電動汽車高壓電連接電阻故障測試系統(tǒng)開發(fā)*

施一新　楊林　楊坤（上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所，上海200240））

電動汽車高壓電連接電阻故障測試系統(tǒng)開發(fā)*

施一新楊林楊坤
（上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所，上海200240））

連接電阻故障是影響電動汽車高壓電系統(tǒng)安全的重要因素。基于NI-PXI平臺開發(fā)了一種連接電阻故障動態(tài)模擬測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過并聯(lián)IPM智能功率模塊和大功率電阻矩陣，根據(jù)上位機遠(yuǎn)程指令在電動汽車高壓回路模擬注入可變阻值的連接電阻故障，并采集故障注入前、后高壓電參數(shù)的變化，研究整車電氣回路的瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。動態(tài)模擬測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可精確模擬不同阻值的連接電阻故障，可用于電動汽車高壓電系統(tǒng)故障診斷及預(yù)測方法的研究。

主題詞：電動汽車連接電阻故障動態(tài)模擬

1 前言

電動汽車的動力回路具有高電壓、大電流的特點［1］，因此電動汽車高壓電安全問題尤為重要，而對高壓電系統(tǒng)的各類故障研究是高壓電安全管理系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。連接故障是電動汽車高壓電系統(tǒng)的典型故障，輕則造成能源利用效率變低，重則導(dǎo)致局部發(fā)熱嚴(yán)重，甚至造成車輛起火事故［2］。現(xiàn)階段國內(nèi)外對于連接故障的研究主要利用HVIL環(huán)路互鎖技術(shù)，由于該技術(shù)只能定性檢查高壓回路連接的電氣完整性，無法定量分析連接電阻變化，因此開發(fā)連續(xù)可調(diào)的連接電阻故障動態(tài)模擬測試系統(tǒng)十分必要。連接電阻故障測試系統(tǒng)的關(guān)鍵在于控制連接電阻故障既能緩變也能瞬變，充分模擬連接故障變化規(guī)律。為此，基于NI-PXI平臺開發(fā)了一種電動汽車高壓電連接電阻故障動態(tài)模擬測試系統(tǒng)（下稱連接電阻故障測試系統(tǒng)），利用IPM智能功率模塊和電阻矩陣并聯(lián)，可以在高壓回路中注入可調(diào)阻值的連接故障，并同步采集故障發(fā)生前后整車高壓回路電氣參數(shù)的變化。

2 連接電阻故障測試系統(tǒng)方案設(shè)計

連接電阻故障測試系統(tǒng)主要功能是用戶通過上位機遠(yuǎn)程控制底層故障注入模塊，在電動汽車高壓電系統(tǒng)正、負(fù)母線和電機三相線上注入可變的預(yù)設(shè)連接電阻故障，實時監(jiān)測并保存高壓電路電氣參數(shù)，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算實際連接電阻值進(jìn)行校驗，用于分析故障注入前、后相關(guān)電氣參數(shù)演變規(guī)律，檢驗相關(guān)系統(tǒng)對連接電阻故障診斷預(yù)警功能等。

圖1為連接電阻故障測試系統(tǒng)架構(gòu)，其主要由動力電池、電機、連接電阻故障注入模塊、NI-PXI系統(tǒng)、上位機等組成。為保證試驗安全，采用遠(yuǎn)程控制方式注入連接電阻故障，通過以太網(wǎng)將上位機連接電阻控制邏輯模型下載至PXI主機實時系統(tǒng)，由PXI主機接收并轉(zhuǎn)發(fā)連接電阻設(shè)定指令。為實現(xiàn)PXI主機與連接故障注入模塊間的通訊，實時系統(tǒng)經(jīng)由PXI-CAN卡發(fā)送CAN信息至故障注入模塊，在高壓回路指定測點處注入連接故障。為實時顯示高壓系統(tǒng)電氣參數(shù)變化，系統(tǒng)配置了PXI-DAQ板卡，同步快速采集測點處的電壓、電流等參數(shù)反饋給上位機。

圖1　連接電阻故障測試系統(tǒng)架構(gòu)

