CN212540669U - 上电自检检测电路、空压机控制器以及氢燃料电池*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种上电自检检测电路、空压机控制器以及氢燃料电池***，包括：第一电压源、电压变换装置、处理器以及可向功率电路供电的母线，功率电路包括至少两个的电力电子器件；第一电压源通过电压变换装置连接母线，电压变换装置用于将第一电压源输出的第一电压转换为预充电电压为母线供电，预充电电压不低于第二电压的预设比例，第二电压是功率电路的工作电压；功率电路通过处理器与第一电压源连接，处理器用于控制电力电子器件的开通和关断，并检测第一电压源的输出电压值；在功率电路发生短路故障时，输出电压值小于或等于预设电压阈值，且流经功率电路的短路电流值小于或等于预设电流阈值。本申请可有效提升电路自检的可靠性。

Description

上电自检检测电路、空压机控制器以及氢燃料电池***

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，具体涉及一种上电自检检测电路，具有该上电自检检测电路的空压机控制器以及具有该空压机控制器的氢燃料电池***。

背景技术

随着燃料电池领域的不断发展，氢燃料电池***因其能量转化率高、运行平稳、噪音低等的特性，已被广泛应用于现代电动汽车中，而作为氢燃料电池***中关键零部件的空压机，对氢燃料电池***的稳定运行起着重要作用。

现有的空压机控制器，运行期间难免会出现异常情况而导致***故障，因此需在上高压之前检测电路是否存在故障，尤其是检测控制器中的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是否存在短路现象，而现有的故障检测方式通常是基于二极管的检测方式，如申请号为201920815804.5的专利，即提出通过在高压回路与低压回路之间设置二极管，利用其正向导通反向截至的作用来检测控制器电路，但该检测方式仍然存在以下不足：

1、二极管无隔离功能，当二极管发生击穿或者短路时，极有可能导致高压回路接入低压回路，从而致使控制芯片和控制板故障；

2、电路自检开始瞬间，电源对电容充电的电流较大，极有可能将电池电压拉低，从而导致单片机误报警；

3、电路自检结束后，需要对高压母线进行预充电操作，耗时较长。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种控制器上电自检电路，能够解决如何提高电路自检可靠性的技术问题。

第一方面，本申请提供一种上电自检检测电路，所述电路包括：第一电压源(1)、电压变换装置(2)、处理器(3)以及可向功率电路(7)供电的母线(8)，所述功率电路(7)包括至少两个的电力电子器件；

所述第一电压源(1)通过所述电压变换装置(2)连接所述母线(8)，所述电压变换装置(2)用于将所述第一电压源(1)输出的第一电压转换为预充电电压为所述母线(8)供电，所述预充电电压不低于第二电压的预设比例，所述第二电压是所述功率电路(7)的工作电压；

所述功率电路(7)通过所述处理器(3)与所述第一电压源(1)连接，所述处理器(3)用于控制所述电力电子器件的开通和关断，并检测所述第一电压源(1)的输出电压值；在所述功率电路(7)发生短路故障时，所述输出电压值小于或等于预设电压阈值，且流经所述功率电路(7)的短路电流值小于或等于预设电流阈值。

在一些实施方案中，所述电路还包括预充电回路，所述第一电压源(1)通过所述预充电回路连接所述母线(8)，所述预充电回路包括第一开关元件(41)和阻抗元件(5)串联形成的第一电路。

在一些实施方案中，所述预充电回路还包括与所述第一电路并联的第二电路，第二电路包括第二开关元件(42)。

在一些实施方案中，所述电压变换装置(2)为隔离升压装置。

在一些实施方案中，所述第一开关元件(41)和/或第二开关元件(42)被配置为可控开关元件或不可控开关元件。

在一些实施方案中，所述电路还包括驱动单元(6)，所述驱动单元(6)被配置为接收处理器(3)发送的故障检测指令，以根据所述故障检测指令依次开通所述功率电路中的电力电子器件，所述故障检测指令是在所述母线(8)的母线电压达到所述预充电电压时生成的。

在一些实施方案中，所述电路还包括第二电压源(9)以及控制所述第二电压源(9)开通和关断的主动开关元件(10)，所述第二电压源(9)被配置为在所述主动开关元件(10)为通电状态时向所述母线(8)供电。

