計(jì)及總損耗功率的電動(dòng)汽車母線電容主動(dòng)快速放電方法

張曉軍 楊家強(qiáng) 周宇晨

計(jì)及總損耗功率的電動(dòng)汽車母線電容主動(dòng)快速放電方法

張曉軍1楊家強(qiáng)1周宇晨2

（1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027 2. 浙江大學(xué)工程師學(xué)院 杭州 310015）

針對(duì)電動(dòng)汽車遇到碰撞等緊急情況時(shí)，高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)母線電容電壓需迅速降到安全電壓（60 V），而傳統(tǒng)基于PI控制的母線電容主動(dòng)放電方法存在魯棒性差、放電時(shí)間長和安全性低的問題，提出一種計(jì)及總損耗功率的電動(dòng)汽車母線電容快速放電方法。首先，建立以永磁同步電機(jī)繞組作為泄放電阻的母線電容能量流動(dòng)模型，將逆變器損耗、電機(jī)繞組銅耗、電機(jī)電感儲(chǔ)能等損耗作為總損耗，利用擴(kuò)展滑模觀測器（ESMO）對(duì)總損耗功率進(jìn)行估算，并通過Lyapunov穩(wěn)定性理論對(duì)ESMO的穩(wěn)定性進(jìn)行了證明。然后，將觀測的總損耗功進(jìn)行前饋補(bǔ)償，從而使母線電壓快速降低并穩(wěn)定在安全電壓。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與現(xiàn)有主動(dòng)放電方法相比，所提放電方法不僅顯著減小了放電時(shí)間，而且提高了快速放電的魯棒性和安全性。

電動(dòng)汽車 永磁同步電機(jī) 總損耗功率估計(jì) 擴(kuò)展滑模觀測器 母線電容放電

0 引言

隨著環(huán)境污染與能源危機(jī)不斷加劇，電動(dòng)汽車憑借其低碳環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-5]。相較于其他電機(jī)，永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM）具有高功率密度、高效率和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用作電動(dòng)汽車主驅(qū)動(dòng)電機(jī)[6-10]。為了提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和電池充電速度，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓等級(jí)逐漸提高，例如，Tesla Model 3、比亞迪漢和保時(shí)捷Taycan母線電壓分別為350 V、570 V和800 V[11]，較高的母線電壓也對(duì)電動(dòng)汽車安全提出了更高的要求，尤其是碰撞等緊急情況下的乘客人身安全[12]。

圖1為常見電動(dòng)汽車用PMSM驅(qū)動(dòng)拓?fù)洌麄€(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括高壓鋰電池組、斷路器、DC-DC變換器、薄膜母線電容、三相功率變換器和永磁同步電機(jī)。當(dāng)電動(dòng)汽車發(fā)生碰撞等緊急情況時(shí)，PMSM會(huì)脫離離合器，同時(shí)母線高壓斷路器也會(huì)迅速斷開。但此時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的PMSM和母線電容上存儲(chǔ)的電能仍然會(huì)使母線電壓在較長一段時(shí)間內(nèi)高于安全電壓，使車內(nèi)乘客和救援人員面臨觸電風(fēng)險(xiǎn)。為了避免電動(dòng)汽車碰撞造成高壓觸電，提高電動(dòng)汽車碰撞情況下的車輛安全，聯(lián)合國車輛監(jiān)管條規(guī)ECE R94要求電動(dòng)汽車具備主動(dòng)放電功能，并且要求母線電容電壓需在5 s內(nèi)降低至60 V及以下，避免對(duì)乘客造成二次電擊傷害[13]。

