電動汽車用電機控制器過電流保護方法

王淑旺,郗世洪,孫純哲,周 政,桂星星

(合肥工業大學,安徽合肥230009)

0 引 言

隨著能源危機的日益加劇和環境壓力的增加,電動汽車代替傳統的燃油汽車已經成為一個必然的趨勢[1]。電驅動系統是電動汽車的心臟,是提高電動汽車的驅動性能、行駛里程及可靠性的根本保證[2],電機控制器是電驅動系統的關鍵部件,在復雜極限路況下使電機控制器內部的電流、電壓值可能達到所設定的值,內部的元器件承受能力有限,尤其是對功率模塊的損害巨大,需要對其采取相應的措施。其中過電流故障是電動車電機控制器的常見故障,主要是突變性和峰值性的電流值,該故障的保護在電機控制器中極其重要。

目前電機控制器過電流保護一般可通過延長加速時間和減速時間,減少負載突變,加強絕緣水平,外加能耗制動元件、EMC濾波器[3]。下面從電機控制器產生過電流的原因、電流值的信號檢測、采樣、硬件保護電路和軟件保護策略角度對該電機控制器進行過電流分析和保護。

1 電機控制器過電流故障產生原因

過電流故障是電動車電機控制器的常見故障,主要是突變性和峰值性的電流值,一般表現為:

(1)電動汽車電機控制器輸出端三相線出現短路,導致過電流;

(2)電動車出現沖擊負載或者電動車爬坡出現驅動電機堵轉時,導致驅動電機的兩相長時間接通,相線電感飽和,導致過電流;

(3)電動車急加速(急剎車)時,車子本身負載慣性較大,升速(降速)時間設定太短,電機控制器的工作頻率上升太快,同步電機的轉速迅速上升(下降),同步電機原來處于轉子產生的磁場與定子產生的旋轉磁場同步,當出現急加速(急剎車)時,電機的轉子轉速因慣性較大,轉子速度仍處于高速旋轉,轉子產生的磁場與定子的旋轉磁場出現轉差過大,導致繞組切割磁感線太快,產生過大的感應電動勢,導致產生過電流;

(4)電機控制器電源側缺相、輸出側斷線、電動機內部故障引起過電流故障;

(5)驅動電機受電磁干擾的影響,漏電流變大,產生軸電流、軸電壓,引起電機控制器過電流;

(6)電機控制器的控制電路遭到電磁干擾,導致控制信號錯誤,速度反饋信號丟失或非正常時,也會引起過電流;

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

(8)電機控制器參數設定不正確和硬件電路出問題,也導致過電流;

(9)短時間內IGBT電流值變化過大也會導致過電流;如瞬時斷電,電流產生尖峰,導致IGBT過電流;電機控制器復位后再起動造成過電流。

電機控制器過電流主要是加減速時間太短、負載發生突變、電壓過低或過高、斷相、短路、漏電流、電磁干擾及電機控制器內部元件故障等引起[3]。

2 電機控制器的保護方法

電動汽車電機控制器過電流故障是常見故障,故障的保護顯得非常重要,對車用電機控制器的過電流保護主要從硬件處理和軟件處理進行。

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

2.1 硬件檢測及保護

硬件電路的保護實現反應速度較快,在電流信號的檢測、采集和電機控制器功率模塊保護幾個環節中起到很重要的作用。

電機控制器的電流檢測通過電流傳感器檢測母線電流和相線電流。電機控制器主電路如圖1所示。圖中顯示為檢測的線電流IDC、相線電流IAre和ICre。

如圖2所示,以A相線檢測為例,通過電流傳感器檢測到的電壓信號通過RC濾波電路和電壓跟隨電路,得到電流比較信號IAcomp,IAcomp一路信號經過差分電路得到DSP芯片可接受的0～3.3 V的信號IADSP,IADSP通過A/D轉換后得到實際的電流值,通過軟件程序進行判斷是否過流。另一路IAcomp信號通過與基準電路的比較,進行判斷是否過流,若過流,得到過流信號Iover,然后Iover信號進入過流鎖存電路,出現故障后就進行停機保護,防止故障信號復位導致在有故障的條件下運行車輛;PDPINTA為功率驅動保護中斷輸入引腳,在確定出現故障后,該中斷有效,將PWM輸出引腳(EVA)置為高阻態,通過DSP關斷六路驅動信號;同時確定出現故障后直接把驅動信號的與門電路進行置低電平,通過硬件電路直接關斷驅動信號,確保車輛的安全。

電流傳感器的檢測及數據的處理十分重要,不同的廠家或型號的傳感器電氣特性不同。如何通過檢測電路把傳感器的信號高精度地調理成DSP處理器可以接受的電壓信號,是需要進行嚴格的理論計算和電路仿真的。如圖3所示。

圖1 電機控制器主電路

圖2 過電流硬件處理

圖3 IA re檢測采樣電路

以應用某型號800 A的電流傳感器為例,實際電流IP和輸出電壓VOUT的關系用如下:

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

現對圖3的電流檢測處理電路進行基于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取頻率500 Hz(如6對極電機5 000 r/min時電流頻率即為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。輸入信號經過RC濾波并經過跟隨后通過差分放大至DSP可接受電壓范圍0～3.3 V。

