车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统及安全控制器

摘要

本发明公开了一种车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，用于根据蓄电池正负端之间的电压、驱动电机的转速、电机转速传感器的状态，分别输出安全控制信号至三相桥式逆变器的上下桥臂各功率开关管的控制端。本发明还公开了一种安全控制器。本发明，能在电驱动系统故障模式下避免对蓄电池及其两端并接的电容过充电，避免导致驱动电机退磁和电子器件损坏，避免引起驾驶冲击。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术，特别涉及一种车用电驱动系统故障模式下的安全控制 系统及安全控制器。

背景技术

在纯电动或混合动力汽车中，电驱动系统主要由驱动电机、逆变器和蓄电池组成。 其中，驱动电机大部分采用功率密度大，控制效率高的三相交流电机。逆变器则与之对 应，通常采用三相桥式逆变器，三相桥式逆变器如图1所示，包括第一功率开关管S1、 第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第 六功率开关管S6、第一反向续流二极管D1、第二反向续流二极管D2、第三反向续流二 极管D3、第四反向续流二极管D4、第五反向续流二极管D5、第六反向续流二极管D6、 电容CDC、导通驱动电路；功率开关管可以采用功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管 （GTO）、功率场效应管（Power MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成门极换 流晶闸管（IGCT）、对称门极换流晶闸管（SGCT）等；

所述第一功率开关管S1、第三功率开关管S3、第五功率开关管S5、第一反向续流 二极管D1、第三反向续流二极管D3、第五反向续流二极管D5构成三相桥式逆变器的上 桥臂，所述第二功率开关管S2、第四功率开关管S4、第六功率开关管S6、第二反向续 流二极管D2、第四反向续流二极管D4、第六反向续流二极管D6构成三相桥式逆变器的 下桥臂；

所述蓄电池的正端接三相桥式逆变器的上桥臂，负端接三相桥式逆变器的下桥臂； 所述电容CDC并接在所述蓄电池的正端、负端之间；

所述导通驱动电路，用于控制三相桥式逆变器各功率开关管按顺序循环导通，将蓄 电池端的直流电流转化成为三相交流电流，以驱动三相交流电机PSM。

若这套电驱动系统在行车中逆变器或驱动电机发生故障，则会进入故障模式，进行 安全控制。现有的车用电驱动系统故障模式下的安全控制方式通常包括主动短路控制和 续流控制两种。

短路控制，是通过控制三相桥式逆变器的下桥臂中的功率开关管S2、S4、S6接通， 上桥臂中的功率开关管S1、S3、S5关断，使三相交流电机PSM的三相绕组均与蓄电池 的负端短路，如图2。此时，三相交流电机PSM中的续电流直接通过电机三相绕组，与 逆变器中闭合的第二功率开关管S2、第四功率开关管S4和第六反向续流二极管D6形成 的回路，能量在电机内部和电子元器件中消耗掉。使用此方法，虽然将电机三相绕组立 即与蓄电池高压断开，具有一定的安全性。但此时电能直接转化为电机绕组和电子器件 的热能，会造成电机与电子器件过流或过温，增大电机内的磁性材料退磁风险，造成电 机和电子器件性能下降甚至损坏，并且由于电机固有特性，在电机一定转速范围内会产 生瞬时的较大制动力矩，引起整车非常大的驾驶冲击，影响整车的安全性和驾驶性。

续流控制，是通过控制三相桥式逆变器的上桥臂及下桥臂中的各功率开关管S1、S3、 S5、S2、S4、S6均关断，如图3。此时，电机三相中的续电流只能通过电机三相绕组， 与逆变器中的第一反向续流二极管D1、第三反向续流二极管D3、第六反向续流二极管 D6与蓄电池及其正端、负端间并联的电容CDC形成的回路，将能量释放到蓄电池两端。 使用此方法，虽然可以利用电容CDC及蓄电池的容性特性，将电能部分回馈到电容CDC及 蓄电池中，但在电机转速较高时，电机反电动势也较高，长时间的续流控制会造成电容 CDC及蓄电池的过充电，导致蓄电池正负端之间电压过高，甚至损坏电容CDC及蓄电池。