由于電機運行峰值電流可達(dá)200 A，當(dāng)連接電阻故障達(dá)到200mΩ時損耗功率已達(dá)8 kW，連接故障已十分嚴(yán)重，且本文采用的連接電阻閉環(huán)控制方式能模擬的最小電阻略低于60mΩ，因此系統(tǒng)連接故障的模擬阻值范圍設(shè)定為60～200mΩ，能夠較好地模擬并覆蓋實車高壓回路連接電阻故障范圍。同時為了動態(tài)模擬高壓回路連接電阻實際故障狀態(tài)，該系統(tǒng)通過對IPM模塊的PWM閉環(huán)控制使連接電阻調(diào)節(jié)既可緩變也能瞬變。

圖2為連接電阻故障測點分布。電動汽車高壓系統(tǒng)主要由動力電池、電機控制器、電機等模塊構(gòu)成。連接故障測點1位于動力電池與電機控制器的高壓正、負(fù)母線之間；測點2位于電機控制器與電機的三相線之間。

圖2　連接電阻故障測點分布

3 連接電阻故障測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

該測試系統(tǒng)的硬件模塊主要由下層連接電阻故障注入模塊和上層系統(tǒng)監(jiān)控與通訊平臺組成。

3.1 連接故障注入模塊

設(shè)計的連接電阻故障注入模塊原理如圖3所示。連接電阻故障注入模塊將對置IPM智能功率模塊和200mΩ大功率電阻矩陣并聯(lián)后串入高壓回路指定測點，對置IPM可使電流雙向通過，并且其高速開關(guān)特性可滿足快速調(diào)節(jié)故障注入模塊等效并聯(lián)連接電阻值的需要，實現(xiàn)對等效并聯(lián)連接電阻值的無級調(diào)節(jié)。電阻矩陣兩端并聯(lián)一路高壓繼電器，繼電器斷開時注入連接電阻故障，反之不注入故障。由于繼電器在斷開狀態(tài)和閉合狀態(tài)的切換過程中，IPM模塊和大功率電阻將其觸點兩端的電壓鉗制在0～40 V內(nèi)，因此不會引起繼電器觸點燒蝕，從而保證繼電器的使用壽命。

圖3　連接電阻故障注入模塊原理示意

為準(zhǔn)確快速地調(diào)節(jié)連接電阻來模擬其緩變和瞬變特征，連接電阻故障注入模塊采用閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)原理。首先將IPM一路霍爾傳感器的電流信號I經(jīng)過接地電阻RHall后轉(zhuǎn)化為電壓信號（圖4），該信號經(jīng)全波整流處理后始終為正電平。對置IPM兩側(cè)的電壓信號U同樣先經(jīng)全波整流，后經(jīng)運放電路縮小適當(dāng)比例P后送至AD7398芯片參考電壓引腳。故障注入模塊MCU將預(yù)設(shè)連接電阻值轉(zhuǎn)化為AD值XAD后發(fā)送給AD7398芯片，芯片根據(jù)引腳的參考電壓和XAD值按相應(yīng)比例輸出電壓。然后將上述兩路電壓信號分別送入比較器的正、負(fù)輸入端，比較器輸出端給出相應(yīng)控制信號CTRL_PWM，信號CTRL_PWM通過IPM驅(qū)動電路控制IPM模塊的高速通斷（圖5）。最終當(dāng)電路達(dá)到平衡狀態(tài)時，比較器正、負(fù)輸入端電壓相等。圖6為根據(jù)上述硬件原理設(shè)計完成的連接故障注入模塊電路板。

圖4　全波整流電路原理

圖5　IPM模塊驅(qū)動電路原理

圖6　連接電阻故障注入模塊電路板

因測試系統(tǒng)采用的AD7398為4通道12位DAC，所以連接電阻的理論調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.05mΩ，電機三相線電流峰值可達(dá)300 A以上。因此連接故障注入模塊基于冗余設(shè)計原則，選用規(guī)格為±500 A/±100mA的霍爾傳感器。據(jù)此推算故障測點處等效連接電阻計算式為：

