阅读说明：本技术 滤波电容器的保护方法、保护系统及电机控制器 (Protection method and protection system of filter capacitor and motor controller ) 是由 孙可 王宇 黄宜坤 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种滤波电容器的保护方法、保护系统及电机控制器,通过物理建模的方法实时动态地获取滤波电容器的绝对温度,并根据获取的绝对温度值与设定的温度保护阈值之间的关系,控制电机控制器的输出能力,进而对滤波电容器进行过热保护。本发明通过物理建模的方法对滤波电容器进行保护,避免了温度传感器采集滤波电容器温度时因工况变化导致的绝对温度最大值的转移。同时,相对于传统的温度传感器测量,物理建模有较强的鲁棒性和一致性,可以有效的避免由于温度传感器特性不一致或寿命老化带来的温度测量数据的不准确性。另外,本发明提供的滤波电容器的保护方法可以替代温度传感器的使用,降低了生产成本。(The invention provides a protection method and a protection system of a filter capacitor and a motor controller. According to the invention, the filter capacitor is protected by a physical modeling method, and the transfer of the maximum absolute temperature value caused by working condition change when the temperature sensor collects the temperature of the filter capacitor is avoided. Meanwhile, compared with the traditional temperature sensor measurement, the physical modeling has stronger robustness and consistency, and the inaccuracy of temperature measurement data caused by inconsistent characteristics or aging of the temperature sensor can be effectively avoided. In addition, the protection method of the filter capacitor provided by the invention can replace a temperature sensor, so that the production cost is reduced.)

滤波电容器的保护方法、保护系统及电机控制器

技术领域

本发明涉及电动汽车控制技术领域，具体涉及一种滤波电容器的保护方法、保护系统及电机控制器。

背景技术

电动汽车被广泛认为是解决汽车尾气污染和石油能源短缺等问题的主要途径之一，随着电动汽车的快速发展，对其核心零部件的产品性能、一致性和可靠性要求也越来越重要。电机控制器作为电动汽车动力总成的控制单元，它的产品性能将直接影响整车的性能指标。电机控制器的电流输出能力受到多种方面因素的影响，从控制机本身来看，元器件的发热是主要限制电流能力输出的因素。由于工作中元器件不同程度的发热，为了避免器件的热损坏，以及满足控制器使用寿命，必须严格限制器件的温度上升，因此当温度达到设计指标的上限值时，就需要通过降低控制器的输出能力来进行降温。

电机控制器中的滤波电容器起到对直流侧的滤波缓冲作用，同时也直接限制着电机控制器的持续输出能力。当滤波电容器因为温度过高，需要保护时，则需要降低电机控制器的持续输出电流，以防止滤波电容器的不可逆热损坏。因此对滤波电容器进行过热保护十分重要。

常见的保护方式是在元器件的发热点放置温度传感器，通过控制器对温度信号的采集，实现控制器的保护。但是此种方式存在两个重要的缺点：一是增加物理温度传感器，会直接增加产品成本，常见一颗热电偶的价格约20～30RMB；二是对于电容器这种体积大、结构材料复杂，且工作环境多变的情况，滤波电容器内的最高温度点往往是不断变化的，一个固定位置的温度传感器没法准确测量出最高温度点，也就没法起到保护作用。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种滤波电容器的保护方法、保护系统及电机控制器，通过物理建模的方法获得滤波电容器的绝对温度，并根据绝对温度值与设定的温度保护阈值之间的关系控制电机控制器的输出能力，进而对滤波电容器进行保护。

本发明的另一目的在于提供一种波电容器的保护方法、保护系统及电机控制器，取代温度传感器获取滤波电容器的绝对温度，降低生产成本的同时避免由于温度传感器特性不一致或温度传感器寿命老化带来的温度测量数据的不准确性。

