CN210898512U - 电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路，其将三相全桥逆变电路分成高边与低边两个组，进行ASC时对低边与高边分别进行控制，在高边功率器件损坏或高边功率器件的驱动电源丢失时，通过获得的具体故障信息状态信号，进行高边ASC状态向低边ASC状态切换控制；或者在低边功率器件损坏或低边功率器件的驱动电源丢失时，通过获得的具体故障信息状态信号，进行低边ASC状态向高边ASC状态切换控制；本实用新型探测到潜在的可能导致扭矩安全风险的故障产生时后，不会因为当功率器件损坏或功率器件的驱动电源丢失或12V电源发生非预期的断路而导致无法进入或无法维持三相短路状态；可以令逆变电路维持在ASC状态，最大限度保障电动汽车的安全。

Description

电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路

技术领域

本实用新型涉及新能源乘用车领域，尤其涉及电动汽车电机系统切换到三相主动短路状态（ASC状态）的控制电路。

背景技术

近几年，中国从政策上积极推动新能源汽车尤其是电动汽车的发展，目的是为了减少对石油的使用，降低车辆尾气的排放，实现汽车绿色能源消耗。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，在电动车正常行驶时可将动力电池的直流电逆变成三相交流电，为驱动电机提供电源并控制电机输出转矩驱动车辆行驶；在电动车滑行或制动过程中电机控制器可控制驱动电机运行于馈电模式，将动能转换成电能给动力电池充电，有效地通过节约效能来提升电动车的纯电续航里程。

所以车载电机控制器直接关系到新能源乘用车的输出扭矩安全，也关系到新能源乘用车是否存在高压安全风险。当电机控制器出现错误的控制逻辑或由于采集到错误的传感器信号，会导致电机控制器逆变产生与既定需求存在偏差的三相交流电，的进而使电机输出非期望的扭矩，从而给整车带来扭矩安全风险；同时在一些应用场景，虽然整车已切断高压电池的能量输出，但由于新能源乘用车通常采用的永磁同步电机仍然旋转产生的反电动势会导致电机控制器仍残存高压直流能量，从而给整车带来高压安全风险。为了避免上述整车安全风险，目前主流的设计方案是将电机主动三相短路（ASC）状态定义为安全关断状态。这是因为当电机处于ASC状态时，电机在中高转速区域几乎不产生任何扭矩，仅在较低转速产生一定的负扭矩，但对于整车而言，低速区这样的负扭矩是可以接受的。这样就使当电机控制器探测到潜在的可能导致扭矩安全风险的故障产生时，通过微处理器或关断逻辑电路向由功率器件组成的三相全桥逆变电路发出ASC状态所对应的控制指令信号，使三相全桥逆变电路的功率器件产生对应的导通或关断动作，进而使电机切换到ASC状态，从而关断电机的扭矩输出，避免整车产生导致人身危害的扭矩，同时，由于ASC状态使电机三相绕组短路，电机不会因旋转产生高压能量，也能避免使整车存在高压安全风险。

ASC状态在电动汽车行驶过程中主要起到以下几方面作用：

1）整车失控时，实施ASC可产生反向转矩，使车辆缓慢制动，实现安全停车。2）动力电池故障时，实施ASC可使电机、电机控制器与动力电池侧隔离，保证整车高压安全。3）整车行驶过程中驱动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。4）电机控制器逆变电路中某个开关管（IGBT）故障时，实施ASC可避免不可控整流对其它器件或动力电池的损坏。

但是，当电机控制器的功率器件损坏或功率器件的驱动电源丢失时，原本需要导通的功率器件非预期地关断，或者原本需要关断的功率器件非预期地导通，从而电机控制器无法使电机维持在ASC状态，如果此时电机控制器探测到潜在的可能导致扭矩安全风险的故障产生并发出控制信号意图让电机进入并维持ASC状态时，由于此时由功率器件组成的三相全桥逆变电路已无法根据控制指令信号进行相应的导通或关断，此时电机无法确保在三相短路状态，仍会使整车存在扭矩及高压安全风险；另一种严重的情况是，由于高边功率器件与低边功率器件的驱动电源均来源于整车的12V低压电池，当进入电机控制器的12V电源发生非预期的断路时，功率器件会因为驱动电源的完全丢失而进入完全关断状态，在不同的电机应用中，完全关断状态可能会导致整车产生可能导致危害事件的不可接受的制动状态或非预期的高压能量残存。

