专利名称：一种电动汽车的控制器驱动系统的全面保护控制方法
技术领域：
本发明涉及新能源汽车的动力装置领域以及永磁电机的控制领域，具体涉及一种电动汽车的控制器驱动系统的全面保护控制方法。
背景技术：
随着新能源汽车技术的飞速发展，纯电动汽车技术的研发焦点已经逐渐集中在电池、电机、电机驱动系统这三个技术领域上。目前，纯电动汽车用电动机主要有直流电动机 (DCM)、感应电动机(IM)、永磁同步电动机(BLDC和PMSM)和开关磁阻电动机(SRM) 5类。有别于其他领域使用的牵引系统，为了使电动汽车满足爬坡、驻坡启动和加速需要，牵引系统应能提供足够大的峰值转矩。经过比较，永磁同步电动机转矩密度最高，效率最高，而且控制更简单，成本也相对低廉，因此成为了电动车辆市场上的主流牵引系统电机。永磁同步电动机的控制系统有别于其他电机控制系统，它的驱动系统主体是三相六桥驱动电路，它通过高频脉宽调制波形来控制任意时刻中三相六桥驱动电路中的不同半桥的上下半桥场效应管的导通来实现电机定子中任意两相或三相绕组的导通，从而实现电磁能量转换，来牵引永磁体材料的转子进行转动。在国家电动汽车的人体触电防护标准以及电动车自身体积的限制下，纯电动乘用车、纯电动微型卡车等系统中均采用的是低压大功率驱动系统，一般电池组电压小于等于 72伏，系统总功率大于10千瓦，这就意味着用来驱动永磁同步电动机控制器驱动系统中的功率场效应管的额定电流至少将会大于300安培，带载启动时产生的峰值电流将会大于 600安培，这意味着在低压大功率电动汽车的永磁同步电机控制器驱动系统中，三相六桥电路中的各个桥臂功率管所受的电流应力是非常大的，由于当前电子半导体技术的限制，目前普遍采用了 MOS或者IGBT等功率器件并联技术，这种技术虽然减轻了各个桥臂的电流应力，但增加了诸多的不稳定因素，单个桥臂中每个MOS或者IGBT等功率器件受到的电流应力不会是绝对的均衡，电流应力大的功率器件温升必然会高于整体功率器件的平均温升， 从而提高整体驱动电路的温升。并且有别于工业及民用领域应用的电机驱动器，电动汽车的使用工况非常复杂，除了过载频繁启动，强化路面的考验，还需要经历各种恶劣气候环境的考验，电机驱动系统中的电子元器件除了大电流过温条件下所带来的持续恶性损耗，还会遭遇高温、潮湿进水等隐患，由于永磁同步电机的三相定子绕组是通过Y型接法连接在电机中性点上的，在电动汽车控制器运行过程中，上述任何一种情况的发生，都将导致控制器受到过流，过压，欠压，相间短路，过温等故障的影响，这势必会引起电机控制器驱动系统中电子元器件的损坏，其中包括储能电容、功率场效应管等重要零部件，对于低压大功率无刷电机驱动器的半桥并联驱动场效应管造成致命的伤害，造成批量MOS或者IGBT等功率器件损毁，严重影响电动汽车的运行稳定性和可维护性。然而目前常用的永磁电机的驱动系统保护控制方法是通过微处理器对母线电流及相线电流采样从而对电流采取闭环控制的方法，仅限于控制功率场效应管内流过的平均电流来防止其超过其本身的额定电流指标，无法对直流母线电压、驱动电压、瞬时尖峰电流以及温度等其他重要性能参数进行全面考虑，来控制电机驱动系统持续性损耗和实现其对上述一些致命伤害情况发生时的预防和全面保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车的控制器驱动系统的全面保护控制方法，它能使大功率电动汽车电机驱动系统避免大电流及恶劣工况条件下带来的持续损耗与致命的伤害。为了解决背景技术所存在的问题，本发明采取以下技术方案它的控制方法为 将对驱动系统平均电流、温度、母线电压以及峰值电流的在安全范围内的控制理论引入电动汽车的永磁同步电机的控制技术领域，建立了集成数字信号处理器与技术模拟电子技术的专用模块，在电机控制器通过对电机转矩、速度的PID控制闭环计算所得出对驱动功率器件下一周期脉冲调制占空比之后，通过过温保护控制模块采集温度电压信号，结合功率器件及储能电容的温度外特性曲线，计算出最大允许母线相线平均电流标准，输入到母线、 相线最大平均电流保护控制模块，调整输出占空比，然后通过过压欠压保护控制模块判断后进入到PWM输出模块，然后配合母线、相线峰值电流限流标准判断模块与母线、相线峰值电流过流标准锁存模块来判断是否需要对PWM输出进行逐周关断(CBC方式)还是永久性关断(0SH方式)。所述的过温保护控制模块由温度采样电路、AD模数信号转换电路与过温保护控制算法组成，采集电机驱动系统中的功率器件壳温以及储能电容的外部温度，通过临界危险温度的判断及时的输出PWM关断信号，待上述温度恢复正常范围后，恢复PWM输出；并且通过临界危险温度的判断及时的输出PWM关断信号，待上述温度恢复正常范围后，恢复PWM输出；并且结合电子元器件的温度外特性曲线，计算得出安全范围内的功率器件允许通过的最大平均电流标准，做为母线、相线最大平均电流保护控制模块的依据。