多繞組純電動汽車動力電源控制系統研究*

徐振方，孟艷花，毛慧勇（河南工業大學　電氣工程學院，河南　鄭州 450007）

多繞組純電動汽車動力電源控制系統研究*

徐振方，孟艷花，毛慧勇
（河南工業大學電氣工程學院，河南鄭州 450007）

本系統為采用三路電池同時或者單獨給九繞組電機供電的電動汽車動力系統，在主控制單元TSM2812的控制下并行工作，從而保證輸出的三組電壓同步，當某組蓄電池出現故障時，系統可以自動檢測到其故障原因，通過主控單元封鎖逆變器驅動脈沖使相應的逆變器停止工作，保證各組電池組獨立，減弱了電池的成組效應，提高系統可靠性，保障行車安全；同時，該系統有效避免蓄電池放電時間過長，影響蓄電池使用壽命。為新能源純電動汽車的推廣提供了一種全新的控制理念和技術保障。

多繞組電機；IGBT；成組效應；動力電源

0　引言

我國正在成為全球最大的汽車生產和消費國。汽車逐漸成為人們必需的代步工具，汽車對能量的消耗逐年增加。到2020年，車用燃油的缺口將達到1.24億噸。我國汽車行業面臨能源危機，節能減排是新一代新能源汽車的重大挑戰。同時汽車尾氣排放已成為貢獻PM2.5的主要來源之一。新能源汽車將成為能源動力系統的一次技術革命，是擺脫汽車對石油資源依賴、實現可持續發展的根本途徑之一。在中國，新能源汽車的發展重點是電動汽車。發展電動汽車被普遍認為是實現動力系統轉型、解決能源和環境危機的根本途徑。電動汽車的技術不成熟和電動汽車未來幾年的發展需求的矛盾，形成了目前純電動汽車產業推進緩慢的被動局面。

1　系統工作原理

本系統為采用三路磷酸鐵鋰電池供電的電動汽車動力系統。它包括微電腦處理器、SPWM發生器、門極驅動模塊（三路）、逆變模塊（三路）、動力電池組（三組）、多繞組電動機、故障檢測保護模塊、顯示模塊、告警模塊以及設定輸入模塊。

其中每一組動力電池組通過對應逆變模塊向多繞組電機中的一組繞組獨立提供能量。各逆變模塊受控于對應門極驅動模塊的控制。系統總體結構如圖1所示，三組逆變器分別由三組鋰電池組供電，在主控制單元的控制下并行工作，從而保證輸出的三組電壓同步，當某組蓄電池出現故障時，系統可以自動檢測到其故障原因，通過主控單元封鎖逆變器驅動脈沖使相應的逆變器停止工作，保證各組電池組獨立，可有效防止因為某一組電池組出現故障，影響其余電池工作，減弱了電池的成組效應，提高系統可靠性，保障行車安全［1］；同時，通過智能的電池管理系統可有效避免蓄電池過充、過放電問題，使磷酸鐵鋰電池的使用壽命延長三倍以上。

該系統采用三組蓄電池并聯供電和多繞組電機驅動的方法，在不降低驅動功率的前提下，降低了系統工作電壓，提高了安全性，降低了安裝調試難度。

采用三組蓄電池并聯供電，能夠有效解決蓄電池成組效應導致的電池壽命縮短、供電可靠性降低等問題，可防止蓄電池過放電，延長蓄電池使用壽命；使系統供電連續可靠，保障行車安全。

圖1　系統總體結構圖

2　系統硬件設計

本次設計采用三組電池同時對九繞組異步電動機進行供電，在故障時通過封鎖逆變器，切斷故障電路的供電。逆變器由驅動模塊進行驅動。在整個工作過程中故障檢測模塊對系統的參數如電壓、電流和電機轉速等進行檢測，并將檢測結果傳送到 DSP控制中心進行處理，DSP針對處理結果做出相應反應。結構框圖如圖2所示。