因此，如何设计一种在进入三相主动短路状态时，能控制逆变电路存在上述异常时仍然维持在ASC状态，是业界亟待解决的技术问题。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提出一种电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路。

本实用新型采用的技术方案是设计一种电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路，具有三相全桥逆变模块，所述三相全桥逆变模块内包括高边功率器件和低边功率器件，其包括微控制器、关断逻辑模块、高边功率器件驱动模块、低边功率器件驱动模块、高边功率器件诊断模块、低边功率器件诊断模块；其中所述微控制器，对可能导致扭矩安全风险的故障进行探测，在必要时触发ASC状态使能信号；所述关断逻辑模块，用于接收ASC状态使能信号、采集高边功率器件和低边功率器件状态，进而判断是使三相全桥逆变模块进入高边ASC状态或低边ASC状态、并发出相应的控制指令信号；所述高边ASC状态中，低边功率器件关断、高边功率器件导通；所述低边ASC状态中，低边功率器件导通、高边功率器件关断；所述高边功率器件驱动模块，根据所述控制指令信号驱动所述高边功率器件导通或关断；所述低边功率器件驱动模块，根据所述控制指令信号驱动所述低边功率器件导通或关断；所述高边功率器件诊断模块，用于对所述高边功率器件进行诊断，并将高边功率器件的状态发送给所述关断逻辑模块；所述低边功率器件诊断模块，用于对所述低边功率器件进行诊断，并将低边功率器件的状态发送给所述关断逻辑模块。

所述控制电路还包括看门狗模块，所述看门狗模块用于监控微控制器运行状态，在探测到微控制器存在可能导致错误运行的故障时，向所述关断逻辑模块触发ASC状态使能信号。

所述控制电路还包括低压驱动电源模块，所述低压驱动电源模块将电动汽车内的低压电池的电能供给所述低边功率器件驱动模块和高边功率器件驱动模块。

所述控制电路还包括高压取电电源模块，所述高压取电电源模块将电动汽车内的高压电池的电能转换为功率器件驱动模块可接受的低压电能形式提供给所述高边功率器件驱动模块。

所述关断逻辑模块监控所述低压驱动电源模块和高压取电电源模块是否正常供电，进而判断是使三相全桥逆变模块进入高边ASC状态或低边ASC状态。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：本实用新型克服现有技术的技术漏洞，最大可能使电机在电机控制器探测到潜在的可能导致扭矩安全风险的故障产生时后，不会因为当功率器件损坏或功率器件的驱动电源丢失或12V电源发生非预期的断路或短路而导致无法进入或无法维持三相短路状态；利用高边ASC状态与低边ASC状态在原理及实施效果上的等效性可以令逆变电路维持在ASC状态，最大限度保障电动汽车的安全。

附图说明

下面结合实施例和附图对本实用新型进行详细说明，其中：

图1是本实用新型较佳实施例电路原理框图；

图2是功率器件触发低边ASC状态示意图；

图3是功率器件触发高边ASC状态示意图；

图4是高、低边功率器件完全关断状态示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型公开了一种电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路，其具有三相全桥逆变模块，所述三相全桥逆变模块内包括高边功率器件和低边功率器件，在进行ASC状态保持时对低边与高边分别进行控制。在高边功率器件开路，低边功率器件短路或高边功率器件的驱动电源丢失时，通过获得的具体故障信息状态信号，进行高边ASC状态向低边ASC状态切换控制；或者在低边功率器件开路，高边功率器件短路或低边功率器件的驱动电源丢失时，通过获得的具体故障信息状态信号，进行低边ASC状态向高边ASC状态切换控制。由于高边ASC状态与低边ASC状态在原理上及实施效果是等效的，从而在不增加额外电路的前提下在单边功率器件出现故障或单边驱动电源丢失时能确保ASC状态的可靠进入及有效保持。

