電動(dòng)汽車用電機(jī)控制器過(guò)電流保護(hù)方法

王淑旺,郗世洪,孫純哲,周 政,桂星星

(合肥工業(yè)大學(xué),安徽合肥230009)

0 引 言

隨著能源危機(jī)的日益加劇和環(huán)境壓力的增加,電動(dòng)汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油汽車已經(jīng)成為一個(gè)必然的趨勢(shì)[1]。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟,是提高電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)性能、行駛里程及可靠性的根本保證[2],電機(jī)控制器是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,在復(fù)雜極限路況下使電機(jī)控制器內(nèi)部的電流、電壓值可能達(dá)到所設(shè)定的值,內(nèi)部的元器件承受能力有限,尤其是對(duì)功率模塊的損害巨大,需要對(duì)其采取相應(yīng)的措施。其中過(guò)電流故障是電動(dòng)車電機(jī)控制器的常見(jiàn)故障,主要是突變性和峰值性的電流值,該故障的保護(hù)在電機(jī)控制器中極其重要。

目前電機(jī)控制器過(guò)電流保護(hù)一般可通過(guò)延長(zhǎng)加速時(shí)間和減速時(shí)間,減少負(fù)載突變,加強(qiáng)絕緣水平,外加能耗制動(dòng)元件、EMC濾波器[3]。下面從電機(jī)控制器產(chǎn)生過(guò)電流的原因、電流值的信號(hào)檢測(cè)、采樣、硬件保護(hù)電路和軟件保護(hù)策略角度對(duì)該電機(jī)控制器進(jìn)行過(guò)電流分析和保護(hù)。

1 電機(jī)控制器過(guò)電流故障產(chǎn)生原因

過(guò)電流故障是電動(dòng)車電機(jī)控制器的常見(jiàn)故障,主要是突變性和峰值性的電流值,一般表現(xiàn)為:

(1)電動(dòng)汽車電機(jī)控制器輸出端三相線出現(xiàn)短路,導(dǎo)致過(guò)電流;

(2)電動(dòng)車出現(xiàn)沖擊負(fù)載或者電動(dòng)車爬坡出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí),導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩相長(zhǎng)時(shí)間接通,相線電感飽和,導(dǎo)致過(guò)電流;

(3)電動(dòng)車急加速(急剎車)時(shí),車子本身負(fù)載慣性較大,升速(降速)時(shí)間設(shè)定太短,電機(jī)控制器的工作頻率上升太快,同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升(下降),同步電機(jī)原來(lái)處于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步,當(dāng)出現(xiàn)急加速(急剎車)時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速因慣性較大,轉(zhuǎn)子速度仍處于高速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)差過(guò)大,導(dǎo)致繞組切割磁感線太快,產(chǎn)生過(guò)大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)電流;

(4)電機(jī)控制器電源側(cè)缺相、輸出側(cè)斷線、電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障引起過(guò)電流故障;

(5)驅(qū)動(dòng)電機(jī)受電磁干擾的影響,漏電流變大,產(chǎn)生軸電流、軸電壓,引起電機(jī)控制器過(guò)電流;

(6)電機(jī)控制器的控制電路遭到電磁干擾,導(dǎo)致控制信號(hào)錯(cuò)誤,速度反饋信號(hào)丟失或非正常時(shí),也會(huì)引起過(guò)電流;

(7)電機(jī)控制器的容量選擇與負(fù)載特性不匹配,引起電機(jī)控制器功能和工作異常,造成過(guò)電流;

(8)電機(jī)控制器參數(shù)設(shè)定不正確和硬件電路出問(wèn)題,也導(dǎo)致過(guò)電流;

(9)短時(shí)間內(nèi)IGBT電流值變化過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致過(guò)電流;如瞬時(shí)斷電,電流產(chǎn)生尖峰,導(dǎo)致IGBT過(guò)電流;電機(jī)控制器復(fù)位后再起動(dòng)造成過(guò)電流。

電機(jī)控制器過(guò)電流主要是加減速時(shí)間太短、負(fù)載發(fā)生突變、電壓過(guò)低或過(guò)高、斷相、短路、漏電流、電磁干擾及電機(jī)控制器內(nèi)部元件故障等引起[3]。

2 電機(jī)控制器的保護(hù)方法

電動(dòng)汽車電機(jī)控制器過(guò)電流故障是常見(jiàn)故障,故障的保護(hù)顯得非常重要,對(duì)車用電機(jī)控制器的過(guò)電流保護(hù)主要從硬件處理和軟件處理進(jìn)行。

硬件處理主要包括對(duì)傳感器的選擇,如:靈敏度和精確度;對(duì)DSP處理器能力的選擇;電流信號(hào)的檢測(cè)和處理,主要是包括濾波、判斷和保護(hù)。軟件處理主要是基于得到過(guò)流信號(hào)后通過(guò)程序的比較分析進(jìn)行的保護(hù)。下面從多個(gè)角度分別介紹過(guò)流保護(hù)的措施。

