一种集成驱动和充电功能的容错电路的制作方法

本发明涉及一种集成驱动和充电功能的容错电路。

背景技术：

电动汽车作为当前解决交通领域环境污染和能源危机的重要途径，越发受到全球领域的关注，在当前汽车行业技术日益成熟的今天，电动汽车普及推广的关键制约问题为蓄电池及充电技术，其中充电技术成为电动汽车续航和成本的关键。目前电动汽车的蓄电池充电方式有两种，一种车载慢充装置，将蓄电池的充电装置安置电动汽车上，可以利用普通单相交流电源或安置于公共建筑和居民小区停车场内的充电插座或者充电桩直接充电，具有充电便利的优点，但是该慢速充电装置存在的问题是充电功率比较小，车载蓄电池充满电耗时较长，影响电动汽车的利用率，并且该车载充电机在电动汽车行驶过程中为固有的负载，影响整车运行性能的提升；另外一种为解决慢充装置充电速度的快速充电桩，通常布置于专用充电站，通过大功率变换器将工业三相交流电转换为大功率直流电，直接给车载蓄电池充电，可以在短时间内快速完成蓄电池的充电，能够有效提高电动汽车的充电效率和利用率，但是该快速充电装置功率较大，内部电气元件较多，造成体积和重量较大，安装于电动汽车严重占据电动汽车有限的空间和重量资源，在推广电动汽车的应用过程中需要辅助建立配套的快速充电站，同样在成本、市场和环境适应性等方面也受到了很大的限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种集成驱动和充电功能的容错电路。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种集成驱动和充电功能的容错电路，包括逆变电路和充电电路，所述逆变电路包括并联设置的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，所述第一桥臂上串设有第一功率管和第二功率管，所述第二桥臂上串设有第四功率管和第五功率管，所述第三桥臂上串设有第七功率管和第八功率管，所述第四桥臂上串设有第十功率管和第十一功率管，所述第一功率管和第二功率管的连接点连接电机的第一相绕组，所述第四功率管和第五功率管的连接点连接电机的第二相绕组，所述第七功率管和第八功率管的连接点连接电机的第三相绕组，所述第一功率管和第二功率管的连接点与所述第十功率管和第十一功率管的连接点通过第一控制开关连接，所述第四功率管和第五功率管的连接点与所述第十功率管和第十一功率管的连接点通过第二控制开关连接，所述第七功率管和第八功率管的连接点与所述第十功率管和第十一功率管的连接点通过第三控制开关连接，所述充电电路包括用于通过第一功率管和第二功率管的连接点、第四功率管和第五功率管的连接点以及第七功率管和第八功率管的连接点对车载蓄电池进行充电的第一组充电支路，第一组充电支路中的各充电支路上串设有充电开关，第一组充电支路中的各充电支路的另一端用于连接交流电源。

首先，本发明提供的电路结构简单，在逆变电路的基础上增加了充电电路以及冗余桥臂，但是，相较于传统的充电电路，设计却十分合理，功率器件数量和成本增加有限，性价比高，相应地控制安全可靠。而且，电路正常工作时，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂运行，交流电源通过这三个桥臂给车载蓄电池进行快速充电，第四桥臂和各控制开关不运行；当第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂中的某一桥臂出现开路故障时，出现故障的桥臂中的功率管停止运行，而与该故障桥臂中的两个功率管之间的连接点对应的控制开关以及第四桥臂运行，构成该故障桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制，即便某一桥臂出现故障，电路仍旧可以正常运行。并且，该电路不但能够实现充电功能，而且车载蓄电池通过该电路能够驱动电机运行，在正常运行时，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂运行，给电机绕组供电，第四桥臂和各控制开关不工作，实现电机驱动；当第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂中的某一桥臂出现开路故障时，出现故障的桥臂中的功率管停止运行，而与该故障桥臂中的两个功率管之间的连接点对应的控制开关以及第四桥臂运行，构成该故障桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制，即便某一桥臂出现故障，电路仍旧可以正常运行，实现电机的正常驱动。

