CN104638966B - 电动汽车逆变器主动放电控制***及控制器 - Google Patents

电动汽车逆变器主动放电控制***及控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车逆变器主动放电控制***，包括电机、逆变器、高压电池、高压继电器、高压电容、控制器；控制器包括PWM波形产生模块、脉冲宽度测量模块、主控模块，主控模块根据PWM波形产生模块在主动放电模式下输出的PWM波形的占空比，监控逆变器主动放电是否失效，并且进一步监控电机转速、电机绕组内的电流、高压电容两端的电压下将速率，从而相应控制PWM波形产生模块退出主动放电模式进入安全模式，提高了逆变器主动放电时的整车安全性。本发明还公开了一种控制器。

Description

电动汽车逆变器主动放电控制***及控制器
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术，特别涉及一种电动汽车逆变器主动放电控制***及控制器。
背景技术
电动（纯电动或混合动力）汽车中，电驱动***主要由驱动电机、逆变器和高电池组成。与传统汽车不同，此类汽车的动力传动***中，运用电机作为动力驱动部件之一，将电能转化为机械能以驱动车辆。高压电池作为该***中的电能储能元器件，其电压通常在几百伏特以上。若电驱动***需要停止工作，则逆变器直流输入端连接高压电池的继电器会断开，此时由于连接在逆变器直流端间的高压电容会存储一定电量，为防止对人身造成伤害，需要将其中的电量释放。在有放电要求时，在连接高压电池的继电器断开之后，高压放电***需要快速将高压电容中的电荷释放，按照法规GB/8488.1-2006要求，电动（纯电动或混合动力）汽车断开高压电池后，需要将高压电容两端电压在5s内主动放电或者120s被动放电到安全电压以下。
典型的逆变器如图1所示,为三相桥式逆变电路，由三个桥臂并联组成，每个桥臂由两个功率开关器件串联组成，每个功率开关器件还可以反向并联一个二极管，常用的功率开关器件包括IGBT器件、MOS管等；
被动放电一般采用放电电阻的方式。主动放电目前有两种：一种是利用DC/DC直流变压器，一种是利用逆变器。可以通过控制器控制输出PWM（脉冲宽度调制）波形让逆变器在上桥臂短路状态和下桥臂短路状态之间切换，通过逆变器内的功率开关器件的寄生电容来把高压电容上的电能释放掉，从而在逆变器直流输入端到高压电池的继电器断开后，迅速将高压电容两端的电压降低到安全电压以下，这种主动放电技术为逆变器主动放电。
逆变器主动放电期间，由于逆变器内的功率开关器件一直处于开关切换状态，所以存在一定的不安全因素。比如，异常转速、异常扭矩和高压放电失败等等。为了确保整车安全，需要对逆变器主动放电期间进行监控。
发明内容
本发明要解决的技术问题是能对逆变器主动放电期间进行监控，提高逆变器主动放电时的整车安全性。
为解决上述技术问题，本发明提供的电动汽车逆变器主动放电控制***，包括电机、逆变器、高压电池、高压继电器、高压电容、控制器；
所述逆变器，为三相桥式逆变电路，由三个桥臂并联组成，每个桥臂包括相串联的两个功率开关器件，桥臂两输入端作为逆变器的两直流端，三个桥臂的中心点作为三个交流端，用于与所述电机的三相交流电端口相连；
所述高压电容，接在所述逆变器的两直流端之间；
所述控制器，包括PWM波形产生模块、脉冲宽度测量模块、主控模块；
所述PWM波形产生模块，用于根据主控模块的控制信号，输出6路PWM波形到逆变器的6个功率开关器件的控制端；
所述PWM波形产生模块，在主动放电模式下，进行交替等周期的上桥臂短路控制和下桥臂短路控制；在安全放电模式下，进行下桥臂短路控制；
所述脉冲宽度测量模块，用于检测6路PWM波形在一个PWM周期的占空比；
所述主控模块，接收到逆变器主动放电请求信号后，开始控制所述PWM波形产生模块进入主动放电模式；所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后：
如果输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形在一个PWM周期内的占空比小于（50%-n%）或者大于（50%+n%），或者输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形在一个PWM周期内的占空比两两之间的差值大于m%,则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式，n为小于等于1的正数，m为小于等于1的正数。
较佳的，所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果电机转速大于设定转速，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
较佳的，所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果电机绕组间的电流大于设定电流，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
较佳的，所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果高压电容两端的电压下降速率小于设定电压下降速率，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
为解决上述技术问题，本发明提供的控制器，其包括PWM波形产生模块、脉冲宽度测量模块、主控模块；
所述PWM波形产生模块，用于根据主控模块的控制信号，输出6路PWM波形到逆变器中并联的三个桥臂的6个功率开关器件的控制端；
所述PWM波形产生模块，在主动放电模式下，进行交替等周期的上桥臂短路控制和下桥臂短路控制；在安全放电模式下，进行下桥臂短路控制；
所述脉冲宽度测量模块，用于检测6路PWM波形在一个PWM周期的占空比；
所述主控模块，接收到逆变器主动放电请求信号后，开始控制所述PWM波形产生模块进入主动放电模式；所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后：
如果输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形在一个PWM周期内的占空比小于（50%-n%）或者大于（50%+n%），或者输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形在一个PWM周期内的占空比两两之间的差值大于m%,则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式，n为小于等于1的正数，m为小于等于1的正数。
较佳的，所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果电机转速大于设定转速，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