圖1 電動(dòng)汽車用PMSM驅(qū)動(dòng)拓?fù)?/p>

近年來，為了將母線電壓降低到安全電壓，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)生碰撞等緊急情況下的母線電容主動(dòng)放電方法進(jìn)行了大量研究，取得了一些成果。文獻(xiàn)[14-15]通過在母線電容兩端增加泄放電路，將母線電容儲(chǔ)存的電能和永磁同步電機(jī)的動(dòng)能以熱能的形式消耗在泄放電阻上。雖然該方法可以快速將母線電壓降低到安全電壓，但需增加大功率開關(guān)和泄放電阻，增加了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積和成本。而為了節(jié)約成本、減小泄放電路體積和質(zhì)量，文獻(xiàn)[16-19]提出了一種將驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組作為泄放電阻的新方法，通過不同控制策略將電能以熱能形式耗散在電機(jī)繞組上。其中，文獻(xiàn)[16]采用在d軸施加弱磁電流，在q軸施加零電流的控制方法，通過快速降低電機(jī)反電動(dòng)勢的方式使母線電壓快速下降，然而該方法在轉(zhuǎn)速較高時(shí)會(huì)存在因觸發(fā)過電流保護(hù)而導(dǎo)致的浪涌問題。針對(duì)小安全電流的情況，文獻(xiàn)[17]提出了在q軸施加分段電流，同時(shí)在d軸注入大的弱磁電流，使放電功率小于制動(dòng)功率，實(shí)現(xiàn)了該工況下母線電容能量的泄放。針對(duì)同樣的工況，文獻(xiàn)[18-19]提出一種基于繞組銅耗功率最大的母線電容放電方法，保持制動(dòng)電磁功率始終小于繞組銅耗功率，獲得實(shí)時(shí)dq軸電流軌跡，保證了該工況下最大電流給定，實(shí)現(xiàn)了小安全電流下的快速放電，但這兩種方法在大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)放電時(shí)間會(huì)超過ECE R94放電時(shí)間要求。文獻(xiàn)[20]提出了一種混合放電方法，在繞組放電功率最大的情況下，添加電阻作為輔助放電，實(shí)現(xiàn)了電阻體積和質(zhì)量的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了電阻最小情況下的母線電容放電，減小了電阻的質(zhì)量和體積，但依然需要添加泄放電路，且方法復(fù)雜、計(jì)算量大。然而，上述放電方法均不能在碰撞等緊急情況發(fā)生時(shí)快速將母線電壓降低到安全電壓，這會(huì)對(duì)緊急情況下的乘客安全和救援人員造成安全隱患。

在上述文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于總損耗功率估計(jì)的母線電容主動(dòng)快速放電方法。首先，分析了傳統(tǒng)放電方法中母線電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速存在耦合的問題，母線電壓受到轉(zhuǎn)速影響導(dǎo)致母線電壓在放電過程中會(huì)出現(xiàn)超調(diào)和浪涌現(xiàn)象，而且傳統(tǒng)放電方法易受電機(jī)參數(shù)影響，魯棒性差；其次，為了使母線電壓快速降低到安全電壓，建立了基于永磁同步電機(jī)繞組放電的能量流動(dòng)模型，并分析了該模型下的能量流動(dòng)過程；再次，通過能量模型發(fā)現(xiàn)母線電壓具有非線性的特點(diǎn)，引入擴(kuò)展滑模觀測器（Extended Sliding Mode Observer, ESMO）對(duì)系統(tǒng)的總損耗功率進(jìn)行估計(jì)，并進(jìn)行前饋補(bǔ)償，將母線電壓快速穩(wěn)定在安全電壓，提高了系統(tǒng)的魯棒性和放電的安全性。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出的放電方法可以將母線電容電壓快速降低到安全電壓并穩(wěn)定在安全電壓，省去了復(fù)雜的泄放電路，縮短了放電時(shí)間。

1 傳統(tǒng)母線電容主動(dòng)快速放電方法

基于永磁同步電機(jī)繞組的電動(dòng)汽車母線電容放電拓?fù)淙鐖D2所示，主要包括永磁同步電機(jī)、雙向功率變換器、母線電容。在母線電容放電過程中，永磁同步電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式。

圖2 基于PMSM繞組的放電拓?fù)?/p>

忽略永磁同步電機(jī)磁滯摩擦系數(shù)的影響，永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電動(dòng)機(jī)慣例數(shù)學(xué)模型[21-24]為

此時(shí)母線電容電流i為

式中，為母線電容；dc為母線電壓；負(fù)號(hào)是因?yàn)樵趫D2中以流入電機(jī)的方向作為電流正方向。

由于電動(dòng)汽車用PMSM脫離離合器高速旋轉(zhuǎn)，因此反電動(dòng)勢遠(yuǎn)大于安全電壓。為了快速將母線電壓降低到安全電壓，需要在d軸施加弱磁電流，將PMSM反電動(dòng)勢降低。

在忽略參數(shù)變化、電機(jī)繞組瞬態(tài)電感壓降等影響的情況下，母線電壓[19]可近似表示為

式中，on為二極管導(dǎo)通壓降。

因此，當(dāng)母線電壓等于安全電壓時(shí)，弱磁電流為

式中，safe為安全電壓。

通過在d軸施加給定弱磁電流，在q軸施加零電流，母線電壓快速降低到60 V安全電壓。此時(shí)，需要快速地將母線電壓恒定在安全電壓，傳統(tǒng)控制中通常采用PI控制器將母線電壓恒定在安全電壓，直到轉(zhuǎn)速不足以維持安全電壓，此后母線電壓跟隨轉(zhuǎn)速逐漸減小到0。