2.1 硬件檢測(cè)及保護(hù)

硬件電路的保護(hù)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)速度較快,在電流信號(hào)的檢測(cè)、采集和電機(jī)控制器功率模塊保護(hù)幾個(gè)環(huán)節(jié)中起到很重要的作用。

電機(jī)控制器的電流檢測(cè)通過(guò)電流傳感器檢測(cè)母線電流和相線電流。電機(jī)控制器主電路如圖1所示。圖中顯示為檢測(cè)的線電流IDC、相線電流IAre和ICre。

如圖2所示,以A相線檢測(cè)為例,通過(guò)電流傳感器檢測(cè)到的電壓信號(hào)通過(guò)RC濾波電路和電壓跟隨電路,得到電流比較信號(hào)IAcomp,IAcomp一路信號(hào)經(jīng)過(guò)差分電路得到DSP芯片可接受的0～3.3 V的信號(hào)IADSP,IADSP通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后得到實(shí)際的電流值,通過(guò)軟件程序進(jìn)行判斷是否過(guò)流。另一路IAcomp信號(hào)通過(guò)與基準(zhǔn)電路的比較,進(jìn)行判斷是否過(guò)流,若過(guò)流,得到過(guò)流信號(hào)Iover,然后Iover信號(hào)進(jìn)入過(guò)流鎖存電路,出現(xiàn)故障后就進(jìn)行停機(jī)保護(hù),防止故障信號(hào)復(fù)位導(dǎo)致在有故障的條件下運(yùn)行車輛;PDPINTA為功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳,在確定出現(xiàn)故障后,該中斷有效,將PWM輸出引腳(EVA)置為高阻態(tài),通過(guò)DSP關(guān)斷六路驅(qū)動(dòng)信號(hào);同時(shí)確定出現(xiàn)故障后直接把驅(qū)動(dòng)信號(hào)的與門電路進(jìn)行置低電平,通過(guò)硬件電路直接關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào),確保車輛的安全。

電流傳感器的檢測(cè)及數(shù)據(jù)的處理十分重要,不同的廠家或型號(hào)的傳感器電氣特性不同。如何通過(guò)檢測(cè)電路把傳感器的信號(hào)高精度地調(diào)理成DSP處理器可以接受的電壓信號(hào),是需要進(jìn)行嚴(yán)格的理論計(jì)算和電路仿真的。如圖3所示。

圖1 電機(jī)控制器主電路

圖2 過(guò)電流硬件處理

圖3 IA re檢測(cè)采樣電路

以應(yīng)用某型號(hào)800 A的電流傳感器為例,實(shí)際電流IP和輸出電壓VOUT的關(guān)系用如下:

式中:G為靈敏度,G=2.5mV/A;IP為檢測(cè)到的實(shí)際電流值;VC為電路傳感器供電電壓;VOUT為電流傳感器輸出電壓。

現(xiàn)對(duì)圖3的電流檢測(cè)處理電路進(jìn)行基于ORCAD的仿真,仿真圖形如圖4所示。

如圖4所示,電流采樣仿真輸入信號(hào)取頻率500 Hz(如6對(duì)極電機(jī)5 000 r/min時(shí)電流頻率即為500 Hz),幅值取電流傳感器輸出電壓值0.5～4.5 V,直流偏置2.5 V。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波并經(jīng)過(guò)跟隨后通過(guò)差分放大至DSP可接受電壓范圍0～3.3 V。

圖4的IAre采樣仿真數(shù)據(jù)將檢測(cè)電流傳感器的電壓信號(hào)等比例縮小為DSP可接受的電壓信號(hào)。

圖4 IA re采樣仿真數(shù)據(jù)

圖5 IAre單周期采樣仿真數(shù)據(jù)

圖5為IAre單周期采樣仿真數(shù)據(jù)。信號(hào)放大觀測(cè)輸入輸出延時(shí)較小(tdelay≈10μs),表明相位基本不變,達(dá)到了檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,誤差較小,可有效地檢測(cè)到實(shí)際的電流變化。

電流在永磁同步電機(jī)運(yùn)行每一相位內(nèi)將發(fā)生波動(dòng),引起扭矩的周期性波動(dòng),而電流出現(xiàn)的峰值也容易引起過(guò)流現(xiàn)象[4],在電機(jī)控制器中采用了電流閉環(huán)控制,有效解決了上述問(wèn)題。

短路過(guò)流故障對(duì)于IGBT器件來(lái)說(shuō)是致命的,短路發(fā)生時(shí)強(qiáng)大的電流流過(guò)IGBT,若不及時(shí)采取保護(hù),將會(huì)直接導(dǎo)致器件損毀。1ED020I12-FA驅(qū)動(dòng)芯片采用了特有的無(wú)芯變壓器隔離技術(shù),能夠驅(qū)動(dòng)耐壓600 V/1 200 V的IGBT或IGBT模塊,該驅(qū)動(dòng)器提供了過(guò)流保護(hù)功能,通過(guò)檢測(cè)Vce電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT短路保護(hù)。