在一些实施方案中，所述处理器(3)包括中央处理单元、电子控制单元、微控制单元、内存保护单元以及集成电路芯片中的至少一个。

第二方面，本申请还提供一种空压机控制器，所述空压机控制器包括如上任一所述的上电自检检测电路。

第三方面，本申请还提供一种氢燃料电池***，所述氢燃料电池***包括如上所述的空压机控制器。

本申请提供的上电自检检测电路，通过转换第一电压源输出的第一电压为母线供电，即可在控制功率电路中电力电子器件的通断后实现电路自检，可有效提升电路自检的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本申请实施例提供的上电自检检测电路的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种上电自检检测电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

如图1所示，在一个实施例中，本申请提供了一种上电自检检测电路，包括：第一电压源(1)、电压变换装置(2)、处理器(3)以及可向功率电路(7)供电的母线(8)，功率电路(7)包括至少两个的电力电子器件；

其中，第一电压源(1)通过电压变换装置(2)连接母线(8)，电压变换装置(2)用于将第一电压源(1)输出的第一电压转换为预充电电压以为母线(8)供电，预充电电压不低于第二电压的预设比例，第二电压是功率电路(7)的工作电压；功率电路(7)通过处理器(3)与第一电压源(1)连接，处理器(3)用于控制电力电子器件的开通和关断，并检测第一电压源(1)的输出电压值；在功率电路(7)发生短路故障时，输出电压值小于或等于预设电压阈值，且流经功率电路(7)的短路电流值小于或等于预设电流阈值。

具体地，电力电子器件为IGBT晶体管，图1所示的电力电子器件包括6个IGBT晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6。IGBT晶体管，是由双极型三极管(Bipolar Junction Transistor，BJT)和绝缘栅型场效应管(metal-oxide-semiconductor，MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有金属半场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)的高输入阻抗和电子晶体管(Giant Transistor，GTR)的低导通压降两方面的优点，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流***如交流电机、永磁同步电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域，应用IGBT绝缘栅双极型晶体管组成的三相逆变电路，可以减少电流波动和转矩脉动。功率模块(7)为三相逆变电路，三相逆变电路集成有至少两个的电力电子器件，多个电力电子器件整合后使得功率模块(7)具备三个连接端。其中，功率模块(7)的第一连接端与母线(8)相连，功率模块(7)的第二连接端通过驱动单元(6)与处理器(3)相连，功率模块(7)的第三连接端接地。

更具体地，第二电压是功率电路(7)的工作电压，本申请实施例中的工作电压可以是500V电压(在其他实施例中可以是400V～750V)，当预设比例为70％时，预充电电压为350V-500V。若实际预充电电压还存在上限预阈值，如预充电电压不低于第二电压的第一预设比例，且不高于第二电压的第二预设比例，则当第一预设比例为10％、第二预设比例为80％时，预充电电压为100V-400V，采用低于工作电压的预充电电压为母线供电，即可在完成电路自检的同时实现高压电容预充电功能，由此可以省略原电路中高压母线的预充电回路。可以理解的是，预设比例可依据实际应用需求设定，如当前需为母线(8)供电其实际所需电量的70％以上，则预设比例可设为70％。

更进一步地，电路还可实现其自检功能，即处理器(3)可控制功率模块(7)中电力电子器件的开通和关断，并实时检测第一电压源(1)的输出电压值，来实现对其三相逆变电路的故障检测，其原理在于随着电力电子器件被处理器(3)控制逐个开启，若其中一个电力电子器件存在故障，则开启其对管器件会导致桥臂瞬时直通，即会触发第一电压源(1)提供更大的电流，但由于第一电压源(1)功率较小且供电能力有限，故此时第一电压源(1)的输出电压会被拉至欠压阈值，即第一电压源(1)的输出电压值小于或等于预设电压阈值，且流经功率电路(7)的短路电流值小于或等于预设电流阈值，此时处理器(3)不仅能通过检测第一电压源(1)的输出电压来实现电路自检，还能检测定位出具体的故障电力电子器件。

需要说明的是，在本申请实施例中，功率电路(7)的故障信号(第一电压源的欠压信号)可由处理器(3)检测到，以此判定该功率电路(7)中具体的故障电力电子器件；反之，若驱动单元(6)由处理器(3)指示依次开启电力电子器件后，第一电压源(1)输出的电压仍稳定不变，则可判定功率电路(7)暂无故障，处理器(3)可按业务需求继续执行后续操作。

本实施例提供的上电自检检测电路，通过转换第一电压源输出的第一电压为母线供电，即可在控制功率电路中电力电子器件的通断后实现电路自检，可有效提升电路自检的可靠性。

在其中一个实施例中，上电自检检测电路还包括预充电回路，则第一电压源(1)可通过预充电回路连接母线(8)，预充电回路包括第一开关元件(41)和阻抗元件(5)串联形成的第一电路。