圖2　系統結構框圖

2.1多電池組設計

電池模塊要達到較高的電壓和容量，必須進行串聯或者并聯組合。

式中，Rs（t）為系統的可靠度，R=（1，2，3，…，n）表示第 i個單元的可靠度；m為并聯電池數［2］。

本設計針對額定工作電壓為 144 V的三相異步電機，采用三組相互獨立的蓄電池并聯供電，每組電池由45個標稱電壓為3.2 V的磷酸鐵鋰電池串聯而成，每組電池標稱電壓由原來的336 V降低為144 V。這種設計不僅降低了電池組成組效應，大大降低了電池成本，而且使電氣絕緣要求降低，安全性大為提高，符合電動汽車特別是電動轎車的發展方向。三組電池組獨立供電，當其中任意一組或兩組出現故障時，由主控單元將故障線路切斷，不會影響其他電池組的正常工作，保證電動汽車不會拋錨。

2.2多繞組電機設計

為了滿足電動汽車運行穩定，提高續航里程的要求，本次設計選用一個九繞組三相交流異步電動機做車載電機。九繞組三相交流異步電動機的每相繞組都是獨立的，是不會相互影響的，當某相繞組發生故障時不會對其他繞組造成影響。同時，該多繞組電機可以實現三組電池同時供電，不但解決了電動汽車動力不足的問題，而且還提高了汽車運行的穩定性，三組電池中的一組電源出現故障時，系統自動直接切斷該電池組，而不會影響其他兩組電池組繼續供電。這樣，與傳統的三繞組異步電機相比較，穩定性和運行的持久性都大大提高［3］。

2.3信號調理電路設計

信號調理電路由兩級運放構成，第一級采用反向比例放大單元，將電壓控制在-1.5 V～+1.5 V之內；第二級為加法電路，提升放大后的電壓信號，通過雙向二極管BAV99將電壓限制在3.3 V左右。具體電路如圖3所示。

該模塊通過接口JP3與汽車操作臺相連，操作臺的動作信號進入到該模塊由 TL07411構成的濾波器和電壓跟隨器，濾波器起濾波和放大的作用，電壓跟隨器可增加電路的負載能力。信號經過濾波和放大后傳到TSM2812的8路A/D輸入端。

圖3　信號調理圖

2.4通信電路設計

該系統通過MAX232芯片與DSP進行通信，MAX232的作用是將DSP片內集成SCI模塊3.3 V的UART信號電平轉換成與RS-232兼容的 TTL信號電平［4］。系統采用A28C250實現CAN總線收發器接口芯片，通過該芯片的CANL和CANH實現CAN總線與物理總線以及電池管理系統通信，實現對電池系統的實時科學管理［5］。

2.5IGBT驅動電路設計

圖4　IGBT驅動電路

電源通過驅動模塊IGBT給系統各部分供電。IGBT導通時的電壓通常小于3 V，如果電路出現瞬時過流狀況，IGBT管電壓將會迅速上升，將出現被擊穿損壞的可能，所以必須實施IGBT快速斷開的保護。系統采用A316J通過實施快速斷開保護對 IGBT的導通和截止進行控制。速斷保護的保護原理為：微處理器給定脈沖時，A316J通過14號引腳和16號引腳的外圍電路，和被驅動的IGBT的C極和E極形成閉合環路，如果IGBT檢測到的管壓降大于7 V，則A316J封鎖輸出脈沖，與此同時，由6號引腳向DSP發出低電平有效的OC報警信號，DSP響應實施保護停機動作。如果DSP微處理器把低電平有效的復位信號傳送到A316J的5引腳，則A316J獲得復位信號后立刻解除脈沖封鎖，同時解除故障狀態，進入工作狀態。圖4所示是一路IGBT驅動電路。

2.6供電模塊設計

主控板采用LM7805給MAX232提供+5 V電源，同時給W1117提供一個電壓輸入，通過W1117三端穩壓電源將電壓穩定在3.3 V左右，給DSP2407提供供電電源。該電源模塊將LM7805和W1117集成在一個電路上，實現多輸入穩定電源，該電源具有穩定性好、抗干擾強等優點［6］。

