用于马达故障保护的交替的被动整流和3相短路控制的制作方法

本公开涉及用于电池电动车辆或插电式混合动力电动车辆的电力系统。

背景技术：

在混合动力电动车辆或电池电动车辆中，高压电池用作牵引马达的能量源，所述牵引马达驱动车轮并且消耗电池能量，或者从车轮产生电力并给电池充电。为了对牵引马达进行高精度控制，通常使用空间矢量脉宽调制。这种策略通常需要马达转子位置、dc总线电压和相电流测量值。

技术实现要素：

一种车辆包括：牵引电池、电动马达、逆变器和控制器。所述逆变器在所述牵引电池与所述电动马达之间传递功率。所述逆变器包括多个开关对。所述对中的每一对包括与所述牵引电池的正端子直接电连接的上开关和与所述牵引电池的负端子直接电连接的下开关。所述控制器响应于故障状况的存在并且在连续开关周期的每一个期间，停用所有所述开关达所述开关周期的预定部分，仅激活所述上开关达所述开关周期的另一预定部分，停用所有所述开关达所述开关周期的又一预定部分，以及仅激活所述下开关达所述开关周期的再一预定部分，使得所述开关周期的所述预定部分和所述开关周期的所述又一预定部分不连续。

一种车辆包括牵引电池、电动马达和在牵引电池与电动马达之间传递功率的逆变器。所述逆变器包括多个开关对。所述对中的每一对包括与所述牵引电池的正端子直接电连接的上开关和与所述牵引电池的负端子直接电连接的下开关。所述车辆还包括控制器，所述控制器响应于故障状况的存在并且在连续开关周期的每一个期间，停用所有所述开关达所述开关周期的预定部分以及仅激活所述下开关达所述开关周期的剩余部分。

一种车辆包括牵引电池、电动马达和在牵引电池与电动马达之间传递功率的逆变器。所述逆变器包括多个开关对。所述对中的每一对包括与所述牵引电池的正端子直接电连接的上开关和与所述牵引电池的负端子直接电连接的下开关。所述车辆还包括控制器，所述控制器响应于故障状况的存在并且在连续开关周期的每一个期间，停用所有所述开关达所述开关周期的预定部分以及仅激活所述上开关达所述开关周期的剩余部分。

附图说明

图1是逆变器控制系统的示意图，其示出了全igbt关断控制期间的相电流流动的示例。

图2a和图2b是逆变器控制系统的示意图，其示出了当ia流入牵引马达并且ib和ic流出牵引马达时的3相短路控制期间的相电流流动的示例。

图3是在交替的被动整流和3相短路控制期间逆变器的操作状态图。

图4是在交替的被动整流和3相短路控制期间在所有上开关全关断情况下的逆变器的操作状态图。

图5是在交替的被动整流和3相短路控制期间在所有下开关全关断情况下的逆变器的状态图。

图6是用于进入和退出交替的被动整流和3相短路控制的算法的流程图。

图7是用于脉宽调制(pwm)中断服务例程执行的操作状态图。

图8是用于使用pwm控制进行交替的被动整流和3相短路控制的算法的流程图。

图9是用于使用数字输出控制进行交替的被动整流和3相短路控制的状态图。

具体实施方式

本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅是示例并且其他实施例可采用不同和替代的形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节并不解释为限制性，而仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个示出和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，符合本公开教导的特征的各种组合和修改对于特定的应用或实现方式可能是期望的。

在诸如三相电流传感器故障的故障状况下，执行空间矢量脉宽调制的牵引马达控制器可能变得不稳定，从而导致大的相电流和dc总线电压振荡。对故障状况的常见响应包括所谓的“全igbt关断”和“固定3相短路”策略。如下面所讨论的，全igbt关断方法可保护牵引马达，但它增加了dc总线电压，这可能影响dc总线上的部件，诸如牵引电池、电池感测电路、dc电容器或马达逆变器。固定3相短路方法不会导致dc总线过电压，但它可能产生大的瞬态负id电流并且可能导致牵引马达的永磁体去磁。

这里，提出了一种创新。在一个示例中，该方法在半开关循环中导通所有上绝缘栅双极晶体管(igbt)，而在另一半开关循环中导通下绝缘栅双极晶体管。在上循环与下循环之间的转变期间，可插入有意(比正常操作)更长的死区时间。通过适当地选择开关频率和死区时间长度的组合，可实现全igbt关断与固定3相短路之间的平衡点。因此，dc总线电压不会上升到足够高以影响其他部件，并且瞬态id电流不会使牵引马达的永磁体去磁。

