CN109193918A - 备份电源、驱动控制器及电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种备份电源、驱动控制器及电动汽车，所述备份电源包括正输入端子、负输入端子、正输出端子、负输出端子、第一开关管、续流支路、驱动单元以及滤波电路；其中：所述正输入端子经由所述第一开关管连接到滤波电路的正端，所述负输入端子连接到所述滤波电路的负端；所述驱动单元的输出端连接到所述第一开关管的控制端，且所述驱动单元根据所述正输出端子电压，向所述第一开关管的控制端输出第一驱动电压信号，使所述正输出端子的电压维持在预设范围内。本发明通过驱动单元根据备份电源的负载功率情况，自适应调节备份电源的工作状态，使其处于备份状态下，基本不消耗功率，有利于电路热设计。

Description

备份电源、驱动控制器及电动汽车
技术领域
本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种备份电源、驱动控制器及电动汽车。
背景技术
随着电动汽车技术的发展，电动汽车被越来越多的人所接受，相应地，对电动汽车的安全要求也越来越高。如图1所示，在现有的电动汽车中，高压端10为电机运行提供电能，具体地，大功率直流变换电路11将高压端10提供的高压直流电转换为低压直流电并为低压电池12充电，电机控制器15、下桥臂驱动电源13、上桥臂驱动电源14由低压电池12供电，电机控制器15根据电机反馈电路18从逆变器17获取的反馈电压和反馈电流生成驱动控制信号，驱动电路16根据上述驱动控制信号以及下桥臂驱动电源13、上桥臂驱动电源14输出的驱动电压生成驱动脉冲，控制逆变器17将高压端10输出的高压直流电转换为交流电，以驱动电机2运行。
在电动汽车出现故障，如低压电池供电掉电等情况下，为保证安全，仍然需要保证用于电机控制的低压供电，并对电机2进行主动短路以快速停机，提高车辆安全性和保护汽车控制器。为实现故障情况下的快速停机，目前主要通过提供一路备份电源19来提供主动短路保护的能量，如图1所示。上述备份电源19在电动汽车出现故障时，直接输出高电平到逆变器17中的开关管的控制端，使逆变器17的上桥或下桥的开关管置于常开的状态；此外，备份电源19的输出也可以提供给驱动电路16，由驱动电路16使逆变器17的上桥或下桥的开关管处于常开的状态。
如图2所示，上述备份电源19从高压端10的高压电池101取电，实现高压至低压的电能转化。目前，上述电能转换主要以隔离电源和线性稳压电路实现。备份电源19采用隔离反激电源，通过变压器变比实现高压与低压之间的转化。然而，由于该备份电源19的输入高压较高，一般有500V或以上，可能带来两个较为明显的问题，1)反激电源所需要的开关管Q10应力高、损耗大、汽车级器件选型困难，2)变压器匝数多，占用体积大，成本高。如图3所示，当备份电源19采用线性稳压电路时，其通过电阻R压降承担输入输出电压差，虽然该电路结构简单，但是损耗大(其损耗与输出功率成正比)。由于电动汽车驱动控制器的工作环境温度特别高，而器件的耐热温度有限，因此器件允许的损耗受到限制，也就是说线性稳压电路的输出功率受限。不仅如此，线性稳压电路中的开关管Q20(或三极管)应力也需要大于高压电池101的最大电压。随着电动汽车的发展，高压电池101的电压成不断上升的趋势，大巴车高压电池已经达到800V及以上，而目前商业应用的汽车级开关管应力有限，目前最高可选才1000V。因此，上述现有方案都无法满足更高电压应用场合的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述备份电源成本高、体积大、电路复杂、选型困难以及无法满足更高电压应用场合要求的问题，提供一种新的备份电源、驱动控制器及电动汽车。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种备份电源，所述备份电源包括正输入端子、负输入端子、正输出端子、负输出端子、第一开关管、续流支路、驱动单元以及滤波电路，其中：所述正输入端子经由所述第一开关管连接到滤波电路的正端，所述负输入端子连接到所述滤波电路的负端；所述续流支路的第一端与所述滤波电路负端相连，所述续流支路的第二端与所述滤波电路的正端相连；所述正输出端子连接到所述滤波电路的正端、所述负输出端子连接到所述滤波电路的负端；所述驱动单元的输出端连接到所述第一开关管的控制端，且所述驱动单元根据所述正输出端子电压，向所述第一开关管的控制端输出第一驱动电压信号，使所述正输出端子的电压维持在预设范围内。