参看图1示出的较佳实施例电路原理框图，从图中可以看出：所述控制电路包括微控制器、关断逻辑模块、高边功率器件驱动模块、低边功率器件驱动模块、高边功率器件诊断模块、低边功率器件诊断模块。

所述微控制器，对可能导致扭矩安全风险的故障进行探测，在必要时（可能导致扭矩安全风险时）触发ASC状态使能信号。

所述关断逻辑模块，用于接收ASC状态使能信号、采集高边功率器件和低边功率器件状态，进而判断是使三相全桥逆变模块进入高边ASC状态或低边ASC状态、并发出相应的控制指令。当高边功率器件有导致无法正常导通的故障或当低边功率器件有导致无法正常关断的故障时，会切换到由低边功率器件导通的ASC状态。所述高边ASC状态为高边三相功率器件导通并且低边功率器件关断的状态，如图3所示。所述低边ASC状态为低边三相功率器件导通并且高边功率器件关断的状态，如图2所示。

所述高边功率器件驱动模块，根据所述控制指令信号驱动所述高边功率器件导通或关断。

所述低边功率器件驱动模块，根据所述控制指令信号驱动所述低边功率器件导通或关断。

所述高边功率器件诊断模块，用于对所述高边功率器件进行诊断，并将高边功率器件的状态发送给所述关断逻辑模块；高边功率器件诊断模块的诊断包括但不限于：功率器件短路故障，功率器件导通关断状态与功率器件控制指令信号不一致故障，功率器件驱动电源过压故障，功率器件驱动电源欠压故障，并在故障触发后发出有效的故障状态指示信号。

所述低边功率器件诊断模块，用于对所述低边功率器件进行诊断，并将低边功率器件的状态发送给所述关断逻辑模块。低边功率器件诊断模块的诊断包括但不限于：功率器件短路故障，功率器件导通关断状态与功率器件控制指令信号不一致故障，功率器件驱动电源过压故障，功率器件驱动电源欠压故障，并在故障触发后发出有效的故障状态指示信号。

所述控制电路还包括看门狗模块，所述看门狗模块用于监控微控制器运行状态，在探测到微控制器存在可能导致错误运行的故障时，向所述关断逻辑模块触发ASC状态使能信号。

在较佳实施例中，所述控制电路还包括低压驱动电源模块，所述低压驱动电源模块将电动汽车内的低压电池的电能供给所述低边功率器件驱动模块和高边功率器件驱动模块。低压电池一般为12V。所述控制电路还包括高压取电电源模块，所述高压取电电源模块将电动汽车内的高压电池的电能转换为功率器件驱动模块能够接受的低压电能形式提供给所述高边功率器件驱动模块。

在较佳实施例中，所述关断逻辑模块监控所述低压驱动电源模块和高压取电电源模块是否正常供电，进而判断是使三相全桥逆变模块进入高边ASC状态或低边ASC状态；即向功率器件驱动模块输出高边三相主动短路所对应的控制指令信号，或者向功率器件驱动模块输出低边三相主动短路所对应的控制指令信号。当高压取电电源模块供电不正常时，会切换到低边ASC状态。

参看图1示出的较佳实施例，所述微控制器和门狗模块连接或门的两个输入端，或门的输出端连接所述关断逻辑模块。

为了能够更清楚地阐述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述：

所述微控制器对潜在的可能导致扭矩安全风险的故障产生进行探测，如果探测到故障的发生，微控制器输出ASC状态使能信号A（信号2），较佳地，ASC状态使能信号为一个硬线低电平信号。

