CN113179070B - 一种车用电力驱动***动力端子动态保护*** - Google Patents

一种车用电力驱动***动力端子动态保护*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及车用电力驱动***技术领域，具体地说是一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，包括损耗计算模块、温度计算模块、降额控制模块、电流控制模块，损耗计算模块获取逆变器的实时交流、直流电流信号，损耗计算模块计算并输出损耗功率，温度计算模计算并输出母排、线束的当前温度，降额控制模块将获得的当前温度与设定的降额温度阈值、过温阈值进行比较，电流控制模块计算并输出逆变器电流调整值，逆变器改变交流、直流电流，实现对母排温度的控制。同现有技术相比，建立基于温度节点的拓扑结构，在线计算母排、线束的当前温度，并进行动态的降额限制逆变器电流输出，实现电力驱动***的过温保护功能，且可以最大化***的动态输出能力。

Description

一种车用电力驱动***动力端子动态保护***
技术领域
本发明涉及车用电力驱动***技术领域，具体地说是一种车用电力驱动***动力端子动态保护***。
背景技术
参见图1，车用电力驱动***一般包括电源1、逆变器2、电机3。电源1、逆变器2、电机3之间通过母排8、线束9连接。电源产生的高压电流经直流线束进入直流母排，然后经过逆变器内部的功率模块等器具转换后经交流母排流出，电流之后经过交流线束进入电机母排，进而进入电机定子绕组。对于如e-Alex等的集成式电力驱动***，***由于将逆变器、电机集成在一个结构内，可以省略高压线束。
目前，纯电动、混动车辆的车用电力驱动***功率等级不断跃升，电力驱动***除了电机、功率模块、电容等主要器件面临热安全问题，功率器件的母排和动力线束同样面临热风险。
当电力驱动***工作在过载区域时，动力线束和逆变器、电机母排随着工作时间的拉长温度不断上升很容易达到过温状态，造成铜排或线束的过温氧化，电阻增加，使得损耗增加、***效率下降，过温严重则会导致绝缘破坏影响安全运行。
为了防止过温损坏，一方面可以按照电力驱动***的峰值功率作为***的持续输出能力进行线束、母排设计，选择更大的截面积、更好的冷却条件。但是***的持续能力一般都大大低于***的峰值能力，这样会导致***的硬件成本增加。
为了实现安全保护的同时兼顾***的成本，采用的方式是根据***运行工况进行在线实时保护，具体来说是根据***的电流累计I2t数值，当I2t达到限值，则进行降功率、降电流运行。在***运行电流大于持续电流时，I2t数值的累积容易计算，但当***电流小于持续电流时，I2t数值的缩减却很难把握，为了保证安全裕量，一般会采用保守方案，这样则会限制***的输出能力，影响整车动力性能。
因此，需要设计一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，以实现***的过温保护功能，且可以最大化***的动态输出能力。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，以实现***的过温保护功能，且可以最大化***的动态输出能力。
为了达到上述目的，本发明提供一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，包括损耗计算模块、温度计算模块、降额控制模块、电流控制模块，损耗计算模块获取逆变器的实时交流、直流电流信号，损耗计算模块根据实时交流、直流电流信号计算并输出损耗功率，温度计算模块根据获得的损耗功率计算并输出母排、线束的当前温度，降额控制模块将获得的当前温度与设定的降额温度阈值、过温阈值进行比较，如当前温度低于降额温度阈值，则降额控制模块不输出扭矩限制信号，如当前温度高于降额温度阈值且低于过温阈值，则降额控制模块输出扭矩限制信号进行降额处理，如当前温度高于过温阈值，则降额控制模块输出扭矩限制信号为0，电流控制模块根据获得的扭矩限制信号计算并输出逆变器电流调整值，逆变器根据电流调整值改变交流、直流电流，实现对母排温度的控制；所述的温度计算模块根据获得的损耗功率计算并输出母排、线束的当前温度具体如下：建立基于温度节点的拓扑结构，根据拓扑结构建立相连节点间的能量平衡方程，得到热力学模型。
可选的，所述的逆变器的实时交流、直流电流信号由传感器测量获得或通过公式P=UI计算获得。
可选的，所述的基于温度节点的拓扑结构包括直流侧或交流侧的目标节点、辅助节点及对辅助热流、冷却液节点，损耗功率输入到直流侧或交流侧的目标节点，直流侧或交流侧的目标节点经由辅助节点及对辅助热流输入到冷却液节点，辅助节点及对辅助热流的数量≥0个。
