用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统和方法与流程

1.本发明涉及一种用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统和方法。


背景技术：

2.最近，为了应对空气污染和石油枯竭的危机，与以电能作为车辆动力的环保车辆相关的技术正在积极开发中。环保车辆包括混合动力电动车辆、燃料电池电动车辆和电动车辆。
3.同时，电动车辆包括逆变器系统，以便驱动如图1所示的电机。然而，当逆变器30的dc母线电压(电容器20的两端的电压)超过预定的电压电平时，包括传统逆变器系统的电动车辆使连接高压电池10和电机40的继电器50断开。在这种情况下，电能从电机过度流向电容器20，因此施加在逆变器系统中设计的电容器20的两端的dc母线电压急剧上升。因此，过电压可能导致逆变器烧毁。
4.相应地，需要开发一种能够防止由于过电压而烧毁逆变器的技术。
5.以上所述仅仅是为了帮助理解本发明的背景，并不意味着本发明属于本领域技术人员已经知道的相关技术的范围。


技术实现要素：

6.本发明是为了解决现有技术中的上述问题，本发明的目的是提供一种用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统和方法，该系统和方法能够防止由于过电压而烧毁逆变器。
7.为了实现本发明的目的，本发明提供一种用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统，该系统包括：逆变器，其包括多个开关元件，并将从储能器供应的能量转换为交流电；电机，其由经逆变器转换的交流电来驱动；电容器，其并联在逆变器和储能器之间，在再生制动期间存储电机的再生能量；以及控制器，其当电压传感器测量的电容器的电压(dc母线电压)等于或大于预设的第一电压时，使连接储能器和电机的继电器断开，并响应于预先存储的向电机施加零矢量的电流指令(id*，iq*)而操作逆变器中的开关元件。
8.所述逆变器可以包括：第一桥臂，其包括第一开关元件和位于第一开关元件下端的第二开关元件；第二桥臂，其包括第三开关元件和位于第三开关元件下端的第四开关元件；以及第三桥臂，其包括第五开关元件和位于第五开关元件下端的第六开关元件；其中，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的输出端子可以连接到电机的相应相。
9.当多个开关元件被驱动时，电流指令(id*，iq*)可以使第一开关元件、第三开关元件和第五开关元件接通，或使第二开关元件、第四开关元件和第六开关元件接通，以在驱动电机期间向电机施加零矢量，并使电机生成负扭矩。如果第一开关元件、第三开关元件和第五开关元件接通，则第二开关元件、第四开关元件和第六开关元件断开。
10.所述控制器可以包括：存储器，其存储驱动电机期间向电机施加零矢量的电流指令(id*，iq*)的映射；过电压检测器，其确定由电压传感器测量的电容器两端的电压是否等
于或大于第一电压；电流控制部分，其生成电压指令(vd*，vq*)，以使从电机反馈的d轴电流(id)和q轴电流(iq)跟随存储在存储器中的d轴电流指令(id*)和q轴电流指令(iq*)；以及开关元件控制部分，其响应于生成的电压指令(vd*，vq*)操作逆变器中的多个开关元件。
11.当测量的电容器两端的电压等于或大于第一电压时，所述控制器可以断开继电器，并可以使从逆变器供应给电机的电流跟随电流指令。
12.当电容器两端的电压等于或大于第一电压时，所述控制器可以断开继电器，可以将电容器的电压放电至预设的第二电压，然后可以使电容器的电压保持在基于第二电压的误差范围内。
13.当电容器两端的电压降低至基于第二电压的误差范围以下时，所述控制器可以通过再生制动增加电容器的电压，当电容器两端的电压超过基于第二电压的误差范围时，所述控制器可以通过驱动电机使电容器的电压放电。
14.根据本发明的另一方面，一种用于保护车辆中的逆变器免受过电压的方法可以包括：确定由电压传感器测量的电容器两端的电压是否等于或大于第一电压；当电容器两端的电压等于或大于第一电压时，使连接储能器和电机的继电器断开；以及响应于向电机施加零矢量的电流指令(id*，iq*)而操作逆变器中的开关元件。
15.该方法还可以包括在确定由电压传感器测量的电容器两端的电压是否等于或大于第一电压之前，在存储器中存储向电机施加零矢量的电流指令(id*，iq*)的映射。
16.响应于向电机施加零矢量的电流指令(id*，iq*)而操作逆变器中的开关元件可以包括由电流控制部分生成电压指令(vd*，vq*)，以使从电机反馈的d轴电流(id)和q轴电流(iq)跟随存储在存储器中的d轴电流指令(id*)和q轴电流指令(iq*)，以及由开关元件控制部分响应于生成的电压指令(vd*，vq*)而操作逆变器中的开关元件。
17.该方法还可以包括，当电容器两端的电压等于或大于第一电压时，在使连接储能器和电机的继电器断开之后，将电容器的电压放电至预设的第二电压，以及将电容器的电压保持在基于第二电压的误差范围内。
18.将电容器的电压保持在基于第二电压的误差范围内可以包括，当电容器两端的电压降低至基于第二电压的误差范围以下时，由控制器通过再生制动来增加电容器的电压，并且当电容器两端的电压超过基于第二电压的误差范围时，由控制器通过驱动电机对电容器的电压放电。