式中，P為電壓縮放倍數(shù)；XAD為MCU發(fā)送的AD值；RHall為將霍爾傳感器電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號的接地電阻值；RIPM為對置IPM模塊的等效電阻值；Rcon為故障測點的連接電阻值。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)控與通訊平臺

測試系統(tǒng)監(jiān)控與通訊平臺主要由PC上位機和NIPXI系統(tǒng)組成。PC上位機監(jiān)控平臺使用NI-VeriStand軟件進(jìn)行配置，用戶在PC端配置好測試程序后，可以通過以太網(wǎng)將配置信息和Simulink控制仿真模型導(dǎo)入PXI主機開始實時測試。NI-VeriStand能夠從Lab-VIEW和MathWorks Simulink等建模環(huán)境中導(dǎo)入控制算法和仿真模型，能夠利用操作界面實時在線監(jiān)控運行任務(wù)［3，4］。

NI-PXI是一種穩(wěn)定且基于PC的平臺，適用于測量和自動化系統(tǒng)［5］。如圖7所示，PXI系統(tǒng)采用PXI-1045機箱，搭載PXI-8119嵌入式控制器，該控制器安裝有LabVIEW實時系統(tǒng)，可以由上位機遠(yuǎn)程實時操控［6］。同時機箱內(nèi)搭載4塊PXI-6123多通道高速同步采樣板卡，實現(xiàn)對高壓回路電壓、電流等參數(shù)的同步采樣；同時PXI系統(tǒng)配備1塊PXI-8513/2CAN通訊板卡，實現(xiàn)與連接故障注入模塊MCU的CAN通訊。

圖7　NI-PXI系統(tǒng)

連接電阻故障測試系統(tǒng)主要利用監(jiān)控與通訊平臺實現(xiàn)以下功能：

a.將連接電阻故障上層控制模型導(dǎo)入PXI-RT系統(tǒng)，實現(xiàn)對故障注入模塊的實時控制；

b.配置連接電阻故障的測試案例，實時遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)測點處連接電阻的大小；

c.實現(xiàn)故障測試過程中的故障測點電氣參數(shù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄等功能。

4 連接電阻故障測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

連接電阻故障測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要包括連接電阻故障注入模塊底層軟件和上位機監(jiān)控平臺軟件。

4.1 連接電阻故障注入模塊軟件設(shè)計

根據(jù)式（2）和式（3）可以得到理論連接電阻值Rcon隨AD7398芯片接收的XAD值變化曲線。圖8為連接電阻值在不同接地電阻RHall下隨XAD值的變化曲線，圖9為連接電阻在不同電壓縮放倍數(shù)P下隨XAD值的變化曲線。

圖8　在不同接地電阻RHall下連接電阻變化曲線

在對電壓縮放倍數(shù)P、接地電阻RHall進(jìn)行參數(shù)匹配時，既要使連接電阻Rcon的變化曲線盡量平緩，提高連接電阻調(diào)節(jié)精度，又要使Rcon最小值能滿足連接電阻調(diào)節(jié)范圍。據(jù)此設(shè)定連接電阻故障注入模塊的電壓縮放倍數(shù)P=20，接地電阻RHall=6.8Ω。在相應(yīng)連接電阻變化曲線上選取40個點構(gòu)建一組二維數(shù)組，記錄不同XAD值對應(yīng)的連接電阻值。

圖9　在不同電壓縮放倍數(shù)P下連接電阻變化曲線

圖10為連接電阻故障注入模塊軟件程序框圖。當(dāng)連接電阻注入模塊收到上位機發(fā)送的預(yù)設(shè)連接電阻值后進(jìn)入CAN接收中斷，根據(jù)上述二維數(shù)組，利用插值法計算預(yù)設(shè)等效連接電阻值對應(yīng)的XAD值，然后MCU將該XAD值通過SPI通訊發(fā)送給AD7398芯片。同時連接電阻故障注入模塊采集測點處的溫度信息，通過CAN發(fā)送給上位機，及時反映測點溫度變化。若測試過程中IPM發(fā)生故障，則MCU進(jìn)入輸入捕捉中斷，當(dāng)故障持續(xù)時間超過2 s時，發(fā)送IPM故障信息至上位機，上位機發(fā)送停止命令給故障注入模塊，終止連接電阻故障模擬測試。