可选的，输入向量=损耗功率+冷却液温度。
可选的，所述的基于温度节点的拓扑结构包括直流侧或交流侧的目标节点、辅助节点及对辅助热流、冷却液节点、环境空气节点，损耗功率输入到直流侧或交流侧的目标节点，直流侧或交流侧的目标节点分两路，一路经由辅助节点及对辅助热流输入到冷却液节点，另一路输入到环境空气节点，辅助节点及对辅助热流的数量≥0个。
可选的，输入向量=损耗功率+冷却液温度+环境空气温度。
可选的，所述的损耗功率的计算公式为P=I2R（T），I为电流，R（T）为考虑电阻温度效应的等效电阻。
可选的，所述的等效电阻通过对端子处线缆外层、屏蔽层、端子芯子、冷却液进口位置、冷却液出口位置布置温度传感器进行温升实验获得。
可选的，所述的模型参数通过对端子处线缆外层、屏蔽层、端子芯子、冷却液进口位置、冷却液出口位置布置温度传感器进行温升实验获得。
可选的，所述的电流控制模块计算逆变器电流调整值的方法具体如下：采用MTPA及MTPV算法获得DQ轴目标电流，根据当前三相电流计算得DQ轴实际电流，根据DQ轴实际电流、DQ轴目标电流经过双PI控制器得到DQ轴目标电压，根据DQ轴目标电流、DQ轴目标电压通过SVPWM控制算法计算得到逆变器电流调整值。
本发明同现有技术相比，建立基于温度节点的拓扑结构，在线计算母排、线束的当前温度，并进行动态的降额限制逆变器电流输出，实现电力驱动***的过温保护功能，且可以最大化***的动态输出能力。
附图说明
图1为现有技术中，车用电力驱动***的***框图。
图2为本发明车用电力驱动***动力端子动态保护***的***框图。
图3为当电力驱动***的热量扩散到环境空气的比例较小时，本发明基于温度节点的拓扑结构图。
图4为当电力驱动***的热量扩散到环境空气的比例较大时，本发明基于温度节点的拓扑结构图。
附图标记说明：1为电源，2为逆变器，3为电机，4为损耗计算模块，5为温度计算模块，6为降额控制模块，7为电流控制模块，8为母排，9为线束，100为直流侧或交流侧的目标节点，200为辅助节点及对辅助热流，300为冷却液节点，400为环境空气节点。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步描述。
参见图2，本发明提供一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，包括损耗计算模块、温度计算模块、降额控制模块、电流控制模块，损耗计算模块4获取逆变器2的实时交流、直流电流信号，损耗计算模块4根据实时交流、直流电流信号计算并输出损耗功率，温度计算模块5根据获得的损耗功率计算并输出母排、线束的当前温度，降额控制模块6将获得的当前温度与设定的降额温度阈值、过温阈值进行比较，如当前温度低于降额温度阈值，则降额控制模块6不输出扭矩限制信号，如当前温度高于降额温度阈值且低于过温阈值，则降额控制模块6输出扭矩限制信号，如当前温度高于过温阈值，则降额控制模块6输出扭矩限制信号为0，电流控制模块7根据获得的扭矩限制信号计算并输出逆变器电流调整值，逆变器2根据电流调整值改变交流、直流电流，实现对母排温度的控制。
温度计算模块5根据获得的损耗功率计算并输出母排、线束的当前温度具体如下：建立基于温度节点的拓扑结构，根据拓扑结构建立相连节点间的能量平衡方程，得到热力学模型：，K为时间步，X为节点温度的向量，X维度为节点的个数，U为输入向量，M、N为模型参数，Ｃ为输出矩阵，输出矩阵根据目标节点在X中的位置确定，Y为目标节点的输出温度。
本发明建立基于温度节点的拓扑结构，在线计算母排、线束的当前温度，并进行动态的降额限制逆变器电流输出，实现电力驱动***的过温保护功能，且可以最大化***的动态输出能力。
实施例1，本例中，电力驱动***的热量扩散到环境空气的比例较小，可忽略环境空气对热量的影响。
车用电力驱动***动力端子动态保护***的具体步骤如下：
1，损耗计算模块4获取逆变器2的实时交流、直流电流信号。逆变器2的实时交流、直流电流信号由传感器测量获得或通过公式P=UI计算获得，P为功率，U为电压，I为电流，已知电压和功率可求解电流或已知电流和功率可求解电压。
2，损耗计算模块4根据实时交流、直流电流信号计算并输出损耗功率。
3，温度计算模块5根据获得的损耗功率计算并输出母排、线束的当前温度。
参见图3，建立基于温度节点的拓扑结构，包括直流侧或交流侧的目标节点100、辅助节点及对辅助热流200、冷却液节点300，损耗功率P输入到直流侧或交流侧的目标节点100，直流侧或交流侧的目标节点100经由辅助节点及对辅助热流200输入到冷却液节点300，辅助节点及对辅助热流200的数量≥0个，辅助节点及对辅助热流200表示其他区域与热源的影响，如功率模块或电机对母排的影响，作用为更好的体现目标节点的与实际物理温度的动态特性一致性。
