CN219833999U - 电机控制系统和车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种电机控制系统和车辆。该电机控制系统包括：功率模块，用于与电机连接以驱动所述电机；以及分别用于驱动所述功率模块的上、下桥臂的上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片，其中，在所述上桥臂驱动芯片和所述下桥臂驱动芯片内各自集成有驱动电源模块，所述驱动电源模块用于将来自车载电源模块的输入电压转换为用于驱动所述功率模块的输出电压。

Description

电机控制系统和车辆

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种电机控制系统和车辆。

背景技术

电池、电机、电控是新能源电动车的三大核心部件，三者最主要的功能是将储存在电池中的直流电通过逆变的方式转换成交流电，从而驱动电机旋转运动，为车辆提供驱动力。作为重要的功率转换器件，功率模块(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或碳化硅(SiC)模块)的正常工作离不开驱动电源和驱动芯片，其在电机控制器中大多体现为非常复杂的硬件模块电路，尤其是驱动电源，在常规设计中普遍采用由铜线、磁芯以及骨架组成的变压器，这不仅增加了印刷电路板(PCB)的面积，同时也引入了许多风险，例如，由于变压器重量大而在振动中容易失效、由于铜线的绕制而引入的清洁度问题等等。上述问题不仅是电机控制器设计领域的难点，还为电驱动产品的失效埋下了安全隐患。

此外，目前市面上所存在的驱动芯片普遍存在功能集成度低、设计复杂且成本高的问题。

实用新型内容

为了解决或至少缓解以上问题中的一个或多个，提供了以下技术方案。本实用新型的实施例提供了一种电机控制系统和车辆，其简化了电机控制系统的硬件架构和元器件数量，在提高了产品功率密度和可靠性的同时，大大降低系统的硬件成本和复杂度。

根据本实用新型的第一方面，提供一种电机控制系统，包括：功率模块，用于与电机连接以驱动所述电机；以及分别用于驱动所述功率模块的上、下桥臂的上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片，其中，在所述上桥臂驱动芯片和所述下桥臂驱动芯片内各自集成有驱动电源模块，所述驱动电源模块用于将来自车载电源模块的输入电压转换为用于驱动所述功率模块的输出电压。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的系统中，所述上桥臂驱动芯片、下桥臂驱动芯片分别由第一车载电源模块、第二车载电源模块供电，并且，所述第一车载电源模块为车载DC-DC电源并且所述第二车载电源模块为车载低压电池；或所述第一车载电源模块为所述车载低压电池并且所述第二车载电源模块为所述车载DC-DC电源。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的系统中，所述驱动电源模块采用全桥电源拓扑结构，并且所述第二车载电源模块连接至Boost升压变换器并经由所述Boost升压变换器向所述下桥臂驱动芯片供电。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的系统中，所述驱动电源模块采用反激式电源拓扑结构，并且所述第二车载电源模块直接连接至所述下桥臂驱动芯片并向其供电。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的系统中，所述第一车载电源模块和所述第二车载电源模块之间串联有诊断模块，并且，当所述第一车载电源模块开路时，所述第二车载电源模块经由所述诊断模块向所述上桥臂驱动芯片供电；当所述第二车载电源模块开路时，所述第一车载电源模块经由所述诊断模块向所述下桥臂驱动芯片供电。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的系统中，所述诊断模块具有电流检测和过流关断功能，并且，所述诊断模块被配置成：当检测到来自所述第一车载电源模块的输入电流大于或等于第一阈值时，断开所述诊断模块与所述第一车载电源模块之间的连接；当检测到来自所述第二车载电源模块的输入电流大于或等于第二阈值时，断开所述诊断模块与所述第二车载电源模块之间的连接。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的系统中，所述驱动电源模块包括变压器和电源控制模块，所述电源控制模块配置成：对所述驱动电源模块的输出电压进行监控，并在电压异常时通过第一引脚输出故障状态，其中所述第一引脚为所述上、下桥臂驱动芯片的故障输出引脚；以及接收由变压器副边的反馈控制模块采集的输出电压采样信号，并且根据所述输出电压采样信号生成用于调节所述输出电压的脉宽调制信号。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的系统中，在所述上、下桥臂驱动芯片内进一步集成有驱动能力调节模块，所述驱动能力调节模块配置成：接收来自微处理器的控制信号，其中所述控制信号至少基于车载高压电池的荷电状态而生成；以及根据所述控制信号实时调节所述上、下桥臂驱动芯片输出的驱动电流，从而改变所述功率模块中的开关元件的开通和关断速度。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的系统中，所述上、下桥臂驱动芯片还集成有差分模拟隔离运放和/或单端模拟隔离运放，以用于高压侧模拟信号的采集；所述上、下桥臂驱动芯片还集成有数字隔离通道，以用于将高压侧数字信号传输至低压侧、或将低压侧数字信号传输至高压侧。