优选地，所述备份电源包括无源分压网络和电流源，所述正输入端子与所述无源分压网络正端连接，所述负输入端子与所述无源分压网络负端连接，所述无源分压网络的输出端连接所述第一开关管的输入端；所述电流源连接到所述无源分压网络并对所述无源分压网络进行能量调配。
优选地，所述电流源包括电阻；所述电流源连接在所述正输入端子和所述无源分压网络的输出端之间，或者所述电流源连接在所述无源分压网络的输出端和所述负输出端子之间。
优选地，所述无源分压网络包括多个串联在所述正输入端子和负输入端子之间的多个第一子电容，处于所述多个第一子电容中间位置的一个所述第一子电容的输出正端构成所述无源分压网络的输出端；或者所述无源分压网络包括连接到正输入端子和负输入端子之间的高压端的母线电容，所述母线电容由多个第二子电容串联组成，处于所述多个第二子电容中间位置的一个所述第二子电容的输出正端构成所述无源分压网络的输出端。
优选地，所述驱动单元包括一级控制电路和二级控制电路；其中：所述一级控制电路的输出端连接到所述二级控制电路的第一输入端并向所述二级控制电路输出频率和占空比恒定的方波信号；所述二级控制电路的第二输入端连接到所述正输出端子，并根据所述正输出端子的电压及所述第一输入端的方波信号向所述第一开关管的控制端输出所述第一驱动电压信号。
优选地，在所述二级控制电路的第二输入端的电压升高到第一预设电压时，所述二级控制电路输出的所述第一驱动电压信号为使所述第一开关管断开的电平；在所述二级控制电路的第二输入端的电压降低到第二预设电压时，所述二级控制电路输出的第一驱动电压信号的波形与所述第一输入端的方波信号的波形相同，且所述第二预设电压小于所述第一预设电压。
优选地，所述第一预设电压与第二预设电压的差值小于2V，且所述第一预设电压小于下桥臂驱动电源电压。
优选地，所述续流支路包括二极管，且所述二极管的阳极连接到所述滤波电路的负端、所述二极管的阴极连接到所述滤波电路的正端；或者，所述续流支路包括第二开关管，且所述第二开关管的控制端连接到所述驱动单元，所述驱动单元根据所述正输出端子电压向所述第二开关管的控制端输出第二驱动电压信号，且在所述正输出端子的电压升高到第一预设电压时，所述第二驱动电压信号的波形与所述第一驱动电压信号的波形相同，在所述正输出端子的电压降低到第二预设电压时，所述第二驱动电压信号的相位与所述第一驱动电压信号的相位相反。
本发明还提供一种驱动控制器，包括如上所述的备份电源。
本发明还提供一种电动汽车，包括如上所述的驱动控制器。
本发明的备份电源、驱动控制器及电动汽车具备如下技术效果：通过驱动单元、第一开关管及续流回路，可根据备份电源的负载功率情况，自适应调节备份电源的工作状态，使其处于备份状态下，基本不消耗功率，有利于电路热设计。并且，本发明通过电流源及驱动单元使无源分压网络的输出正端电压始终高于备份电源的正输出端子电压，且使得第一开关管的电压应力维持在一个较小的值，有利于在相同开关管选型下适用于更高电压的应用场合。
本发明结构简单，可省略现有开关电源方案中的隔离变压器，降低了成本，简化了电路，且相比于线性电源能够有更高的输出功率能力。不仅如此，本发明中的第一开关管应力远低于现有方案中开关器件，在相同高压场合可以选取更低成本的器件，在选用相同耐压器件时可以适合于更高电压的应用场合，利于选型、降低成本和解决电路过热的问题。
附图说明
图1是现有电动汽车中驱动控制器的结构示意图；
图2是现有备份电源的示意图；
图3是另一现有备份电源的示意图；
图4是本发明备份电源第一实施例的示意图；
图5是本发明备份电源第二实施例的示意图；
图6是本发明备份电源中无源分压网络和电流源实施例的示意图；