根据拓扑结构建立相连节点间的能量平衡方程，得到热力学模型：，K为时间步，X为节点温度的向量，X维度为节点的个数，U为输入向量，M、N为模型参数，Ｃ为输出矩阵，输出矩阵根据目标节点在X中的位置确定，Y为目标节点的输出温度。
建立模型时，人为指定X向量中每个位置代表的节点，包括目标节点，确定了X向量的含义，进而确定输出矩阵。
模型参数通过对端子处线缆外层、屏蔽层、端子芯子、冷却液进口位置、冷却液出口位置布置温度传感器进行温升实验获得。
损耗功率的计算公式为P=I2R（T），I为电流，R（T）为考虑电阻温度效应的等效电阻。等效电阻通过对端子处线缆外层、屏蔽层、端子芯子、冷却液进口位置、冷却液出口位置布置温度传感器进行温升实验获得。
4，降额控制模块6将获得的当前温度与设定的降额温度阈值、过温阈值进行比较，如当前温度低于降额温度阈值，则降额控制模块6不输出扭矩限制信号，如当前温度高于降额温度阈值且低于过温阈值，则降额控制模块6输出扭矩限制信号进行降额处理，如当前温度高于过温阈值，则降额控制模块6输出扭矩限制信号为0。
降额处理可以是任意的降额曲线方式：限制电流为： I_lim=f(T)，或限制扭矩为：Tq_Limit=f(T)， 其中T指的为目标端子温度，f为函数关系，可以是多项式或其他解析函数形式或者标定表格描述的任意形状曲线。
5，电流控制模块7根据获得的扭矩限制信号计算并输出逆变器电流调整值，逆变器2根据电流调整值改变交流、直流电流，实现对母排温度的控制。
电流控制模块7计算逆变器电流调整值具体如下：采用MTPA及MTPV算法获得DQ轴目标电流，根据当前三相电流计算得DQ轴实际电流，根据DQ轴实际电流、DQ轴目标电流经过双PI控制器得到DQ轴目标电压，根据DQ轴目标电流、DQ轴目标电压通过SVPWM控制算法计算得到逆变器电流调整值。
实施例2，本例中，电力驱动***的热量扩散到环境空气的比例较大。
车用电力驱动***动力端子动态保护***的具体步骤如下：
1，损耗计算模块4获取逆变器2的实时交流、直流电流信号。逆变器2的实时交流、直流电流信号由传感器测量获得或通过公式P=UI计算获得，P为功率，U为电压，I为电流，已知电压和功率可求解电流或已知电流和功率可求解电压。
2，损耗计算模块4根据实时交流、直流电流信号计算并输出损耗功率。
3，温度计算模块5根据获得的损耗功率计算并输出母排、线束的当前温度。
参见图4，建立基于温度节点的拓扑结构，包括直流侧或交流侧的目标节点100、辅助节点及对辅助热流200、冷却液节点300、环境空气节点400，损耗功率输入到直流侧或交流侧的目标节点100，直流侧或交流侧的目标节点100分两路，一路经由辅助节点及对辅助热流200输入到冷却液节点300，另一路输入到环境空气节点400，辅助节点及对辅助热流200的数量≥0个，辅助节点及对辅助热流200表示其他区域与热源的影响，如功率模块或电机对母排的影响，作用为更好的体现目标节点的与实际物理温度的动态特性一致性。
根据拓扑结构建立相连节点间的能量平衡方程，得到热力学模型：，K为时间步，X为节点温度的向量，X维度为节点的个数，U为输入向量，M、N为模型参数，Ｃ为输出矩阵，输出矩阵根据目标节点在X中的位置确定，Y为目标节点的输出温度。
建立模型时，人为指定X向量中每个位置代表的节点，包括目标节点，确定了X向量的含义，进而确定输出矩阵。
模型参数通过对端子处线缆外层、屏蔽层、端子芯子、冷却液进口位置、冷却液出口位置布置温度传感器进行温升实验获得。
损耗功率的计算公式为P=I2R（T），I为电流，R（T）为考虑电阻温度效应的等效电阻。等效电阻通过对端子处线缆外层、屏蔽层、端子芯子、冷却液进口位置、冷却液出口位置布置温度传感器进行温升实验获得。
4，降额控制模块6将获得的当前温度与设定的降额温度阈值、过温阈值进行比较，如当前温度低于降额温度阈值，则降额控制模块6不输出扭矩限制信号，如当前温度高于降额温度阈值且低于过温阈值，则降额控制模块6输出扭矩限制信号进行降额处理，如当前温度高于过温阈值，则降额控制模块6输出扭矩限制信号为0。
降额处理可以是任意的降额曲线方式：限制电流为： I_lim=f(T)，或限制扭矩为：Tq_Limit=f(T)， 其中T指的为目标端子温度，f为函数关系，可以是多项式或其他解析函数形式或者标定表格描述的任意形状曲线。
5，电流控制模块7根据获得的扭矩限制信号计算并输出逆变器电流调整值，逆变器2根据电流调整值改变交流、直流电流，实现对母排温度的控制。
电流控制模块7计算逆变器电流调整值的方法具体如下：采用MTPA及MTPV算法获得DQ轴目标电流，根据当前三相电流计算得DQ轴实际电流，根据DQ轴实际电流、DQ轴目标电流经过双PI控制器得到DQ轴目标电压，根据DQ轴目标电流、DQ轴目标电压通过SVPWM控制算法计算得到逆变器电流调整值。

Claims (10)

