一种电动车辆用双电源五相开绕组系统故障容错逆变器电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及在车用逆变器发生供电电源故障、逆变器故障W及电机本体故障时都 具有容错能力的电动车辆用开绕组逆变器电路，具体设及一种电动车辆用双电源五相开绕 组系统故障容错方法。
【背景技术】
[0002] 汽车产业是国民经济的重要组成部分，在国民经济和社会发展中发挥着巨大作 用。随着我国经济的加速发展和人民生活水平的迅速提高，汽车产业也必将迅猛发展，今后 较长一段时期汽车需求量必将保持强劲的增长势头。另一方面，由汽车产业带来的能源紧 张和环境污染等问题将更加突出，传统使用内燃机的汽车产业发展举步维艰。因此，加快推 进和发展节能汽车与新能源汽车，既是有效缓解能源和环境压力，推动汽车产业可持续发 展的紧迫任务，也是加快汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势的战略 举措。
[000引永磁容错电机不仅拥有永磁电机功率密度高、输出性能好的优点，还具备对电机 本体及控制器的断路、短路故障的强容错能力，已成为电动汽车用动力驱动领域的研究热 点。多相电机系统与传统的S相系统相比，具有如下优点；（1)在功率器件电压或电流等 级受限制的特殊场合，能够实现大功率驱动；（2)由于电机相数增加，系统的可靠性得到提 高；做由于电机相数增加，相比于立相系统，多相电机的输出机械转矩脉动减小，从而改 善系统的性能；(4)电机系统由S维系统变为五维系统，维数的增加可使得电机的控制策 略更加丰富。鉴于上述优点，使得多相容错电机系统在航空航天、船舶航海、电动汽车等场 合有着重要应用。
[0004] 传统的永磁电机驱动系统中，电机定子绕组一端星型连接，另一端与逆变器相连。 日本学者IsaoTak址ashi在1989年首次提出将S角形连接的异步电机定子绕组拆开，把 绕组六端引线分别接至两个S相逆变器，构成一种新型的电机拓扑结构一一开绕组异步电 机，如图1所示。相比较于传统的永磁电机驱动系统，将电机电枢绕组连接的中性点拆开， 使电机呈现开绕组结构，而且电机的固有磁路特性不会改变，电机仍然具有高功率密度、高 效率等优点，同时也满足电动汽车电机驱动系统容错运行的需要。当电机驱动系统出现故 障时，故障相的电流或母线电压不会影响到其他正常相绕组，有效消除绕组之间的影响，提 高电机自身可靠性。同时使得电机驱动系统控制更加灵活，电路拓扑更适用于容错控制，可 实现电动汽车的不间断运行，提高电机驱动系统的可靠性。
[0005] 电机驱动系统主要由电机本体、逆变器、控制器和传感器等部分组成，其可靠性直 接关系到整个系统的安全平稳运行，任何部分的故障都有可能影响到整个系统的正常工 作，甚至导致系统擁痕和安全事故的发生。电动车辆用驱动系统的供电电源是系统中必不 可少的部分，其在运行过程中，由于过流、过压W及元器件过热损坏等情况易于造成电源故 障。逆变器是最常用的功率变换装置，功率开关器件由于经常暴露在外，高频的工作状态使 得损耗较大、发热严重，其脆弱性使得开关管故障频繁发生。此外，车用电机内部定子故障 也是多发性故障，如；定子绕组单相断路故障，应间短路故障，定子绕组对地短路W及定子 绕组相间短路。上述故障的发生轻则造成系统停机影响车辆运行，重则造成不可估量的严 重性经济后果和人员伤亡。
[0006] 本专利综合考虑上述系统可能出现的各种故障类型，结合逆变器拓扑结构的改进 优化和控制策略的简单切换，使得任意故障的发生均可实现拓扑重构W及容错不间断运行 在系统发生故障后首先对电机驱动系统进行故障检测，再对故障器件进行隔离，然后利用 此电动车辆用开绕组逆变器容错电路进行拓扑重构和控制算法切换，保持整个系统的持续 不间断运行。
【发明内容】
[0007] 对于传统电动汽车驱动系统故障容错研究，一般是采用电路冗余技术和拓扑重构 来实现系统容错。但是电路的冗余技术常是通过备用电路的配置实现系统不间断运行，易 造成电路器件使用成本增加，资源浪费；逆变器拓扑重构通过原电路中健康期间的结构重 构来实现系统容错运行，虽不增加硬件成本，但电机的容错控制策略复杂多变。另外，在现 有电动汽车驱动系统故障容错研究中，往往都是针对系统的某一特定故障进行容错研究， 而电动汽车驱动系统运行工况复杂，故障种类繁多，所W需展开对于电机驱动系统多种故 障的综合容错策略的研究。