所述的母线、相线最大平均电流保护控制模块由直流母线电流采样电路、UV相输入输出电流采样电路、AD模数信号转换电路及母线、相线最大平均电流保护控制算法组成； 通过每个PWM周期固定时刻对母线电流以及相线电流的实际平均电流信号的采集，与安全范围下的最大平均电流标准相比较，对速度与转矩闭环输出的调制占空比进行实时动态调整，然后输出到下一个模块。所述的过压欠压保护控制模块由直流母线电压采样电路、驱动电压欠压采样判断电路、AD模数信号转换电路以及过压欠压保护控制算法组成；通过每个PWM周期固定时刻对母线平均电压进行实时采样，与安全范围下的最大电压标准相比较，判断此时是否需要清零占空比；通过驱动电压欠压采样判断电路得到驱动电压欠压的信号，及时清零占空比。所述的母线、相线峰值电流限流标准判断模块由母线电流采样电路、相线输入输出电流采样电路以及峰值电流限流标准判断电路组成。其功能在于实时对直流母线电流、 相线瞬时电流的电压信号反馈与峰值电流限流标准值进行比较，如超过峰值电流限流标准值，则输出限流信号(CBC)到PWM输出模块，触发PWM的逐周关断。所述的母线、相线峰值电流过流标准锁存模块由母线电流采样电路、相线输入输出电流采样电路以及峰值电流过流标准锁存电路组成；实时对直流母线电流、相线瞬时电流的电压信号反馈与峰值电流过流标准值进行比较，如超过峰值电流过流标准值，则输出锁存信号(DRIVE)，触发PWM输出模块的PWM信号进行永久锁存关断的事件，同时锁存信号 (DRIVE)会传送至直流母线与电动汽车电池上的主吸合器，使主吸合器断开，需人工复位才可解锁。本发明通过对电动汽车控制器对驱动系统平均电流、温度、母线电压、驱动电压以及峰值电流的在安全范围内的控制来实现对控制器驱动系统的全面保护控制工作，使大功率电动汽车电机驱动系统避免大电流及恶劣工况条件下带来的持续损耗与致命的伤害。
图1为本发明的方法技术流程示意图2为本发明中的过温保护控制模块的温度采样电路图3为本发明中MOS管最大连续电流与壳温的外特性曲线图4为本发明中过压欠压保护控制模块的直流母线电压采样电路图5为本发明中过压欠压保护控制模块的驱动电压欠压采样电路图6为本发明中U相峰值电流限流标准判断电路图7为本发明中峰值电流过流信号锁存电路图8为本发明中PWM信号三态门锁存电路图9为本发明中IRFS4010的最大连续电流与壳温的外特性曲线图10为本发明中最大平均电流控制效果图11为本发明中PWM信号逐周关断时序图。
具体实施例方式
参照图1-11，本具体实施方式
采取以下技术方案它的控制方法为将对驱动系统平均电流、温度、母线电压以及峰值电流的在安全范围内的控制理论引入电动汽车的永磁同步电机的控制技术领域，建立了集成数字信号处理器与技术模拟电子技术的专用模块，在电机控制器通过对电机转矩、速度的PID控制闭环计算所得出对驱动功率器件下一周期脉冲调制占空比之后，通过过温保护控制模块采集温度电压信号，结合功率器件及储能电容的温度外特性曲线，计算出最大允许母线相线平均电流标准，输入到母线、相线最大平均电流保护控制模块，调整输出占空比，然后通过过压欠压保护控制模块判断后进入到PWM输出模块，然后配合母线、相线峰值电流限流标准判断模块与母线、相线峰值电流过流标准锁存模块来判断是否需要对PWM输出进行逐周关断(CBC方式)还是永久性关断(0SH方式)。所述的过温保护控制模块由温度采样电路、AD模数信号转换电路与过温保护控制算法组成，采集电机驱动系统中的功率器件壳温以及储能电容的外部温度，通过临界危险温度的判断及时的输出PWM关断信号，待上述温度恢复正常范围后，恢复PWM输出；并且通过临界危险温度的判断及时的输出PWM关断信号，待上述温度恢复正常范围后，恢复PWM输出；并且结合电子元器件的温度外特性曲线，计算得出安全范围内的功率器件允许通过的最大平均电流标准，做为母线、相线最大平均电流保护控制模块的依据。对功率器件壳温及储能电容的外部温度的温度采样电路主要由热敏电阻与线性放大器组成。如图2所示，R2为NTC负温度系数热敏电阻，其位置安装在功率器件固定散热片及储能电容的附近的壳体上。当温度升高时，R2的阻值会越来越小，其上的电源分压也会越来越小，通过R3、C2的RC低通滤波后，接入线性运算放大器，然后通过R6，R7分压嵌位后进入DSP的AD转换通道。
权利要求