所述容错电路的应用对象为双三相电机，所述双三相电机具有第一套绕组和第二套绕组，所述第一套绕组包括所述第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，所述第二套绕组包括第四相绕组、第五相绕组和第六相绕组，所述第一桥臂上还串设有第三功率管，所述第一功率管、第二功率管和第三功率管依次连接，所述第二桥臂上还串设有第六功率管，所述第四功率管、第五功率管和第六功率管依次连接，所述第三桥臂上还串设有第九功率管，所述第七功率管、第八功率管和第九功率管依次连接，所述第四桥臂上还串设有第十二功率管，所述第十功率管、第十一功率管和第十二功率管依次连接，所述第二功率管和第三功率管的连接点连接所述第四相绕组，所述第五功率管和第六功率管的连接点连接所述第五相绕组，所述第八功率管和第九功率管的连接点连接所述第六相绕组，所述第二功率管和第三功率管的连接点与所述第十一功率管和第十二功率管的连接点通过第四控制开关连接，所述第五功率管和第六功率管的连接点与所述第十一功率管和第十二功率管的连接点通过第五控制开关连接，所述第八功率管和第九功率管的连接点与所述第十一功率管和第十二功率管的连接点通过第六控制开关连接，所述充电电路还包括用于通过第二功率管和第三功率管的连接点、第五功率管和第六功率管的连接点以及第八功率管和第九功率管的连接点对车载蓄电池进行充电的第二组充电支路，第二组充电支路中的各充电支路上串设有充电开关，第二组充电支路中的各充电支路的另一端用于连接所述交流电源。

所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第四控制开关、第五控制开关和第六控制开关均为双向晶闸管。

所述第一功率管和第二功率管的连接点连接所述第一相绕组的一端，所述第四功率管和第五功率管的连接点连接所述第二相绕组的一端，所述第七功率管和第八功率管的连接点连接所述第三相绕组的一端，第一组充电支路中的各充电支路对应连接第一相绕组的另一端、第二相绕组的另一端和第三相绕组的另一端。

所述第一相绕组和第二相绕组之间设置有第七控制开关，所述第二相绕组和第三相绕组之间设置有第八控制开关。

所述第一功率管和第二功率管的连接点连接所述第一相绕组的一端，所述第四功率管和第五功率管的连接点连接所述第二相绕组的一端，所述第七功率管和第八功率管的连接点连接所述第三相绕组的一端，第一组充电支路中的各充电支路对应连接第一相绕组的另一端、第二相绕组的另一端和第三相绕组的另一端，所述第二功率管和第三功率管的连接点连接所述第四相绕组的一端，所述第五功率管和第六功率管的连接点连接所述第五相绕组的一端，所述第八功率管和第九功率管的连接点连接所述第六相绕组的一端，第二组充电支路中的各充电支路对应连接第四相绕组的另一端、第五相绕组的另一端和第六相绕组的另一端。

所述第一相绕组和第二相绕组之间设置有第七控制开关，所述第二相绕组和第三相绕组之间设置有第八控制开关，所述第五相绕组和第六相绕组之间设置有第九控制开关，所述第四相绕组和第五相绕组之间设置有第十控制开关。

所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的两端均设置有熔断器。

所述第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管、第六功率管、第七功率管、第八功率管、第九功率管、第十功率管、第十一功率管和第十二功率管均为igbt，并且均反向并联有相应的二极管。

附图说明

图1是容错电路的第一种实施方式的电路图；

图2是容错电路正常工作状态下的电路图；

图3是容错电路第一桥臂发生故障后的等效电路图；

图4是容错电路第二种实施方式的电路图。

具体实施方式

容错电路实施例1

本实施例提供的容错电路集成有驱动和充电功能。容错电路包括逆变电路、充电电路和控制部分，当然，控制部分还可以是系统原本存在的控制设备，不属于该容错电路的一部分。而且，本实施例提供的容错电路的应用对象为双三相电机，该双三相电机具有两套绕组，分别是第一套绕组和第二套绕组，第一套绕组包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，分别对应图1中的绕组a、绕组b和绕组c，第二套绕组包括第四相绕组、第五相绕组和第六相绕组，分别对应图1中的绕组a、绕组b和绕组c。

逆变电路包括并联设置的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，分别对应图1中的桥臂1、桥臂2、桥臂3和桥臂4，该逆变电路的直流侧连接车载蓄电池(或者称为动力电池)，其中，这四个桥臂的正极均和车载蓄电池的正极相连，这四个桥臂的负极均和车载蓄电池的负极相连。