圖4的IAre采樣仿真數據將檢測電流傳感器的電壓信號等比例縮小為DSP可接受的電壓信號。

圖4 IA re采樣仿真數據

圖5 IAre單周期采樣仿真數據

圖5為IAre單周期采樣仿真數據。信號放大觀測輸入輸出延時較小(tdelay≈10μs),表明相位基本不變,達到了檢測數據準確,誤差較小,可有效地檢測到實際的電流變化。

電流在永磁同步電機運行每一相位內將發生波動,引起扭矩的周期性波動,而電流出現的峰值也容易引起過流現象[4],在電機控制器中采用了電流閉環控制,有效解決了上述問題。

短路過流故障對于IGBT器件來說是致命的,短路發生時強大的電流流過IGBT,若不及時采取保護,將會直接導致器件損毀。1ED020I12-FA驅動芯片采用了特有的無芯變壓器隔離技術,能夠驅動耐壓600 V/1 200 V的IGBT或IGBT模塊,該驅動器提供了過流保護功能,通過檢測Vce電壓來實現IGBT短路保護。

1ED020I12-FA的短路保護包括兩部分:一部分是對IGBT集電極端進行退飽和檢測以判斷是否有短路過流故障;另一部分是在關斷IGBT過程中對柵極進行短路箝位。短路過流故障識別,主要是通過檢測IGBT集電極端的飽和電壓來實現的。IGBT正常工作時,集電極飽和壓降很低;但當短路過流故障產生時,Uce會明顯增至高于正常導通時的飽和壓降水平,一般為7 V以上,產生退飽和現象。檢測電路如圖6所示,電路中,芯片DESAT引腳與CBlank、RDESAT和DDESAT構成了退飽和檢測電路,DESAT引腳端電壓變化可用下式表示:

圖6 1ED 020I12-FA驅動保護電路

在退飽和檢測時,當UDESAT高于門限值9 V時,即表明IGBT出現了短路或者過流,此時芯片輸出故障信號,同時OUT輸出低電平來及時關閉IGBT,同時在延時2μs后上傳故障信號。因為IGBT導通時Vce電壓下降有一定的延遲,通常退飽和檢測要設定一定的保護盲區,以防止退飽和誤判斷[5]。

2.2 軟件策略及保護

軟件上實現了對數據的處理和分析,對各工況下的故障信號做出相應的處理。故障安全保護在電機控制器中采用分等級處理,對不同的故障信號采用不同級別的措施,這樣更有效地保護電機控制器。

在電機控制器保護后,需要確保車輛的安全,當關斷器件后需要產生一個毫秒級的關斷時間,使IGBT在電流下降到安全水平后再次開通,在保護器件的同時,也不影響電動汽車退出過流狀態后的正常行駛。

如圖3所示,該電路經過濾波、跟隨和差分得到IADSP,該信號采集后通過模數轉換輸入到DSP中,經過平滑處理,轉換為實際值后進行判斷故障,圖7為軟件保護流程。

下面對幾種過電流在軟件進行保護處理:

(1)電機控制器工作中因過載出現過電流故障,根據驅動電機和負載能力的大小確定電流限制Ilim,當電流值超過了Ilim值時就采用降低電機控制器工作頻率fX的方法處理(降功率處理),當電流值小于Ilim的值時再恢復到額定值。圖8為降功率保護策略[6]。電動車出現堵轉時,也會出現過電流,此時可通過該方法進行處理。

(2)對電動車急加速或急剎車的條件下,可采用延長急加速和急減速的時間來降低電流值。當超過所設置的過電流值Ilim時就保持電機控制器工作頻率fX不變,等到電流值小于Ilim時,再增加電機控制器的工作頻率fX,保證電機控制器的安全。圖9為延長時間保護策略[6]。

圖7 軟件保護流程

圖8 降功率保護策略

圖9 延長時間保護策略

3 結 語

通過對電動車用電機控制器的過電流保護分析,可見電機控制器的過電流出現的原因很多,必須從數據的檢測、采集和數據處理,再到硬件電路和軟件控制策略等方面分別進行保護,才能達到預期的目的。

電動汽車用電機控制器的過電流保護非常重要,故障保護從電機控制器的設計之初到最終的產品,整個設計、研發、采購、加工、調試都需要注意,系統地考慮故障問題。

[1] 陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現代電動汽車技術[M].北京:北京理工大學出版社,2002.

[2] 陳清泉.環境保護和電動車的開發[J]江蘇機械制造與自動化,2000(1):3-7.

[3] 李銳.變頻器過流原因分析[M].印刷雜志出版社,2006.

[4] Bolton H R.Investigation into a class of brushless DC motorwith quasisquare voltage and current[J].IEE PROC,Pt2B,1986,133(2):103-111.

[5] 施賢能,吳庚澤,朱元.1ED 020I12-FA在驅動中大功率IGBT中的應用[J].企業技術開發(學術版),2010,29(5):4-6.

[6] 張燕賓.SPWM變頻調速應用技術[M].北京:機械工業出版社,2001.