圖10　連接電阻故障注入模塊程序框圖

4.2 上位機監(jiān)控界面設(shè)計

監(jiān)控界面主要功能是預(yù)設(shè)連接故障阻值和高壓電路電氣參數(shù)顯示保存。在連接電阻故障預(yù)設(shè)框中輸入指定測點的預(yù)設(shè)連接電阻值后，即可將預(yù)設(shè)值發(fā)送給底層故障注入模塊，進(jìn)行連接電阻故障單點注入；同時用戶也可以配置測試案例，動態(tài)模擬多點連接電阻故障的變化過程，實現(xiàn)對連接電阻的緩變和瞬變模擬。電氣參數(shù)顯示欄主要顯示高壓電路測點處電壓、電流等信息，用戶可選擇指定參數(shù)繪制電氣參數(shù)變化曲線，分析電氣參數(shù)變化規(guī)律，并根據(jù)同步采集的電氣參數(shù)經(jīng)濾波處理后實時計算并顯示實際連接電阻值。

5 試驗結(jié)果分析及評價

為驗證連接電阻故障測試系統(tǒng)功能，進(jìn)行了連接電阻故障動態(tài)模擬，并分析不同連接電阻下相關(guān)電氣參數(shù)的演變規(guī)律。連接故障動態(tài)模擬測試主要在電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的正、負(fù)母線及電機三相線上進(jìn)行。測試條件統(tǒng)一設(shè)置為：電機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，電機轉(zhuǎn)矩為45 N·m。此時母線初始電流為20±0.2 A（不模擬連接電阻故障）。

圖11為在直流側(cè)正母線上注入連接電阻故障時，正母線電阻兩端電壓隨連接電阻值的變化曲線。當(dāng)正母線連接電阻為0時，連接電阻兩端電壓為0±0.02 V，當(dāng)預(yù)設(shè)連接電阻值由60mΩ遞增至200mΩ時，連接電阻兩端電壓也由1.2±0.05 V逐漸增至4±0.05 V，可見連接電阻故障會額外消耗動力電池的部分功率。根據(jù)測點處電壓、電流參數(shù)計算實際連接電阻值，結(jié)果與預(yù)設(shè)值誤差≤0.5%，表明連接電阻動態(tài)模擬精度高。各連接電阻值的調(diào)節(jié)時間小于1ms，完全滿足模擬連接電阻瞬變特征的需求。

圖11　正母線連接電阻端電壓變化曲線

圖12為在交流側(cè)的U相上注入變化的連接電阻故障時，U相連接電阻兩端電壓的變化曲線。當(dāng)U相連接電阻為0時，連接電阻兩端電壓為0±0.02 V，隨著連接電阻由60mΩ遞增至200mΩ，連接電阻兩端電壓峰值由6±0.05 V逐漸增至20±0.05 V左右。實際連接電阻值與預(yù)設(shè)值誤差≤0.5%。

圖12　U相連接電阻端電壓變化曲線

圖13為母線電流值隨正端連接電阻的變化曲線。在該放電工況下，當(dāng)正端連接電阻由0增至200mΩ時，母線電流逐漸由20.14 A增至20.83 A，這是由于電機在恒轉(zhuǎn)速恒扭矩下需保持功率恒定，隨著母線連接電阻壓降增大，電機側(cè)電壓減小，因此母線電流逐漸增大。

圖13　母線電流隨正端連接電阻變化曲線

圖14為母線電流隨U相連接電阻的變化曲線。U相連接電阻由0增至200 mΩ時，母線電流逐漸由20.15A增至23.85A。

圖14　母線電流隨U相連接電阻變化曲線

由圖14可看出，交流側(cè)連接電阻對母線電流的影響比直流側(cè)連接電阻的影響大，動力電池額外損耗的功率也隨之增大，造成電動汽車?yán)m(xù)航里程減小。這也說明，電機母線電流的變化與電機三相線連接電阻的變化之間存在耦合關(guān)系。