为了实现上述目的，本发明提供一种滤波电容器的保护方法，用以对电机控制器中滤波电容器进行过热保护，包括：

采集滤波电容器多种工况下的数据信息；

对所述数据信息的进行物理建模，形成与工况相对应的物理模型以获得滤波电容器的绝对温度；

设定与工况对应的滤波电容器的温度保护阈值；

获取某一工况下的输入信息并输入与所述工况对应的物理模型用于获取滤波电容器的绝对温度；以及，

判断所述工况下所述滤波电容器的绝对温度与温度保护阈值之间的大小关系并根据判断结果控制电机控制器的输出信息。

可选的，所述数据信息和所述输入信息均包括：滤波电容的波纹电流、直流侧的直流电流及水冷温度。

可选的，获取所述滤波电容器的绝对温度的过程包括：

获取某一工况下滤波电容器的波纹电流、直流侧的直流电流并输入与所述工况对应的物理模型获取滤波电容器的绝对温升数值；

获取水冷温度，并根据所述水冷温度和所述绝对温升数值计算出滤波电容器的绝对温度。

可选的，所述水冷温度通过水冷系统中的水温传感器获得。

可选的，所述输出信息包括：电机控制器的输出功率。

可选的，当所述滤波电容器的绝对温度低于所述温度保护阈值时，电机控制器的输出功率不作限制；当所述滤波电容器的绝对温度超出所述温度保护阈值时，电机控制器在额定输出功率的基础上相应减小实际输出功率。

可选的，所述温度保护阈值包括温度保护阈值上限和温度保护阈值下限，当所述滤波电容器的绝对温度超过所述温度保护阈值下限且未达到所述温度保护阈值上限时，电机控制器的输出功率呈线性减小，当所述滤波电容器的绝对温度达到所述温度保护阈值上限时，电机控制器的输出功率被限制为0。

可选的，所述滤波电容为薄膜电容器。

可选的，所述滤波电容为聚丙烯薄膜电容器。

基于同一发明构思，本发明还提供一种滤波电容器的保护系统，用于实时动态地获取电机控制器中滤波电容器的绝对温度并进行保护，包括：输入模块、分析模块、阈值设定模块及输出模块，

所述输入模块用于获取某一工况下的输入信息并将所述输入信息输送至所述分析模块；

所述分析模块根据所述输入信息进行分析以获取滤波电容器的绝对温度；

阈值设定模块用于设定与工况对应的温度保护阈值；

所述输出模块判定所述绝对温度与所述温度保护阈值之间的大小关系，并根据判定结果控制电机控制器的输出信息。

可选的，所述分析模块包括与滤波电容器不同工况相对应的物理模型，所述物理模型通过特定输入信息与标定结果相结合的方式进行物理建模而形成。

可选的，所述输入信息包括：滤波电容的波纹电流、直流侧的直流电流及水冷温度。

可选的，获取所述滤波电容器的绝对温度的过程包括：

输入模块获取某一工况下滤波电容器的波纹电流、直流侧的直流电流和水冷温度，并将所述滤波电容器的波纹电流、所述直流侧的直流电流输入和水冷温度输入至所述分析模块；

所述分析模块将所述滤波电容器的波纹电流、所述直流侧的直流电流输入与所述工况对应的物理模型以获取滤波电容器的绝对温升数值，并根据所述水冷温度和所述绝对温升数值计算出滤波电容器的绝对温度。

可选的，所述水冷温度通过电水冷系统中的水温传感器获得。

可选的，所述输出信息包括：电机控制器的输出功率。

可选的，当所述滤波电容器的绝对温度低于所述温度保护阈值时，所述输出模块对电机控制器的输出功率不作限制；当所述滤波电容器的绝对温度超出所述温度保护阈值时，所述输出模块在电机控制器的额定输出功率的基础上相应减小实际输出功率。

可选的，所述温度保护阈值包括温度保护阈值上限和温度保护阈值下限，当所述滤波电容器的绝对温度超过所述温度保护阈值下限且未达到所述温度保护阈值上限时，所述输出模块控制电机控制器的输出功率呈线性减小，当所述滤波电容器的绝对温度达到所述温度保护阈值上限时，所述输出模块限制电机控制器的输出功率为0。