逆变电路中的第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管、第六功率管、第七功率管、第八功率管、第九功率管、第十功率管、第十一功率管和第十二功率管分别对应图1中的功率管q1、功率管q2、功率管q3、功率管q4、功率管q5、功率管q6、功率管q7、功率管q8、功率管q9、功率管q10、功率管q11和功率管q12。本实施例中，功率管q1～q12均为igbt，均反向并联有体二极管。

如图1所示，第一桥臂上依次串设功率管q1、功率管q2和功率管q3，第二桥臂上依次串设功率管q4、功率管q5和功率管q6，第三桥臂上依次串设功率管q7、功率管q8和功率管q9，第四桥臂上依次串设功率管q10、功率管q11和功率管q12。功率管q1和功率管q2的连接点与功率管q10和功率管q11的连接点通过第一控制开关连接，第一控制开关以及以下其他的各控制开关均为电控型开关，本实施例中，这些控制开关均以双向晶闸管为例，其中，第一控制开关对应图1中的双向晶闸管tr3，功率管q4和功率管q5的连接点与功率管q10和功率管q11的连接点通过第二控制开关连接，即通过图1中的双向晶闸管tr2连接，功率管q7和功率管q8的连接点与功率管q10和功率管q11的连接点通过第三控制开关连接，即通过图1中的双向晶闸管tr1连接。功率管q2和功率管q3的连接点与功率管q11和功率管q12的连接点通过第四控制开关连接，即通过图1中的双向晶闸管tr4连接，功率管q5和功率管q6的连接点与功率管q11和功率管q12的连接点通过第五控制开关连接，即通过图1中的双向晶闸管tr5连接，功率管q8和功率管q9的连接点与功率管q11和功率管q12的连接点通过第六控制开关连接，即通过图1中的双向晶闸管tr6连接。第四桥臂与双向晶闸管构成前三个桥臂的冗余电路。

功率管q1和功率管q2的连接点连接绕组a，功率管q4和功率管q5的连接点连接绕组b，功率管q7和功率管q8的连接点连接绕组c。功率管q2和功率管q3的连接点连接绕组a，功率管q5和功率管q6的连接点连接绕组b，功率管q8和功率管q9的连接点连接绕组c。

充电电路用于通过逆变电路为车载蓄电池充电，即通过各桥臂上的相邻功率管的连接点对车载蓄电池进行充电，本实施例给出一种具体的实现方式，由于是双三相电机，那么，充电电路就包括两组充电支路，第一组充电支路用于通过功率管q1和功率管q2的连接点、功率管q4和功率管q5的连接点以及功率管q7和功率管q8的连接点对车载蓄电池进行充电，那么，第一组充电支路中的各充电支路直接或者间接与上述三个连接点对应连接，本实施例中，功率管q1和功率管q2的连接点连接绕组a的一端，功率管q4和功率管q5的连接点连接绕组b的一端，功率管q7和功率管q8的连接点连接绕组c的一端，第一组充电支路中的各充电支路对应连接绕组a的另一端、绕组b的另一端和绕组c的另一端，并且，各充电支路上均串设有充电开关(k1、k2和k3)，各充电支路的另一端用于连接交流电源。同理，第二组充电支路用于通过功率管q2和功率管q3的连接点、功率管q5和功率管q6的连接点以及功率管q8和功率管q9的连接点对车载蓄电池进行充电，那么，第二组充电支路中的各充电支路直接或者间接与上述三个连接点对应连接，本实施例中，功率管q2和功率管q3的连接点连接绕组a的一端，功率管q5和功率管q6的连接点连接绕组b的一端，功率管q8和功率管q9的连接点连接绕组c的一端，第二组充电支路中的各充电支路对应连接绕组a的另一端、绕组b的另一端和绕组c的另一端，并且，各充电支路上均串设有充电开关(k4、k5和k6)，各充电支路的另一端用于连接交流电源。

并且，图1中还涉及四个控制开关，分别是：第七控制开关、第八控制开关、第九控制开关和第十控制开关，这四个控制开关也以双向晶闸管为例，分别对应图1中的双向晶闸管tr7、tr8、tr9和tr10。其中，双向晶闸管tr7设置在绕组a和绕组b之间，用于实现绕组a和绕组b的连通或者断开；双向晶闸管tr8设置在绕组b和绕组c之间，用于实现绕组b和绕组c的连通或者断开；双向晶闸管tr9设置在绕组c和绕组b之间，用于实现绕组c和绕组b的连通或者断开；双向晶闸管tr10设置在绕组b和绕组a之间，用于实现绕组b和绕组a的连通或者断开。