图7是本发明备份电源中无源分压网络和电流源的另一实施例的示意图；
图8是本发明备份电源中方波信号、第一驱动电压信号及正输出端子的电压的波形图；
图9是本发明备份电源第三实施例的示意图；
图10是本发明备份电源中方波信号、第一驱动电压信号、第二驱动电压信号及正输出端子的电压的波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图4所示，是本发明备份电源实施例的示意图，该备份电源可应用于驱动控制器，并在驱动控制器故障(例如低压电池故障)时，向驱动电路或逆变器的半导体开关管输出驱动电压，使逆变器的下桥臂开关管同时导通，以对电机进行主动短路，实现快速停机。本实施例的备份电源包括正输入端子41、负输入端子42、正输出端子43、负输出端子44、第一开关管45、续流支路48、滤波电路47以及驱动单元46，上述正输入端子41经由第一开关管45连接到滤波电路47的正端，负输入端子42连接到滤波电路47的负端；续流支路48的第一端与滤波电路47负端相连，且该续流支路48的第二端与滤波电路47的正端相连；正输出端子43连接到滤波电路47的正端、负输出端子44连接到滤波电路47的负端；驱动单元46的输出端连接到第一开关管45的控制端，且驱动单元46根据正输出端子43的电压向第一开关管45的控制端输出第一驱动电压信号，使第一开关管45以对应方式通断，以对正输入端子41、负输入端子42输入的直流电压降压处理，从而使正输出端子43的电压维持在预设范围内(该预设范围小于驱动电源的电压，且大于逆变器中半导体开关管的导通电压)。
上述滤波电路47用于滤除杂波，提高备份电源输出端的电压质量。具体地，该滤波电路47可采用LC滤波，即该滤波电路47包括连接在正输出端子、负输出端子的电容以及连接在第一开关管S1与正输出端子之间的电感。续流支路48则可使备份电源的输出电压平稳变化。
上述备份电源从高压电池取电(即上述正输入端子41和负输入端子42可连接到高压电池的两端)，提供导通逆变器中半导体开关管的能量,实现低压***掉电或驱动电源掉电等故障情况下，自动实现主动短路的功能。在驱动控制器正常运行的情况下，逆变器中半导体开关管工作的能量由驱动电源提供，而备份电源将以很小的损耗工作，不会影响逆变器的正常工作；当出现故障，驱动电源不能正常工作时，备份电源将代替驱动电源，提供导通逆变器中半导体开关管的能量，保护驱动控制器安全。
如图5所示，是本发明备份电源第二实施例的示意图。本实施例的备份电源4除了包括正输入端子、负输入端子、正输出端子、负输出端子、第一开关管S1、驱动单元46、续流支路以及滤波电路47外，还包括无源分压网络491、电流源492。上述无源分压网络491连接在正输入端子、负输入端子之间，第一开关管S1的输入端连接到无源分压网络491的输出端。
上述无源分压网络491可将高压电池输入的高压直流电做降压处理，从而降低对备份电源4中其他器件的应力要求，而上述电流源492则用于对无源分压网络491进行能量调配，保证无源分压网络491的输出电压始终高于备份电源的输出电压。
具体地，如图6所示，上述无源分压网络491可包括多个串联连接在正输入端子和负输入端子之间的多个第一子电容C1、C2…Cn(n为正整数)，且处于多个第一子电容中间位置的一个第一子电容的输出正端构成无源分压网络491的输出端。由于后级电路并联于子电容的输出端，当备份电源工作(即存在输出电流)时，与后级电路并联的第一子电容的电压会急速下降，甚至变为零。为避免此情况，需要并联电流源492，对无源分压网络491进行能量调配。上述电流源492最简单实现形式即电阻，且该电流源492可连接在正输入端子和无源分压网络491的输出端之间，或者该电流源492也可连接在无源分压网络491输出端和负输出端子之间。上述电流源492也可由多个电阻R1、R2…Rn(n为正整数)构成，该多个电阻R1、R2…Rn分别并联连接在各个第一子电容的两端，通过电阻的阻值选取可限制电流源492的电流大小。