當(dāng)母線電壓降到安全電壓時(shí)，傳統(tǒng)基于PI控制器的母線電容放電方法啟動(dòng)，將母線電壓穩(wěn)定在安全電壓。傳統(tǒng)基于PI控制器的電動(dòng)汽車母線電容放電算法如圖3所示。采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙PI控制器級(jí)聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓的控制?；赑I的電壓外環(huán)控制器設(shè)計(jì)時(shí)，通常根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的線性小信號(hào)模型設(shè)計(jì)控制器，這使得控制器只適合穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)變化不大的對(duì)象[25-26]。而母線電容放電過程中，轉(zhuǎn)速大范圍變化，永磁同步電機(jī)反電動(dòng)勢幅值和頻率發(fā)生較大變化，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生較大漂移，造成傳統(tǒng)PI控制器性能惡化，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，無法滿足母線電壓恒定在安全電壓的需求[27]。而且母線電容放電過程中電機(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)速測量可能存在誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，因此需要研究轉(zhuǎn)速大范圍變化下的母線電容電壓魯棒控制算法。

圖3 基于傳統(tǒng)PI控制器的母線電容放電方法框圖

2 計(jì)及總損耗功率的母線電容主動(dòng)放電方法

為了使母線電壓快速下降后穩(wěn)定在安全電壓，解決傳統(tǒng)PI控制器在母線電容放電過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速大范圍變化時(shí)，母線電壓無法滿足高可靠性、高安全性放電要求的問題，本文提出了一種計(jì)及總損耗功率估計(jì)的母線電容放電方法。首先采用傳統(tǒng)弱磁降壓的方法在d軸施加負(fù)的給定電流，將PMSM反電動(dòng)勢降低到安全電壓；當(dāng)母線電壓降低到安全電壓時(shí)，通過ESMO對(duì)總損耗功率進(jìn)行估算，并將估算的總損耗通過功率外環(huán)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，從而將母線電壓穩(wěn)定在安全電壓，實(shí)現(xiàn)母線電容的快速放電。

2.1 母線電容主動(dòng)放電能量流動(dòng)數(shù)學(xué)模型

為了實(shí)現(xiàn)母線電容快速放電，避免放電過程中出現(xiàn)電壓浪涌和振蕩，在恒壓階段需要考慮逆變器損耗和永磁同步電機(jī)繞組損耗。由三相PWM變換器交直流兩側(cè)功率平衡得

式中，con為三相變換器損耗功率。

將式（1）d、q表達(dá)式代入式（5），得

式中，右側(cè)第一項(xiàng)是電磁功率，第二項(xiàng)是變換器損耗功率，第三項(xiàng)是電機(jī)繞組銅耗，第四項(xiàng)是電機(jī)電感儲(chǔ)能。式（6）表明，永磁同步電機(jī)輸出的電磁功率一部分轉(zhuǎn)換為變流器損耗，一部分被繞組以熱能消耗，還有一部分儲(chǔ)存在電感線圈中，最后剩余功率才轉(zhuǎn)換為電容上的能量。因此，當(dāng)母線電壓降低到安全電壓時(shí)，可使右側(cè)總的損耗功率等于電磁功率，從而實(shí)現(xiàn)將母線電壓穩(wěn)定在安全電壓。

2.2 基于ESMO的總損耗功率估算及穩(wěn)定性分析

將總損耗功率作為一個(gè)新的狀態(tài)變量，則擴(kuò)展后的式（6）為

將總損耗功率和參數(shù)攝動(dòng)引起的擾動(dòng)重新定義為P，即

擴(kuò)展后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程重新表述為

為了抑制總的損耗功率對(duì)母線電壓的影響，保證母線電壓一直維持在安全電壓，設(shè)計(jì)如下的ESMO對(duì)總損耗功率進(jìn)行觀測。

該類油層為巖性較純的粉細(xì)砂巖、粉砂巖，層內(nèi)非均質(zhì)性較強(qiáng)，單層厚度較薄（小于2m）。測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為：自然電位負(fù)異常較大，自然伽馬中低值，微電極中等值正差異，電阻率為1.2～2.0Ω·m，聲波時(shí)差為270～300μs／m，含油性越好，電阻率越高。該類油層初期不含水或含水量較低，末期含水量較高。該類油層多分布在純上52、純上54砂組。

由式（8）和式（9）得到系統(tǒng)誤差方程為

定義滑模面為

為了提高觀測的快速性和準(zhǔn)確性，將趨近律設(shè)計(jì)[28]為

聯(lián)立式（10）和式（12）得

由于2為總損耗估計(jì)值的誤差函數(shù)，因此，控制函數(shù)可以設(shè)計(jì)為

因此，總的估計(jì)損耗功率為

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)總損耗功率和母線電容能量的準(zhǔn)確估算，需要保證誤差1和2快速收斂到0。

對(duì)求導(dǎo)得

將式（9）和式（12）代入式（16），得

2.3 總損耗功率前饋補(bǔ)償控制律設(shè)計(jì)

