TW202002444A

TW202002444A - 具自動偵測功能之電壓控制裝置

Info

Publication number: TW202002444A
Application number: TW107122256A
Authority: TW
Inventors: 陳仁和
Original assignee: 士林電機廠股份有限公司
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-01-01
Also published as: TWI674721B

Abstract

本發明之具自動偵測功能之電壓控制裝置，包括一電壓控制單元與信號控制單元，電壓控制單元包括一高壓開關串聯於該直流鏈結電容與電壓供應器參考電位端之間，具有一控制端；一信號控制單元連接於控制端，藉由偵測電壓供應器的電壓位準，當電壓位準超過一保護電壓值時，輸出一切斷訊號至控制端，使高壓開關開路，以切斷電壓供應端對直流鏈結電容的連接，達到保護馬達驅動器避免過壓之目的。

Description

具自動偵測功能之電壓控制裝置

本發明係關於一種具自動偵測功能之電壓保護裝置，特別是關於一種適用於電動車電壓偵測與控制的保護裝置。

由於現在空氣汙染日愈嚴重，世界各國基於環境保護與環保因素，紛紛致力於電動車發展，歐美更提出2035~2040年要全面禁止汽油車生產。電動車動力來自於馬達，由馬達驅動電路來控制驅動馬達運轉。馬達大致可分成感應馬達與永磁馬達兩大類。當馬達轉速愈高時其反電動勢愈高，此時若馬達操作於發電機模式時反電動勢高於電池電壓，可以對電池充電。

習知的馬達驅動電路方塊圖如圖1所示，馬達驅動電路包括有一三相功率開關10連接一三相馬達12，三相功率開關10受一信號控制單元11輸出一脈波寬度調變訊號(PWM)的控制，驅動三相馬達12運轉，三相功率開關10更連接一電池直流鏈結電容13及一電池14，以供應馬12達運轉所需的電力。

在現有技術方面，中華民國第M500388號新型專利提出一種當電壓檢測單元檢測到外部電源單元的輸出電壓達到壓控元件的閥值電壓時，則壓控元件導通，輸出相應的控制電位至開關單元，關閉開關單元以保護供電單元。然而該技術無法使用於隔離式高壓系統，對超過元件耐壓之過電壓仍無法提供保護。

另外，中華民國第I381603號發明專利提出一種脈寬調變穩壓器之過壓保護電路，包括：一功率電晶體、一控制驅動電路產生驅動該功率電晶體之一脈寬調變驅動訊號、以及一電壓偵測電路偵測輸入該功率電晶體之一電源電壓，當電源電壓到達一預設電壓值時，輸出一過壓保護訊號，用以關閉該脈寬調變驅動訊號對於功率電晶體之驅動。然而該技術只關閉PWM，對超過元件耐壓之過電壓仍無法提供保護。

目前已知的電動車電池，當處於滿電狀態時並不容許充電，但若馬達正處於高速運轉狀態，例如車子行駛於長下坡狀態，此時在空載狀態下馬達的反電動勢因無法對電池充電而處於過高狀態，因而會造成馬達驅動電路的電壓過高而損壞。因此需要發展出一種控制方法能有效控制馬達驅動電路的電壓，以達到保護馬達驅動電路之目的。

為達成上述目的，本發明具自動偵測功能之電壓控制裝置包括一電壓控制單元與一信號控制單元，一信號控制單元之驅動電路輸出一脈波寬度調變訊號(PWM)驅動一三相馬達；一直流鏈結電容並聯於三相功率開關，連接於一電壓供應端，以供應該三相馬達運轉電壓，或由三相馬達的反電動勢供應至電壓供應端；一高壓開關連接於該直流鏈結電容與一電壓供應端參考電位端之間，具有一控制端；一信號控制單元連接於控制端，藉由偵測電壓供應端上的電壓位準，當電壓位準超過一保護電壓值時，輸出一切斷訊號至控制端，使高壓開關開路，以切斷電壓供應端對直流鏈結電容與三項功率開關的連接。