发明内容

本发明要解决的技术问题是的车用电驱动系统故障模式下的安全控制，避免对蓄电 池及其两端并接的电容过充电，避免导致驱动电机退磁和电子器件损坏，避免引起驾驶 冲击。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种车用电驱动系统故障模式下的安全控制系 统，电驱动系统包括蓄电池、三相桥式逆变器、三相驱动电机，三相桥式逆变器将蓄电 池输出的直流电变换为三相交流电，驱动所述三相驱动电机；安全控制系统包括一电机 转速传感器、一电机转速传感器状态诊断器、一电池电压采样电路、一安全控制器；

所述电机转速传感器，用于检测电驱动系统的驱动电机的转速；

所述电机转速传感器状态诊断器，用于检测所述电机转速传感器的状态；

所述电池电压采样电路，用于检测电驱动系统的蓄电池正负端之间的电压；

所述安全控制器，用于根据蓄电池正负端之间的电压、驱动电机的转速、电机转速 传感器的状态，分别输出安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关管的 控制端，安全控制器中标定有第一额定转速、第一偏置转速、第二额定转速、第二偏置 转速，安全控制器的工作过程包括以下步骤：

一.安全控制器接收到进入故障模式信号；

二.如果电机转速传感器的状态为正常，则以所述电机转速传感器检测的驱动电机 的转速作为当前驱动电机转速，进行步骤三；

三.如果Np>N1+ΔN1,则进行步骤四；

如果N1-ΔN1>Np>N2+ΔN2,则进行步骤六；

如果N2-ΔN2>Np,则进行步骤七；

如果N1+ΔN1≥Np≥N1-ΔN1，或者N2+ΔN2≥Np≥N2-ΔN2，则进行步骤八；

其中N1>N2+ΔN1+ΔN2，并且N2>ΔN1>0，N2>ΔN2>0；

Np为当前驱动电机转速，N1为第一额定转速，ΔN1为第一偏置转速，N2为第二额 定转速，ΔN2为第二偏置转速；

四．安全控制器输出续流安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关 管的控制端，控制将三相桥式逆变器上下桥臂的各功率开关管均关断；

五.如果蓄电池正负端之间的电压大于标定电压值，或者安全控制器输出续流安全 控制信号控制各功率开关管均关断达到设定时间，则安全控制器输出短路安全控制信号 到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关管的控制端，控制将三相桥式逆变器的下桥 臂中的各功率开关管接通，将上桥臂中的各功率开关管关断；所述标定电压值大于蓄电 池的额定电压并且小于蓄电池的终止充电电压；

六．安全控制器输出续流安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关 管的控制端，控制将三相桥式逆变器上下桥臂的各功率开关管均关断；

七．安全控制器输出短路安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关 管的控制端，控制将三相桥式逆变器的下桥臂中的各功率开关管接通，将上桥臂中的各 功率开关管关断；

八．安全控制器的输出信号维持先前状态。

安全控制系统还可以包括档位传感器、轮速传感器、发动机转速传感器；

档位传感器，用于采集变速器的档位并输出到安全控制器；

轮速传感器，用于采集车轮的转速并输出到安全控制器；

发动机转速传感器，用于采集发动机的转速并输出到安全控制器；

步骤二中，如果电机转速传感器的状态为故障，则安全控制器根据电机在整车拓扑 结构中的位置确定当前驱动电机转速，然后进行步骤三，确定当前驱动电机转速的方法 为：

如果驱动电机与减速器或变速器相连，安全控制器根据减速器传动比、变速器的档 位及车轮的转速确定当前驱动电机转速，Np＝N_C*i_D*i_T,Np为当前驱动电机转速，N_C为 车轮的转速，i_D为减速器传动比，i_T为变速器的档位传动比；

如果驱动电机与发动机相连，安全控制器以发动机转速作为当前驱动电机转速。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种安全控制器，用于输出安全控制信号到 三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关管的控制端，安全控制器中标定有第一额定转 速、第一偏置转速、第二额定转速、第二偏置转速，该安全控制器的工作过程包括以下 步骤：