传统马达故障保护

全igbt关断

图1示出了车辆12的电力系统10。电力系统10包括牵引马达(电机)14、逆变器16、dc总线18、输入电容器19和牵引电池20。逆变器16包括多个开关(例如，igbt)22、24、26、28、30、32。开关22、24、26与牵引电池20的正端子直接电连接。开关28、30、32与牵引电池20的负端子直接电连接。此外，开关22、28限定一对，开关24、30限定一对，并且开关26、32限定一对。所述对中的每一对均服务于牵引马达14的相(例如，相a、相b、相c)中的一者。电力系统还包括控制器34，所述控制器与电力系统10通信，使得控制器可接收关于其部件的操作的数据并向其发出控制命令。例如，在牵引马达14的正常操作期间，控制器34以互补方式操作所述对中的每一对，如本领域中已知的。

如果控制器34激活全igbt关断策略，则停用开关22、24、26、28、30、32，并且马达相电流如图所示流过igbt并联二极管。这可能导致循环电流流入dc总线18和牵引电池20，即能量泵进入dc总线18。对于该特定示例，相a电流流向牵引马达14，而其他两个相电流流出牵引马达14。

不管马达故障前状况如何，一旦控制器34激活全igbt关断策略，马达绕组电流就会立即开始将能量泵回dc总线18。该能量泵可能是加强的，因为循环充电电流等于故障马达绕组电流。另外，这可能突然开始。取决于输入电容器19的大小和存储在马达绕组中的故障能量的量，dc总线电压可跳变到高值，这可能会影响与其连接的部件。

固定3相短路

图2a和图2b也示出了电力系统10。(为了便于理解，将参考同一电力系统来解释各种控制技术)。如果控制器34激活固定3相短路策略，则通过激活开关22、24、26并停用开关28、30、32(图2a)来将3相电缆短路到dc+端子，或者通过停用开关22、24、26并激活开关28、30、32(图2b)来将3相电缆短路到dc-端子。随着电流在牵引马达14与开关22、24、26或28、30、32之间循环，没有发生dc总线电流循环，并且因此dc总线上没有电压跳变。然而，这种策略可能会在马达端子上产生短路。具有短路的旋转马达可能会经历大的瞬态3相电流，这可能会使永磁体去磁。

提出的马达故障保护

交替的被动整流和3相短路

图3示出了交替的被动整流和3相短路控制及其操作模式。在‘3相短路正’(或‘3相短路负’)模式期间，控制器34同时激活所有上开关22、24、26(或下开关28、30、32)且持续相同时间。在‘被动整流’模式期间，停用所有开关22、24、26、28、30、32。为了避免开关击穿故障，‘被动整流’模式位于‘3相短路正’模式与‘3相短路负’模式之间：在一个开关周期内以非连续方式出现两次。

在‘3相短路正’模式和‘3相短路负’模式期间的马达相电流流动与3相短路方法(图2a和图2b)相同，并且马达能量是在牵引马达14和逆变器16内消耗的。在‘被动整流’模式期间的马达相电流流动与全igbt关断方法(图1)相同，并且马达能量被动地整流到dc总线18。因此，在以下等式中定义的passiverectifyratio确定了牵引马达14与dc18总线之间的马达能量分布。

passiverectifyratio(％)＝(∑每个开关周期的passiverecificationduration/开关周期)*100

作为说明，下表示出了在50％占空比、指定开关周期和各种死区时间的情况下，使用脉宽调制(pwm)控制得到的passiverectifyratio。

作为示例，所提出的方法的益处可用54％的passiverectifyratio来说明。对于常规全igbt关断方法，存储在牵引马达中的所有能量被一次调节到dc总线，而所提出的方法将总能量分成小部分并在被动整流模式期间将该部分的27％发送到dc总线，因此降低了dc总线电压增量。对于常规3相短路方法，存储在牵引马达中的所有能量都在马达内部被消耗，而所提出的方法允许马达在3相短路正或3相短路负模式期间消耗能量部分的23％，从而降低id峰值电流并避免马达去磁。

其他情况

交替的被动整流和3相短路控制具有另外两种情况，包含‘被动整流’和‘3相短路负’(或‘3相短路正’)模式，如图4和图5中所示，其中上开关22、24、26或下开关28、30、32在整个开关周期期间被停用。在各种情况中，实现方式的选择可取决于使用的是pwm控制还是数字控制(见下文)。例如，交替的被动整流和3相短路控制可能更容易用pwm控制实现。其他情况可能更容易用数字控制等实现。

控制自由度

被动整流持续时间

对于给定的马达相电流，passiverectifyduration确定发送到dc总线18的电荷量q，并且因此确定dc总线部件上的电压增量。

q＝i_c*passiverectifyduration

i_c为流入dc总线18的马达相电流，其被假设在短的被动整流持续时间期间恒定。δvdc定义逆变器输入电容器c上的最大电压跳变，假设所有累积电荷q都用于引起电压增量。

