CN117200140A - 车载电机系统高压安全保护装置、方法、车辆及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载电机系统高压安全保护装置、方法、车辆及存储介质，将主动短路和主动放电进行了融合设计，采用高压检测模块与母线电容并联，且输出端连接至主控制模块的输入端，放电电阻的一端连接至高压母线的正极，另一端通过开关模块接地，主控制模块的第一输出端通过数字信号隔离驱动模块连接至开关模块控制信号输入端，主动短路和主动放电可以一起执行，基于主继电器的断开和母线电压的异常升高作为判据，依次启动主动短路和主动放电。与现有技术相比，本发明具有可以在提高集成度，减少电气复杂度的情况下显著提高在碰撞等异常场景下的电气安全性能等优点。

Description

车载电机系统高压安全保护装置、方法、车辆及存储介质

技术领域

本发明涉及高压系统安全保护领域，尤其是涉及一种车载电机系统高压安全保护装置、方法、车辆及存储介质。

背景技术

随着新能源电动汽车的不断发展和科学技术的进步，整车功能不断增加，汽车电子系统也日益复杂化，车上越来越多的电控单元与我们的安全息息相关。我们将与我们安全相关的电控系统称为安全相关系统，功能安全所关注的正是安全相关系统失效可能导致的安全问题。

电机控制系统是电动汽车的重要组成部分，处于整个系统的高压核心网络，其可靠性对电动汽车的安全尤为重要。当新能源电动汽车运行异常，BMS输出的主继电器断开且电机控制器停止动力输出，此时若车辆处于高速滑行状态，永磁同步电机通过电机绕组产生的反电动势向母线电容充电，使母线电容和功率驱动模块两端的电压异常升高，最终导致电机控制系统内模块过压损坏。另外，针对现有主动放电功能需要通过电机绕组和功率模块实现，当系统在执行主动短路时无法被使能，因此，迫切需要设计一种车载电机系统高压安全保护策略，实现电控系统的安全保护。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种车载电机系统高压安全保护装置、方法、车辆及存储介质，通过联合设计主动短路和主动放电的电气结构，主动短路和主动放电可以一起执行，基于主继电器的断开和母线电压的异常升高作为判据，依次启动主动短路和主动放电，可以在提高集成度，减少电气复杂度的情况下显著提高在碰撞等异常场景下的电气安全性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种车载电机系统高压安全保护装置，包括高压母线、主继电器、母线电容和功率驱动模块，所述功率驱动模块的一端与母线电容并联，另一端与驱动电机连接，所述主继电器和母线电容均设与高压母线上；

还包括主控制模块、高压检测模块、模拟信号隔离转换模块、放电电阻、开关模块和数字信号隔离驱动模块，所述高压检测模块与母线电容并联，且输出端通过模拟信号隔离转换模块连接至主控制模块的第一输入端，所述放电电阻的一端连接至高压母线的正极，另一端通过开关模块接地，所述主控制模块的第一输出端通过数字信号隔离驱动模块连接至开关模块控制信号输入端，所述主控制模块被配置为：

获取主继电器的通断状态和高压检测模块采集的母线电压，当主继电器的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制所述功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路；

当控制所述功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路后，驱动开关模块导通。

所述获取主继电器的通断状态和高压检测模块采集的母线电压，当主继电器的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制所述功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路，具体包括：

检测主继电器的通断状态，并在主继电器的通断状态为断开时，持续获取高压检测模块采集的母线电压；

若主继电器的通断状态为断开期间，母线电压上升值超过第一设定阈值，则控制所述功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路。

所述主控制器在控制所述功率驱动模块切断和母线电容的连接，并等待设定时长后，驱动开关模块导通。

所述装置还包括三相电流采样模块，所述三相电流采样模块设于功率驱动模块和驱动电机之间，且所述三相电流采样模块的输出端连接至主控制模块的第二输入端。

所述装置还包括电机转子位置采样模块，所述电机转子位置采样模块的一侧连接至驱动电机，另一侧分别连接至主控制模块的第三输入端和第二输出端。

一种电动车辆，，含有如上述的装置。

一种车载电机系统高压安全保护方法，包括：

获取主继电器的通断状态和母线电压，当主继电器的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路；

当控制功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路后，驱动主动放电模组工作。

所述获取主继电器的通断状态和母线电压，当主继电器的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路，具体包括：