本实施例中，控制部分包括电机控制器和控制模块5，其中，功率管q1～q12的栅极均与电机控制器相连，由电机控制器输入触发或断开驱动信号，双向晶闸管tr1、tr2、tr3、tr4、tr5、tr6的控制极均与电机控制器相连，由电机控制器输入或断开触发信号。充电开关k1、k2、k3、k4、k5、k6均与控制模块5相连，由控制模块5控制开关的闭合或断开。双向晶闸管tr7、tr8、tr9和tr10由控制模块5或者电机控制器控制。

容错电路在无故障正常运行时，如图2所示，仅第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂给电机双三相绕组a、b、c和a、b、c供电，第四桥臂和六个双向晶闸管tr1、tr2、tr3、tr4、tr5、tr6不工作，车载蓄电池通过逆变电路控制双三相电机实现驱动功能；并且，三相交流电源通过充电开关、双三相电机绕组和逆变电路向车载蓄电池快速充电。当实现驱动功能时，双向晶闸管tr7、tr8、tr9和tr10闭合；当实现充电功能时，双向晶闸管tr7、tr8、tr9和tr10断开。

当第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂中的某一桥臂出现开路故障时，电机控制器断开该故障桥臂中的三个功率管的驱动信号，触发与该故障桥臂对应的双向晶闸管导通，同时将故障桥臂的驱动信号对应控制第四桥臂中的三个功率管，由被触发的双向晶闸管与第四桥臂构成的冗余电路投入运行，代替被断开的故障桥臂，实现故障情况下的冗余运行。以第一桥臂中的功率管q1、功率管q2或功率管q3出现开路故障为例，如图3所示，电机控制器断开功率管q1、功率管q2和功率管q3的驱动信号，控制双向晶闸管tr3和tr4导通，将本来用于功率管q1、功率管q2与功率管q3的驱动信号分别用于控制功率管q10、功率管q11与功率管q12，使双向晶闸管tr3、tr4及第四桥臂构成第一桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制。车载蓄电池仍然通过逆变电路控制双三相电机实现驱动功能，三相交流电源仍可通过充电开关和双三相电机绕组，由逆变电路向车载蓄电池快速充电，各项性能指标和故障发生前一样。

进一步地，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的两端均设置有熔断器，涉及到的熔断器有熔断器f1、f2、f3、f4、f5和f6，本实施例中，这六个熔断器均为快速熔断器。那么，如图1所示，第一桥臂由熔断器f1、功率管q1、功率管q2、功率管q3和熔断器f2依次串联组成；第二桥臂由熔断器f3、功率管q4、功率管q5、功率管q6和熔断器f4依次串联组成；第三桥臂由熔断器f5、功率管q7、功率管q8、功率管q9和熔断器f6依次串联组成。这样的话，除了上述开路故障之外，当第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂中的某一桥臂的其中一个功率管出现短路故障时，对应桥臂上的互补功率管、该桥臂上的两个熔断器与车载蓄电池就形成回路，两个熔断器因为过流被熔断，该桥臂从电路中断开，短路故障自动转化为开路故障，再利用上述功率管开路故障容错方法进行容错控制。所以，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂增加了熔断器，用于在功率管发生短路故障时，快速将相应的桥臂从电路中断开，保护电路其他元件不被损坏，并实现容错控制。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

容错电路实施例2

本实施例提供一种集成有驱动和充电功能的容错电路，与实施例1的区别在于：本实施例的容错电路的应用对象为常规的单三相电机，该电机仅有一套绕组，该套绕组包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，分别对应图4中的绕组a、绕组b和绕组c。那么，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂中均只需设置两个功率管，其中，第一桥臂上依次串设功率管q1和功率管q2，第二桥臂上依次串设功率管q4和功率管q5，第三桥臂上依次串设功率管q7和功率管q8，第四桥臂上依次串设功率管q10和功率管q11。