根据本实用新型的第二方面，提供了一种车辆，该车辆包括根据本实用新型的第一方面所述的电机控制系统中的任意一项。

根据本实用新型的一个或多个实施例的电机控制方案将驱动电源模块分别集成在用于驱动功率模块的上、下桥臂的上、下桥臂驱动芯片中，减少了现有设计中驱动电源与驱动芯片之间的复杂布线，并简化了电机控制系统的硬件架构和元器件数量，在提高了产品功率密度和可靠性的同时，大大降低系统的硬件成本和复杂度。此外，集成了驱动电源模块的上、下桥臂驱动芯片具备无需通过额外的变压器即可直接连接至车载低压电池的能力，从而进一步简化了电机控制系统的硬件架构并节约了系统成本。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本实用新型的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1示出了根据本实用新型的一个或多个实施例的电机控制系统10的示意性框图；

图2示出了根据本实用新型的一个或多个实施例的集成的驱动电源模块的示意性电路图；

图3示出了根据本实用新型的一个或多个实施例的集成的驱动电源模块的示意性电路图；

图4示出了根据本实用新型的一个或多个实施例的驱动芯片的应用场景；

图5示出了根据本实用新型的一个或多个实施例的驱动芯片的应用场景。

具体实施方式

以下具体实施方式的描述本质上仅仅是示例性的，并且不旨在限制所公开的技术或所公开的技术的应用和用途。此外，不意图受在前述技术领域、背景技术或以下具体实施方式中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。

诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本实用新型的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。要理解的是，本公开的技术通常用于电动汽车，其包括但不限于纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)等。

在下文中，将参考附图详细地描述根据本实用新型的各示例性实施例。

下面参考图1，图1示出了根据本实用新型的一个或多个实施例的电机控制系统10的示意性框图。如图1所示，电机控制系统10包括功率模块110、上桥臂驱动芯片120和下桥臂驱动芯片130。

功率模块110由多相桥电路构成，其中每一相桥电路均包括上桥臂功率开关器件和下桥臂功率开关器件。功率模块110用于将驱动电源模块的输出电压转换成交流电，以驱动电机输出扭矩或转速。

上桥臂驱动芯片120和下桥臂驱动芯片130分别用于驱动功率模块的上桥臂和下桥臂。与现有技术不同，在上桥臂驱动芯片120和下桥臂驱动芯片130内各自集成有驱动电源模块(例如，上桥臂驱动芯片120内的驱动电源模块、下桥臂驱动芯片130内的驱动电源模块)，驱动电源模块用于将来自车载电源模块的输入电压隔离转换为用于驱动功率模块的输出电压。示例性地，集成在上桥臂驱动芯片120和下桥臂驱动芯片130内的驱动电源模块可以采用多种拓扑形式，例如，降压-升压型(Buck–boost)电源拓扑结构、反激式(Flyback)电源拓扑结构、降压型(Buck)电源拓扑结构等。

图2和图3分别示出了根据本实用新型的一个或多个实施例的集成的驱动电源模块的示意性电路图。在如图2所的实施例中，集成的驱动电源模块采用全桥电源拓扑结构，以输出全波整流。示例性地，集成的驱动电源模块包括变压器和电源控制模块。可以理解的是，驱动电源与驱动芯片集成后，在芯片制造过程中可将电源控制部分与驱动芯片在同一块硅衬底上制作，两块芯片集成在同一硅片上，大大降低了硅晶片的成本。此外，驱动电源模块的VCC/VEE以及驱动芯片的VCC/VEE分别在芯片内部实现连接，从而减小了电源供电回路的面积，改善了电磁兼容性能，增强了硬件的可靠性。

