CN107623478A - 一种满足功能安全的电机控制器放电控制电路 - Google Patents

一种满足功能安全的电机控制器放电控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种满足功能安全的电机控制器放电控制电路，包括低压储能模块、低压控制模块、高低压隔离模块及开关控制放电模块，其中，所述低压控制模块输出端与低压储能模块输出端分别与高低压隔离模块输入端相连，所述开关控制放电模块输入端分别与高低压隔离模块输出端和电池电压相连，所述开关控制放电模块包括控制单元、放电单元和母线支撑电容，其中，所述控制单元与放电单元串联后与母线支撑电容并联，所述控制电源收到放电信号后，控制放电单元将母线支撑电容中储存的电泄放到安全电压以下。本发明的有益效果为：电路更加安全，将高压电对驾驶人员和操作人员的威胁给消除掉；放电更加快速、可靠。

Description

一种满足功能安全的电机控制器放电控制电路
技术领域
本发明涉及电机控制器放电领域，尤其涉及一种满足功能安全的电机控制器放电控制电路。
背景技术
新能源电动汽车因其节能减排、污染小，对环境和空气的洁净十分有益，噪音低、能源效率高，备受市场和广大消费者的青睐，但是，电动汽车电池电压通常都是高压电，容易给人员的生命造成威胁；通常我们为了降低控制器输入纹波及IGBT就近储能的问题，会在控制器内部设置一个容量较大的电容，而电容在电机控制器上电以后会存储较多电荷，断电后如果没有相关放电电路很难在较短时间内、迅速的将大量的电荷释放掉；现在常用的就是直接连接一个功率电阻在母线正负两端，如果仅仅使用一个功率电阻作为放电回路，电阻的功率及体积的需求较大，长时间工作不仅会损耗一定的电能，降低电池续航里程，还会增加控制器整机的热量，长期、持续放电造成的控制器功耗和发热问题对电机都是较大的考验，同时，对控制器的体积和散热都起到了负面的影响，对我们的设计带了不少的不利的因数。
而近年汽车功能安全受到汽车行业，制造商、整车厂以及消费者的强烈关注,汽车功能安全ISO26262认证也成为各大高新技术产业的核心竞争力。其中功能安全本质是控制风险，降低伤害，对于功能失效，采取安全的措施来控制风险。
高压电源断电后母线电容上残留电压无法立即泄放到安全值，可能对售后维修、测试等操作人员的生命造成触电威胁以及一系列严重的安全问题。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供一种满足功能安全的电机控制器放电控制电路，在高压放电存在有可能忘记放电的隐患和持续放电引起的损耗方面，能有效控制放电工作失效，从而对电路及人员安全方面进行有效保护。
本发明包括低压储能模块、低压控制模块、高低压隔离模块及开关控制放电模块，其中，所述低压控制模块输出端与低压储能模块输出端分别与高低压隔离模块输入端相连，所述开关控制放电模块输入端分别与高低压隔离模块输出端和电池电压相连，所述开关控制放电模块包括控制单元、放电单元和母线支撑电容，其中，所述控制单元与放电单元串联后与母线支撑电容并联，所述控制电源收到放电信号后，控制放电单元将母线支撑电容中储存的电泄放到安全电压以下。
本发明作进一步改进，所述高低压隔离模块为隔离光耦U2，所述隔离光耦U2的原边分别与低压储能模块、低压控制模块相连，所述隔离光耦U2的副边与开关控制放电模块相连。
本发明作进一步改进，所述开关控制放电模块还包括分压单元、稳压单元，其中，所述分压单元一端分别与电池正极和并联的放电单元及母线支撑电容一端相连，所述分压单元另一端分别与稳压单元一端、隔离光耦U2的电源引脚相连，所述稳压单元的另一端分别接电池负极和并联的放电单元及母线支撑电容另一端。
本发明作进一步改进，所述稳压单元为并联的电容C1和稳压二极管D2，其中，所述稳压二极管负极接分压单元，正极接电池负极。
本发明作进一步改进，所述分压单元为多个串联的电阻。
本发明作进一步改进，所述放电单元为功率电阻R23，所述控制单元为IGBT器件，其中，所述IGBT的门极通过电阻R1接隔离光耦的副边，所述IGBT的集电极和发射极与功率电阻R23串联后并接在母线支撑电阻C2两端。
本发明作进一步改进，所述低压储能模块包括相连的低压供电隔离单元和储能单元，其中，所述低压储能模块的输入端接外部低压直流电源，所述低压储能单元接隔离光耦U2的引脚1，为隔离光耦原边提供不间断导通电源。