与上述实施例1同理，功率管q1和功率管q2的连接点与功率管q10和功率管q11的连接点通过双向晶闸管tr3连接，功率管q4和功率管q5的连接点与功率管q10和功率管q11的连接点通过双向晶闸管tr2连接，功率管q7和功率管q8的连接点与功率管q10和功率管q11的连接点通过双向晶闸管tr1连接。第四桥臂与双向晶闸管构成前三个桥臂的冗余电路。

功率管q1和功率管q2的连接点连接绕组a，功率管q4和功率管q5的连接点连接绕组b，功率管q7和功率管q8的连接点连接绕组c。

那么，充电电路就只包括一组充电支路，用于通过功率管q1和功率管q2的连接点、功率管q4和功率管q5的连接点以及功率管q7和功率管q8的连接点对车载蓄电池进行充电，那么，本实施例中，功率管q1和功率管q2的连接点连接绕组a的一端，功率管q4和功率管q5的连接点连接绕组b的一端，功率管q7和功率管q8的连接点连接绕组c的一端，各充电支路对应连接绕组a的另一端、绕组b的另一端和绕组c的另一端，并且，各充电支路上均串设有充电开关(k1、k2和k3)，各充电支路的另一端用于连接交流电源。

同理，图4中还涉及两个控制开关，分别是：第七控制开关和第八控制开关，这两个控制开关以双向晶闸管为例，分别对应图4中的双向晶闸管tr7和tr8。其中，双向晶闸管tr7设置在绕组a和绕组b之间，用于实现绕组a和绕组b的连通或者断开；双向晶闸管tr8设置在绕组b和绕组c之间，用于实现绕组b和绕组c的连通或者断开。

本实施例中，控制部分包括电机控制器和控制模块5，其中，所有的功率管的栅极均与电机控制器相连，由电机控制器输入触发或断开驱动信号，双向晶闸管tr1、tr2、tr3的控制极均与电机控制器相连，由电机控制器输入或断开触发信号。充电开关k1、k2、k3均与控制模块5相连，由控制模块5控制开关的闭合或断开。双向晶闸管tr7和tr8由控制模块5或者电机控制器控制。

该容错电路的工作原理与实施例1中的相同，以下简单做出描述。

在无故障正常运行时，仅第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂给绕组a、b、c供电，第四桥臂和双向晶闸管tr1、tr2、tr3不工作，车载蓄电池通过逆变电路控制电机实现驱动功能；并且，三相交流电源通过充电开关、电机绕组和逆变电路向车载蓄电池快速充电。当实现驱动功能时，双向晶闸管tr7和tr8闭合；当实现充电功能时，双向晶闸管tr7和tr8断开。

当第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂中的某一桥臂出现开路故障时，电机控制器断开该故障桥臂中的功率管的驱动信号，触发与该故障桥臂对应的双向晶闸管导通，同时将故障桥臂的驱动信号对应控制第四桥臂中的功率管，由被触发的双向晶闸管与第四桥臂构成的冗余电路投入运行，代替被断开的故障桥臂，实现故障情况下的冗余运行。以第一桥臂中的功率管q1或功率管q2出现开路故障为例，电机控制器断开功率管q1和功率管q2的驱动信号，控制双向晶闸管tr3导通，将本来用于功率管q1和功率管q2的驱动信号分别用于控制功率管q10和功率管q11，使双向晶闸管tr3及第四桥臂构成第一桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制。车载蓄电池仍然通过逆变电路控制电机实现驱动功能，三相交流电源仍可通过充电开关和电机绕组，由逆变电路向车载蓄电池快速充电，各项性能指标和故障发生前一样。

与实施例1同理，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的两端均设置有熔断器，涉及到的熔断器有熔断器f1、f2、f3、f4、f5和f6，本实施例中，这六个熔断器均为快速熔断器。这样的话，除了上述开路故障之外，当第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂中的某一桥臂的其中一个功率管出现短路故障时，对应桥臂上的互补功率管、该桥臂上的两个熔断器与车载蓄电池就形成回路，两个熔断器因为过流被熔断，该桥臂从电路中断开，短路故障自动转化为开路故障，再利用上述功率管开路故障容错方法进行容错控制。所以，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂增加了熔断器，用于在功率管发生短路故障时，快速将相应的桥臂从电路中断开，保护电路其他元件不被损坏，并实现容错控制。