还需要说明的是，现有的驱动芯片设计方案由于磁性元件变压器的集成难度大，电源功能、驱动功能的融合设计难度大等困境的存在，并未考虑到驱动电源与驱动芯片的集成设计。根据本实用新型的上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片将采用PCB走线代替难于集成在芯片封装内部的变压器绕线，或者采用硅片上走线代替铜绕线，并采取扁平变压器磁芯，通过优化电源设计方案尽量减小磁芯尺寸。此外，根据本实用新型的上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片还可以采用无骨架变压器设计方案，通过灌封固定等方式进一步减小变压器尺寸。

示例性地，图2所示的电源控制模块可以配置成对驱动电源模块的输出电压进行监控，并在电压异常(例如，欠压、过压)时通过nFAULT引脚输出故障状态。这里，nFAULT引脚为上、下桥臂驱动芯片的故障输出引脚，也即，nFAULT引脚既可以输出驱动电源模块的故障状态，还可以输出驱动芯片的故障状态。通过引脚公用，即可以优化PCB布线，又可节省微处理器(MCU)资源，提高了MCU的故障状态识别效率。

示例性地，电源控制模块还可以配置成接收由变压器副边的反馈控制模块采集的输出电压采样信号，并且根据输出电压采样信号生成用于调节输出电压的脉宽调制信号(例如，如图2所示的PWM1-PWM4)。可选地，电源控制模块还可以具有使能功能，当有外部故障发生或输入电源不满足要求时，可不使能驱动电源模块。

在如图3所示的实施例中，集成的驱动电源模块采用反激式(Flyback)电源拓扑结构，从而具有宽输入电压范围。类似地，如图3所示的集成的驱动电源模块包括变压器和电源控制模块，并且可以集成有与图2所示的驱动电源模块相同或相似的功能。

下面返回参考图1，可选地，在上、下桥臂驱动芯片120、130内还可以集成有驱动能力调节模块，驱动能力调节模块配置成：接收来自MCU的控制信号，其中控制信号至少基于车载高压电池的荷电状态而生成；以及根据控制信号实时调节上、下桥臂驱动芯片120、130输出的驱动电流，从而改变功率模块110中的开关元件的开通和关断速度。示例性地，在车载高压电池的荷电状态较高的情况下，为了避免过压击穿损坏功率模块，此时需要提供对于功率模块中的开关元件的较低的驱动能力，也即，通过提供较小的驱动电流从而降低功率模块中的开关元件的开通和关断速度；随着车载高压电池的荷电状态的降低，可以逐渐提高对于功率模块的驱动能力，也即，通过提供较大的驱动电流从而提高功率模块中的开关元件的开通和关断速度，以降低开关损耗、提高模块的利用率和整机效率。

可选地，在上、下桥臂驱动芯片120、130内还集成有差分模拟隔离运放和/或单端模拟隔离运放，以用于高压侧模拟信号的采集。示例性地，当在高压侧使用分流电阻采集电机的相电流时，需要将采集的电流信号经驱动芯片内部隔离运放输入到MCU。示例性地，单端模拟隔离运放还可用于功率开关元件的温度采样、或者高压电压的采集。可选地，在上、下桥臂驱动芯片120、130内还集成有数字隔离通道，以用于将高压侧数字信号传输至低压侧、或将低压侧数字信号传输至高压侧，从而避免了外部数字隔离器的使用。

需要进一步说明的是，为了满足功能安全ISO 26262的要求，电动汽车的电源架构一般都比较复杂，目前市场上大部分采用两路电源设计，一路来自高压电池，通过Flyback隔离变换后输出给功率模块的驱动电源，经过驱动电源的隔离转换后，供给驱动回路以用于驱动功率模块；而另一路则来自车载低压电池(例如，小电池KL30)，经过DC-DC变换(例如，buck boost变换)后输出给功率模块的驱动电源，经过驱动电源的隔离转换后，供给驱动回路以用于驱动功率模块。然而，上述电源架构相对复杂，设计难度大，成本高，尤其是高压Flyback电源和低压buck boost电源。然而，根据本实用新型的集成了驱动电源模块的上桥臂驱动芯片120和下桥臂驱动芯片130具备无需通过额外的变压器即可直接连接至车载电池的能力，也即，在一些使用场景中，车载低压电池无需经过DC-DC变换即可直接向驱动芯片供电，从而大大简化了电机控制系统的硬件架构并节约了系统成本。