1ED020I12-FA的短路保護(hù)包括兩部分:一部分是對(duì)IGBT集電極端進(jìn)行退飽和檢測(cè)以判斷是否有短路過(guò)流故障;另一部分是在關(guān)斷IGBT過(guò)程中對(duì)柵極進(jìn)行短路箝位。短路過(guò)流故障識(shí)別,主要是通過(guò)檢測(cè)IGBT集電極端的飽和電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。IGBT正常工作時(shí),集電極飽和壓降很低;但當(dāng)短路過(guò)流故障產(chǎn)生時(shí),Uce會(huì)明顯增至高于正常導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降水平,一般為7 V以上,產(chǎn)生退飽和現(xiàn)象。檢測(cè)電路如圖6所示,電路中,芯片DESAT引腳與CBlank、RDESAT和DDESAT構(gòu)成了退飽和檢測(cè)電路,DESAT引腳端電壓變化可用下式表示:

圖6 1ED 020I12-FA驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路

在退飽和檢測(cè)時(shí),當(dāng)UDESAT高于門限值9 V時(shí),即表明IGBT出現(xiàn)了短路或者過(guò)流,此時(shí)芯片輸出故障信號(hào),同時(shí)OUT輸出低電平來(lái)及時(shí)關(guān)閉IGBT,同時(shí)在延時(shí)2μs后上傳故障信號(hào)。因?yàn)镮GBT導(dǎo)通時(shí)Vce電壓下降有一定的延遲,通常退飽和檢測(cè)要設(shè)定一定的保護(hù)盲區(qū),以防止退飽和誤判斷[5]。

2.2 軟件策略及保護(hù)

軟件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析,對(duì)各工況下的故障信號(hào)做出相應(yīng)的處理。故障安全保護(hù)在電機(jī)控制器中采用分等級(jí)處理,對(duì)不同的故障信號(hào)采用不同級(jí)別的措施,這樣更有效地保護(hù)電機(jī)控制器。

在電機(jī)控制器保護(hù)后,需要確保車輛的安全,當(dāng)關(guān)斷器件后需要產(chǎn)生一個(gè)毫秒級(jí)的關(guān)斷時(shí)間,使IGBT在電流下降到安全水平后再次開通,在保護(hù)器件的同時(shí),也不影響電動(dòng)汽車退出過(guò)流狀態(tài)后的正常行駛。

如圖3所示,該電路經(jīng)過(guò)濾波、跟隨和差分得到IADSP,該信號(hào)采集后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入到DSP中,經(jīng)過(guò)平滑處理,轉(zhuǎn)換為實(shí)際值后進(jìn)行判斷故障,圖7為軟件保護(hù)流程。

下面對(duì)幾種過(guò)電流在軟件進(jìn)行保護(hù)處理:

(1)電機(jī)控制器工作中因過(guò)載出現(xiàn)過(guò)電流故障,根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載能力的大小確定電流限制Ilim,當(dāng)電流值超過(guò)了Ilim值時(shí)就采用降低電機(jī)控制器工作頻率fX的方法處理(降功率處理),當(dāng)電流值小于Ilim的值時(shí)再恢復(fù)到額定值。圖8為降功率保護(hù)策略[6]。電動(dòng)車出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時(shí),也會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流,此時(shí)可通過(guò)該方法進(jìn)行處理。

(2)對(duì)電動(dòng)車急加速或急剎車的條件下,可采用延長(zhǎng)急加速和急減速的時(shí)間來(lái)降低電流值。當(dāng)超過(guò)所設(shè)置的過(guò)電流值Ilim時(shí)就保持電機(jī)控制器工作頻率fX不變,等到電流值小于Ilim時(shí),再增加電機(jī)控制器的工作頻率fX,保證電機(jī)控制器的安全。圖9為延長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)策略[6]。

圖7 軟件保護(hù)流程

圖8 降功率保護(hù)策略

圖9 延長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)策略

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電動(dòng)車用電機(jī)控制器的過(guò)電流保護(hù)分析,可見(jiàn)電機(jī)控制器的過(guò)電流出現(xiàn)的原因很多,必須從數(shù)據(jù)的檢測(cè)、采集和數(shù)據(jù)處理,再到硬件電路和軟件控制策略等方面分別進(jìn)行保護(hù),才能達(dá)到預(yù)期的目的。

電動(dòng)汽車用電機(jī)控制器的過(guò)電流保護(hù)非常重要,故障保護(hù)從電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)之初到最終的產(chǎn)品,整個(gè)設(shè)計(jì)、研發(fā)、采購(gòu)、加工、調(diào)試都需要注意,系統(tǒng)地考慮故障問(wèn)題。

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