為了快速降低母線電壓，并維持在安全電壓以下，需要對(duì)ESMO觀測出的總損耗功率進(jìn)行前饋補(bǔ)償，而觀測到的總損耗功率可以省去積分環(huán)節(jié)，因此控制律可設(shè)計(jì)為

當(dāng)觀測器收斂時(shí)，2趨于0，總損耗功率的估計(jì)值對(duì)母線電容電壓的影響得到有效抑制。但由于放電過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低，因此母線電壓仍然會(huì)受到轉(zhuǎn)速的影響，為了實(shí)現(xiàn)母線電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速的解耦，改進(jìn)的控制律設(shè)計(jì)為

此時(shí)的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

與式（21）相比，本文所提控制策略中總損耗功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對(duì)母線電壓的影響均得到了很好的抑制，實(shí)現(xiàn)了母線電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速的解耦?；诳倱p耗功率估計(jì)的母線電容放電方法的控制框圖如圖4所示，通過實(shí)時(shí)采集到的母線電壓計(jì)算得到母線電容能量，然后和ESMO的估算值做差，再將ESMO估算的總損耗估計(jì)值通過功率外環(huán)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，從而將母線電壓維持在安全電壓。

圖4 計(jì)及總損耗功率的母線電容放電控制系統(tǒng)框圖

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提放電方法的快速性和有效性，搭建了電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真中電機(jī)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中所用電機(jī)參數(shù)一致，見表1。為了評(píng)估所提方法與傳統(tǒng)方法在母線電容快速主動(dòng)放電方面的性能，定義母線電容放電時(shí)間為母線電容電壓從電池電壓開始降低并穩(wěn)定在安全電壓時(shí)的時(shí)間差。此外，系統(tǒng)的采樣頻率以及功率變流器的開關(guān)頻率均設(shè)置為10 kHz，母線電壓為310 V。

圖5為基于傳統(tǒng)PI控制器的母線電容放電過程仿真波形，從上到下依次是轉(zhuǎn)速、母線電壓、A相電流。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)系統(tǒng)收到放電請(qǐng)求后，離合器斷開，電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷下降，將電機(jī)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為繞組熱能。從圖5可以看到，當(dāng)母線電壓快速降低到安全電壓時(shí)，母線電壓會(huì)在安全電壓附近出現(xiàn)大幅振蕩，振蕩幅值最大為35 V，母線電壓調(diào)整時(shí)間為0.5 s，這表明傳統(tǒng)基于PI控制的母線電容放電方法不滿足母線電壓快速下降到安全電壓并迅速穩(wěn)定在安全電壓的要求。

表1 SPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

Tab.1 Parameters of the SPMSM drive system

圖5 基于傳統(tǒng)PI的母線電容放電方法的仿真波形

圖6為采用基于總損耗功率估計(jì)的母線電容快速放電方法時(shí)的仿真波形。從圖6可以看出，系統(tǒng)收到放電要求時(shí)，通過在d軸注入給定弱磁電流，使母線電壓快速下降到60 V的安全電壓，并快速穩(wěn)定在安全電壓，直到轉(zhuǎn)速不足以維持安全電壓，母線電壓降低到0，整個(gè)過程母線電壓均沒出現(xiàn)振蕩。母線電壓從310 V下降到安全電壓用了0.1 s，相較于傳統(tǒng)的PI控制的0.5 s，縮短了0.4 s。而且母線電壓從安全電壓降到0的時(shí)間也比傳統(tǒng)PI控制用時(shí)減少了0.2 s。

圖7為母線電容能量的估計(jì)值和實(shí)際值的仿真波形。仿真結(jié)果表明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓為310 V電壓時(shí)，母線電容能量為19.5 J，當(dāng)電壓下降到安全電壓時(shí)，母線電容能量降到0.75 J，整個(gè)放電過程ESMO都可以很好地跟蹤母線電容能量的變化過程，一直到母線電壓降低到0，驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

圖6 計(jì)及總損耗功率的母線電容放電方法仿真波形

圖7 基于ESMO的母線電容能量的估計(jì)值和實(shí)際值

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在如圖8所示的電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)所提母線電容快速放電方法的有效性和快速性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中，控制器采用TI公司的TMS320F28335，功率變換器主電路功率模塊采用英飛凌公司的FF450R12KT4。為了更好地模擬電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流側(cè)母線電容采用420mF的薄膜電容，并在電機(jī)前端同軸連接了一個(gè)慣性輪來提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均采用YOKOGAWA 示波器記錄，實(shí)驗(yàn)中所使用的電機(jī)參數(shù)與仿真中（見表1）一致。為了更好地說明本文所提計(jì)及總損耗功率的母線電容放電方法的有效性和快速性，將其與基于PI控制的母線電容放電方法和基于擾動(dòng)觀測器（Disturbance Observer, DOB）的母線電壓控制方法[29]進(jìn)行了對(duì)比。