其中，第一开关元件(41)为继电器(4)控制端的开关元件，阻抗元件(5)为该预充电回路中的限流电阻，用以实现强弱电的电气隔离。

具体地，可参阅图1，继电器(4)的控制端分别与处理器(3)和第一电压源(1)的接地端相连，继电器(4)的输出端，即第一开关元件(41)分别与限流电阻(5)和电压变换装置(2)的升压端相连，第一电压源(1)顺序通过电压变换装置(2)、第一开关元件(41)和限流电阻(5)与母线(8)相连，以为母线(8)供电。

更具体地，由于继电器(4)实际上是一种用较小电流去控制较大电流的“自动开关”，因此在上电自检检测电路中增加继电器(4)，即可在处理器(3)对其控制闭合之后，在限流电阻(4)的作用下限制预充电回路的电流大小，也即不会出现过大的充电电流而拉低第一电压源(1)的输出电压，进而避免处理器(3)错误判定功率电路(7)发生短路(电压降低)而发出故障报警。

本实施例提供的上电自检检测电路，通过设置预充电电路，可避免处理器对功率电路的故障误判。

在其中一个实施例中，上述实施例所提预充电回路还包括与第一电路并联的第二电路，第二电路包括第二开关元件(42)。

其中，第二开关元件(42)为继电器(4)控制端的开关元件。

具体地，可参阅图2，继电器(4)的输出端包括第一开关元件(41)和第二开关元件(42)，在第一电路的基础上并联一个第二开关元件(42)，可实现：当由第一开关元件(41)控制进行的预充电电压达到一定程度后(达到预设电压阈值)，断开第一开关元件(41)而仅利用第二电路对母线(8)进行充电，可提高上电自检检测电路的预充电速度，进而缩短电路自检和预充电时间。

需要说明的是，本申请提供的上电自检检测电路具有电路预充和上电自检功能。若无预充电功能，母线(8)上的主动开关元件(10)闭合瞬间足以致使电路电容产生瞬间高压而损坏其他零部件；若无自检功能，在高压上电时会二次损坏电力电子器件及其他部件。

本实施例提供的上电自检检测电路，通过设置具有双并联电路的预充电电路，可在避免处理器对功率电路故障误判的基础上，缩短电路自检和预充电时间，提高电路自检的可靠性与安全性。

在其中一个实施例中，电压变换装置(2)为隔离升压装置。

具体地，电压变换装置(2)可以为24V(或12V～32V)的低压转高压隔离升压装置，低压转高压隔离升压装置用于将第一电压源(1)输出的第一电压隔离转换为预设高压。可以理解的是，在其他实施例中，电压变换装置(2)还可以是12V～32V中15V的低压转高压隔离升压装置，即此时的低压伏值由第一电压源(1)确定，如若第一电压源(1)输出电压为15V，则电压变换装置(2)须为15V转高压隔离升压装置；如若第一电压源(1)输出电压为24V(或12V～32V)，则电压变换装置(2)须为24V的低压转高压隔离升压装置。因此，本申请对电路中所需低压的数值不作具体限制。

本实施例提供的上电自检检测电路，通过设置隔离升压装置对第一电压源输出的电压转换为预充电电压，可在确保预充电安全性的基础上，提高电路自检的可靠性与安全性。

在其中一个实施例中，所述第一开关元件(41)和/或第二开关元件(42)被配置为可控开关元件或不可控开关元件。

具体地，不可控开关元件可以是二极管，可控开关元件可以是如图1-2所示的开关元件，可控开关元件可由处理器(3)控制。

本实施例提供的上电自检检测电路，通过将开关元件设置为可控开关元件或不可控开关元件，可控制电压不会反串，进而提高电路自检的可靠性。

在其中一个实施例中，所述电路还包括驱动单元(6)，所述驱动单元(6)被配置为接收处理器(3)发送的故障检测指令，以根据所述故障检测指令依次开通所述功率电路中的电力电子器件，所述故障检测指令是在所述母线(8)的母线电压达到所述预充电电压时生成的。

具体地，可参阅图1，处理器(3)可在检测到母线电压达到预充电电压之后，生成故障检测指令，并将该指令发送至驱动单元(6)，以使驱动单元(6)针对功率电路(7)中的电力电子器件进行逐个开启，以实现电路故障检测。

在其中一个实施例中，所述电路还包括第二电压源(9)以及控制所述第二电压源(9)开通和关断的主动开关元件(10)，所述第二电压源(9)被配置为在所述主动开关元件(10)为通电状态时向所述母线(8)供电。