1.一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，包括损耗计算模块、温度计算模块、降额控制模块、电流控制模块，其特征在于：损耗计算模块（4）获取逆变器（2）的实时交流、直流电流信号，损耗计算模块（4）根据实时交流、直流电流信号计算并输出损耗功率，温度计算模块（5）根据获得的损耗功率计算并输出母排、线束的当前温度，降额控制模块（6）将获得的当前温度与设定的降额温度阈值、过温阈值进行比较，如当前温度低于降额温度阈值，则降额控制模块（6）不输出扭矩限制信号，如当前温度高于降额温度阈值且低于过温阈值，则降额控制模块（6）输出扭矩限制信号进行降额处理，如当前温度高于过温阈值，则降额控制模块（6）输出扭矩限制信号为0，电流控制模块（7）根据获得的扭矩限制信号计算并输出逆变器电流调整值，逆变器（2）根据电流调整值改变交流、直流电流，实现对母排温度的控制； 所述的温度计算模块（5）根据获得的损耗功率计算并输出母排、线束的当前温度具体如下：建立基于温度节点的拓扑结构，根据拓扑结构建立相连节点间的能量平衡方程，得到热力学模型：，K为时间步，X为节点温度的向量，X维度为节点的个数，U为输入向量，M、N为模型参数，Ｃ为输出矩阵，输出矩阵根据目标节点在X中的位置确定，Y为目标节点的输出温度。
2.根据权利要求1所述的一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，其特征在于：所述的逆变器（2）的实时交流、直流电流信号由传感器测量获得或通过公式P=UI计算获得。
3.根据权利要求1所述的一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，其特征在于：所述的基于温度节点的拓扑结构包括直流侧或交流侧的目标节点（100）、辅助节点及对辅助热流（200）、冷却液节点（300），损耗功率输入到直流侧或交流侧的目标节点（100），直流侧或交流侧的目标节点（100）经由辅助节点及对辅助热流（200）输入到冷却液节点（300），辅助节点及对辅助热流（200）的数量≥0个，辅助节点及对辅助热流（200）表示其他区域与热源的影响。
4.根据权利要求3所述的一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，其特征在于：输入向量=损耗功率+冷却液温度。
5.根据权利要求1所述的一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，其特征在于：所述的基于温度节点的拓扑结构包括直流侧或交流侧的目标节点（100）、辅助节点及对辅助热流（200）、冷却液节点（300）、环境空气节点（400），损耗功率输入到直流侧或交流侧的目标节点（100），直流侧或交流侧的目标节点（100）分两路，一路经由辅助节点及对辅助热流（200）输入到冷却液节点（300），另一路输入到环境空气节点（400），辅助节点及对辅助热流（200）的数量≥0个，辅助节点及对辅助热流（200）表示其他区域与热源的影响。
6.根据权利要求5所述的一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，其特征在于：输入向量=损耗功率+冷却液温度+环境空气温度。
7.根据权利要求4或6所述的一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，其特征在于：所述的损耗功率的计算公式为P=I2R（T），I为电流，R（T）为考虑电阻温度效应的等效电阻。
8.根据权利要求7所述的一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，其特征在于：所述的等效电阻通过对端子处线缆外层、屏蔽层、端子芯子、冷却液进口位置、冷却液出口位置布置温度传感器进行温升实验获得。
9.根据权利要求1所述的一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，其特征在于：所述的模型参数通过对端子处线缆外层、屏蔽层、端子芯子、冷却液进口位置、冷却液出口位置布置温度传感器进行温升实验获得。
10.根据权利要求1所述的一种车用电力驱动***动力端子动态保护***，其特征在于：所述的电流控制模块（7）计算逆变器电流调整值的方法具体如下：采用MTPA及MTPV算法获得DQ轴目标电流，根据当前三相电流计算得DQ轴实际电流，根据DQ轴实际电流、DQ轴目标电流经过双PI控制器得到DQ轴目标电压，根据DQ轴目标电流、DQ轴目标电压通过SVPWM控制算法计算得到逆变器电流调整值。
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