一.安全控制器接收到进入故障模式信号；

二.如果电机转速传感器的状态为正常，则以所述电机转速传感器检测的驱动电机 的转速作为当前驱动电机转速，进行步骤三；

三.如果Np>N1+ΔN1,则进行步骤四；

如果N1-ΔN1>Np>N2+ΔN2,则进行步骤六；

如果N2-ΔN2>Np,则进行步骤七；

如果N1+ΔN1≥Np≥N1-ΔN1，或者N2+ΔN2≥Np≥N2-ΔN2，则进行步骤八；

其中N1>N2+ΔN1+ΔN2，并且N2>ΔN1>0，N2>ΔN2>0；

Np为当前驱动电机转速，N1为第一额定转速，ΔN1为第一偏置转速，N2为第二额 定转速，ΔN2为第二偏置转速；

四．安全控制器输出续流安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关 管的控制端，控制将三相桥式逆变器上下桥臂的各功率开关管均关断；

五.如果蓄电池正负端之间的电压大于标定电压值，或者安全控制器输出续流安全 控制信号控制各功率开关管均关断达到设定时间，则安全控制器输出短路安全控制信号 到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关管的控制端，控制将三相桥式逆变器的下桥 臂中的各功率开关管接通，将上桥臂中的各功率开关管关断；所述标定电压值大于蓄电 池的额定电压并且小于蓄电池的终止充电电压；

六．安全控制器输出续流安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关 管的控制端，控制将三相桥式逆变器上下桥臂的各功率开关管均关断；

七．安全控制器输出短路安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关 管的控制端，控制将三相桥式逆变器的下桥臂中的各功率开关管接通，将上桥臂中的各 功率开关管关断；

八．安全控制器的输出信号维持先前状态。

步骤二中，如果电机转速传感器的状态为故障，则安全控制器根据电机在整车拓扑 结构中的位置确定当前驱动电机转速，然后进行步骤三，确定当前驱动电机转速的方法 为：

如果驱动电机与减速器或变速器相连，安全控制器根据减速器传动比、变速器的档 位及车轮的转速确定当前驱动电机转速，Np＝N_C*i_D*i_T，Np为当前驱动电机转速，N_C为 车轮的转速，i_D为减速器传动比，i_T为变速器的档位传动比；

如果驱动电机与发动机相连，安全控制器以发动机转速作为当前驱动电机转速。

本发明的车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，在驱动电机高速范围内时， 首先通过续流控制利用三相桥式逆变器的三相续流二极管将驱动电机中的一部分能量 回馈给蓄电池及其两端并接的电容，避免因在驱动电机有较高反电动势时立即短路控制 造成的较大短路制动力矩引起的驾驶冲击，改善整车的安全性和驾驶性。在蓄电池正负 端之间的电压大于最大允许值，或在进行续流控制达设定时间以后，再对三相逆变器进 行短路控制，避免因三相逆变器在较高驱动电机反电动势时进行过长时间续流控制而对 蓄电池及其两端并接的电容过充电，并且由于先前续流控制释放了驱动电机中的一部分 能量，可以有效降低短路电流，降低了对三相逆变器进行短路控制时导致驱动电机退磁 和电子器件损坏的风险。

本发明的车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，在驱动电机中低速范围内 时，对三相逆变器进行续流控制，此时由于驱动电机反电动势较低，三相逆变器可以通 过三相的续流二极管，把驱动电机中的能量回馈给蓄电池及其两端并接的电容，因此驱 动电机中的三相电流不会发生急剧变化，避免产生瞬时的大短路制动力矩，不仅回馈了 能量而且解决了车辆发生故障时造成的驾驶冲击问题。

本发明的车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，在驱动电机零转速附近，对 三相逆变器进行短路控制，此时车辆速度很低，短路制动力矩很小，并且将驱动电机三 相绕组接地可以保证停车时的高压电安全，同时能够防止车辆的溜坡滑行等危险。

本发明的车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，在进行转速判断时具有以下 特征：在进行大于判断时，在额定转速基础加上一偏置转速，在进行小于判断时，在额 定转速基础上减去一偏置转速。该特征避免转速在条件临界值处发生波动引起的控制逻 辑多次切换。