[000引本发明公开了一种电动车辆用双电源五相开绕组系统故障容错逆变器电路，其所 采用的技术方案是；一种电动车辆用双电源五相开绕组系统容错逆变器电路，包括有逆变 器1的十个开关器件化^2^3^4^5^6、1'7、18^9、1\。)，逆变器2的十个开关器件化1、1\2、 Ti3、Ti4、Ti5、Tie、Ti7、Tis、Ti9、T2。)，母线电容C1 ~C4,W及电机A、B、C、D、E五相绕组。其主 要特征在于设置有第一~第十双向晶闽管（Si、S2、S3、S4、S5、Se、S7、Ss、S9、Si。)。其中，逆变 器1的第一、S、五、心九个订1、Tg、Tg、T,、Tg)功率开关器件的一端通过母线电容咕、〔2) 接地，另一端与第二、四、六、八、十个（T2、T4、Te、Ts、Ti。）功率开关器件的一端相连，第二、四、 六、八、十个订2、T4、Te、Ts、Ti。）功率开关器件的另一端接地。逆变器2的十个功率开关器 件连接方式与逆变器1的十个功率开关器件连接方式相同。该二十个功率开关器件订1~ TJ的触发端与控制电路相连接。逆变器1的第一化）、第二个订4)功率开关器件的连接 点知）和逆变器2的第一（T。）、第二个化2)功率开关器件的连接点枉）分别与开绕组电 机A相绕组的两端相连，两个逆变器的第=、第四个（T3、T4、Ti3、Ti4)功率开关器件的连接点 (bi、b2)分别与开绕组电机B相绕组的两端相连，依此类推，两个逆变器的第九、第十个（Tg、 Tw、Tig、Tj功率开关器件的连接点（ei、62)分别与开绕组电机E相绕组的两端相连。两个 电源正极通过第一双向晶闽管（Si)相连，两个电源负极通过第六双向晶闽管（Se)相连。逆 变器1的A、B相通过第二双向晶闽管（S2)相连，B、C相通过第S双向晶闽管（S3)相连，W 此类推，D、E相通过第五双向晶闽管（Sg)相连；逆变器2的A、B相通过第走双向晶闽管（S,) 相连，B、C相通过第八双向晶闽管（Ss)相连，W此类推，D、E相通过第十双向晶闽管（Si。）相 连。第一~第十双向晶闽管化~Si。）的触发端与电机控制电路相连接。
[0009] 此电动车辆用双电源开绕组五相逆变器容错电路，还在两个逆变器的每个功率开 关器件侧设有烙断器，共计20个。所述的逆变器1的第一烙断器（Fi)对应连接在逆变器1 的第一功率开关器件订1)的连线上，其余的19个烙断器也依照此方式对应连接在逆变器 的19个功率开关器件的连线上。
[0010] 本发明的电动车辆用双电源五相开绕组系统故障容错逆变器电路，当系统无故障 时，所有的双向晶闽管均处于断开状态，电机系统W五相开绕组双电源逆变系统正常运行； 当故障发生时，系统可根据不同故障类型进行拓扑重构和控制模式切换。当双电源供电系 统一侧电源发生故障时，可将故障电源切除，第一和第六晶闽管导通，系统由双电源供电模 式切换为单电源供电模式；当系统任意相之间发生相间短路，故障侧开关管驱动信号关闭， 短路侧各绕组通过双向晶闽管连接，系统由开绕组运行模式切换为传统Y型连接工作模 式；当系统出现某逆变器发生开关管开路/短路故障时，故障侧开关管驱动信号关闭，短路 侧各绕组通过双向晶闽管连接，系统由双逆变器工作模式切换为单逆变器工作模式；当系 统出现某相绕组断路或者应间短路，故障相两侧四个开关管驱动信号关闭，系统由五相系 统切换至四相容错运行。
[0011] 采用本发明的技术方案，具有W下有益效果：
[0012] (1)针对车用逆变器工况复杂，故障种类繁多的问题，当系统发生故障时，根据不 同的故障类型，系统将采用不同的容错运行方式，提高了系统的可靠性；
[001引 似能够实现供电电源缺失、功率开关器件开路或者短路、电机绕组单相断路、短 路或应间短路W及绕组相间短路该几种故障的隔离和容错，避免二次故障的发生；
[0014] (3)无需复杂的拓扑变换及控制策略，系统故障前后电路拓扑变化简单，控制方式 切换简单，实用性强，便于推广。
【附图说明】
[0015] 图1为传统双电源五相开绕组PMSM驱动电路拓扑图；
[0016] 图2为双电源五相开绕组PMSM逆变器容错电路拓扑图；
[0017] 图3为单电源供电开绕组PMSM五相运行模式；
[0018] 图4为双电源五相开绕组PMSM逆变器绕组相间短路故障示意图；
[0019] 图5为单电源供电单逆变器PMSM五相运行模式；
[0020] 图6为双电源开绕组PMSM逆变器或绕组故障示意图；
[002U图7为双电源开绕组PMSM四相运行电路拓扑；
[002引图8为双电源开绕组PMSM四相运行系统控制框图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
[0024] 本发明所述的电动车辆用双电源五相开绕组系统故障容错方法，具有在系统发生 供电电源故障、逆变器开关管短路或断路故障，电机绕组单相短路、断路或者应间短路故障 W及电机绕组相间短路故障时的容错能力。根据系统故障类型的不同，该系