所述看门狗模块监控微控制器的喂狗信号（信号1），当监控到喂狗信号异常后，输出ASC状态使能信号B（信号3），较佳地，ASC状态使能信号为一个硬线低电平信号；所述喂狗信号异常，包括但不局限于：微控制器没有发出喂狗信号，微控制器发出的喂狗信号超时，微控制器在看门狗喂狗窗口关闭的状态下发出喂狗信号。

所述微控制器与所述看门狗模块分别输出的ASC状态使能信号应当经过一个或逻辑后向关断逻辑模块输出唯一的ASC状态使能信号（信号11）。

所述关断逻辑模块根据ASC状态使能信号的状态，与高边功率器件诊断模块及低边功率器件诊断模块输出的高边功率器件故障状态指示信号及低边功率器件故障状态指示信号的状态，同时向高边功率器件驱动模块及低边功率器件驱动模块分别输出高边功率器件对应的控制指令信号（信号4）与低边功率器件对应的控制指令信号（信号5）。

所述微控制器输出高边功率器件与低边功率器件对应的控制指令信号与ASC状态使能信号的状态及高边功率器件诊断模块及低边功率器件诊断模块输出的高边功率器件故障状态指示信号的状态关系如下表所示：

当ASC状态使能信号有效且所述关断逻辑模块已根据关断逻辑模块输入信号状态进入并维持高边ASC状态或低边ASC状态后，当高边功率器件故障状态指示信号或低边功率器件故障状态指示信号出现变化时，关断逻辑模块应当根据上表对低边功率器件对应的控制指令信号以及高边功率器件对应的控制指令信号进行相应切换；

在较佳实施例中，为避免高边ASC状态向低边ASC状态切换或低边ASC状态向高边ASC状态过程中导致功率器件直通进而使功率器件短路，在两种ASC状态切换前低边功率器件对应的控制指令信号与高边功率器件对应的控制指令信号同时维持一定时间的完全关断状态，如图4所示，完全关断状态的维持时间取决于完全关断状态产生的反向扭矩能否会使整车产生不可接受的减速所对应的时间，在较佳实施例中，完全关断的持续时间为1至5us；

可选地，所述关断逻辑模块由与门，或门及反相器等逻辑器件实现。

可选地，所述关断逻辑模块也可由微控制器实现。

在更佳的实施例中，所述关断逻辑模块由CPLD（复杂逻辑器件）实现。

所述高边功率器件驱动模块收到高边功率器件对应的控制指令信号后，驱动电源转换为与控制指令信号对应的导通电压或关断电压信号（信号8）；同时地，所述低边功率器件驱动模块收到低边功率器件对应的控制指令信号后，将驱动电源转换为与控制指令信号对应的导通电压或关断电压信号（信号9）。

所述高边功率器件诊断模块通过识别每一个高边功率器件的实时采集获得的状态参数，包括但不局限于导通电压参数，导通电流参数，门极驱动电压参数，从而判断出每一个功率器件是否存在功率器件故障，包括但不局限于短路故障，功率器件导通关断状态与功率器件控制指令信号不一致故障，功率器件驱动电源过压故障，功率器件驱动电源欠压故障，并在故障触发后发出有效的高边功率器件故障状态指示信号（信号6），较佳地，高边功率器件故障状态指示信号为一个硬线低电平信号。

所述低边功率器件诊断模块通过识别每一个低边功率器件的实时采集获得的状态参数，包括但不局限于导通电压参数，导通电流参数，门极驱动电压参数，从而判断出每一个功率器件是否存在功率器件故障，包括但不局限于短路故障，功率器件导通关断状态与功率器件控制指令信号不一致故障，功率器件驱动电源过压故障，功率器件驱动电源欠压故障，并在故障触发后发出有效的低边功率器件故障状态指示信号（信号7），较佳地，低边功率器件故障状态指示信号为一个硬线低电平信号。