本發明系統於關機狀態仍時可自動偵測電壓並喚醒微控制器進入保護模式，另外本發明可避免電動車於高速拖吊或不當行駛時反電動勢電壓過高，損壞馬達驅動器。

10‧‧‧三相功率開關

12‧‧‧三相馬達

13‧‧‧直流鏈結電容

14‧‧‧電池

20‧‧‧信號控制單元

21‧‧‧微控制器

22‧‧‧驅動電路

23‧‧‧穩壓器

30‧‧‧電壓控制單元

31‧‧‧電壓偵測器

32‧‧‧比較器

33‧‧‧直流轉換器

34‧‧‧第一隔離器

35‧‧‧第二隔離器

40‧‧‧高壓開關

圖1係習知馬達驅動器電路方塊圖。

圖2係本發明自動偵測功能之電壓控制裝置實施例電路示意圖。

圖3係本發明之自動偵測電壓控制流程示意圖。

圖4-1係本發明之執行弱磁控制流程示意圖。

圖4-2係本發明之執行單相控制流程示意圖。

圖5係本發明S1,S4,S6導通的時相電流示意圖。

本發明為一種具自動偵測功能之電壓控制裝置，係使用於電動車的馬達驅動電路上，請參閱圖2所示係本發明電壓控制裝置的實施例電路示意圖。本發明實施例的電壓控制裝置具有兩種保護機制，第一種為以軟體控制的電壓保護機制，第二種為以硬體控制的電壓控制機制。本發明的電壓控制裝置包括一信號控制單元20、一電壓控制單元30、一三相功率開關10及一電池(BT3)14，其中該信號控制單元20又更包括一微控制器(MCU)21、一驅動電路22及一穩壓器(U2)23，而電壓控制單元30則又包括一電直流鏈結電容13、一電壓偵測器31、一比較器(U1A)32及一高壓開關40。

首先介紹本發明以軟體控制的電壓保護機制，其中信號控單元20中的微控制器(MCU)21會輸出一脈波寬度調變訊號(PWM)，經該驅動電路22連接於該三相功率開關10，用以驅動三相功率開關10驅動該三相馬達12，該直流鏈結電容13並聯於三相功率開關10，且更連接於一電壓供應端(HV)，該電壓供應端(HV)則連接電池(BT3)14，用以供應該三相馬達12運轉電壓，或由三相馬達12的反電動勢供應至電壓供應端(HV)對電池(BT3)14充電。

其中高壓開關40連接於該直流鏈結電容13與該電池14之間，該高壓開關40具有一控制端，連接於該信號控制單元20的該微控制器(MCU)21，受微控制器(MCU)21的控制形成開路或導通，導通時使該直流鏈結電容13並聯於該電池14，其中該電壓偵測器31連接於該電壓供應端(HV)，用以偵測該電壓供應端(HV)上的電壓位準，經一第一隔離器34輸出至該微控制器(MCU)21，當微控制器(MCU)21判斷該電壓供應端(HV)上的電壓位準超過一保護電壓值(Vn)時，輸出一切斷訊號(HV CTL)至該高壓開關40的控制端，使高壓開關40開路，以切斷該直流鏈結電容13並聯於電池14，意即切斷該電池(BT3)14與該三相馬達12之間的充電連接，反之，若電壓供應端(HV)上的電壓位準未超過該保護電壓值(Vn)時，則該高壓開關(S1)40導通，該電池(BT3)14並聯於該直流鏈結電容13，意即該電池(BT3)14並聯於該三相馬達12之間。其中該保護電壓值(Vn)係由該微控制器(MCU)21所設定。

眾所周知，當電動車在加速行駛時是由電池(BT3)14供電給三相馬達12，信號控制單元20輸出PWM訊號控制三相功率開關10驅動三相馬達12運轉，而當電動車行駛於下坡狀態時，三相馬達12即轉換為發電機模式，其反電動勢所產生的電壓可對電池(BT3)14進行充電，但若電池 (BT3)14為滿電狀態，而不容許充電的情況下，三相馬達12在發電模式又無負載下運轉時，其所產生的電壓(反電動勢)會因此過高，而造成三相功率開關10損壞。

因此本發明利用該高壓開關40連接於該直流鏈結電容13與該電池14之間，較佳地該高壓開關30是連接於該直流鏈結電容13的為一接地端(GNDC)與該電池14的接地端(GNDHV)之間，該電壓偵測器31可偵測該電壓供應端(HV)上電池(BT3)14的電壓位準，當電池(BT3)14的電壓位準超過一保護電壓值(Vn)時，輸出一切斷訊號(HV CTL)至該高壓開關40的控制端，使高壓開關40開路，以切斷該電壓供應端(HV)與電池(BT3)14之間的並聯連接，而不會讓過高的電壓損害到馬達驅動電路。

本實施例中該電池(BT3)14為電動車的鋰電池，輸出為高壓直流電。而該三相功率開關10可以為三相MOSFET或絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。該直流鏈結電容13係由複數電容(C1n~Cnn)串接而成。而該高壓開關40可以為一MOSFET或繼電器所構成的開關控制電路。

接下來介紹本發明以硬體保護的電壓控制機制，其中本發明之電壓控制單元30的該電壓偵測器31連接於該電壓供應端(HV)，用以偵測該電池(BT3)14的電壓位準，輸出一電位訊號值(V1)，比較器(U1A)32比較該電位訊號值(V1)是否超過一設定電位值(VTH)，若超過，則經一第二隔離器35輸出信號WK_HV致能該穩壓器(U2)23。