具体而言，上桥臂驱动芯片120、下桥臂驱动芯片130分别由第一车载电源模块、第二车载电源模块供电。需要说明的是，第一车载电源模块和第二车载电源模块为不同的电源模块，例如，当第一车载电源模块为车载DC-DC电源时，第二车载电源模块为车载低压电池；当第一车载电源模块为车载低压电池并且第二车载电源模块为车载DC-DC电源。

下面将结合图4和图5详细介绍根据本实用新型的驱动芯片的应用场景。如图4所示的上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片各自集成有采用反激式电源拓扑结构的驱动电源模块(例如，如图3所示的驱动电源模块)。采用反激式电源拓扑结构的上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片的输入电压最小值应小于或等于5V，最大应大于或等于32V，以保证驱动电源模块对输入电源具有一定的鲁棒性。上桥臂驱动芯片的低压侧电源输入直接取自车载DC-DC电源，经过驱动芯片内部电源隔离转换后，在高压侧输出用于驱动功率模块的驱动电压(例如，24V)；下桥臂驱动芯片的低压侧电源输入直接取自车载低压电池，经过驱动芯片内部电源隔离转换后，在高压侧输出用于驱动功率模块的驱动电压(例如，24V)。在该实施例中，车载低压电池无需经过DC-DC变换即可直接向下桥臂驱动芯片供电，从而大大简化了电机控制系统的硬件架构并节约了系统成本。

可选地，在车载DC-DC电源和车载低压电池之间串联有诊断模块，示例性地，该诊断模块可以是电子保险丝(eFUSE)电路。借助于诊断模块，使得车载DC-DC电源和车载低压电池之间可以相互备份、互为冗余电源。具体而言，当车载DC-DC电源失效停止工作或者输入开路时，车载低压电池经由诊断模块向上桥臂驱动芯片供电，使得车辆可继续运行；同理，当车载低压电池失效停止工作或者输入开路时，车载DC-DC电源可经由诊断模块向下桥臂驱动芯片供电，使得车辆可继续运行。

可选地，诊断模块还具有电流检测和过流关断功能，并且，诊断模块被配置成：当检测到来自车载DC-DC电源短路时(例如，输入电流大于或等于第一阈值时)，断开诊断模块与车载DC-DC电源之间的连接，从而保证车载低压电池能正常供电给下桥臂驱动芯片，使得车辆可以进入相应的安全状态；同理，当检测到来自车载低压电池短路时(例如，输入电流大于或等于第二阈值时)，断开诊断模块与车载低压电池之间的连接，从而保证车载DC-DC电源正常供电给上桥臂驱动芯片，使得车辆可以进入相应的安全状态。

如图5所示的上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片各自集成有采用全桥电源拓扑结构的驱动电源模块(例如，如图2所示的驱动电源模块)。上桥臂驱动芯片的低压侧电源输入直接取自车载DC-DC电源，经过驱动芯片内部电源隔离转换后，在高压侧输出用于驱动功率模块的驱动电压(例如，24V)；而车载低压电池经由Boost升压变换器，将变化的电压(例如，车载低压电池的电压一般在6-18V之间变化)转换成一个稳定的输出电压，例如24V，Boost升压变换器的输出电压作为下桥臂驱动芯片低压侧电源输入，经过驱动芯片内部电源隔离转换后，在高压侧输出用于驱动功率模块的驱动电压。类似地，在车载DC-DC电源和车载低压电池之间也可以串联有诊断模块，其功能与图4中的诊断模块相同或类似，此处不再赘述。

应理解的是，图4和图5仅示例性地示出了单相桥电路以及用于驱动该单相桥的上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片。针对由多相桥电路构成的功率模块，应对应地应用多个上桥臂驱动芯片和多个下桥臂驱动芯片(例如，针对三相电机应应用3个上桥臂驱动芯片和3个下桥臂驱动芯片)，其中每个驱动芯片均集成有具有相应拓扑结构的驱动电源模块。

根据本实用新型的一个或多个实施例的电机控制方案将驱动电源模块分别集成在用于驱动功率模块的上、下桥臂的上、下桥臂驱动芯片中，减少了现有设计中驱动电源与驱动芯片之间的复杂布线，并简化了电机控制系统的硬件架构和元器件数量，在提高了产品功率密度和可靠性的同时，大大降低系统的硬件成本和复杂度。此外，集成了驱动电源模块的上、下桥臂驱动芯片(例如，如图4所示的上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片)具备无需通过额外的变压器即可直接连接至车载电池的能力，从而进一步简化了电机控制系统的硬件架构并节约了系统成本。