基于傳統(tǒng)PI控制的母線電容放電法方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，電機(jī)初始轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。從圖9可以看出，在收到放電指令后，d軸施加-30 A的給定弱磁電流，導(dǎo)致母線電壓由于弱磁作用迅速下降到安全電壓，然后在PI控制器的作用下穩(wěn)定在安全電壓附近，母線電壓降到60 V，穩(wěn)定在60 V的時(shí)間為1.2 s。但在電壓下降到安全電壓時(shí)母線電壓出現(xiàn)了較大振蕩，最大電壓超過安全電壓15 V，這對(duì)緊急情況下的乘客和救援人員造成安全隱患。比較圖5和圖9可以看到，實(shí)驗(yàn)時(shí)母線電容放電時(shí)間相較于仿真變長是由于仿真和實(shí)驗(yàn)中PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)均采用文獻(xiàn)[30]中零極點(diǎn)對(duì)消方法，而仿真是假設(shè)理想條件，因此母線電壓穩(wěn)定在安全電壓時(shí)間短，而實(shí)際系統(tǒng)中電機(jī)參數(shù)存在偏差，導(dǎo)致控制器性能下降，造成電壓振蕩，從而時(shí)間有所延長。

圖8 3.8 kW永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)測試平臺(tái)

圖9 基于傳統(tǒng)PI的母線電容放電方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10和圖11分別為基于DOB的母線電容放電方法和本文所提計(jì)及總損耗功率估計(jì)的母線電容快速放電方法的實(shí)驗(yàn)波形。從圖10和圖11可以看出，q軸電流和轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)，隨轉(zhuǎn)速降低而減小，當(dāng)q軸電流到達(dá)限值時(shí)，維持在最小電流直到母線電壓降為0，然后dq軸電流又逐漸增大到0。由圖10和圖11的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，母線電容放電所用時(shí)間比傳統(tǒng)PI控制的母線電容放電時(shí)間分別減少了0.9 s和1 s，而且所提放電方法母線電壓在整個(gè)放電過程中幾乎無超調(diào)和浪涌。圖11中的放電時(shí)間比仿真時(shí)間增加了0.1 s，這是由于采用所提放電方法時(shí)，母線電壓放電時(shí)間增加了0.1 s，PI控制弱磁降壓階段時(shí)間相較于仿真增加，以及實(shí)際系統(tǒng)中參數(shù)和仿真參數(shù)存在偏差，導(dǎo)致擴(kuò)展滑模觀測器收斂時(shí)間增加，這兩者共同導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間增加了0.1 s。整個(gè)放電過程中，母線電壓可以一直維持在安全電壓直到轉(zhuǎn)速降低到安全轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了母線電容的快速放電。比較圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，所提放電方法相比基于DOB的母線電容放電方法，其母線電容放電時(shí)間少0.1 s，這是由于該方法所用DOB觀測器為線性觀測器，而ESMO為非線性觀測器，由文獻(xiàn)[31]可知，非線性觀測器的收斂速度要快于線性觀測器，因此動(dòng)態(tài)性更好，母線電壓穩(wěn)定在安全電壓的時(shí)間也更短。而圖11中q軸電流的紋波比圖10中q軸電流紋波大，這是由于ESMO的輸出是電流內(nèi)環(huán)控制器的參考值，而滑模觀測器的輸出抖振會(huì)導(dǎo)致電流內(nèi)環(huán)產(chǎn)生諧波，因此圖11的q軸電流的紋波要大于圖10中q軸電流紋波。從圖9～圖11可以看到，在d軸施加給定弱磁電流時(shí)，q軸電流出現(xiàn)了較大的尖峰，這是由于dq軸電流交叉耦合導(dǎo)致的[32]。整個(gè)過程中dq軸電流都能很好地跟蹤給定電流，實(shí)現(xiàn)了母線電壓快速降低到安全電壓。而且，所提放電方法比傳統(tǒng)基于PI控制的放電方法和基于DOB的母線電容放電方法的放電時(shí)間均更短。

圖10 基于DOB的母線電容放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11 計(jì)及總損耗功率估計(jì)方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2比較了傳統(tǒng)PI放電方法、基于DOB的母線電容放電方法和本文所提計(jì)及總損耗功率估計(jì)的母線電容放電方法。從表2中可以看出，本文所提放電方法達(dá)到安全電壓時(shí)間以及總放電時(shí)間都最短，證明本文所提方法可以加快放電過程。而且采用本文所提放電方法時(shí)，在母線電壓降低到安全電壓后，母線電壓幾乎無超過安全電壓的情況，說明了本文所提方法的安全性也更高。