在連接電阻故障測試過程中，故障注入點最高溫度可達(dá)55℃，可見連接電阻故障會引起故障注入點溫度過高，從而影響高壓回路安全。同時測試過程中整車控制器VMS和電機控制單元FCU并未作出故障報警，這說明現(xiàn)有的車載控制系統(tǒng)尚缺乏對連接電阻故障的診斷能力，應(yīng)基于動力電池、電機控制器輸入端和電機三相線間的電壓和高壓回路電流變化規(guī)律，進(jìn)一步完善車載控制器的連接電阻故障診斷功能。

6 結(jié)束語

a.基于NI-PXI平臺開發(fā)了電動汽車高壓電連接電阻故障測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)上位機監(jiān)控平臺指令在高壓回路指定測點動態(tài)模擬連接電阻故障，同時采集測點處的電氣參數(shù)和溫度參數(shù)反饋給上位機監(jiān)控平臺。

b.通過電動汽車高壓電連接電阻故障的動態(tài)測試，驗證了連接電阻故障測試系統(tǒng)可迅速、精確地動態(tài)調(diào)節(jié)連接電阻值，誤差小于0.5%，調(diào)節(jié)時間小于1ms，完全滿足電動汽車連接電阻故障測試需要。

c.連接電阻故障測試系統(tǒng)能夠驗證電動汽車控制器相關(guān)故障診斷與保護(hù)功能的完備性，為電動汽車高壓電系統(tǒng)提供測試參考，是電動汽車高壓電路連接電阻故障診斷、預(yù)測方法研究的基礎(chǔ)。

1羌嘉曦，楊林，朱建新，等.電動汽車動力電池高壓電測試系統(tǒng)的研究.電源技術(shù)，2007（8）：655～658.

2戴海峰，張曉龍，魏學(xué)哲，等.電動汽車高壓電安全分析及防護(hù)設(shè)計.機電一體化，2013（1）：53～59.

3倪計民，李曉錦，石秀勇.基于NIPXI平臺的發(fā)動機ECU HIL系統(tǒng)上位機程序開發(fā).汽車技術(shù)，2014（3）：54～58.

4洪亮.基于LabVIEW和PXI的行星耦合混合動力系統(tǒng)人在環(huán)路（H_2IL）仿真試驗系統(tǒng)的研究：［學(xué)位論文］.重慶：重慶大學(xué)，2013.

5李紅志.基于PXI和cRIO的電子穩(wěn)定程序硬件在環(huán)仿真平臺開發(fā).電子設(shè)計應(yīng)用，2009（10）：74～76.

6馬超，杭勇，蔣兆杰，等.基于NI產(chǎn)品的電控單元硬件在環(huán)測試系統(tǒng)開發(fā).現(xiàn)代車用動力，2010（3）：20～23.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年6月1日。

Development of High Voltage Connection-failure Test System for Electric Vehicle

Shi Yixin，Yang Lin，Yang Kun
（The Institute of Automobile Electronic Technology of Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240）

【Abstract】Connection failure is an important factor to affect the safety of electric vehicle high voltage power system. In this research，a connection failure dynamic simulation system based on NI-PXI platform is development，which can inject connection failure with variable resistance in the high voltage loop simulation of electric vehicle according to instructions of remote PC，through paralleled IPM module and resistance matrix.This system can also sample variation of high-voltage electrical parameters before and after injection of failure，and research on the transient and steady state response of the electric circuit of the vehicle.The dynamic test results show that the system can accurately simulate the connection resistance failure at different resistances，can be used in high voltage system failure diagnosis and prediction method study.

Electric vehicle，Connection resistance failure，Dynam ic sim ulation

U463.61；TK411；TP368.2

A

1000-3703（2016）08-0048-05

電動汽車高壓電安全故障測試系統(tǒng)開發(fā)，上海交通大學(xué)與上海汽車集團(tuán)合作項目。