根据本实用新型的另一方面，提供一种车辆，其包括如上文所述的任意一种电机控制系统。

本领域的技术人员将会理解，本文中所描述的各种示意性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。

为了表明硬件和软件间的可互换性，各种示意性部件、块、模块、电路和步骤在上文根据其功能性总体地进行了描述。这样的功能性以硬件形式或软件形式实施取决于特定应用以及对总体系统所施加的设计限制。本领域技术人员可以针对具体的特定应用、按照变化的方式来实现所描述的功能性，但是，这样的实现方式决策不应当被理解为导致与本实用新型范围的背离。

尽管只对其中一些本实用新型的具体实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本实用新型可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本实用新型精神及范围的情况下，本实用新型可能涵盖各种的修改与替换。

在这里提供本文中提出的实施例和示例，以便最好地说明按照本技术及其特定应用的实施例，并且由此使本领域的技术人员能够实施和使用本实用新型。但是，本领域的技术人员将会知道，仅为了便于说明和举例而提供以上描述和示例。所提出的描述不是意在涵盖本实用新型的各个方面或者将本实用新型局限于所公开的精确形式。

Claims (10)

1.一种电机控制系统，其特征在于，包括：

功率模块，用于与电机连接以驱动所述电机；以及

分别用于驱动所述功率模块的上、下桥臂的上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片，其中，在所述上桥臂驱动芯片和所述下桥臂驱动芯片内各自集成有驱动电源模块，所述驱动电源模块用于将来自车载电源模块的输入电压转换为用于驱动所述功率模块的输出电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述上桥臂驱动芯片、下桥臂驱动芯片分别由第一车载电源模块、第二车载电源模块供电，并且，

所述第一车载电源模块为车载DC-DC电源并且所述第二车载电源模块为车载低压电池；或

所述第一车载电源模块为所述车载低压电池并且所述第二车载电源模块为所述车载DC-DC电源。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，集成在所述上、下桥臂驱动芯片中的所述驱动电源模块采用全桥电源拓扑结构，并且所述第二车载电源模块连接至Boost升压变换器并经由所述Boost升压变换器向所述下桥臂驱动芯片供电。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，集成在所述上、下桥臂驱动芯片中的所述驱动电源模块采用反激式电源拓扑结构，并且所述第二车载电源模块直接连接至所述下桥臂驱动芯片并向其供电。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一车载电源模块和所述第二车载电源模块之间串联有诊断模块，并且，

当所述第一车载电源模块开路时，所述第二车载电源模块经由所述诊断模块向所述上桥臂驱动芯片供电；

当所述第二车载电源模块开路时，所述第一车载电源模块经由所述诊断模块向所述下桥臂驱动芯片供电。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述诊断模块具有电流检测和过流关断功能，并且，所述诊断模块被配置成：

当检测到来自所述第一车载电源模块的输入电流大于或等于第一阈值时，断开所述诊断模块与所述第一车载电源模块之间的连接；

当检测到来自所述第二车载电源模块的输入电流大于或等于第二阈值时，断开所述诊断模块与所述第二车载电源模块之间的连接。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述驱动电源模块包括变压器和电源控制模块，所述电源控制模块配置成：

对所述驱动电源模块的输出电压进行监控，并在电压异常时通过第一引脚输出故障状态，其中所述第一引脚为所述上、下桥臂驱动芯片的故障输出引脚；以及

接收由变压器副边的反馈控制模块采集的输出电压采样信号，并且根据所述输出电压采样信号生成用于调节所述输出电压的脉宽调制信号。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述上、下桥臂驱动芯片内进一步集成有驱动能力调节模块，所述驱动能力调节模块配置成：

接收来自微处理器的控制信号，其中所述控制信号至少基于车载高压电池的荷电状态而生成；以及

根据所述控制信号实时调节所述上、下桥臂驱动芯片输出的驱动电流，从而改变所述功率模块中的开关元件的开通和关断速度。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，

所述上、下桥臂驱动芯片还集成有差分模拟隔离运放和/或单端模拟隔离运放，以用于高压侧模拟信号的采集；

所述上、下桥臂驱动芯片还集成有数字隔离通道，以用于将高压侧数字信号传输至低压侧、或将低压侧数字信号传输至高压侧。

10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的电机控制系统。