检测主继电器的通断状态，并在主继电器的通断状态为断开时，持续获取母线电压；

若主继电器的通断状态为断开期间，母线电压上升值超过第一设定阈值，则控制功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路。

所述当控制功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路后，驱动主动放电模组工作，具体为：

在控制功率驱动模块切断和母线电容的连接，并等待设定时长后，驱动主动放电模组工作。

一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、通过联合设计主动短路和主动放电的电气结构，主动短路和主动放电可以一起执行，基于主继电器的断开和母线电压的异常升高作为判据，依次启动主动短路和主动放电，可以在提高集成度，减少电气复杂度的情况下显著提高在碰撞等异常场景下的电气安全性能。

2、从高压安全角度，结合整车当前转速和电机驱动系统的工作状态，设计了专用的主动短路策略，切断由电机绕组产生的反电动势向母线电容的非预期充电，避免母线电压异常升高，满足功能安全的高压安全需求；

3、从系统功能的冗余角度，当执行主动短路时，现有技术通过电机绕组和功率模块无法同时实现主动放电功能，本发明策略设计了新的放电电阻加开关模块的主动放电回路实现同步放电，将母线电压迅速降到60V以下的安全电压，保证高压回路的安全；

4、从控制算法角度，主控器模块根据系统的当前状态，作出最优化控制，包括主动短路、现有技术主动放电和本设计主动放电三种功能的控制策略，保证整个系统工作的安全可靠。

5、在主继电器为持续断开情况下的母线电压的异常升高作为触发判据，可以提高主动短路和主动放电启动的可靠性，进而提高高压系统的安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：M1为BMS高压电池模块，K1为主继电器，C1为母线电容，R1为放电电阻，M2为高压检测模块，M3为开关模块，M4为模拟信号隔离转换模块，M5为数字信号隔离驱动模块，M6为功率驱动模块，M7为主控制模块，M8为三相电流采样模块，M9为电机转子位置采样模块，M10为驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种车载电机系统高压安全保护装置，本申请一方面设计了一种电气拓扑结构，如图1所示，包括高压母线、主继电器K1、母线电容C1和功率驱动模块M6，功率驱动模块M6的一端与母线电容C1并联，另一端与驱动电机M10连接，主继电器K1和母线电容C1均设与高压母线上；

还包括主控制模块M7、高压检测模块M2、模拟信号隔离转换模块M4、放电电阻R1、开关模块M3和数字信号隔离驱动模块M5，高压检测模块M2与母线电容C1并联，且输出端通过模拟信号隔离转换模块M4连接至主控制模块M7的第一输入端，放电电阻R1的一端连接至高压母线的正极，另一端通过开关模块M3接地，主控制模块M7的第一输出端通过数字信号隔离驱动模块M5连接至开关模块M3控制信号输入端。

高压母线还连接至BMS高压电池模块M1，主继电器K1连接于高压母线的正极线路或者火线上，位于BMS高压电池模块M1和母线电容C1之间，其中主继电器K1、母线电容C1、高压检测模块M2和功率驱动模块M6依次设置。

如上，针对功能安全的高压安全需求，分别设计和实现了新的主动放电回路及主动短路功能，通过专用的主动短路功能能够有效避免电机绕组产生的反电动势向母线薄膜电容充电导致母线电压异常升高；通过主动放电功能可以实现在新能源电动汽车运行异常且主继电器K1断开时，将母线电压迅速降到60V以下的安全电压，具体如下：

BMS高压电池模块M1、主继电器K1、母线电容C1构成了高压电源输入回路，该回路功能包括为后级电机控制系统输出动力提供连续稳定的电能。

图1所示由放电电阻R1、开关模块M3、数字信号隔离驱动模块M5和主控制模块M7实现主动放电功能，具体是在新能源电动汽车运行异常且主继电器K1断开时，此系统在执行主动短路功能通过电机绕组和功率模块无法同时实现主动放电功能，主控制模块M7执行新的主动放电策略，通过数字信号隔离驱动模块M5控制开关模块M3导通，将母线电容C1上的能量通过放电电阻R1以热的形式迅速释放掉，达到高压安全的目的。