本发明作进一步改进，所述低压控制模块包括两级NPN开关管Q5/Q2,其中，两级NPN开关管Q5/Q2输入端接放电使能端，输出端接隔离光耦U2的引脚2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：电路更加安全，将高压电对驾驶人员和操作人员的威胁给消除掉；放电更加快速、可靠，时间在一定程度上能够得到把控，能够在有低压供电或无低压供电的情况下快速的将高压电释放到60V以下安全范围内，同时又能满足ISO26262功能安全中的高压放电安全等级ASIL A；解决持续放电造成的功耗和产生的热量对控制器的温升考验，相对减小了功率电阻的安装空间。
附图说明
图1为本发明电路结构框图；
图2为本发明电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括低压储能模块、低压控制模块、高低压隔离模块及开关控制放电模块，其中，所述低压控制模块输出端与低压储能模块输出端分别与高低压隔离模块输入端相连，所述开关控制放电模块输入端分别与高低压隔离模块输出端和电池电压相连，所述开关控制放电模块包括控制单元、放电单元和母线支撑电容，其中，所述控制单元与放电单元串联后与母线支撑电容并联，所述控制电源收到放电信号后，控制放电单元将母线支撑电容中储存的电泄放到安全电压以下。
本例通过给放电单元增加控制模块，从而使放电电路更加可靠，防止放电单元持续放电造成的功耗和产生的热量对控制器的温升考验，相对减小了放电单元的安装空间。放电更加快速、可靠，时间在一定程度上能够得到把控，能满足ISO26262功能安全中的高压放电安全等级ASIL A。
如图2所示，作为本发明一个实施例，所述高低压隔离模块为隔离光耦U2，所述隔离光耦U2的原边分别与低压储能模块、低压控制模块相连，所述隔离光耦U2的副边与开关控制放电模块相连。
通过高低压隔离模块的设置，能够将低压供电侧及BMS供电的高压侧有效分离，增加整个电路的安全性。
所述开关控制放电模块还包括分压单元、稳压单元，其中，所述分压单元一端分别与电池正极和并联的放电单元及母线支撑电容一端相连，所述分压单元另一端分别与稳压单元一端、隔离光耦U2的电源引脚相连，所述稳压单元的另一端分别接电池负极和并联的放电单元及母线支撑电容另一端。
本例稳压单元为并联的电容C1和稳压二极管D2，其中，所述稳压二极管负极接分压单元，正极接电池负极。分压单元为多个串联的电阻R3，此处为简单画法，所述放电单元为功率电阻R23。
所述控制单元优选为具有高压大电流特性的IGBT器件，当控制器电压高达300V甚至500V以上的也适用。其中，所述IGBT的门极通过电阻R1接隔离光耦的副边，所述IGBT的集电极和发射极与功率电阻R23串联后并接在母线支撑电阻C2两端。IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。当然，如果控制器的电压在300V以下，所述控制单元也可以选用其他的开关管控制。
电池管理***（BMS）的高压电会通过电阻R3（或者多个电阻串联）进行分压，其中，电阻R3选用较大阻值电阻,再经过稳压二极管D2的稳压使得放电控制开关管的驱动很好的稳定在一定值，从而将电压稳定在Q1开通需要的电压范围内，使整个开关控制放电模块的稳定性能更好，放电更加可靠。
本例低压储能模块包括相连的低压供电隔离单元和储能单元，其中，所述低压储能模块的输入端接外部低压直流电源，所述低压储能单元接隔离光耦U2的引脚1，为隔离光耦原边提供不间断导通电源。本例的储能单元为极性电容C5，所述低压供电隔离单元为二极管D1，低压电源通过二极管D1负极输出。
本例极性电容C5的设置目的是：在低压有电的情况下，极性电容C5会进行充电储能，在低压断电以后进行短时间的放电，使隔离光耦U2短时间导通，后级的开关管IGBT短时间导通进行快速放电。本例的低压侧极性电容C5供电维持的时间能够达到5s，从而保证本例的高压侧的放电单元在4S 内放完。此处设置是本例满足功能安全的重点之一，从而使本例放电更加快速、可靠，时间在一定程度上能够得到把控，能够在有低压供电或无低压供电的情况下快速的将高压电释放到60V以下安全范围内。
本例低压控制模块包括两级NPN开关管Q5/Q2,其中，两级NPN开关管Q5/Q2输入端接放电使能端，输出端接隔离光耦U2的引脚2， Q5和Q2的发射极接地。本例的放电使能是通过CPU发出，也可以直接设置控制器，发出放电指令，从而控制整个电路放电。