较佳的，所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果电机绕组间的电流大于设定电流，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
较佳的，所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果高压电容两端的电压下降速率小于设定电压下降速率，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
本发明的电动汽车逆变器主动放电控制***，控制器包括PWM波形产生模块、脉冲宽度测量模块、主控模块，主控模块根据PWM波形产生模块在主动放电模式下输出的PWM波形的占空比，监控逆变器主动放电是否失效，并且进一步监控电机转速、电机绕组内的电流、高压电容两端的电压下将速率，从而相应控制PWM波形产生模块退出主动放电模式进入安全模式，提高了逆变器主动放电时的整车安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一典型的逆变器示意图；
图2是在某种调制算法下上桥臂三个PWM波形的变化情况示意图；
图3是在逆变器主动放电情况下的上桥臂的理想三个PWM波形示意图；
图4是本发明的电动汽车逆变器主动放电控制***一实施方式示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
电动（纯电动或混合动力）汽车中，电驱动***主要包括电机、逆变器、高压电池、高压继电器、高压电容、控制器；
所述逆变器，为三相桥式逆变电路，由三个桥臂并联组成，每个桥臂包括相串联的两个功率开关器件，每个桥臂两输入端作为逆变器的两直流端，三个桥臂的中心点作为三个交流端，用于与所述电机的三相交流电端口相连；
所述高压电容，接在所述逆变器的两直流端之间；
所述控制器，输出6路PWM波形分别到逆变器的6个功率开关器件的控制端。控制器采用不同的调制方式来控制6路PWM波形的输出形式，但是因为控制电机的三相电流需要相位差120度的正弦波形，所以6路PWM波形也有类似的相位差和以某种规律变化的占空比，图2展示了在某种调制算法下上桥臂三个PWM波形的变化情况。而逆变器主动放电时，控制器输出的PWM波形要求使逆变器的6个功率开关器件的状态在上桥臂短路和下桥臂短路之间切换，图3展示了在逆变器主动放电情况下的上桥臂的理想三个PWM波形，具有50%占空比以及无相位差特点，由于实际的PWM波形包含了死区时间以及死区补偿，逆变器主动放电时的PWM波形的占空比应该在50%左右，并且相互之间的相位差接近0。
本发明的电动（纯电动或混合动力）汽车逆变器主动放电控制***，一实施方式如图4所示，包括电机、逆变器、高压电池、高压继电器、高压电容、控制器；
所述逆变器，为三相桥式逆变电路，由三个桥臂并联组成，每个桥臂包括相串联的两个功率开关器件，桥臂两输入端作为逆变器的两直流端，三个桥臂的中心点作为三个交流端，用于与所述电机的三相交流电端口相连；
所述高压电容，接在所述逆变器的两直流端之间；
所述控制器，包括PWM（脉冲宽度调制）波形产生模块、脉冲宽度测量模块、主控模块；
所述PWM波形产生模块，用于根据主控模块的控制信号，输出6路PWM波形到逆变器的6个功率开关器件的控制端；所述PWM波形产生模块，在主动放电模式下，进行交替等周期的上桥臂短路控制和下桥臂短路控制；在安全放电模式下，进行下桥臂短路控制；
所述脉冲宽度测量模块，用于检测6路PWM波形在一个PWM周期的占空比；
所述主控模块，接收到逆变器主动放电请求信号后，开始控制所述PWM波形产生模块进入主动放电模式，逆变器进行主动放电；所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后：
如果输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形在一个PWM周期内的占空比小于（50%-n%）或者大于（50%+n%），或者输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形在一个PWM周期内的占空比两两之间的差值大于m%,则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式；n为小于等于1的正数（如n可以为1、0.5、0.1或0.01），m为小于等于1的正数（如m可以为1、0.5、0.1或0.01）。
较佳的，所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果电机转速大于设定转速，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
较佳的，所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果电机绕组间的电流大于设定电流，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
较佳的，所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果高压电容两端的电压下降速率小于设定电压下降速率，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
本发明的电动汽车逆变器主动放电控制***，控制器的脉冲宽度测量模块，在每个PWM周期中都计算输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形的高电平宽度，同时计算PWM周期宽度，在每个PWM周期结束时刻，将3路PWM波形的高电平宽度和周期宽度数值传入到内存中的一个数组中，在每个PWM周期中断程序中，计算占空比：占空比=高电平宽度/周期宽度，占空比的精度取决于用于计算宽度的时间基准。当控制器的主控模块接收到逆变器主动放电请求信号并控制PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果脉冲宽度测量模块计算的3路PWM波形的占空比都在50%左右，且占空比两两之差接近0，则说明PWM波形产生模块的主动放电模式正常，否则说明逆变器主动放电请求失效，主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式，控制逆变器进入下桥臂短路状态，确保电机安全。同时，由于逆变器主动放电的条件之一是电机低转速，所以在逆变器主动放电时，需要监控电机转速是否接近0，如果电机转速较大，主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式，控制逆变器进入下桥臂短路状态，确保电机安全。同时，由于逆变器主动放电期间，电机绕组和高压已断开连接，此时电机绕组内的电流将最终变为0，如果逆变器主动放电期间电机绕组内的电流过大，则说明逆变器主动放电失效或者意味着电机可能输出非期望扭矩，所以在逆变器主动放电期间需要监控电机绕组内的电流是否接近0，如果电机绕组内的电流过大，主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式，控制逆变器进入下桥臂短路状态，确保电机安全。同时，由于逆变器主动放电的效果就是在断开连接高压电池的继电器后，使接在逆变器直流端间的高压电容两端的电压快速下降到安全电压以下，如果在规定时间内该高压电容两端的电压未下降到安全电压之下，则说明逆变器主动放电失败，可以通过硬件电路采样该高压电容两端的电压，通过判断该电压下降速率是否满足要求来监控逆变器主动放电是否成功，若该高压电容两端电压下降速率不大，则说明逆变器主动放电失败，主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式，控制逆变器进入下桥臂短路状态，确保电机安全。