表2 不同放電方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Tab.2 Comparison of experimental results of different discharge methods

綜上所述，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文所提方法的有效性，而且所提母線電容放電方法對(duì)參數(shù)攝動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性，相較于傳統(tǒng)PI控制的母線電容放電方法和基于DOB的母線電容放電方法放電時(shí)間最短。由于省去了復(fù)雜的泄放電路，因而進(jìn)一步提高了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度和可靠性。

4 結(jié)論

本文研究了一種電動(dòng)汽車高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)母線電容主動(dòng)快速放電方法。該方法無需復(fù)雜的泄放電路便可實(shí)現(xiàn)母線電容的快速放電，提高了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。所提出的計(jì)及總損耗功率估計(jì)的母線電容主動(dòng)快速放電方法和現(xiàn)有母線電容主動(dòng)快速放電方法相比，具有對(duì)參數(shù)不敏感、放電時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，得到如下結(jié)論：

1）建立了快速弱磁降壓階段數(shù)學(xué)模型，獲得了降低到安全電壓時(shí)的d軸電流，并分析了傳統(tǒng)基于PI控制器的放電方法存在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的問題，無法滿足緊急情況下的母線電容快速、安全放電要求。

2）建立以PMSM繞組為泄放電阻的放電模型，推導(dǎo)母線電容電壓和系統(tǒng)總損耗功率間的關(guān)系，提出采用ESMO對(duì)系統(tǒng)總損耗進(jìn)行觀測并進(jìn)行前饋補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?，有效抑制母線電壓降低到安全電壓時(shí)的電壓脈動(dòng)，縮短了放電時(shí)間，提高了系統(tǒng)的魯棒性和安全性。

3）仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明本文所提的計(jì)及總損耗功率估計(jì)的電動(dòng)汽車母線電容放電控制方法具有魯棒性強(qiáng)和安全性高的優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 蔣棟, 高加樓, 李柏楊, 等. 電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零轉(zhuǎn)矩充電復(fù)用技術(shù)簡介[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(19): 4862-4871.

Jiang Dong, Gao Jialou, Li Boyang, et al. Introduction of integrated motor drive-charger technologies for electric vehicle with zero torque[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(19): 4862- 4871.

[2] 劉洪, 閻峻, 葛少云, 等. 考慮多車交互影響的電動(dòng)汽車與快充站動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(20): 6455-6468.

Liu Hong, Yan Jun, Ge Shaoyun, et al. Dynamic response of electric vehicle and fast charging stations considering multi-vehicle interaction[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(20): 6455-6468.

[3] Wang Wei, Chen Xinbo, Wang Junmin. Motor/ generator applications in electrified vehicle chassis-a survey[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2019, 5(3): 584-601.

[4] 佟明昊, 程明, 許芷源, 等. 電動(dòng)汽車用車載集成式充電系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(24): 5125-5142.

Tong Minghao, Cheng Ming, Xu Zhiyuan, et al. Key issues and solutions of integrated on-board chargers for electric vehicles[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2021, 36(24): 5125-5142.

[5] 張維煜, 楊恒坤, 朱熀秋. 電動(dòng)汽車用飛輪電池關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)瓶頸分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(18): 5568-5581.

Zhang Weiyu, Yang Hengkun, Zhu Huangqiu. Key technologies and technical bottleneck analysis of flywheel battery systems for electric vehicle[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(18): 5568- 5581.

[6] 陳卓易, 屈穩(wěn)太. 基于PID型代價(jià)函數(shù)的永磁同步電機(jī)模型預(yù)測電流控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(14): 2971-2978.

Chen Zhuoyi, Qu Wentai. Model predictive current control for permanent magnet synchronous motors based on PID-type cost function[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(14): 2971- 2978.

[7] 秦艷忠, 閻彥, 陳煒, 等. 永磁同步電機(jī)參數(shù)誤差補(bǔ)償-三矢量模型預(yù)測電流控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(2): 255-265.

Qin Yanzhong, Yan Yan, Chen Wei, et al. Three-vector model predictive current control strategy for permanent magnet synchronous motor drives with parameter error compensation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 255- 265.

[8] 楊淑英, 儲(chǔ)昭晗, 房佳禹, 等. 直接基于諧波電動(dòng)勢定向的PMSM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方案研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2022, 26(7): 68-80.

Yang Shuying, Chu Zhaohan, Fang Jiayu, et al. Suppression strategy of PMSM torque ripples directly based on harmonic EMF orientation[J]. Electric Machines and Control, 2022, 26(7): 68-80.

[9] Wang Qiwei, Wang Gaolin, Zhao Nannan, et al. An impedance model-based multiparameter identification method of PMSM for both offline and online con- ditions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(1): 727-738.