其中該比較器(U1A)33具有一第一比較端、一第二比較端及一輸出端，該第一比較端連接於該電壓偵測器31，接收該電位訊號值(V1)，其中該第二比較端連接於一設定電位值(VTH)，當該電位訊號值(V1)大於該設定電位值(VTH)時，其輸出端輸出一高電位訊號(WK_HV)，反之輸出一低電位訊號。其中該穩壓器(U2)23具有一輸出控制端(CTL)連接於該比較器(U1A)32之輸出端，當該比較器(U1A)32輸出高電位訊號(WK_HV)時，該穩壓器(U2)23輸出端(OUT)輸出一工作電壓(+VDD)，以提供該微控制器(MCU)21與其它電路運作電力，當該比較器(U1A)31輸出低電位訊號時，該穩壓器(U2)23關閉該工作電壓(+VDD)的輸出，使微控制器(MCU)21進入關電的休眠狀態。

其中該設定電位值(VTH)係由該電壓供應端(HV)經一直流轉換器33轉換成一電路電壓(+Vcc)，再由二電阻器(R1、R3)分壓所形成，該設定電位值(VTH)可調整該二電阻器(R1、R3)的分壓電阻值決定。其中該穩壓器(U2)23係由一車載系統電池(BT1)供應電力，轉換為穩定電壓的該工作電壓(+VDD)。其中該穩壓器(U2)23的輸出控制端(CTL)更連接一啟動電源信號(V_IGN)，當車輛啟動時，該啟動電源信號(V_IGN)為高電位，表示車載處於開電狀態，此時該穩壓器(U2)23輸出該工作電壓(+VDD)。

請參閱圖3所示，為本發明自動偵測電壓的控制流程示意圖。本發明的微控制器(MCU)21可以操作於一正常模式或者主動保護模式，其中微控制器(MCU)21操作於正常模式為車輛正常行駛狀態。當電動車於啟動狀態時，啟動電源信號(V_IGN)為高電位ON(S401)，則微控制器(MCU)21啟動(S402)正常模式。若啟動電源信號(V_IGN)為低電位，但該比較器(U1A)32輸出高電位的正常訊號(WK_HV)時(S403)，同樣微控制器(MCU)21啟動(S402)正常模式。若啟動電源信號(V_IGN)為低電位，而比較器(U1A)32輸出也是低電位的異常訊號時，表示微控制器(MCU)21是在關電的休眠狀態。

當微控制器(MCU)21啟動(S402)正常模式時，會偵測該電池(BT3)14的電壓位準是否處於過高狀態，當該電位訊號值(V1)小於該保護電壓值(Vn)時(S404)表示電池電壓正常，則控制該高壓開關(S1)導通(S405)，進入後續流程(S410)，三相馬達12的反電動勢可對電池(BT3)14充電。當該電位訊號值(V1)大於該保護電壓值(Vn)加上遲滯電壓(△V)時(S406)，表示電池的電壓準位過高，則控制該高壓開關(S1)開路(S407)，以切斷電池對馬達驅動器之危害。此時該三相馬達12的反電動勢無法對該電池(BT1)14充電。若此時馬達仍持續運轉，則微控制器(MCU)21進入主動電壓控制模式(S408)，立即降低電壓以保護三相功率開關10與直流鏈結電容13，避免過壓損壞。若電位訊號值(V1)大於該保護電壓值(Vn)，但小於保護電壓值(Vn)加上遲滯電壓(△V)時，同樣控制該高壓開關(S1)導通(S409)，進入後續流程(S410)。

當微控制器(MCU)21操作在主動保護模式時，為車輛處於高速拖吊狀態或在關電時車輛處於高速行駛狀態，該啟動電源信號(V_IGN)為低電位(Off)，該穩壓器(U2)23未輸出工作電壓(+VDD)，該微控制器(MCU)21處於關電狀態，但因該三相馬達12的反電動勢使電壓位應端(HV)的電壓值大於設定電位值(VTH)，因此穩壓器(U2)23輸出工作電壓(+VDD)以啟動微控制器(MCU)22。

請一併參閱圖4-1、圖4-2及圖5所示，圖4-1為本發明主動電壓控制的執行弱磁控制流程示意圖，Id大小視欲使電壓下降之快慢與容許範圍決定。圖4-2為本發明主動電壓控制的執行單相控制流程示意圖，例如S1 ON，隨即S4,S6 ON，Duty視欲使電壓下降之快慢決定。同理S3,S2,S6與S5,S2,S4組合亦然。圖5為本發明三相功率開關S1,S4,S6導通(ON)的時相電流示意圖。由圖示知當有電流附載時，直流鏈結電容電壓應會逐漸降低至安全範圍。