電機(jī)控制器主動(dòng)放電過程影響因素試驗(yàn)研究

【摘" 要】整車下電或發(fā)生緊急情況時(shí)，需及時(shí)將存儲(chǔ)在母線電容中的能量快速泄放。文章基于能量守恒定律，推導(dǎo)計(jì)算車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下D軸電流與放電時(shí)間的關(guān)系，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證其時(shí)間估算精度在10%以內(nèi)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：需求D軸電流為0A時(shí)，電機(jī)繞組存在高頻脈沖電流，影響主動(dòng)放電時(shí)間；隨著D軸電流增大，主動(dòng)放電時(shí)間縮短，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度與頻率均增大；載波頻率影響脈沖電流頻率以及D軸電流控制精度，在同樣控制參數(shù)條件下，載波頻率過小會(huì)導(dǎo)致主動(dòng)放電時(shí)間延長(zhǎng)，甚至電流失控。

【關(guān)鍵詞】母線電容；主動(dòng)放電；載波頻率；新能源汽車

中圖分類號(hào)：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）02-0046-03

Experimental Study on Influencing Factors of Active Discharge Process of Motor Controller

WANG Weizhen，HE Xiao，ZHANG Hao，LIU Jinxin

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】When the entire vehicle is powered off or an emergency occurs， the energy stored in the bus capacitor should be quickly discharged in a timely manner. The article is based on the law of conservation of energy and derives the relationship between the D-axis current and discharge time of a vehicle in a stationary state. The experimental verification shows that the time estimation accuracy is within 10%. Experiments have found that when the demand for D-axis current is 0A，there is a high-frequency pulse current in the motor winding，which affects the active discharge time；As the D-axis current increases，the active discharge time shortens，and the amplitude and frequency of motor speed fluctuations both increase；The carrier frequency affects the pulse current frequency and the accuracy of D-axis current control. Under the same control parameter conditions，a too small carrier frequency can lead to prolonged active discharge time or even current loss of control.

【Key words】busbar capacitance；active discharge；carrier frequency；new energy vehicle

電機(jī)控制器是新能源汽車的核心部件，其主要由功率模塊、母線電容（薄膜電容）、驅(qū)動(dòng)板、控制板、銅排等部件組成，通過控制功率模塊通斷，實(shí)現(xiàn)直流電與交流電的相互轉(zhuǎn)化。目前，新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的電壓平臺(tái)越來越高，已逐漸從350V平臺(tái)升高至800V甚至1000V平臺(tái)^[1]，母線電壓平臺(tái)的提高，有助于提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，縮短動(dòng)力電池充電時(shí)間，但也對(duì)車輛安全提出了更高的要求^[2]。當(dāng)整車下電或發(fā)生緊急情況時(shí)，動(dòng)力電池會(huì)立即切斷母線接觸器，電機(jī)控制器中母線電容的剩余能量會(huì)使母線電壓長(zhǎng)時(shí)間處于安全電壓以上，給乘客、救護(hù)人員或檢修人員帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要對(duì)母線電容進(jìn)行專門放電^[3]。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)放電示意如圖1所示。

母線電容放電可分為被動(dòng)放電和主動(dòng)放電，被動(dòng)放電是指驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器被切斷電源后，不切入專門的放電回路，母線電容自然放電的過程；主動(dòng)放電是指電機(jī)控制器被切斷電源后，切入專門的放電回路，母線電容快速放電的過程。國(guó)標(biāo)18488中規(guī)定被動(dòng)放電時(shí)間應(yīng)不大于5min，主動(dòng)放電時(shí)間不應(yīng)超過3s。

目前，主動(dòng)放電主要分為泄放電路放電、電機(jī)控制器橋臂直通放電以及電機(jī)繞組放電。

1）泄放電路主要由并聯(lián)在母線電容上的大功率開關(guān)和大功率電阻組成。當(dāng)整車下電或者緊急情況時(shí)，開關(guān)閉合，將母線電容存儲(chǔ)的能量迅速泄放到電阻上轉(zhuǎn)化為熱量耗散掉。通過外加泄放電路的主動(dòng)放電方式方案簡(jiǎn)單、可靠性高，但額外增加的零部件增大了控制器的體積和質(zhì)量，也提高了控制器成本。