δvdc＝q/c

电池电流i_batt计算如下。

i_batt＝δvdc/r_batt

r_batt为集总电阻，包括电池内阻、高压电缆电阻和电池单元汇流条电阻。由于被动整流持续时间短，因此与3相短路方法相比，δvdc和i_batt显著降低，并且因此降低了电池soc或电池组电压增量。

被动整流比

被动整流比确定牵引马达14与dc总线18之间的马达能量分布，并且是影响马达瞬态id峰值电流的变量，如上面所解释的。对于给定的被动整流持续时间，小的交替周期(或大的交替频率)增加了被动整流比，并且因此降低了瞬态id峰值电流。

总之，较小的被动整流持续时间有益于dc总线部件保护，而较大的被动整流比有益于马达永磁体保护。如果选择交替频率以实现期望的cpu负载(即，微处理器执行时间与空闲时间的百分比)，则被动整流持续时间为单控制自由度。被动整流持续时间可被设计为简单的校准常数以便简化控制，或者被设计为交替控制经过时间的函数以获得更好的控制性能。

交替的被动整流和3相短路控制设计

为了简单起见，下面将交替的被动整流和3相短路控制称为交替控制。响应于检测到牵引马达故障，诸如指示马达位置传感器故障的数据，可执行交替控制。在马达相电流达到稳态之后，控制例程完成，并且可禁用或重新启用牵引马达14。

图6示出了控制器34实现上面简要讨论的交替控制算法。在操作35处，控制器处于正常操作，其中马达逆变器开关由pwm输出信号控制，并且pwm中断被配置为每半周期触发一次，如图7所示。在pwm中断例程期间，应用软件设置pwm周期、占空比和死区时间，并且微处理器或驱动器更新下一半循环中的pwm占空比和死区时间以及下一周期中的pwm周期。在操作36处，控制器34确定是否存在故障状况。例如，控制器34可检查响应于缺少传感器数据(例如，相电流传感器数据、电压传感器数据、马达位置数据等)或传感器数据的值不合规范而以已知方式设置的状态标志的存在。然而，也可使用其他已知技术来确定是否存在故障状况。如果否，则控制器34继续检查是否存在故障状况。如果是，则控制器34在操作38处执行如本文所设想且如图8或图9所详述的交替的被动整流和3相短路控制。在操作40处，控制器34确定相电流是否已达到稳态。例如，控制器34可在预定义的持续时间期间检查id的值是否有大于10％的变化。然而，也可使用其他已知技术来确定相电流是否已达到稳态。如果否，则控制器34继续执行交替的被动整流和3相短路控制。如果是，则控制器34可恢复正常牵引马达操作(例如，如上所提及对开关对的互补控制)或禁用牵引马达14。

利用pwm控制进行的交替控制设计

图8示出了利用pwm控制进行的交替控制，其中分别使用pwm开关频率、开关占空比和死区时间来实现交替频率、3相短路持续时间和被动整流持续时间。在pwm中断服务例程中执行所述控制。当被激活时，所述控制更新pwm开关频率以及上开关的占空比和死区时间。当达到预定义的timeouttime时，控制例程完成并且所有开关都关断。

timeouttime是经校准的，以确保马达相电流达到稳态。它等于l/r，其中l为马达相电感，并且r为相电阻。在加电复位和交替控制退出期间，alternatectrltimer被设置为timeouttime。

控制设计假设下开关具有与其对应上开关互补的占空比。也就是说，上占空比和下占空比之和为一，并且上开关和下开关的上升沿处的死区时间相同。

在操作44处，确定alternatectrltimer是否小于或等于零。如果是，则在操作46处，执行全igbt关断，并且将alternatectrltimer设置为等于timeouttime。如果否，则在操作48处设置pwm开关频率、死区时间和占空比。然后，在操作50处，使alternatectrltimer递减。然后，所述算法回到操作44。

利用数字控制进行的交替控制设计

交替控制也可用数字输出控制实现，如图9所示。为简化设计，所述控制包含‘被动整流’和‘3相短路正’。只需稍加修改，即可实现‘被动整流’和‘3相短路负’模式的交替控制。

在加电复位期间进入initstate，并且初始化开关22、24、26、28、30、32的控制变量和定时器。当通过故障诊断特征将alternatectrlrqst设置为真时，首先进入switchoff状态。在此状态期间，通过停用所有开关22、24、26、28、30、32达offtime持续时间来实现被动整流持续时间。在offtime过去之后，进入switchon状态。此状态用于通过激活所有上开关22、24、26达ontime持续时间来实现3相短路持续时间。交替周期等于offtime加上ontime。在timeouttime持续时间到期后，交替控制完成，并且所有开关22、24、26、28、30、32在退出时停用。