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是一种三相桥式逆变器电路图；

图2是对图1所示三相桥式逆变器进行短路控制示意图；

图3是对图1所示三相桥式逆变器进行续流控制示意图；

图4是本发明的安全控制器一实施方式工作流程图。

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。

实施例一

车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，电驱动系统包括蓄电池、三相桥式逆 变器、三相驱动电机，三相桥式逆变器将蓄电池输出的直流电变换为三相交流电，驱动 所述三相驱动电机；安全控制系统包括一电机转速传感器、一电机转速传感器状态诊断 器、一电池电压采样电路、一安全控制器；

所述电机转速传感器，用于检测电驱动系统的驱动电机的转速；

所述电机转速传感器状态诊断器，用于检测所述电机转速传感器的状态；

所述电池电压采样电路，用于检测车用电驱动系统的蓄电池正负端之间的电压；

所述安全控制器，用于根据蓄电池正负端之间的电压、驱动电机的转速、电机转速 传感器的状态，分别输出安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关管的 控制端，安全控制器中标定有第一额定转速、第一偏置转速、第二额定转速、第二偏置 转速，安全控制器的工作过程如图4所示，包括以下步骤：

一.安全控制器接收到进入故障模式信号；

二.如果电机转速传感器的状态为正常，则以所述电机转速传感器检测的驱动电机 的转速作为当前驱动电机转速，进行步骤三；

三.如果Np>N1+ΔN1,则进行步骤四；

如果N1-ΔN1>Np>N2+ΔN2,则进行步骤六；

如果N2-ΔN2>Np,则进行步骤七；

如果N1+ΔN1≥Np≥N1-ΔN1，或者N2+ΔN2≥Np≥N2-ΔN2，则进行步骤八；

其中N1>N2+ΔN1+ΔN2，并且N2>ΔN1>0，N2>ΔN2>0；

Np为当前驱动电机转速，N1为第一额定转速，ΔN1为第一偏置转速，N2为第二额 定转速，ΔN2为第二偏置转速；第一偏置转速ΔN1与第二偏置转速ΔN2用于滞环控制。

较佳的，第二额定转速N2接近于零转速，例如，第二额定转速小于等于50转每秒；

四．安全控制器输出续流安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关 管的控制端，控制将三相桥式逆变器上下桥臂的各功率开关管均关断，对三相桥式逆变 器进行续流控制，三相桥式逆变器通过反向续流二极管对三相驱动电机的三相电流进行 续流，如图3；

五.如果蓄电池正负端之间的电压U_DC大于标定电压值U_max，或者安全控制器输出续 流安全控制信号控制各功率开关管均关断达到设定时间，则安全控制器输出短路安全控 制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关管的控制端，控制将三相桥式逆变器 的下桥臂中的各功率开关管S2、S4、S6接通，将上桥臂中的各功率开关管S1、S3、S5 关断，对逆变器进行短路控制，使三相交流电机PSM的三相绕组均与蓄电池的负端短路， 如图2；所述标定电压值大于蓄电池的额定电压并且小于蓄电池的终止充电电压；

六．安全控制器输出续流安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关 管的控制端，控制将三相桥式逆变器上下桥臂的各功率开关管均关断，对三相桥式逆变 器进行续流控制，三相桥式逆变器通过反向续流二极管对三相驱动电机的三相电流进行 续流，如图3；

七．安全控制器输出短路安全控制信号到三相桥式逆变器的上下桥臂的各功率开关 管的控制端，控制将三相桥式逆变器的下桥臂中的各功率开关管S2、S4、S6接通，将 上桥臂中的各功率开关管S1、S3、S5关断，对逆变器进行短路控制，使三相交流电机 PSM的三相绕组均与蓄电池的负端短路，如图2；

八．安全控制器的输出信号维持先前状态，进行滞环控制。滞环控制即一种在切换 点防止抖动的控制方法，在驱动电机转速分别向增加方向或减小方向变化时，转速切换 阈值（第一额定转速N1，第二额定转速N2）分别添加一正向或反向偏置（第一偏置转 速ΔN1，第二偏置转速ΔN2），使安全控制器的输出信号在转速发生波动时可维持先前 状态。

实施例二

基于实施例一，车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，还包括档位传感器、 轮速传感器、发动机转速传感器；