可选的，所述滤波电容为薄膜电容器。

可选的，所述滤波电容为聚丙烯薄膜电容器。

基于同一发明构思，本发明还提供一种电机控制器，包括：滤波电容器保护系统，所述滤波电容器保护系统用于实时动态地获取滤波电容器的绝对温度并进行保护，包括：输入模块、分析模块、阈值设定模块及输出模块，所述输入模块用于获取某一工况下的输入信息并将所述输入信息输送至所述分析模块；所述分析模块根据所述输入信息进行分析以获取滤波电容器的绝对温度；阈值设定模块用于设定与工况对应的温度保护阈值；所述输出模块判定所述绝对温度与所述温度保护阈值之间的大小关系，并根据判定结果控制电机控制器的输出信息。

综上所述，本发明提供的滤波电容器的保护方法，通过物理建模的方法实时动态地获取滤波电容器的绝对温度，并根据获取的滤波电容器的绝对温度值与设定的温度保护阈值之间的关系，控制电机控制器的输出能力，进而对滤波电容器进行热保护。本发明通过物理建模的方法对滤波电容器进行保护，避免了滤波电容器因工况变化导致绝对温度最大值转移的影响。

同时，相对于传统的温度传感器测量获得的滤波电容器的绝对温度，物理建模有较强的鲁棒性和一致性，可以有效的避免由于温度传感器特性不一致或温度传感器寿命老化带来的温度测量数据的不准确性。另外，本发明提供的滤波电容器的保护方法可以有效替代温度传感器的使用，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明具体实施例的滤波电容器保护方法的流程图；

图2为本发明具体实施例的滤波电容器的结构示意图；

图3为本发明具体实施例的滤波电容器在电机控制器中的电路设计；

图4为本发明具体实施例中滤波电容器绝对温度获取过程的框图；

图5为本发明具体实施例中滤波电容器功率输出的框图；

图6为本发明具体实施例中滤波电容器保护系统的框图；

图7为本发明具体实施例中滤波电容器的绝对温升数值与实际测量值随时间的变化曲线图；

图8为本发明具体实施例中滤波电容器的绝对温升数值与实际测量值之间的误差随时间的变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的技术方案作详细的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。此外，需要说明的是，本文的框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机程序指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。

请参考图1，本发明提供一种滤波电容器的保护方法，用以对电机控制器中滤波电容器进行过热保护，包括以下步骤：

S01：采集滤波电容器多种工况下的数据信息；

S02：对所述数据信息的进行物理建模，形成与工况相对应的物理模型用于获取滤波电容器的绝对温度；

S03：设定与工况对应的滤波电容器的温度保护阈值；

S04：获取某一工况下的输入信息并输入与所述工况对应的物理模型获得滤波电容器的绝对温度；

S05：判断所述滤波电容器的绝对温度与相应的温度保护阈值之间的大小关系并根据判断结果控制电机控制器的输出信息。

下面以电机控制器中的滤波电容器为例介绍本发明提供的滤波电容的保护方法，其中，所述滤波电容为薄膜电容器。如图2所示，滤波电容器的基本结构包括：壳体(图中未示出)、正铜排11、负铜排12、绝缘纸13、及电容芯子10，所述电容芯子10一端与正铜排11连接，另一端与负铜排12连接，所述绝缘纸13置于两层铜排之间，所述壳体包裹住上述电容芯子10、正铜排11、绝缘纸13、负铜排12；所述两层铜排上均设有引脚14，延伸到壳体外部。可见，滤波电容器内部含有多种材料物质，不同材料的导热导电特性均不尽相同，且滤波电容体积较大，呈一定空间的正方体形状，工作状态下滤波电容器内部最热点会随工况的变化发生变化。

滤波电容器内部发热的原理是，工作状态下，存在交变的电流流过电容器，不同材料拥有不同的阻抗特性，电流流过后便产生功率损耗，作用于热阻上便产生热量。基本热原理如公式(1)所示，其中ΔT为某一节点滤波电容器的温升，P为功率损耗，R_c为对应节点的热阻。因此，计算滤波电容器本体流过的等效电流，可以用于表征滤波电容器的功率损耗情况。