此外，为简化电路，如图7所示，上述无源分压网络491还可借用高压电池端的母线电容来提高耐压值，此时的母线电容内部具有多个串联连接的第二子电容，可根据需要选择其中处于该多个第二子电容中间位置(非最上端)的第二子电容的正端作为无源分压网络491的输出正端。
特别地，为使备份电源4的输出电压不影响驱动控制器的正常运行，该备份电源4的输出电压(即正输出端子的电压Vo)小于驱动控制器中下桥臂驱动电源电压(当备份电源5的输出端连接到驱动电路的下桥臂电源端子或连接到逆变器的下桥臂半导体开关管时)，且备份电源4的输出电压大于逆变器中对应半导体开关管的导通电压。具体地，备份电源4的输出电压与驱动控制器中驱动电源电压的差值最好在1～2V之间。
在上述备份电源中，驱动单元46具体可包括一级控制电路461和二级控制电路462。其中一级控制电路461的输出端连接到二级控制电路462的第一输入端并向二级控制电路462输出频率和占空比恒定的方波信号Vdr1(该方波信号的频率和占空比可根据需要提前设定)。二级控制电路462的第二输入端连接到正输出端子，以获取该正输出端子的电压Vo。该二级控制电路462根据第二输入端的电压及第一输入端的方波信号生成第一驱动电压信号Vdr2，并将该第一驱动电压信号Vdr2输出到第一开关管S1的控制端。
具体地，结合图8，在第二输入端的电压降低到第二预设电压Vset2时，二级控制电路462输出的第一驱动电压信号Vdr2的波形与第一输入端的方波信号Vdr1的波形相同(即第二输入端的方波信号Vdr2和第一驱动电压信号Vdr1的频率和占空比分别相同)；在第二输入端的电压升高到第一预设电压Vset1(第一预设电压Vset1大于第二预设电压Vset2)时，二级控制电路462输出的第一驱动电压信号Vdr2为使第一开关管S1断开的电平(例如当第一开关管S1高电平导通时，此时的第一驱动电压信号Vdr2为低电平)。这样，在驱动控制器起机时，备份电源输出端电压Vo为零，此时二级控制电路462输出的第一驱动电压信号Vdr2与一级控制电路461输出的方波信号Vdr1同步，备份电源输出端电压Vo上升；当备份电源输出端电压Vo上升达到第一预设电压Vset1时，二级控制电路462输出的第一驱动电压信号Vdr2恒为低电平，使得备份电源输出端电压Vo下降；当备份电源输出端电压Vo下降达到第二预设电压Vset2时，二级控制电路462输出的第一驱动电压信号Vdr2再次与一级控制电路461输出的方波信号Vdr1同步，备份电源输出端电压Vo再次上升。由此，备份电源输出端电压Vo被控制在目标电压[Vset2,Vset1]范围内。
并且，为了使备份电源4能够快速为电机控制器提供进入安全状态的能量，上述第一预设电压Vset1与第二预设电压Vset1的差值小于2V，例如可以为0.5～1V。
上述续流支路具体可采用二极管D1，该二极管D1的阴极连接到滤波电路47的正端，且该二极管D1的阳极连接到滤波电路47的负端。该续流支路结构简单，且无需控制逻辑控制续流过程。
如图9所示，在本发明的另一实施例中，续流支路也可采用第二开关管S2代替上述的二极管D1，且该第二开关管S2的控制端连接到驱动单元，例如二级控制电路462。当第二开关管S2采用与第一开关管S1同类型的开关器件时，二级控制电路462向第二开关管S2的控制端输出第二驱动电压信号Vdr3，且在第一驱动电压信号Vdr2为低电平时，第二驱动电压信号Vdr3为高电平)，在正输出端子的电压Vo升高到第一预设电压Vset1时，第二驱动电压信号Vdr3的波形与第一驱动电压信号Vdr2的波形相同(例如恒为低电平)；在正输出端子的电压Vo降低到第二预设电压Vset2时，第二驱动电压信号Vdr3的相位与第一驱动电压信号Vdr2的相位相反(即在第一驱动电压信号Vdr2为高电平时，第二驱动电压信号Vdr3为低电平；在第一驱动电压信号Vdr2为低电平时，第二驱动电压信号Vdr3为高电平)，上述第二预设电压Vset2小于第一预设电压Vset2。通过该方式，可以使得滤波电路47的输入电流始终连续，且有利于实现第一开关管S1和第二开关管S2的软开关，减小开关损耗，有利于电路热设计。
本发明还提供一种驱动控制器，该驱动控制器可应用于电动汽车，实现电动器车中电机驱动控制，本实施例的驱动控制器包括如上所述的备份电源，并通过该备份电源在驱动电源或低压***故障时，为逆变器中的半导体开关管提供驱动电压。