[10] 章回炫, 范濤, 邊元均, 等. 永磁同步電機(jī)高性能電流預(yù)測控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(17): 4335-4345.

Zhang Huixuan, Fan Tao, Bian Yuanjun, et al. Predictive current control strategy of permanent magnet synchronous motors with high performance[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(17): 4335-4345.

[11] Gong Chao, Hu Yihua, Gao Jinqiu, et al. Winding- based DC-bus capacitor discharge technique selection principles based on parametric analysis for EV- PMSM drives in post-crash conditions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(3): 3551-3562.

[12] 周軍, 朱博楠, 楊圣強(qiáng), 等. 基于動(dòng)態(tài)差值法的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(1): 235-241.

Zhou Jun, Zhu Bonan, Yang Shengqiang, et al. Dynamic difference value method for insulation monitoring in DC system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(1): 235-241.

[13] Gong Chao, Liu Jinglin, Han Yaofei, et al. Safety of electric vehicles in crash conditions: a review of hazards to occupants, regulatory activities, and tech- nical support[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 8(3): 3870-3883.

[14] 韓利, 姚宏, 夏燕蘭. 基于最大功率的VSI泄放電阻制動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用[J]. 電力電子技術(shù), 2012, 46(8): 83-85.

Han Li, Yao Hong, Xia Yanlan. A new braking control method for VSI based on maximal allowable braking resistance discharge power[J]. Power Elec- tronics, 2012, 46(8): 83-85.

[15] Meyer I J W, Tasky D P, Nayeem S M, et al. Passive high-voltage DC bus discharge circuit for a vehicle: U.S. 9018865.B2[P]. 2015-4-28.

[16] Ashida S, Yamada K, Nakamura M, et al. Electric vehicle and control apparatus in the event of frontal collision. circuit compliant power generation systems using induction machine: U.S. Patent 8631894.B2[P]. 2014-1-21.

[17] Gong Chao, Hu Yihua, Chen Guipeng, et al. A DC- bus capacitor discharge strategy for PMSM drive system with large inertia and small system safe current in EVs[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, 15(8): 4709-4718.

[18] Yang Haolin, Yang Jiaqiang, Zhang Xiaojun. DC-bus capacitor maximum power discharge strategy for EV-PMSM drive system with small safe current[J]. IEEE Access, 2021, 9: 132158-132167.

[19] 張曉軍, 楊家強(qiáng), 楊昊林. 一種基于永磁同步電機(jī)繞組銅耗功率最大的電動(dòng)汽車母線電容放電方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2022, 42(17): 6460- 6471.

Zhang Xiaojun, Yang Jiaqiang, Yang Haolin. A DC- bus capacitor discharge method based on maximum copper consumption power of permanent magnet synchronous motor windings in electric vehicles[J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42(17): 6460- 6471.

[20] Gong Chao, Hu Yihua, Li Wenzhen, et al. Hybrid DC-bus capacitor discharge strategy using internal windings and external bleeder for surface-mounted PMSM-based EV powertrains in emergency[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(3): 1905-1915.

[21] 鮑曉華, 劉佶煒, 孫躍, 等. 低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)研究綜述與展望[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(6): 1148-1160.

Bao Xiaohua, Liu Jiwei, Sun Yue, et al. Review and prospect of low-speed high-torque permanent magnet machines[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(6): 1148-1160.

[22] 劉寧, 夏長亮, 周湛清, 等. 基于比例增益補(bǔ)償?shù)挠来磐诫姍C(jī)轉(zhuǎn)速平滑控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(17): 4007-4015.

Liu Ning, Xia Changliang, Zhou Zhanqing, et al. Smooth speed control for permanent magnet synchronous motor using proportional gain com- pensation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(17): 4007-4015.

[23] 張國強(qiáng), 王高林, 徐殿國, 等. 基于單觀測器誤差信息融合的永磁電機(jī)無傳感器復(fù)合控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(20): 6077-6082.

Zhang Guoqiang, Wang Gaolin, Xu Dianguo, et al. Hybrid sensorless control based on single position observer using error combination for interior per- manent magnet synchronous machine drives[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(20): 6077-6082.

[24] 劉旭東, 李珂, 張奇, 等. 基于非線性擾動(dòng)觀測器的永磁同步電機(jī)單環(huán)預(yù)測控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(7): 2153-2162, 2230.

Liu Xudong, Li Ke, Zhang Qi, et al. Single-loop predictive control of PMSM based on nonlinear disturbance observers[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(7): 2153-2162, 2230.

[25] Jung J, Lim S, Nam K. A feedback linearizing control scheme for a PWM converter-inverter having a very small DC-link capacitor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1999, 35(5): 1124-1131.