19.根据本发明，可以保护车辆中的逆变器免受过电压。
20.此外，通过将逆变器系统中的dc母线电压(电容器两端的电压)保持在预定的电压并向车辆中的其他电子元件提供相应的电压，可以增加其他电子元件的驱动时间。
21.此外，由于当车辆在行驶期间重新启动时通过将逆变器系统中电容器两端的电压保持在预定的电压来减少电容器的预充电时间，因此车辆在重新启动时可以具有快速响应时间。
附图说明
22.当结合附图进行以下详细描述时，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：
23.图1是示出包括在普通电动车辆中的逆变器系统的示意图；
24.图2是示出根据本发明的实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统的示意图；
25.图3是示出根据本发明实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统中发生故障之前的系统的图；
26.图4是示出根据本发明实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统中发生故障时继电器断开的情况的图；
27.图5是示出根据本发明实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统中发生故障之后电容器的电压被放电的状态的图；
28.图6是示出根据本发明实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统中电容器两端的电压保持在预定的电压的状态的图；
29.图7是示出根据本发明的实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统的操作的图；以及
30.图8是示出根据本发明的实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的方法的流程图。
具体实施方式
31.以下，将参考附图详细描述根据本发明的优选实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统和方法。
32.图2是示出根据本发明的实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统的示意图；图3是示出根据本发明实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统中发生故障之前的系统的图；图4是示出根据本发明实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统中发生故障时继电器断开的情况的图；图5是示出根据本发明实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统中发生故障之后电容器的电压被放电的状态的图；图6是示出根据本发明实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统中电容器两端的电压保持在预定的电压的状态的图；图7是示出根据本发明的实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统的操作的图。
33.如图2所示，根据本发明的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统可包括储能器100、逆变器200、并联在逆变器200和储能器100之间的电容器300、电机400和控制器500。该系统还可以包括测量电容器300两端的电压的电压传感器600、检测电机400的转子旋转角的旋转角传感器700以及测量输入到电机400的电流的电流传感器900。
34.储能器100是存储以直流电的形式(例如，电池)驱动电机400的电能并输出dc电的元件。
35.电容器300并联在逆变器200(逆变器200连接到储能器100的两端，并在下文中进行详细描述)和储能器100之间，并在再生制动期间存储电机400的再生能量以形成dc母线电压vdc。该dc母线电压vdc成为逆变器200的输入电压。
36.逆变器200包括多个开关元件(其开/关状态由从控制器500提供的脉冲宽度调制信号控制)，并且将从储能器100提供的dc电转换为用于驱动电机400的ac电。具体地说，逆变器200可以包括第一桥臂210，其包括第一开关元件s1和位于第一开关元件s1下端的第二开关元件s2；第二桥臂220，其包括第三开关元件s3和位于第三开关元件s3下端的第四开关
元件s4；以及第三桥臂230，其包括第五开关元件s5和位于第五开关元件s5下端的第六开关元件s6。在这方面，应当理解，逆变器200的切换意味着从逆变器200输出的三相电压的切换。此外，第一桥臂210、第二桥臂220和第三桥臂230的输出端子连接到电机400的相应相。
37.电机400由通过逆变器200转换的ac电驱动。可以使用本领域技术人员已知的各种类型的电机。环保车辆的电机可以是向车辆驱动轮提供旋转力的驱动电机。
38.电压传感器600用于测量电容器300两端的电压(dc母线电压：vdc)。关于电容器300两端的测量电压的信息可以被发送到控制器500，并且由控制器500用于确定是否已经发生过电压。