ΔT＝P·R_c (1)

图3为滤波电容器在电机控制器中的电路示意图，可以直观的看出直流侧电容(Direct Current Capacitor，DC Cap)等效电流与进线侧直流电流和逆变器输入电流之间的关系，由三相逆变系统的公知技术，可以得到滤波电容器等效电流I_cap的计算公式：

其中，I_{inv_rms}为纹波电流；I_pha为相电流；M为调制度；

为功率因素。

由于滤波电容器内部材料和形状较为复杂，精确的阻抗参数较难获取，同时，滤波电容器工作时内部只有纹波电流流过，且等效纹波电流的流径较为清楚，因此直接使用滤波电容纹波电流作为损耗的等效输入。

参考图3可以看出滤波电容器在硬件电路上的连接位置，其与直流侧直接相连，而由于滤波电容器结构中含有两端的导电铜排，直流侧的电流会在铜排中流过，进而也产生一定的热量。铜排上产生的热量，会直接影响电容器内部材料的热效应。因此，直流侧的电流大小一定程度上也影响电容器热传递，也应将该电流大小作为输入信息。

又因为当滤波电容器的结构固定下来后，作为固有特征参数的热阻参数将不会改变，其热特性可以看作一定工况输入下的特有表现。因此，在基础分析和等效的基础上，本发明采用物理建模的方法进行电容器的保护，核心是观测出滤波电容器内部电容芯子在当前工况下最热点，再利用温度保护阈值限制功率输出，实现电容器的保护。

首先，采集滤波电容器多种工况下的数据信息。所述数据信息包括以上所述滤波电容器的纳纹电流和直流侧的直流电流，当然还包括不同工况对应的滤波电容器的种类、滤波电容器在硬件电路上具体连接方式和其他运行参数的设定等。然后，对所述数据信息进行物理建模，以形成与工况相对应的物理模型，用以获取该工况下滤波电容器的绝对温度。本实施例采用了特定数据信息与标定结果相结合的方式，完成滤波电容器绝对温度温度的数学方法观测，然后依据数学方法观测结果构建与不同工况对应的物理模型，物理模型的基本结构框图如图4所示，I_cap为滤波电容器纹波电流，I_dc直流侧直流电流，ΔT_cap为滤波电容器的绝对温升数值，其中，滤波电容器纹波电流和直流侧直流电流是构建物理模型的关键数据信息，本实施例通过单一样品的热标定完成数据信息的采集，然后对采集的数据进行物理建模，相同产品同一工况下对应相应的物理模型，当向相应物理模型输入输入信息(滤波电容器纹波电流I_cap和直流侧直流电流I_dc)，经过物理模型的运算输出该工况下滤波电容器的绝对温升数值ΔT_cap。

在获得滤波电容器在某一工况下的绝对温升数值ΔT_cap后，所述绝对温升数值ΔT_cap是指滤波电容器在该工况下某一节点的温度变化值，该温度变化值是动态变化的，因此，在获取ΔT_cap后还需要通过低通滤波器对所述绝对温升数值ΔT_cap进行相应调制，平滑ΔT_cap的测量数据并且抑制干扰信号，使所述绝对温升数值ΔT_cap呈一较稳定的动态上升趋势，所述低通滤波器例如可以为一阶低通滤波器(PT1)。

上述可以得到滤波电容器在某一工况下的绝对温升数值ΔT_cap，但是对于滤波电容器温度保护参考意义更大的是滤波电容器温度绝对温度T_f，因此还需要考虑滤波电容器应用中水冷的温度T₀。其方案结构框图如图5所示。如图2所示，水冷设施15一般设置在滤波电容器的铜排下方，其中，水冷温度T₀的获取，可以通过电机控制器或者整车水冷系统中的水温传感器获得，或者也可以通过电机控制器对水冷系统温度的估计系统获得。获取水冷温度T₀后，并根据所述水冷温度T₀和所述绝对温升数值ΔT_cap计算出滤波电容器的绝对温度T_f。