2）電機(jī)控制器橋臂直通放電是將電機(jī)控制器電阻作為母線電容能量泄放電阻，通過控制不同功率模塊按順序?qū)ǎ斐赡孀兤魉矔r(shí)短路，將電容儲(chǔ)能耗散到電機(jī)控制器上。該方案成本低、放電速度快且無需增加額外元器件，但功率器件瞬時(shí)短路容易導(dǎo)致較大的短路電流，而高壓回路中的雜散電感會(huì)導(dǎo)致功率器件關(guān)斷時(shí)電壓應(yīng)力較大，因此控制難度較大，應(yīng)用較少。

3）電機(jī)繞組放電是通過控制Q軸電流I_q為0，給定D軸電流I_d的方式，將電容儲(chǔ)存的能量泄放到電機(jī)三相繞組上，電機(jī)三相繞組阻值小，放電速度快。相比其他兩種方式，不需要增加額外元器件，同時(shí)控制難度相對(duì)較低，是當(dāng)前普遍應(yīng)用的主動(dòng)放電方式，但當(dāng)旋變初始位置角度或電流采樣與位置采樣存在偏差時(shí)，會(huì)出現(xiàn)扭矩抖動(dòng)，影響駕乘體驗(yàn)^[4]。

本文主要從能量守恒角度推導(dǎo)計(jì)算車輛靜止?fàn)顟B(tài)下D軸電流大小與放電時(shí)間的關(guān)系，并通過試驗(yàn)，研究不同放電電流以及載波頻率對(duì)放電時(shí)間和轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響。

1" 主動(dòng)放電數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下功率計(jì)算公式為：

P_r=U_ai_a+U_bi_b+U_ci_c（1）

式中：U_a、U_b、U_c——UVW三相電壓；i_a、i_b、i_c——UVW三相電流。

電機(jī)繞組主動(dòng)放電需要控制電機(jī)D、Q軸電流，因此需要將三相靜止坐標(biāo)系下的功率計(jì)算公式轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電機(jī)三相電壓與電流分別經(jīng)過等幅值Clark變換和Park變換，其換算公式為^[5]：

母線電容儲(chǔ)存的能量?jī)H與電容兩端的電壓相關(guān)，電機(jī)靜止主動(dòng)放電過程中，母線電容能量變化可以用式（8）表示：

式中：k——效率系數(shù)；t——主動(dòng)放電時(shí)間。

2" 電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下主動(dòng)放電試驗(yàn)研究

基于某款高速永磁同步電機(jī)在臺(tái)架上進(jìn)行了靜止?fàn)顟B(tài)下主動(dòng)放電試驗(yàn)，電機(jī)與控制器參數(shù)如表1所示。通過試驗(yàn)，研究不同的D軸電流和載頻對(duì)放電時(shí)間以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。

2.1" 不同D軸電流對(duì)主動(dòng)放電過程的影響研究

1）i_d=0A時(shí)母線電容放電測(cè)試。當(dāng)i_d=0時(shí)，控制電機(jī)控制器中3個(gè)上橋臂功率器件同步開合，理論上電機(jī)三相線處于斷路狀態(tài)，不會(huì)在三相繞組上產(chǎn)生放電電流，母線電容處于被動(dòng)放電過程，母線電壓不會(huì)快速下降，然而在實(shí)際試驗(yàn)過程中，如圖2所示，母線電容電壓在1.45s時(shí)間內(nèi)從525V下降到38.72V，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。

借助示波器采集三相電流，發(fā)現(xiàn)三相繞組存在高頻脈沖電流，電流幅值可達(dá)240A，其頻率約為載波頻率的2倍，達(dá)到16000Hz，如圖3所示，由于各功率器件開合動(dòng)作無法做到嚴(yán)格同步，導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)2次三相短路，引起高頻脈沖電流。該部分電流不容忽視，借助公式（9），該高頻脈沖電流可等效為D軸電流-20A。