39.旋转角传感器700是检测电机400转子的位置(即，电机400转子的旋转角)的元件。旋转角传感器700用于检测电机400转子的角度，并且连续输出包括关于检测到的电机400的转子旋转角信息的旋转角检测信号。根据实施方案，旋转角传感器700可以用旋转变压器等实现。
40.电流传感器900用于测量从逆变器200输出并输入到电机400相的电流。根据实施方案，当电机400是具有相a、b和c的三相电机时，可以提供两个或多个电流传感器900来测量输入到相a、b和c中的至少两个的电流。
41.控制器500可以通过脉冲宽度调制方法执行控制操作，其中适当调整逆变器200的开关元件s1至s6的占空比(占空率)，以将电机400的扭矩控制到所需值(扭矩指令)。
42.为了执行控制操作，当由电压传感器600测量的电容器300两端的电压等于或大于预设的第一电压时，控制器500控制逆变器200中的开关元件s1至s6，使得电机400输出对应于从外部装置输出的用于电机400的扭矩指令值(期望通过电机获得的扭矩目标值)的值。
43.具体地说，控制器500可以包括存储器510、过电压检测器520、电流控制部分530和开关元件控制部分540。存储器510存储电流指令(id*，iq*)的映射，以在驱动电机400期间向电机400施加零矢量。过电压检测器520确定从电压传感器600测量的电容器300两端的电压是否等于或大于第一电压。电流控制部分530生成电压指令(vd*，vq*)，以使从电机400反馈的d轴电流(id)和q轴电流(iq)跟随存储在存储器510中的d轴电流指令(id*)和q轴电流指令(iq*)。开关元件控制部分540响应于生成的电压指令(vd*，vq*)操作逆变器200中的开关元件s1至s6。
44.这里，存储在存储器510中的电流指令(id*，iq*)是电流指令值，该电流指令值使得在驱动电机400期间向电机400施加零矢量，从而当多个开关元件由控制器500驱动时，通过接通第一开关元件s1、第三开关元件s3和第五开关元件s5或者第二开关元件s2、第四开关元件s4和第六开关元件s6，在电机400中生成负扭矩。对于每个电机，电流指令值可以有不同的值。
45.换句话说，存储在存储器510中的电流指令(id*，iq*)是用于向电机400施加零矢量的指令值，从而在电机400中生成负扭矩。当输入到电机400的电流控制逆变器200的开关元件s1至s6以跟随相应的电流指令时，可以在电机400中生成负扭矩。这里，电流指令可以是用于在驱动电机400期间向电机400施加零矢量的特征电流值的电流指令。对于每个电机，电流指令值可以有不同的值。
46.此外，控制器500还可以包括坐标转换装置，该装置将两相坐标转换为三相坐标或将三相坐标转换为两相坐标。根据实施方案，当电机400是具有相a、b和c的三相电机时，坐
标转换装置可以将d轴电流(id)和q轴电流(iq)转换为a、b和c的三相电流(ia、ib、ic)，并且可以将a、b、c的三相电流(ia、ib、ic)转换为d轴电流(id)和q轴电流(iq)。由于将两相坐标转换为三相坐标或将三相坐标转换为两相坐标是众所周知的技术，因此将省略其详细描述。
47.以下，将参考图3到图7描述根据本发明的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统的工作原理。
48.如图3所示，在没有发生故障的正常状态下，在再生制动期间，电容器300可以被电机400的再生能量充电，使得电容器300的电压可以升高。电压传感器600测量电容器300两端的电压，并将电容器300两端的测量电压发送到控制器500。控制器500确定电容器的电压是否等于或大于预设的第一电压。在这方面，第一电压可以是由实验值提取的值，并且可以是包括在逆变器中的开关元件可能烧坏的电压电平。
49.当确定出由电压传感器600测量的电容器300的电压等于或大于预设的第一电压时，控制器500使连接储能器100和电机400的继电器800断开，如图4所示。
50.同时，如图4所示，在控制器500使连接储能器100和电机400的继电器800断开之后，电容器300的电压应被放电以防止烧坏逆变器中的开关元件。根据本发明的控制器500可以响应于预先存储在存储器中的电流指令(id*，iq*)而操作逆变器中的开关元件，以向电机施加零矢量，从而允许电容器300的电压被放电。
51.如图4所示，当继电器800断开时，在电容器300、逆变器200和电机400之间形成闭环电路。在这样的闭环电路中利用电容器300中充电的电压、经由逆变器中的开关元件的控制来驱动电机400，电容器300的电压可以被放电。
52.同时，如图4所示，在继电器800断开并且电容器300的电压被放电的过程中，可能会出现这样的问题：在滑行行驶和下坡行驶期间，由于电机400的反电动势，电容器300的电能迅速上升，从而导致逆变器400烧坏。为了解决这一问题，有必要抑制电机400在滑行行驶和下坡行驶期间，在电容器300的电压放电过程中发出反电动势。此时，为了抑制电机400发出反电动势，有必要降低电机400的速度。根据本发明，在驱动电机400期间，向电机400施加零矢量以在电机400中生成负扭矩，从而响应于能够防止电机发出反电动势的电流指令(id*，iq*)来控制逆变器200中的开关元件s1至s6。因此，可以解决电机400发出反电动势的问题。