1.一种电动汽车的控制器驱动系统的全面保护控制方法，其特征在于它的控制方法为将对驱动系统平均电流、温度、母线电压以及峰值电流的在安全范围内的控制理论引入电动汽车的永磁同步电机的控制技术领域，建立了集成数字信号处理器与技术模拟电子技术的专用模块，在电机控制器通过对电机转矩、速度的PID控制闭环计算所得出对驱动功率器件下一周期脉冲调制占空比之后，通过过温保护控制模块采集温度电压信号，结合功率器件及储能电容的温度外特性曲线，计算出最大允许母线相线平均电流标准，输入到母线、相线最大平均电流保护控制模块，调整输出占空比，然后通过过压欠压保护控制模块判断后进入到PWM输出模块，然后配合母线、相线峰值电流限流标准判断模块与母线、相线峰值电流过流标准锁存模块来判断是否需要对PWM输出进行逐周关断还是永久性关断。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车的控制器驱动系统的全面保护控制方法，其特征在于所述的过温保护控制模块由温度采样电路、AD模数信号转换电路与过温保护控制算法组成，采集电机驱动系统中的功率器件壳温以及储能电容的外部温度，通过临界危险温度的判断及时的输出PWM关断信号，待上述温度恢复正常范围后，恢复PWM输出；并且通过临界危险温度的判断及时的输出PWM关断信号，待上述温度恢复正常范围后，恢复PWM输出；并且结合电子元器件的温度外特性曲线，计算得出安全范围内的功率器件允许通过的最大平均电流标准，做为母线、相线最大平均电流保护控制模块的依据。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车的控制器驱动系统的全面保护控制方法，其特征在于所述的母线、相线最大平均电流保护控制模块由直流母线电流采样电路、UV相输入输出电流采样电路、AD模数信号转换电路及母线、相线最大平均电流保护控制算法组成； 通过每个PWM周期固定时刻对母线电流以及相线电流的实际平均电流信号的采集，与安全范围下的最大平均电流标准相比较，对速度与转矩闭环输出的调制占空比进行实时动态调整，然后输出到下一个模块。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车的控制器驱动系统的全面保护控制方法，其特征在于所述的过压欠压保护控制模块由直流母线电压采样电路、驱动电压欠压采样判断电路、AD模数信号转换电路以及过压欠压保护控制算法组成；通过每个PWM周期固定时刻对母线平均电压进行实时采样，与安全范围下的最大电压标准相比较，判断此时是否需要清零占空比；通过驱动电压欠压采样判断电路得到驱动电压欠压的信号，及时清零占空比。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车的控制器驱动系统的全面保护控制方法，其特征在于所述的母线、相线峰值电流限流标准判断模块由母线电流采样电路、相线输入输出电流采样电路以及峰值电流限流标准判断电路组成；其功能在于实时对直流母线电流、 相线瞬时电流的电压信号反馈与峰值电流限流标准值进行比较，如超过峰值电流限流标准值，则输出限流信号到PWM输出模块，触发PWM的逐周关断。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车的控制器驱动系统的全面保护控制方法，其特征在于所述的母线、相线峰值电流过流标准锁存模块由母线电流采样电路、相线输入输出电流采样电路以及峰值电流过流标准锁存电路组成；实时对直流母线电流、相线瞬时电流的电压信号反馈与峰值电流过流标准值进行比较，如超过峰值电流过流标准值，则输出锁存信号，触发PWM输出模块的PWM信号进行永久锁存关断的事件，同时锁存信号会传送至直流母线与电动汽车电池上的主吸合器，使主吸合器断开，需人工复位才可解锁。
全文摘要
一种电动汽车的控制器驱动系统的全面保护控制方法，它涉及新能源汽车的动力装置领域以及永磁电机的控制领域。它的控制方法为计算所得出对驱动功率器件下一周期脉冲调制占空比之后，通过过温保护控制模块采集温度电压信号，结合功率器件及储能电容的温度外特性曲线，计算出最大允许母线相线平均电流标准，输入到母线、相线最大平均电流保护控制模块，调整输出占空比，然后通过过压欠压保护控制模块判断后进入到PWM输出模块，然后配合母线、相线峰值电流限流标准判断模块与母线、相线峰值电流过流标准锁存模块来判断是否需要对PWM输出进行逐周关断还是永久性关断。它能避免大电流给电动汽车带来伤害。
文档编号B60L3/00GK102490614SQ201110360960
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者张炎, 彭军, 杨操, 陆辉 申请人:上海三运电机控制技术有限公司