本发明还提供一种电动汽车，包括如上所述的驱动控制器。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种备份电源，其特征在于，所述备份电源包括正输入端子、负输入端子、正输出端子、负输出端子、第一开关管、续流支路、驱动单元以及滤波电路，其中：所述正输入端子经由所述第一开关管连接到滤波电路的正端，所述负输入端子连接到所述滤波电路的负端；所述续流支路的第一端与所述滤波电路负端相连，所述续流支路的第二端与所述滤波电路的正端相连；所述正输出端子连接到所述滤波电路的正端、所述负输出端子连接到所述滤波电路的负端；所述驱动单元的输出端连接到所述第一开关管的控制端，且所述驱动单元根据所述正输出端子电压，向所述第一开关管的控制端输出第一驱动电压信号，使所述正输出端子的电压维持在预设范围内。
2.根据权利要求1所述的备份电源，其特征在于，所述备份电源包括无源分压网络和电流源，所述正输入端子与所述无源分压网络正端连接，所述负输入端子与所述无源分压网络负端连接，所述无源分压网络的输出端连接所述第一开关管的输入端；所述电流源连接到所述无源分压网络并对所述无源分压网络进行能量调配。
3.根据权利要求2的所述的备份电源，其特征在于，所述电流源包括电阻；所述电流源连接在所述正输入端子和所述无源分压网络的输出端之间，或者所述电流源连接在所述无源分压网络的输出端和所述负输出端子之间。
4.根据权利要求2所述的备份电源，其特征在于，所述无源分压网络包括多个串联在所述正输入端子和负输入端子之间的多个第一子电容，处于所述多个第一子电容中间位置的一个所述第一子电容的输出正端构成所述无源分压网络的输出端；或者所述无源分压网络包括连接到正输入端子和负输入端子之间的高压端的母线电容，所述母线电容由多个第二子电容串联组成，处于所述多个第二子电容中间位置的一个所述第二子电容的输出正端构成所述无源分压网络的输出端。
5.根据权利要求1所述的备份电源，其特征在于，所述驱动单元包括一级控制电路和二级控制电路；其中：所述一级控制电路的输出端连接到所述二级控制电路的第一输入端并向所述二级控制电路输出频率和占空比恒定的方波信号；所述二级控制电路的第二输入端连接到所述正输出端子，并根据所述正输出端子的电压及所述第一输入端的方波信号向所述第一开关管的控制端输出所述第一驱动电压信号。
6.根据权利要求5所述的备份电源，其特征在于，在所述二级控制电路的第二输入端的电压升高到第一预设电压时，所述二级控制电路输出的所述第一驱动电压信号为使所述第一开关管断开的电平；在所述二级控制电路的第二输入端的电压降低到第二预设电压时，所述二级控制电路输出的第一驱动电压信号的波形与所述第一输入端的方波信号的波形相同，且所述第二预设电压小于所述第一预设电压。
7.根据权利要求6所述的备份电源，其特征在于，所述第一预设电压与第二预设电压的差值小于2V，且所述第一预设电压小于下桥臂驱动电源电压。
8.根据权利要求1所述的备份电源，其特征在于，所述续流支路包括二极管，且所述二极管的阳极连接到所述滤波电路的负端、所述二极管的阴极连接到所述滤波电路的正端；
或者，所述续流支路包括第二开关管，且所述第二开关管的控制端连接到所述驱动单元，所述驱动单元根据所述正输出端子电压向所述第二开关管的控制端输出第二驱动电压信号，且在所述正输出端子的电压升高到第一预设电压时，所述第二驱动电压信号的波形与所述第一驱动电压信号的波形相同，在所述正输出端子的电压降低到第二预设电压时，所述第二驱动电压信号的相位与所述第一驱动电压信号的相位相反。
9.一种驱动控制器，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的备份电源。
10.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求9所述的驱动控制器。
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