3　系統軟件設計

當電動汽車插入鑰匙開始啟動時，程序控制系統對電流電壓等進行檢測，并將檢測值與設定值進行比較，如果檢測參數超過設定范圍，系統發出報警并斷開故障電路；如果檢測參數在設定范圍內，則對三組電池的電流峰值時間進行檢測，并對三組電池的峰值電壓進行比較，以檢測三組電池供電是否同步。如果三組電池的電流峰值時間不同，則發出警報，并調整三組電池的供電，再對調整后的電流峰值時間進行檢測，直到三組電池同步供電［7］；如果三組電池的峰值電壓相同，說明三組電池同時對電動機供電。如果需控制電動汽車加速和減速，則先對電動機轉速進行檢測，再將檢測值與給定值進行比較，如果在安全范圍內則直接加速或減速；如果不在安全范圍內，也需要對轉速進行調整，如檢測值過大則減速，檢測值過小則加速；在加減速后也需要對電機轉速進行檢測，以保證行車安全。如果需實現汽車的前進或倒退，則對電動機的轉向進行檢測，并將其保存在存儲器中，再改變電機轉向，進行轉向操作后再對電動機轉向進行檢測，并將其與存儲器中存儲的信息進行比較，判斷轉向操作是否有效，如果比較結果是轉向不同，則轉向成功，相應轉向指示燈發亮；如果通過比較得出的結果是轉向相同，說明該次操作無效，需要重復上述操作。系統主程序流程圖如圖5所示。

圖5　系統主程序流程圖

4　結束語

該系統首次采用三組電池組串并聯實現多電池組獨立給九繞組電機供電，系統成功解決了一組電池出現問題導致汽車出現“拋錨”的問題，降低了電池的成組效應，提高了系統的續航能力。該系統采用軟件封鎖IGBT門極實現電池組的故障切換，采用DSP同時給三個 IGBT發送脈沖的辦法，實現九繞組電機同步問題，防止電機運行期間出現“堵轉”。該方案使純電動汽車動力電源系統得到了進一步的優化［8］，為新能源純電動汽車的推廣提供了一種全新的控制理念和技術保障。

［1］楊君，邱曉明，徐正藻.電動汽車動力電池組管理系統設計［J］.軟件，2011，32（3）：54-56.

［2］劉保杰，王艷，殷天明.電動汽車電池管理系統［J］.電氣自動化，2010，32（1）：60-62.

［3］張承寧，朱正，張玉璞，等.電動汽車動力電池組管理系統設計［J］.計算機工程與應用，2006，42（25）：35-37.

［4］李曉林.電動汽車整車控制系統介紹［J］.科技資訊，2012 （19）：27-29.

［5］陳兆軍.電動汽車 CAN系統的管理與控制［J］.中國商界，2013（3）：406-407.

［6］王康.電動汽車電動輪驅動系統控制技術的研究［D］.武漢：武漢理工大學，2007.

［7］范思廣.電動汽車電機驅動系統及其控制技術的研究［J］.汽車零部件，2011（8）：15-19.

［8］李成學，楊大柱，吳文民.電動汽車速度閉環控制系統設計［J］.電機技術，2008（6）：4-6.

Research on electric vehicle power supply control system of multiple winding

Xu Zhenfang，Meng Yanhua，Mao Huiyong
（Electrical Engineering Institute，Henan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

This system uses 3 battery at the same time or separately supply power to the electric vehicle power system with 9 winding motor.It works in parallel on the control of the main control unit TSM2812，so as to ensure the synchronization of 3 groups of voltage output.When a group of battery is failure，the system can automatically detect the fault reason，make the corresponding inverter driving pulse stop work by the main control unit of inverter to ensure each battery independent，weakening the group effect of cell，improving system reliability，ensuring the driving safety.At the same time，the system can effectively avoid excessive discharge battery，prolong the service life of battery.It provides a new control concept and technical guarantee for the promotion of new energy of pure electric vehicles.

multiple winding electric motor；IGBT；group effect；power supply

TP216

A

1674-7720（2015）05-0076-03

鄭州市科技攻關項目（20130657）

（2014-11-04）

徐振方（1976-），男，在讀博士，副教授，主要研究方向：檢測技術。