具体地，可参阅图1，处理器(3)指示驱动单元(6)逐个开启电力电子器件之后，还需实时检测第一电压源的输出电压值，若该输出电压值在第一预设时间内大于预设电压阈值，则生成控制指令，并将控制指令发送至主动开关元件(10)用以对其进行闭合控制，以便在主动开关元件(10)闭合后由第二电压源(9)向母线(8)供电，此时电路以及电路所加负载可正常工作。

在其中一个实施例中，所述处理器(3)包括中央处理单元、电子控制单元、微控制单元、内存保护单元以及集成电路芯片中的至少一个。

具体地，处理器(3)包括中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)、内存保护单元(Micro Processor Unit，MPU)以及集成电路芯片(System-on-a-Chip，SOC)中的至少一个。可以理解的是，在其他实施例中，处理器(3)还可以是其他符合电路需求作用的处理器，本申请对处理器(3)不作具体限制。驱动单元(6)是用于驱动功率模块(7)中电力电子期间的单元模块，驱动单元(6)也可以是中央处理单元、电子控制单元、微控制单元、内存保护单元以及集成电路芯片中的至少一个。母线(8)是指多个设备以并列分支的形式接在其上的一条共用的通路。电压变换装置(2)为升压装置，第一电压源(1)输出的第一电压为12V～32V。

在其中一个实施例中，本申请还提供一种空压机控制器，该空压机控制器包括上述实施例中任一所述的上电自检检测电路。

在其中一个实施例中，本申请还提供一种氢燃料电池***，该氢燃料电池***包括如上实施例中所述的空压机控制器。其中，氢燃料电池***还包括与空压控制器连接的燃料电池控制器和回氢泵控制器。可以理解的是，燃料电池控制器是燃料电池发动机***的控制“大脑”，主要实现对燃料电池***的在线检测、实时控制及故障诊断，确保***稳定可靠工作。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例所提供的一种上电自检检测电路、空压机控制器以及氢燃料电池***进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种上电自检检测电路，其特征在于，所述电路包括：

第一电压源(1)、电压变换装置(2)、处理器(3)以及可向功率电路(7)供电的母线(8)，所述功率电路(7)包括至少两个的电力电子器件；

所述第一电压源(1)通过所述电压变换装置(2)连接所述母线(8)，所述电压变换装置(2)用于将所述第一电压源(1)输出的第一电压转换为预充电电压为所述母线(8)供电，所述预充电电压不低于第二电压的预设比例，所述第二电压是所述功率电路(7)的工作电压；

所述功率电路(7)通过所述处理器(3)与所述第一电压源(1)连接，所述处理器(3)用于控制所述电力电子器件的开通和关断，并检测所述第一电压源(1)的输出电压值；在所述功率电路(7)发生短路故障时，所述输出电压值小于或等于预设电压阈值，且流经所述功率电路(7)的短路电流值小于或等于预设电流阈值。

2.如权利要求1所述的上电自检检测电路，其特征在于，所述电路还包括预充电回路，所述第一电压源(1)通过所述预充电回路连接所述母线(8)，所述预充电回路包括第一开关元件(41)和阻抗元件(5)串联形成的第一电路。

3.如权利要求2所述的上电自检检测电路，其特征在于，所述预充电回路还包括与所述第一电路并联的第二电路，第二电路包括第二开关元件(42)。

4.如权利要求1所述的上电自检检测电路，其特征在于，所述电压变换装置(2)为隔离升压装置。

5.如权利要求2或3中任意一项所述的上电自检检测电路，其特征在于，所述第一开关元件(41)和/或第二开关元件(42)被配置为可控开关元件或不可控开关元件。

6.如权利要求1所述的上电自检检测电路，所述电路还包括驱动单元(6)，所述驱动单元(6)被配置为接收处理器(3)发送的故障检测指令，以根据所述故障检测指令依次开通所述功率电路中的电力电子器件，所述故障检测指令是在所述母线(8)的母线电压达到所述预充电电压时生成的。

7.如权利要求1所述的上电自检检测电路，所述电路还包括第二电压源(9)以及控制所述第二电压源(9)开通和关断的主动开关元件(10)，所述第二电压源(9)被配置为在所述主动开关元件(10)为通电状态时向所述母线(8)供电。

8.如权利要求1所述的上电自检检测电路，所述处理器(3)包括中央处理单元、电子控制单元、微控制单元、内存保护单元以及集成电路芯片中的至少一个。

9.一种空压机控制器，其特征在于，所述空压机控制器包括如权利要求1-8中任一所述的上电自检检测电路。

10.一种氢燃料电池***，其特征在于，所述氢燃料电池***包括如权利要求9所述的空压机控制器。

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