2）i_d=-10A、-20A、-30A、-40A時(shí)母線電容放電測(cè)試。分別設(shè)置i_d=-10A、-20A、-30A、-40A，測(cè)試母線電容放電過程（525～36V），其結(jié)果如圖4所示。隨著D軸電流逐漸增大，主動(dòng)放電時(shí)間逐漸縮短，從0.7s下降到0.23s，同時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度和頻率也隨D軸電流增大逐漸增大，D軸電流越大，D、Q軸電流耦合現(xiàn)象愈明顯，電機(jī)出現(xiàn)扭矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)。D軸需求電流為-20A時(shí)，放電時(shí)間縮短明顯，且未引起明顯的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，對(duì)駕乘體驗(yàn)影響較小。

實(shí)際放電時(shí)間與考慮高頻脈動(dòng)電流的理論計(jì)算時(shí)間統(tǒng)計(jì)在表2中，取效率系數(shù)k為0.85。從理論計(jì)算結(jié)果看，誤差值均在10%以內(nèi)，基于公式（9）對(duì)放電時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)MCU數(shù)據(jù)標(biāo)定具有一定的指導(dǎo)性。

2.2" 不同載波頻率對(duì)主動(dòng)放電過程的影響研究

在D軸需求電流-20A的條件下，分別設(shè)定載波頻率為8000Hz、6000Hz、4000Hz、2000Hz，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨著載波頻率減小，主動(dòng)放電時(shí)間逐次增加，載波頻率為8000Hz時(shí)，放電時(shí)間為0.4s；載波頻率6000Hz時(shí)，主動(dòng)放電時(shí)間為0.5s；載波頻率為4000Hz和2000Hz時(shí)，主動(dòng)放電時(shí)間為0.6s。在D軸電流一定的條件下，功率器件開關(guān)頻率越高，產(chǎn)生高頻電流脈沖的次數(shù)也就越多，因此載波頻率越高，主動(dòng)放電時(shí)間越短。根據(jù)圖5，相比載波頻率4000Hz的主動(dòng)放電過程，當(dāng)載波頻率為2000Hz時(shí)，實(shí)際D軸電流與需求D軸電流已出現(xiàn)明顯偏離，因此主動(dòng)放電時(shí)間并未進(jìn)一步縮短。載波頻率越低，控制精度越差，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)頻率也越高。

3" 結(jié)論

1）基于能量守恒推導(dǎo)出主動(dòng)放電時(shí)間估算公式，測(cè)試表明理論計(jì)算時(shí)間與實(shí)際放電時(shí)間誤差在10%以內(nèi)，對(duì)于MCU數(shù)據(jù)標(biāo)定具有一定指導(dǎo)性。

2）需求D軸電流為0的情況下，通過示波器觀察到高頻脈沖電流，電流頻率約為載波頻率2倍，幅值達(dá)240A，高頻脈沖電流對(duì)主動(dòng)放電時(shí)間影響較大，理論計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮高頻脈沖電流的影響。

3）D軸電流越大，主動(dòng)放電時(shí)間越短，同時(shí)由于D軸與Q軸相互耦合，D軸電流越大，轉(zhuǎn)速波動(dòng)的幅度和頻率越高，影響駕乘體驗(yàn)，針對(duì)該電驅(qū)系統(tǒng)參數(shù)建議選取i_d=-20A。

4）載波頻率影響脈沖電流頻率，載頻越低，主動(dòng)放電時(shí)間越長(zhǎng)，電流控制精度越差。若修改載波頻率，應(yīng)對(duì)電流PID參數(shù)做適應(yīng)性調(diào)整，建議載波頻率4000Hz，以保證良好的電流控制精度。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-12-18

作者簡(jiǎn)介

王維振（1985—），男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電驅(qū)系統(tǒng)標(biāo)定開發(fā)工作。