接着，设定与相应工况对应的滤波电容器的温度保护阈值T_p。当所述滤波电容器的绝对温度T_f未达到设定的温度保护阈值T_p时，不需要对电机控制器的输出信息进行限制，当所述滤波电容器的绝对温度T_f达到设定的温度保护阈值T_p时，对电机控制器的输出信息进行相应的限制，例如在原有额定输出功率的基础上相应减少实际输出功率，进一步的，当所述滤波电容器的绝对温度T_f超出设定的温度保护阈值T_p一定范围内，电机控制器的输出信息根据超出的温度相应减少实际输出功率，例如可以实际输出功率随超出T_p的温度的增加呈线性下降，当超出T_p的温度达到某一节点时，电机控制器的输出限制为0，以达到对滤波电容器过热保护的目的。

以上建立与工况相对应的物理模型及设定温度保护阈值T_p，当获取某一工况下的输入信息，输入与所述工况对应的物理模型即可获得滤波电容器的绝对温度T_f。

然后，判断所述滤波电容器的绝对温度T_f与相应的温度保护阈值T_p之间的大小关系；最后，根据判断结果控制电机控制器的输出信息。所述输出信息包括输出电流、输出电压等，优选的，本实施例中采用电机控制器的输出功率。当所述滤波电容器的绝对温度T_f低于所述温度保护阈值T_p时，电机控制器的输出功率不作限制；当所述滤波电容器的绝对温度T_f超出所述温度保护阈值T_p时，电机控制器在原有输出功率的基础上相应减小实际的输出功率。

示例性的，所述温度保护阈值T_p包括温度保护阈值上限T_p1和温度保护阈值下限T_p2，当所述滤波电容器的绝对温度T_f超过所述温度保护阈值下限T_p2且未达到所述温度保护阈值上限T_p1时，电机控制器的输出功率呈线性减小，当所述滤波电容器的绝对温度T_f达到所述温度保护阈值上限T_p1时，电机控制器的输出功率被限制为0。

图7为本实施例获取的滤波电容器的绝对温升数值ΔT_cap与实际测量与时间的关系，图8为本实施例获取的滤波电容器的绝对温升数值与实际测量值之间的误差与时间的关系。参考图7和图8，可以看出；某一工况下，通过本施例获取的滤波电容器的绝对温升数值ΔT₁与实际测量值ΔT₂保持高度的一致性，且在整个动态过程中，通过本实施例获取的滤波电容器的绝对温升数值ΔT₁与实际测量值ΔT₂的误差基本在2℃以内，具有很高的估计精度，证明了本实施例提供的滤波电容器保护方法的有效性。

本实施例提供的滤波电容器的保护方法中，所述滤波电容器为聚丙烯薄膜电容，应用环境和产品以电机控制器为主，但对于其他类型的电容器，同样可以适用，同时，不仅限于电机控制器产品，在逆变系统中，直流侧使用的滤波电容器皆可以使用类似的方案进行保护设计。

请参考图6，基于同一发明构思，本发明一实施例还提供一种滤波电容器的保护系统100，用于实时动态地获取电机控制器中滤波电容器的绝对温度并进行保护，包括：输入模块101、分析模块102、阈值设定模块103及输出模块104，

所述输入模块101用于获取某一工况下的输入信息并将所述输入信息输送至所述分析模块；

所述分析模块102根据所述输入信息进行分析以获取滤波电容器的绝对温度T_f；

阈值设定模块103用于设定与工况对应的温度保护阈值T_p；

所述输出模块104判定所述绝对温度T_f与所述温度保护阈值T_p之间的大小关系，并根据判定结果控制电机控制器的输出信息。

具体的，所述分析模块102包括与滤波电容器不同工况相对应的物理模型，所述物理模型通过特定输入的数据信息与标定结果相结合的方式进行物理建模而形成。所述输入信息包括滤波电容的波纹电流Icap、直流侧的直流电流I_dc及水冷温度T₀，当然还包括不同工况对应的滤波电容器的种类、滤波电容器在硬件电路上具体连接方式和其他运行参数的设定等。其中，获取所述滤波电容器的绝对温度T_f的过程包括：