本发明的电动汽车逆变器主动放电控制***，控制器包括PWM波形产生模块、脉冲宽度测量模块、主控模块，主控模块根据PWM波形产生模块在主动放电模式下输出的PWM波形的占空比，监控逆变器主动放电是否失效，并且进一步监控电机转速、电机绕组内的电流、高压电容两端的电压下将速率，从而相应控制PWM波形产生模块退出主动放电模式进入安全模式，提高了逆变器主动放电时的整车安全性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种电动汽车逆变器主动放电控制***，包括电机、逆变器、高压电池、高压继电器、高压电容、控制器；
所述逆变器，为三相桥式逆变电路，由三个桥臂并联组成，每个桥臂包括相串联的两个功率开关器件，桥臂两输入端作为逆变器的两直流端，三个桥臂的中心点作为三个交流端，用于与所述电机的三相交流电端口相连；
所述高压电容，接在所述逆变器的两直流端之间；其特征在于，
所述控制器，包括PWM波形产生模块、脉冲宽度测量模块、主控模块；
所述PWM波形产生模块，用于根据主控模块的控制信号，输出6路PWM波形到逆变器的6个功率开关器件的控制端；
所述PWM波形产生模块，在主动放电模式下，进行交替等周期的上桥臂短路控制和下桥臂短路控制；在安全放电模式下，进行下桥臂短路控制；
所述脉冲宽度测量模块，用于检测6路PWM波形在一个PWM周期的占空比；
所述主控模块，接收到逆变器主动放电请求信号后，开始控制所述PWM波形产生模块进入主动放电模式；所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后：
如果输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形在一个PWM周期内的占空比小于(50％-n％)或者大于(50％+n％)，或者输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形在一个PWM周期内的占空比两两之间的差值大于m％,则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式，n为小于等于1的正数，m为小于等于1的正数。
2.根据权利要求1所述的电动汽车逆变器主动放电控制***，其特征在于，
所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果电机转速大于设定转速，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
3.根据权利要求1所述的电动汽车逆变器主动放电控制***，其特征在于，
所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果电机绕组间的电流大于设定电流，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
4.根据权利要求1所述的电动汽车逆变器主动放电控制***，其特征在于，
所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果高压电容两端的电压下降速率小于设定电压下降速率，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
5.根据权利要求1所述的电动汽车逆变器主动放电控制***，其特征在于，
n为1、0.5、0.1或0.01，m为1、0.5、0.1或0.01。
6.一种控制器，其特征在于，包括PWM波形产生模块、脉冲宽度测量模块、主控模块；
所述PWM波形产生模块，用于根据主控模块的控制信号，输出6路PWM波形到逆变器中并联的三个桥臂的6个功率开关器件的控制端；
所述PWM波形产生模块，在主动放电模式下，进行交替等周期的上桥臂短路控制和下桥臂短路控制；在安全放电模式下，进行下桥臂短路控制；
所述脉冲宽度测量模块，用于检测6路PWM波形在一个PWM周期的占空比；
所述主控模块，接收到逆变器主动放电请求信号后，开始控制所述PWM波形产生模块进入主动放电模式；所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后：
如果输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形在一个PWM周期内的占空比小于(50％-n％)或者大于(50％+n％)，或者输出到逆变器上桥臂或下桥臂的3路PWM波形在一个PWM周期内的占空比两两之间的差值大于m％,则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式，n为小于等于1的正数，m为小于等于1的正数。
7.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，
所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果电机转速大于设定转速，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
8.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，
所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果电机绕组间的电流大于设定电流，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
9.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，
所述PWM波形产生模块进入主动放电模式后，如果高压电容两端的电压下降速率小于设定电压下降速率，则主控模块控制PWM波形产生模块进入安全模式。
10.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，
n为1、0.5、0.1或0.01，m为1、0.5、0.1或0.01。
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