[26] Zhang Xiang, Yang Jiaqiang. A robust flywheel energy storage system discharge strategy for wide speed range operation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(10): 7862-7873.

[27] 鞏磊, 王萌, 祝長生. 基于浸入不變流形的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)母線電壓自適應(yīng)非線性控制器[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(2): 623-634.

Gong Lei, Wang Meng, Zhu Changsheng. An adaptive nonlinear controller for the bus voltage based on immersion and invariance manifold in flywheel energy storage systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(2): 623-634.

[28] Zhang Xiaoguang, Hou Benshuai, Mei Yang. Deadbeat predictive current control of permanent- magnet synchronous motors with stator current and disturbance observer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(5): 3818-3834.

[29] Ali M, Yaqoob M, Cao Lingling, et al. Disturbance- observer-based DC-bus voltage control for ripple mitigation and improved dynamic response in two- stage single-phase inverter system[J]. IEEE Transa- ctions on Industrial Electronics, 2019, 66(9): 6836- 6845.

[30] Zhou Sizhan, Liu Jinjun, Zhou Linyuan, et al. DQ current control of voltage source converters with a decoupling method based on preprocessed reference current feed-forward[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(11): 8904-8921.

[31] Han Jingqing. From PID to active disturbance rejection control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(3): 900-906.

[32] Rabiei A, Thiringer T, Alatalo M, et al. Improved maximum-torque-per-ampere algorithm accounting for core saturation, cross-coupling effect, and temperature for a PMSM intended for vehicular applications[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2016, 2(2): 150-159.

Active Fast Discharge Method of Bus Capacitor for Electric Vehicle with Total Power Loss

112

（1. School of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China 2. School of Engineers Zhejiang University Hangzhou 310015 China）

When electric vehicles (EVs) encounter an emergency, the dc-bus voltage of EVs equipped with the high-voltage drive system needs to be reduced to safe voltage (60 V) as soon as possible. To drop the dc-bus capacitor voltage to a safe voltage, a winding-based active discharge method was proposed. However, traditional active discharge based on PI controller has poor robustness, long discharge time, and low safety, which cannot meet the discharge requirements of the United Nation Vehicle Regulation ECCE R94. This paper proposes an active discharge method for EVs with total power loss to reduce the discharge time and enhance the robustness.

Firstly, the d-axis weakened current is calculated using the permanent magnet synchronous motor winding as the bleeding resistor. Then, the traditional active discharge method based on the PI controller is analyzed. Secondly, the dc-bus capacitor energy flow model is established. More importantly, the extended sliding mode observer (ESMO) is introduced to address long discharge time and poor robustness issues. The ESMO can observe the total loss, which consists of inverter loss, motor winding copper consumption, motor inductance energy storage, and other losses. The stability of ESMO is proved by the Lyapunov stability theory. Finally, observed total discharge loss can be feedforward compensated by the designed control law. Compared with the conventional discharge method, the influence of total power loss and motor speed on the dc-bus capacitor voltage is well suppressed, and the dc-bus capacitor voltage and motor speed are decoupled in the proposed strategy.

Experimental results show that the DC-bus voltage of the proposed method drops to a safe voltage within 0.2 s, faster than traditional active discharge method-based PI controller (1.2 s) and disturbance observer (0.3 s). In contrast, the discharge time is shorter with the active discharge method-based disturbance observer because the convergence rate is faster than the disturbance observer. The experiment with parameter mismatch proves that the parameter error can be observed and compensated by the ESMO. Furthermore, electric vehicle drive systems' power density and reliability are further improved by eliminating the complicated drain circuit.

The following conclusions can be obtained: (1) The traditional discharge method-based PI controller has the problem of changing the steady-state operating point with the motor speed, which could not meet the requirements of fast and safe discharge of the dc-bus capacitor in emergencies. (2) The discharge model with PMSM winding as the bleeding resistor is established, and the relationship between the dc-bus capacitor voltage and the total power loss of the system is deduced. Moreover, the observed total loss of the system can be feedforward compensated in the proposed discharge method, effectively suppressing the voltage pulsation when the dc-bus voltage reduces to the safe voltage. Hence, the discharge time is short, and the robustness and safety of the system are improved. (3) The simulation and experimental results show that the proposed control method for electric vehicles with total power loss estimation has strong robustness, high safety, strong practicability, and engineering application value.

Electric vehicle, permanent magnet synchronous motor (PMSM), estimated total power loss, extended sliding mode observer, DC-bus capacitor discharge

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222284

TM351

浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（LCZ19E070001）。

2022-12-12

2023-04-06

張曉軍 男，1991年生，博士，講師，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其控制。E-mail: eezxj1991@126.com

楊家強(qiáng) 男，1970年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)及其控制。E-mail: yjq1998@163.com（通信作者）

（編輯 崔文靜）