可选地，所述高边功率器件诊断模块及低边功率器件诊断模块功能可通过分立器件的组合实现。

可选地，所述高边功率器件诊断模块及低边功率器件诊断模块功能可通过微控制器实现。

在更佳的实施例中，所述高边功率器件诊断模块及低边功率器件诊断模块功能可通过集成短路故障，功率器件导通关断状态与功率器件控制指令信号不一致故障，功率器件驱动电源过压故障，功率器件驱动电源欠压故障诊断功能的功率器件门极驱动芯片实现。

所述高压取电电源模块与低压驱动电源模块组合向高边功率器件驱动模块或低边功率器件驱动模块提供驱动电源，在具体的实施例中，可能的组合方式包括但不局限于以下几种：

高压取电电源模块的输出与低压驱动电源模块的输出并联，向高边功率器件驱动模块提供驱动电源，低压驱动电源模块单独向低边功率器件驱动模块提供驱动电源。

高压取电电源模块的输出与低压驱动电源模块的输出并联，向低边功率器件驱动模块提供驱动电源，低压驱动电源模块单独向高边功率器件驱动模块提供驱动电源。

高压取电电源模块的输出与低压驱动电源模块的输出并联，同时向高边功率器件驱动模块及低边功率器件驱动模块提供驱动电源。

在一种较佳的实施例中，高压取电电源模块可采用单端反激式（Fly-back）直流变换器实现。

低压驱动电源模块同时向高边功率器件驱动模块及低边功率器件驱动模块提供驱动电源，当低压驱动电源模块输出异常时，由高压取电电源模块同时向高边功率器件驱动模块及低边功率器件驱动模块提供驱动电源。

由于本实用新型将由功率器件组成的三相全桥逆变电路分成高边与低边两个组进行控制，并实现高低边ASC状态的切换，能够实现安全可靠的实现车用电机ASC安全状态的进入及保持，原理简单，效果极佳。

以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims (5)

1.一种电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路，具有三相全桥逆变模块，所述三相全桥逆变模块内包括高边功率器件和低边功率器件，其特征在于，包括微控制器、关断逻辑模块、高边功率器件驱动模块、低边功率器件驱动模块、高边功率器件诊断模块、低边功率器件诊断模块；其中

所述微控制器，对可能导致扭矩安全风险的故障进行探测，在必要时触发ASC状态使能信号；

所述关断逻辑模块，用于接收ASC状态使能信号、采集高边功率器件和低边功率器件状态，进而判断是使三相全桥逆变模块进入高边ASC状态或低边ASC状态、并发出相应的控制指令信号；所述高边ASC状态中，低边功率器件关断、高边功率器件导通；所述低边ASC状态中，低边功率器件导通、高边功率器件关断；

所述高边功率器件驱动模块，根据所述控制指令信号驱动所述高边功率器件导通或关断；

所述低边功率器件驱动模块，根据所述控制指令信号驱动所述低边功率器件导通或关断；

所述高边功率器件诊断模块，用于对所述高边功率器件进行诊断，并将高边功率器件的状态发送给所述关断逻辑模块；

所述低边功率器件诊断模块，用于对所述低边功率器件进行诊断，并将低边功率器件的状态发送给所述关断逻辑模块。

2.如权利要求1所述的电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路，其特征在于，还包括看门狗模块，所述看门狗模块用于监控微控制器运行状态，在探测到微控制器存在可能导致错误运行的故障时，向所述关断逻辑模块触发ASC状态使能信号。

3.如权利要求2所述的电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路，其特征在于，还包括低压驱动电源模块，所述低压驱动电源模块将电动汽车内的低压电池的电能供给所述低边功率器件驱动模块和高边功率器件驱动模块。

4.如权利要求3所述的电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路，其特征在于，还包括高压取电电源模块，所述高压取电电源模块将电动汽车内的高压电池的电能转换为功率器件驱动模块可接受的低压电能形式提供给所述高边功率器件驱动模块。

5.如权利要求4所述的电动汽车电机系统三相主动短路的控制电路，其特征在于，所述关断逻辑模块监控所述低压驱动电源模块和高压取电电源模块是否正常供电，进而判断是使三相全桥逆变模块进入高边ASC状态或低边ASC状态。

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