高压电压检测回路由高压检测模块M2、模拟信号隔离转换模块M4和主控制模块M7构成，该回路功能包括主控制模块M7可以实时检测高压回路的电压值，便于主控器模块及时作出最优控制。

图1所示由主控制模块M7、功率驱动模块M6、驱动电机M10和电机转子位置采样模块M9实现主动短路功能，具体是在新能源电动汽车运行异常，且检测到有反电动势异常充电时，主控制器模块执行主动短路功能，控制实现功率驱动模块M6和永磁同步电机绕组形成闭合短路回路，切断由电机绕组产生的反电动势向母线电容C1的非预期充电，避免母线电压异常升高，产生高压安全隐患。

本实施例中，母线电容C1可以采用常规的薄膜电容，驱动电机M10可以采用永磁同步电机。

另一方面，本申请也设计了一种程序，该程序运行于主控制模块M7上，具体的，主控制模块M7被配置为：

获取主继电器K1的通断状态和高压检测模块M2采集的母线电压，当主继电器K1的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制功率驱动模块M6切断和母线电容C1的连接以与驱动电机M10形成闭合回路；

当控制功率驱动模块M6切断和母线电容C1的连接以与驱动电机M10形成闭合回路后，驱动开关模块M3导通。

基于主继电器K1的断开状态和母线电压的异常升高作为判据，依次启动主动短路和主动放电，可以在提高集成度，减少电气复杂度的情况下显著提高在碰撞等异常场景下的电气安全性能。

本实施例中，在判决方面的设计的流程具体包括：

检测主继电器K1的通断状态，并在主继电器K1的通断状态为断开时，持续获取高压检测模块M2采集的母线电压；

若主继电器K1的通断状态为断开期间，母线电压上升值超过第一设定阈值，则控制功率驱动模块M6切断和母线电容C1的连接以与驱动电机M10形成闭合回路。

在主继电器K1为持续断开情况下的母线电压的异常升高作为触发判据，可以提高主动短路和主动方便启动的可靠性，进而提高安全性。

此外，本实施例中，动作过程，具体为：主控制器在控制功率驱动模块M6切断和母线电容C1的连接，并等待设定时长后，驱动开关模块M3导通。

本实施例中，装置还包括三相电流采样模块M8，三相电流采样模块M8也作为实现主动放电功能的组成之一，三相电流采样模块M8设于功率驱动模块M6和驱动电机M10之间，且三相电流采样模块M8的输出端连接至主控制模块M7的第二输入端。三相电流采样模块M8置于永磁同步电机M10绕组的三相输出铜排上，完成对电机三相绕组电流的实时检测，并将三相电流值给到主控制模块M7，主控制模块M7根据当前的电流值可以计算得到电机当前的制动扭矩，以及估算功率驱动模块M6和电机绕组的发热情况，用于判定此时的主动短路状态是否安全。

本实施例中，装置还包括电机转子位置采样模块M9，电机转子位置采样模块M9也作为实现主动放电功能的组成之一，电机转子位置采样模块M9的一侧连接至驱动电机M10，另一侧分别连接至主控制模块M7的第三输入端和第二输出端。电机转子位置采样模块M9通过低压线束分别与主控制模块M7和永磁同步电机M10相连，用以接收的主控制模块M7输出的激磁信号，并实时产生正、余弦反馈信号给到主控制模块M7，主控制模块M7通过对接收的正、余弦进行解码运算，得到电机的实时转速和位置信息，主控制模块M7根据电机当前转速的高低和其他数据判定电控系统是否进入主动短路状态。

本申请的车载电机系统高压安全保护装置主要被应用于电动车辆上，作为其车载驱动电机M10系统的核心子系统之一。

并且，主控制模块M7可以是一个嵌入式系统，其上的程序可以与硬件作为整体进行实施，也可以将其硬件和软件进行分离，由不同的厂商提供，然后最终主机厂进行结合实施。

在以上实施方式中，对于主控制模块M7而言，其第一/第二在用于描述输入端或者输出端时，并不表示必须要遵从其输入端口和输出端口的数字序号，并且甚至可以是一个或多个输入端口或者输出端口的组合。

在一些其他实施方式中，也可以采用其他主动放电模组，但是该主动放电模组必须与主控制模块M7连接。如此，主控制模块M7上的程序可以被配置为一种车载电机系统高压安全保护方法，包括：