53.换言之，当由电压传感器600测量的电容器300两端的电压等于或大于第一电压时，控制器500断开继电器800，并使从逆变器200供应到电机400的电流跟随预先存储在存储器510中的电流指令，从而使电容器300的电压放电，同时抑制电机400发出反电动势。
54.同时，当由电压传感器600测量的电容器300两端的电压等于或大于第一电压时，控制器500如图4所示断开继电器800，并使从逆变器200供应到电机400的电流跟随预先存储在存储器510中的电流指令，从而将电容器300的电压放电至预设的第二电压，并且在电容器的电压被放电至第二电压之后，使得电容器300的电压如图6所示保持在基于第二电压的误差范围内。
55.具体地说，当电容器300两端的电压降低至基于第二电压的误差范围以下时，控制器500可以通过再生制动来增加电容器300的电压。当电容器300两端的电压超过基于第二电压的误差范围时，控制器500可通过驱动电机而对电容器的电压放电，将电容器的电压保
持在基于第二电压的误差范围内。
56.同时，尽管在附图中没有详细示出，但是包括在车辆中的多个电子元件通过电路连接到储能器100，并且相应的电子元件由从储能器100提供的电力驱动。然而，在如图4所示的继电器800断开的情况下，存在电子元件和储能器100之间的电路连接被切断的问题，因此可能无法供电，从而可能发生安全事故。
57.为了解决上述问题，根据本发明，在如图4所示的继电器800断开的情况下，控制器500将电容器300的电压放电至第二电压，但是将电容器300的电压保持在上述方法中的基于第二电压的误差范围内，使得电容器300中存储的能量供应给车辆内的电子元件，从而增加相应电子元件的驱动时间，防止安全事故的发生。
58.另外，控制器500将电容器300的电压保持在预定的电压电平。因此，由于电容器300的预充电时间可在车辆行驶期间重新启动时缩短，所以车辆在重新启动时可以具有快速响应时间。
59.将参考图7描述根据本发明实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的系统。当电容器300的电压上升到等于或大于如a区段中的第一电压时，控制器500使连接储能器100和电机400的继电器800断开，并操作逆变器200中的开关元件s1至s6，以响应于用于在驱动电机400期间向电机400施加零矢量的电流指令来驱动电机400，从而如b区段中所示对电容器300的电压放电。
60.另外，当电压达到第二电压时，控制器500对电容器300的电压放电，但是将电容器的电压保持在基于第二电压的误差范围内(如c区段所示)。
61.图8是示出根据本发明的实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的方法的流程图。如图8所示，根据本发明实施方案的用于保护车辆中的逆变器免受过电压的方法可以包括：确定由电压传感器测量的电容器两端的电压是否等于或大于第一电压的步骤；当电容器两端的电压等于或大于第一电压时，使连接储能器和电机的继电器断开的步骤；以及响应于向电机施加零矢量的电流指令(id*，iq*)而操作逆变器中的开关元件的步骤。
62.该方法还可以包括在确定由电压传感器测量的电容器两端的电压是否等于或大于第一电压的步骤之前，在存储器中存储向电机施加零矢量的电流指令(id*，iq*)的映射的步骤。
63.此外，响应于向电机施加零矢量的电流指令(id*，iq*)而操作逆变器中的开关元件的步骤可以包括在电流控制部分中生成电压指令(vd*，vq*)，电压指令(vd*，vq*)使从电机反馈的d轴电流(id)和q轴电流(iq)跟随存储在存储器中的d轴电流指令(id*)和q轴电流指令(iq*)的步骤，以及在开关元件控制部分中，响应于生成的电压指令(vd*，vq*)而操作逆变器中的开关元件的步骤。该方法还可以包括，当电容器两端的电压等于或大于第一电压时，在使连接储能器和电机的继电器断开的步骤之后，将电容器的电压放电至预设的第二电压的步骤，以及将电容器的电压保持在基于第二电压的误差范围内的步骤。
64.具体地，在将电容器的电压保持在基于第二电压的误差范围内的步骤中，当电容器两端的电压降低至基于第二电压的误差范围以下时，控制器可以通过再生制动来增加电容器的电压，并且当电容器两端的电压超过基于第二电压的误差范围时，可以通过驱动电机对电容器的电压放电。
65.同时，由于用于保护车辆中的逆变器免受过电压的方法的各个步骤的具体技术特
征与用于保护车辆中的逆变器免受过电压的上述系统的详细配置的技术特征相同，因此将省略其详细描述。
66.控制器执行的上述操作/功能可以体现为存储在计算机可读记录介质上的计算机可读代码/算法/软件。计算机可读记录介质是可以存储以后可以由计算机或处理器/微处理器读取的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括硬盘驱动器(hdd)、固态驱动器(ssd)、硅磁盘驱动器(sdd)、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘、光数据存储装置等。
67.上述控制器可以包括一个或多个处理器/微处理器。控制器可以通过执行存储在计算机可读记录介质上的计算机可读代码/算法/软件来执行上述操作/功能。
68.尽管本发明参照附图中所示的具体实施方案加以描述，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离在所附权利要求中所描述的本发明范围的情况下，本发明可以以各种方式进行改变和修改。