档位传感器，用于采集变速器的档位并输出到安全控制器；

轮速传感器，用于采集车轮的转速并输出到安全控制器；

发动机转速传感器，用于采集发动机的转速并输出到安全控制器；

步骤二中，如果电机转速传感器的状态为故障，则安全控制器根据电机在整车拓扑 结构中的位置确定当前驱动电机转速，然后进行步骤三，确定当前驱动电机转速的方法 为：

如果驱动电机与减速器或变速器相连，安全控制器根据减速器传动比、变速器的档 位及车轮的转速确定当前驱动电机转速，N_E＝N_C*i_D*i_T，N_E为当前驱动电机转速，N_C为车 轮的转速，i_D为减速器传动比，i_T为变速器的档位传动比；

如果驱动电机与发动机相连，安全控制器以发动机转速作为当前驱动电机转速。

实施例三

基于实施例一，三相桥式逆变器如图1所示，包括第一功率开关管S1、第二功率开 关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关 管S6、第一反向续流二极管D1、第二反向续流二极管D2、第三反向续流二极管D3、第 四反向续流二极管D4、第五反向续流二极管D5、第六反向续流二极管D6、电容CDC、导 通驱动电路；功率开关管可以采用功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、功 率场效应管（Power MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、 对称门极换流晶闸管（SGCT）等；

所述第一功率开关管S1、第三功率开关管S3、第五功率开关管S5、第一反向续流 二极管D1、第三反向续流二极管D3、第五反向续流二极管D5构成三相桥式逆变器的上 桥臂，所述第二功率开关管S2、第四功率开关管S4、第六功率开关管S6、第二反向续 流二极管D2、第四反向续流二极管D4、第六反向续流二极管D6构成三相桥式逆变器的 下桥臂；

所述蓄电池的正端接三相桥式逆变器的上桥臂，负端接三相桥式逆变器的下桥臂； 所述电容CDC并接在所述蓄电池的正端、负端之间；

所述导通驱动电路，用于控制三相桥式逆变器各功率开关管按顺序循环导通，将蓄 电池端的直流电流转化成为三相交流电流，以驱动三相交流电机PSM。

本发明的车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，在驱动电机高速范围内时， 首先通过续流控制利用三相桥式逆变器的三相续流二极管将驱动电机中的一部分能量 回馈给蓄电池及其两端并接的电容，避免因在驱动电机有较高反电动势时立即短路控制 造成的较大短路制动力矩引起的驾驶冲击，改善整车的安全性和驾驶性。在蓄电池正负 端之间的电压大于最大允许值，或在进行续流控制达设定时间以后，再对三相逆变器进 行短路控制，避免因三相逆变器在较高驱动电机反电动势时进行过长时间续流控制而对 蓄电池及其两端并接的电容过充电，并且由于先前续流控制释放了驱动电机中的一部分 能量，可以有效降低短路电流，降低了对三相逆变器进行短路控制时导致驱动电机退磁 和电子器件损坏的风险。

本发明的车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，在驱动电机中低速范围内 时，对三相逆变器进行续流控制，此时由于驱动电机反电动势较低，三相逆变器可以通 过三相的续流二极管，把驱动电机中的能量回馈给蓄电池及其两端并接的电容，因此驱 动电机中的三相电流不会发生急剧变化，避免产生瞬时的大短路制动力矩，不仅回馈了 能量而且解决了车辆发生故障时造成的驾驶冲击问题。

本发明的车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，在驱动电机零转速附近，对 三相逆变器进行短路控制，此时车辆速度很低，短路制动力矩很小，并且将驱动电机三 相绕组接地可以保证停车时的高压电安全，同时能够防止车辆的溜坡滑行等危险。

本发明的车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，在进行转速判断时具有以下 特征：在进行大于判断时，在额定转速基础加上一偏置转速，在进行小于判断时，在额 定转速基础上减去一偏置转速。该特征避免转速在条件临界值处发生波动引起的控制逻 辑多次切换。

本发明的车用电驱动系统故障模式下的安全控制系统，当驱动电机本体的电机转速 传感器无故障时，直接以电机转速传感器的检测的转速为当前驱动电机转速，当驱动电 机本体的电机转速传感器发生故障时，引入轮速信号或发动机转速信号作为确定当前驱 动电机转速的备选信号，使该安全控制系统也可以适用于电机转速传感器发生故障的情 况，具有更高的安全性。

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。