获取主继电器K1的通断状态和母线电压，当主继电器K1的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制功率驱动模块M6切断和母线电容C1的连接以与驱动电机M10形成闭合回路；

当控制功率驱动模块M6切断和母线电容C1的连接以与驱动电机M10形成闭合回路后，驱动主动放电模组工作。

其中，前述的获取主继电器K1的通断状态和母线电压，当主继电器K1的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制功率驱动模块M6切断和母线电容C1的连接以与驱动电机M10形成闭合回路，具体包括：检测主继电器K1的通断状态，并在主继电器K1的通断状态为断开时，持续获取母线电压；若主继电器K1的通断状态为断开期间，母线电压上升值超过第一设定阈值，则控制功率驱动模块M6切断和母线电容C1的连接以与驱动电机M10形成闭合回路。

前述的当控制功率驱动模块M6切断和母线电容C1的连接以与驱动电机M10形成闭合回路后，驱动主动放电模组工作，具体为：在控制功率驱动模块M6切断和母线电容C1的连接，并等待设定时长后，驱动主动放电模组工作。

上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (10)

1.一种车载电机系统高压安全保护装置，包括高压母线、主继电器、母线电容和功率驱动模块，所述功率驱动模块的一端与母线电容并联，另一端与驱动电机连接，所述主继电器和母线电容均设与高压母线上；

其特征在于，还包括主控制模块、高压检测模块、模拟信号隔离转换模块、放电电阻、开关模块和数字信号隔离驱动模块，所述高压检测模块与母线电容并联，且输出端通过模拟信号隔离转换模块连接至主控制模块的第一输入端，所述放电电阻的一端连接至高压母线的正极，另一端通过开关模块接地，所述主控制模块的第一输出端通过数字信号隔离驱动模块连接至开关模块控制信号输入端，所述主控制模块被配置为：

获取主继电器的通断状态和高压检测模块采集的母线电压，当主继电器的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制所述功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路；

当控制所述功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路后，驱动开关模块导通。

2.根据权利要求1所述的一种车载电机系统高压安全保护装置，其特征在于，所述获取主继电器的通断状态和高压检测模块采集的母线电压，当主继电器的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制所述功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路，具体包括：

检测主继电器的通断状态，并在主继电器的通断状态为断开时，持续获取高压检测模块采集的母线电压；

若主继电器的通断状态为断开期间，母线电压上升值超过第一设定阈值，则控制所述功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路。

3.根据权利要求1所述的一种车载电机系统高压安全保护装置，其特征在于，所述主控制器在控制所述功率驱动模块切断和母线电容的连接，并等待设定时长后，驱动开关模块导通。

4.根据权利要求1所述的一种车载电机系统高压安全保护装置，其特征在于，所述装置还包括三相电流采样模块，所述三相电流采样模块设于功率驱动模块和驱动电机之间，且所述三相电流采样模块的输出端连接至主控制模块的第二输入端。

5.根据权利要求1所述的一种车载电机系统高压安全保护装置，其特征在于，所述装置还包括电机转子位置采样模块，所述电机转子位置采样模块的一侧连接至驱动电机，另一侧分别连接至主控制模块的第三输入端和第二输出端。

6.一种电动车辆，其特征在于，含有如权利要求1-5中任一所述的装置。

7.一种车载电机系统高压安全保护方法，其特征在于，包括：

获取主继电器的通断状态和母线电压，当主继电器的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路；

当控制功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路后，驱动主动放电模组工作。

8.根据权利要求7所述的一种车载电机系统高压安全保护方法，其特征在于，所述获取主继电器的通断状态和母线电压，当主继电器的通断状态为断开，且母线电压异常升高时，控制功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路，具体包括：

检测主继电器的通断状态，并在主继电器的通断状态为断开时，持续获取母线电压；

若主继电器的通断状态为断开期间，母线电压上升值超过第一设定阈值，则控制功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路。

9.根据权利要求7所述的一种车载电机系统高压安全保护方法，其特征在于，所述当控制功率驱动模块切断和母线电容的连接以与驱动电机形成闭合回路后，驱动主动放电模组工作，具体为：

在控制功率驱动模块切断和母线电容的连接，并等待设定时长后，驱动主动放电模组工作。

10.一种存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现如权利要求7-9中任一所述的方法。