输入模块101获取某一工况下滤波电容器的波纹电流I_cap、直流侧的直流电流I_dc和水冷温度T₀，并将所述滤波电容器的波纹电流I_cap、直流侧的直流电流I_dc和水冷温度T₀输入至所述分析模块102。

所述分析模块102将所述波纹电流I_cap、所述直流侧的直流电流I_dc输入与所述工况对应的物理模型以获取滤波电容器的绝对温升数值ΔT_cap，并根据所述水冷温度T₀和所述绝对温升数值ΔT_cap计算出滤波电容器的绝对温度T_f。

另外，在获取ΔT_cap后还需要通过低通滤波器对所述绝对温升数值ΔT_cap进行相应调制，平滑ΔT_cap的测量数据并且抑制干扰信号，使所述绝对温升数值ΔT_cap呈一较稳定的动态上趋势，所述低通滤波器例如可以为一阶低通滤波器(PT1)。

阈值设定模块103可以根据具体的工况条件设定，工况条件可以通过输入模块101直接获取，也可以从分析模块102间接获取。

所述输出模块104根据所述绝对温度T_f与所述温度保护阈值T_p之间的大小关系控制电机控制器的输出信息，所述输出信息包括输出电流、输出电压等，优选的，本实施例中采用电机控制器的输出功率。当所述滤波电容器的绝对温度T_f低于所述温度保护阈值T_p时，电机控制器的输出功率不作限制；当所述滤波电容器的绝对温度T_f超出所述温度保护阈值T_p时，电机控制器在原有输出功率的基础上相应减小实际的输出功率。示例性的，所述温度保护阈值T_p包括温度保护阈值上限T_p1和温度保护阈值下限T_p2，当所述滤波电容器的绝对温度T_f超过所述温度保护阈值下限T_p2且未达到所述温度保护阈值上限T_p1时，电机控制器的输出功率呈线性减小，当所述滤波电容器的绝对温度T_f达到所述温度保护阈值上限T_p1时，电机控制器的输出功率被限制为0。

本实施例提供的滤波电容器的保护系统中，所述滤波电容器为聚丙烯薄膜电容器，主要应用在电机控制器，但对于其他类型的电容器，同样可以适用，同时，该滤波电容器的保护系统不仅限于电机控制器产品，在逆变系统中，直流侧使用的滤波电容器皆可以使用类似的保护系统进行保护。

基于同一发明构思，本发明一实施例还提供一种电机控制器，包括：滤波电容器保护系统，所述滤波电容器保护系统用于实时动态地获取滤波电容器的绝对温度并进行保护，包括：输入模块、分析模块、阈值设定模块及输出模块，所述输入模块用于获取某一工况下的输入信息并将所述输入信息输送至所述分析模块；所述分析模块根据所述输入信息进行分析以获取滤波电容器的绝对温度；阈值设定模块用于设定与工况对应的温度保护阈值；所述输出模块判定所述绝对温度与所述温度保护阈值之间的大小关系，并根据判定结果控制电机控制器的输出信息。

综上所述，本发明提供的滤波电容器的保护方法、保护系统及电机控制器，通过物理建模的方法实时动态地获取滤波电容器的绝对温度，并根据获取的滤波电容器的绝对温度值与设定的温度保护阈值之间的关系，控制电机控制器的输出能力，进而对滤波电容器进行过热保护。本发明通过物理建模的方法对滤波电容器进行保护，避免了滤波电容器因工况变化导致的热点(绝对温度的最大值)转移的影响。

同时，相对于传统的温度传感器测量获得的滤波电容器的绝对温度(热点)，物理建模有较强的鲁棒性和一致性，可以有效的避免由于温度传感器特性不一致或温度传感器寿命老化带来的温度测量数据的不准确性。另外，本发明提供的滤波电容器的保护方法可以有效替代温度传感器的使用，降低生产成本。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。