本例的工作原理为：CPU使能引脚会给到放电控制电路一个放电使能信号，然后该信号到达低压控制模块后被两级三极管Q5和Q2进行逻辑转换处理（三极管工作在开关状态），其中满足功能安全的断电安全放电的低压储能模块的辅助作用下，提供隔离光耦U2原边电源，使得隔离光耦U2能继续将控制信号传递到后续的IGBT Q1和功率电阻R23，此处的IGBT是开关管控制功率电阻R23进行放电，这样在断电以后将高压侧电容储存的大量电荷进行快速、安全、可靠的泄放到安全电压60V以下，在时间把控上远远低于国家最短标准3S长。
工作逻辑：低压电工作时，控制侧的储能电容C5被充电后存储能量，当低压电断开后，储能电容C5通过隔离光耦U2对地放电，硬件控制隔离光耦U2在规定时间内工作，从而为IGBT提供开通所需的电压，当低压侧的储能电容能量不足以维持隔离光耦U2工作时，高压侧停止放电。
在高压侧BMS断电后、低压未断电的情况下，放电控制信号（低电平）经两级NPN开关管Q5/Q2以后，（Q5截止，Q2导通）到隔离光耦U2的2脚，低压电源LVDC15V通过单向导通二极管D1到1脚给隔离光耦U2供电，此时，2脚低电平，根据隔离光耦U2导通原理，此时隔离光耦U2导通，与此同时控制开关Q1就会导通，使得功率电阻R23开始对母线支撑电容C2中储存的电荷进行泄放释放到安全值60V以下。
本例隔离光耦U2的二次侧（高压侧）的供电方式不同有多个方案；开关电源供电或则TVS稳压管模式供电。本例电路采用的是稳压管稳压可靠的给电路中放电控制开关也就是控制单元提供稳定的驱动电压，使得放电可靠、安全，同时提高***的安全性。
本发明电路更加安全，在高压电源断电后母线电容上残留电压无法立即泄放到安全值，可能对售后维修、测试等操作人员的生命造成触电威胁给消除掉；同时又能满足ISO26262功能安全中的高压放电安全等级ASIL A；解决持续放电造成的功耗和产生的热量对控制器的温升考验，相对减小了功率电阻的安装空间。
以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种满足功能安全的电机控制器放电控制电路，其特征在于：包括低压储能模块、低压控制模块、高低压隔离模块及开关控制放电模块，其中，所述低压控制模块输出端与低压储能模块输出端分别与高低压隔离模块输入端相连，所述开关控制放电模块输入端分别与高低压隔离模块输出端和电池电压相连，所述开关控制放电模块包括控制单元、放电单元和母线支撑电容，其中，所述控制单元与放电单元串联后与母线支撑电容并联，所述控制电源收到放电信号后，控制放电单元将母线支撑电容中储存的电泄放到安全电压以下。
2.根据权利要求1所述的满足功能安全的电机控制器放电控制电路，其特征在于：所述高低压隔离模块为隔离光耦U2，所述隔离光耦U2的原边分别与低压储能模块、低压控制模块相连，所述隔离光耦U2的副边与开关控制放电模块相连。
3.根据权利要求2所述的满足功能安全的电机控制器放电控制电路，其特征在于：所述开关控制放电模块还包括分压单元、稳压单元，其中，所述分压单元一端分别与电池正极和并联的放电单元及母线支撑电容一端相连，所述分压单元另一端分别与稳压单元一端、隔离光耦U2的电源引脚相连，所述稳压单元的另一端分别接电池负极和并联的放电单元及母线支撑电容另一端。
4.根据权利要求3所述的满足功能安全的电机控制器放电控制电路，其特征在于：所述稳压单元为并联的电容C1和稳压二极管D2，其中，所述稳压二极管负极接分压单元，正极接电池负极。
5.根据权利要求4所述的满足功能安全的电机控制器放电控制电路，其特征在于：所述分压单元为多个串联的电阻。
6.根据权利要求5所述的满足功能安全的电机控制器放电控制电路，其特征在于：所述放电单元为功率电阻R23，所述控制单元为IGBT器件，其中，所述IGBT的门极通过电阻R1接隔离光耦的副边，所述IGBT的集电极和发射极与功率电阻R23串联后并接在母线支撑电阻C2两端。
7.根据权利要求2-6所述的满足功能安全的电机控制器放电控制电路，其特征在于：所述低压储能模块包括相连的低压供电隔离单元和储能单元，其中，所述低压储能模块的输入端接外部低压直流电源，所述低压储能单元接隔离光耦U2的引脚1，为隔离光耦原边提供不间断导通电源。
8.根据权利要求7所述的满足功能安全的电机控制器放电控制电路，其特征在于：所述低压控制模块包括两级NPN开关管Q5/Q2,其中，两级NPN开关管Q5/Q2输入端接放电使能端，输出端接隔离光耦U2的引脚2。
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