放电电阻、滤波单元、三相全桥六开关主电路、三相主动短路辅助电路组成，每个开关可由多个功率器件并联实现，功率器件可是IGBT、MOSFET等，本实施例中采用IGBT，其中，三相主动短路辅助电路由三个开关(T7、T8、T9)组成，在逆变器正常工作时始终处于断开状态，当逆变器需要进入主动短路状态时，开关T1～T6断开，开关T7、T8、T9闭合与电机绕组构成回路实现主动短路功能。

本实施例中的主动短路电路装置进入主动短路工作状态时，某一时刻的电流流向如图2所示，T1～T6断开，退出工作状态，电流流经T7、T8、T9，由于T7～T9在进入主动短路之前未处于工作状态，结温与水温近似相等，可以承受较长时间的短路工作状态，避免了功率器件因前序工况带来的热累积叠加了主动短路的温升后造成热失控，有效提升了系统的可靠性。

需要说明的是，在进入ASC状态的瞬间，会产生较大的电流，有损坏IGBT的风险，所以要谨慎选择进入ASC的条件。比如适当放宽ASC的阈值，适当让其对高压电池充电，保证电压在合理范围即可。另外低速下退出ASC后应进入另外一种安全状态：FreeWheeling状态(逆变器关管)。此时反电势小于母线电压，无法经过续流二极管向高压电池整流回馈，不能形成闭合回路，不会有电流产生，也就没有扭矩输出。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电驱动系统的主动短路电路装置，其特征在于，包括：

功率模块(1)，所述功率模块(1)的输入端与车辆的电源(2)连接，所述功率模块(1)的输出端与电机的三相输入端(3)连接，所述功率模块(1)用于将所述电源(2)的输出电流转换为所述电机的三相电流；

主动短路辅助模块(4)，所述主动短路辅助模块(4)设置于所述功率模块(1)的输出端与所述电机的三相输入端(3)之间；

所述主动短路辅助模块(4)具有工作状态和关闭状态，所述主动短路辅助模块(4)处于所述工作状态时，所述主动短路辅助模块(4)与所述电机的三相输入端(3)形成闭合回路，以实现主动短路功能，所述主动短路辅助模块(4)处于所述关闭状态时，所述功率模块(1)的输出端与电机的三相输入端(3)接通。

2.根据权利要求1所述的用于电驱动系统的主动短路电路装置，其特征在于，所述主动短路辅助模块(4)包括：

第一开关元件，所述第一开关元件为三个，三个所述第一开关元件的第一端分别与所述三相输入端(3)连接，三个所述第一开关元件的第二端汇集于一处并连接设置。

3.根据权利要求2所述的用于电驱动系统的主动短路电路装置，其特征在于，所述主动短路辅助模块(4)还包括：

第一稳压元件，所述第一稳压元件为三个，每一所述第一开关元件与一个所述第一稳压元件并联设置。

4.根据权利要求2所述的用于电驱动系统的主动短路电路装置，其特征在于，所述第一开关元件为IGBT、MOSFET中的任意一种。

5.根据权利要求3所述的用于电驱动系统的主动短路电路装置，其特征在于，所述第一稳压元件为二极管。

6.一种主动短路电路装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法用于控制权利要求1-5中任一项所述的用于电驱动系统的主动短路电路装置，所述控制方法包括如下步骤：

检测所述三相输入端(3)的电压和所述电源(2)的输出电压；

在所述三相输入端(3)的电压满足第一预设条件的情况下，生成控制指令集，所述控制指令集用于控制所述主动短路辅助模块(4)切换至所述工作状态，以使所述主动短路辅助模块(4)与所述电机的三相输入端(3)形成闭合回路，实现主动短路功能。

7.根据权利要求6所述的主动短路电路装置的控制方法，其特征在于，所述功率模块(1)至少包括逆变器，所述逆变器包括上三桥和下三桥，所述上三桥和所述下三桥的输出端与所述三相输入端(3)连接，所述上三桥和所述下三桥均包括三个并联的第二开关元件，且每一所述第二开关元件均与一个第二稳压元件并联，所述上三桥和所述下三桥的输入端分别与所述电源(2)的正极和负极连接，在所述三相输入端(3)的电压满足所述第一预设条件的情况下，生成控制指令集，包括如下步骤：

在所述三相输入端(3)的电压满足所述第一预设条件的情况下，生成所述控制指令集中的第一控制指令和第二控制指令，所述第一控制指令用于断开所述功率模块(1)的全部第二开关元件，所述第二控制指令用于开启所述主动短路辅助模块(4)的全部第一开关元件，以使所述电机的三相电流在所述主动短路辅助模块(4)与所述电机的三相输入端(3)形成的所述闭合回路中流动。

8.根据权利要求7所述的主动短路电路装置的控制方法，其特征在于，所述第一预设条件为所述三相输入端(3)的电压大于所述电源(2)的输出电压。

9.根据权利要求7所述的主动短路电路装置的控制方法，其特征在于，所述控制指令集用于控制所述主动短路辅助模块(4)切换至所述工作状态后，所述方法还包括：

在所述三相输入端(3)的电压满足第二预设条件的情况下，控制所述功率模块(1)的全部所述第二开关元件、所述主动短路辅助模块(4)的全部所述第一开关元件断开；

所述第二预设条件为所述三相输入端(3)的电压小于所述电源(2)的输出电压。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆具有用于电驱动系统的主动短路电路装置，所述用于电驱动系统的主动短路电路装置为权利要求1-5中任一项所述的用于电驱动系统的主动短路电路装置。