针对马达故障管理，提出了交替的被动整流和3相短路控制，其包含针对一般情况的‘被动整流’以及‘3相短路正’和‘3相短路负’模式，以及针对特殊情况的‘被动整流’以及‘3相短路正’模式或‘3相短路负’模式。被动整流持续时间确定马达逆变器电压跳变、牵引电池涌浪峰值电流和荷电状态增量。被动整流比确定马达瞬态id峰值电流。通过适当地选择被动整流持续时间和被动整流比，控制策略可在故障状况期间有效地分配马达绕组中所存储的能量。

本文所公开的过程、方法或算法可交付到处理装置、控制器或计算机或由它们来实施，它们可包括任何现有可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，过程、方法、或算法可作为可由控制器或计算机执行的呈许多形式的数据和指令存储，所述形式包括但不限于：永久地存储在不可写存储介质(诸如rom装置)上的信息、以及可变更地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、cd、ram装置以及其他磁性和光学介质)上的信息。过程、方法或算法也可在软件可执行对象中实施。替代地，过程、方法或算法可全部或部分使用合适的硬件部件(诸如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或者其他硬件部件或装置)或硬件、软件和固件部件的组合来实施。

在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。例如，上面讨论的控制设计示出了与图3、图4和图5中捕获的概念相关联的示例，并且不一定示出所有可能的实现方式和变型。

如前所描述的，各个实施例的特征可以被组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的另外的实施例。尽管各个实施例可能已经被描述为就一个或多个所期望特性而言相较其他实施例或现有技术实现方式来说提供优点或是优选的，但是本领域的普通技术人员将认识到，一个或多个特征或特性可以折衷以实现期望的总体系统属性，这取决于特定应用和实现方式。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可服务性、重量、可制造性、易组装性等。这样，描述为相对于一个或多个特性较其他实施例或现有技术实现方式不太期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。

根据本发明，提供了一种车辆，所述车辆具有：牵引电池；电动马达；逆变器，所述逆变器被配置为在所述牵引电池和所述电动马达之间传递功率，其中所述逆变器包括多个开关对，其中所述对中的每一对包括与所述牵引电池的正端子直接电连接的上开关和与所述牵引电池的负端子直接电连接的下开关；以及控制器，所述控制器被配置为响应于故障状况的存在并且在连续开关周期的每一个期间，停用所有所述开关达所述开关周期的预定部分，仅激活所述上开关达所述开关周期的另一预定部分，停用所有所述开关达所述开关周期的又一预定部分，以及仅激活所述下开关达所述开关周期的再一预定部分，使得所述开关周期的所述预定部分和所述开关周期的所述又一预定部分不连续。

根据实施例，所述控制器还被配置为在所述连续开关周期之后禁用所述电机。

根据实施例，所述控制器还被配置为在所述连续开关周期之后以互补的方式操作所述对。

根据实施例，所述故障状况由传感器数据限定。

根据实施例，所述传感器数据为马达位置传感器数据。

根据实施例，所述传感器数据为相电流传感器数据。

根据本发明，提供了一种车辆，所述车辆具有：牵引电池；电动马达；逆变器，所述逆变器被配置为在所述牵引电池和所述电动马达之间传递功率，其中所述逆变器包括多个开关对，其中所述对中的每一对包括与所述牵引电池的正端子直接电连接的上开关和与所述牵引电池的负端子直接电连接的下开关；以及控制器，所述控制器被配置为响应于故障状况的存在并且在连续开关周期的每一个期间，停用所有所述开关达所述开关周期的预定部分以及仅激活所述下开关达所述开关周期的剩余部分。

根据实施例，所述控制器还被配置为在所述连续开关周期之后禁用所述电机。

根据实施例，所述控制器还被配置为在所述连续开关周期之后以互补的方式操作所述对。

根据实施例，所述故障状况由传感器数据限定。

根据实施例，所述传感器数据为马达位置传感器数据。

根据实施例，所述传感器数据为相电流传感器数据。

根据本发明，提供了一种车辆，所述车辆具有：牵引电池；电动马达；逆变器，所述逆变器被配置为在所述牵引电池和所述电动马达之间传递功率，其中所述逆变器包括多个开关对，其中所述对中的每一对包括与所述牵引电池的正端子直接电连接的上开关和与所述牵引电池的负端子直接电连接的下开关；以及控制器，所述控制器被配置为响应于故障状况的存在并且在连续开关周期的每一个期间，停用所有所述开关达所述开关周期的预定部分以及仅激活所述上开关达所述开关周期的剩余部分。

根据实施例，所述控制器还被配置为在所述连续开关周期之后禁用所述电机。

根据实施例，所述控制器还被配置为在所述连续开关周期之后以互补的方式操作所述对。

根据实施例，所述故障状况由传感器数据限定。

根据实施例，所述传感器数据为马达位置传感器数据和相电流传感器数据。