多繞組純電動(dòng)汽車動(dòng)力電源控制系統(tǒng)研究*

徐振方，孟艷花，毛慧勇（河南工業(yè)大學(xué)　電氣工程學(xué)院，河南　鄭州 450007）

多繞組純電動(dòng)汽車動(dòng)力電源控制系統(tǒng)研究*

徐振方，孟艷花，毛慧勇
（河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450007）

本系統(tǒng)為采用三路電池同時(shí)或者單獨(dú)給九繞組電機(jī)供電的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，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(dāng)某組蓄電池出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)到其故障原因，通過主控單元封鎖逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖使相應(yīng)的逆變器停止工作，保證各組電池組獨(dú)立，減弱了電池的成組效應(yīng)，提高系統(tǒng)可靠性，保障行車安全；同時(shí)，該系統(tǒng)有效避免蓄電池放電時(shí)間過長(zhǎng)，影響蓄電池使用壽命。為新能源純電動(dòng)汽車的推廣提供了一種全新的控制理念和技術(shù)保障。

多繞組電機(jī)；IGBT；成組效應(yīng)；動(dòng)力電源

0　引言

我國(guó)正在成為全球最大的汽車生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。汽車逐漸成為人們必需的代步工具，汽車對(duì)能量的消耗逐年增加。到2020年，車用燃油的缺口將達(dá)到1.24億噸。我國(guó)汽車行業(yè)面臨能源危機(jī)，節(jié)能減排是新一代新能源汽車的重大挑戰(zhàn)。同時(shí)汽車尾氣排放已成為貢獻(xiàn)PM2.5的主要來源之一。新能源汽車將成為能源動(dòng)力系統(tǒng)的一次技術(shù)革命，是擺脫汽車對(duì)石油資源依賴、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑之一。在中國(guó)，新能源汽車的發(fā)展重點(diǎn)是電動(dòng)汽車。發(fā)展電動(dòng)汽車被普遍認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型、解決能源和環(huán)境危機(jī)的根本途徑。電動(dòng)汽車的技術(shù)不成熟和電動(dòng)汽車未來幾年的發(fā)展需求的矛盾，形成了目前純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)推進(jìn)緩慢的被動(dòng)局面。

1　系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)為采用三路磷酸鐵鋰電池供電的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)。它包括微電腦處理器、SPWM發(fā)生器、門極驅(qū)動(dòng)模塊（三路）、逆變模塊（三路）、動(dòng)力電池組（三組）、多繞組電動(dòng)機(jī)、故障檢測(cè)保護(hù)模塊、顯示模塊、告警模塊以及設(shè)定輸入模塊。

其中每一組動(dòng)力電池組通過對(duì)應(yīng)逆變模塊向多繞組電機(jī)中的一組繞組獨(dú)立提供能量。各逆變模塊受控于對(duì)應(yīng)門極驅(qū)動(dòng)模塊的控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(dāng)某組蓄電池出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)到其故障原因，通過主控單元封鎖逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖使相應(yīng)的逆變器停止工作，保證各組電池組獨(dú)立，可有效防止因?yàn)槟骋唤M電池組出現(xiàn)故障，影響其余電池工作，減弱了電池的成組效應(yīng)，提高系統(tǒng)可靠性，保障行車安全［1］；同時(shí)，通過智能的電池管理系統(tǒng)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(zhǎng)三倍以上。

該系統(tǒng)采用三組蓄電池并聯(lián)供電和多繞組電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方法，在不降低驅(qū)動(dòng)功率的前提下，降低了系統(tǒng)工作電壓，提高了安全性，降低了安裝調(diào)試難度。

采用三組蓄電池并聯(lián)供電，能夠有效解決蓄電池成組效應(yīng)導(dǎo)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(zhǎng)蓄電池使用壽命；使系統(tǒng)供電連續(xù)可靠，保障行車安全。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用三組電池同時(shí)對(duì)九繞組異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，在故障時(shí)通過封鎖逆變器，切斷故障電路的供電。逆變器由驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在整個(gè)工作過程中故障檢測(cè)模塊對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)如電壓、電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速等進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳送到 DSP控制中心進(jìn)行處理，DSP針對(duì)處理結(jié)果做出相應(yīng)反應(yīng)。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1多電池組設(shè)計(jì)

電池模塊要達(dá)到較高的電壓和容量，必須進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)組合。

式中，Rs（t）為系統(tǒng)的可靠度，R=（1，2，3，…，n）表示第 i個(gè)單元的可靠度；m為并聯(lián)電池?cái)?shù)［2］。

本設(shè)計(jì)針對(duì)額定工作電壓為 144 V的三相異步電機(jī)，采用三組相互獨(dú)立的蓄電池并聯(lián)供電，每組電池由45個(gè)標(biāo)稱電壓為3.2 V的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)而成，每組電池標(biāo)稱電壓由原來的336 V降低為144 V。這種設(shè)計(jì)不僅降低了電池組成組效應(yīng)，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(dòng)汽車特別是電動(dòng)轎車的發(fā)展方向。三組電池組獨(dú)立供電，當(dāng)其中任意一組或兩組出現(xiàn)故障時(shí)，由主控單元將故障線路切斷，不會(huì)影響其他電池組的正常工作，保證電動(dòng)汽車不會(huì)拋錨。

2.2多繞組電機(jī)設(shè)計(jì)

為了滿足電動(dòng)汽車運(yùn)行穩(wěn)定，提高續(xù)航里程的要求，本次設(shè)計(jì)選用一個(gè)九繞組三相交流異步電動(dòng)機(jī)做車載電機(jī)。九繞組三相交流異步電動(dòng)機(jī)的每相繞組都是獨(dú)立的，是不會(huì)相互影響的，當(dāng)某相繞組發(fā)生故障時(shí)不會(huì)對(duì)其他繞組造成影響。同時(shí)，該多繞組電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)三組電池同時(shí)供電，不但解決了電動(dòng)汽車動(dòng)力不足的問題，而且還提高了汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性，三組電池中的一組電源出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)直接切斷該電池組，而不會(huì)影響其他兩組電池組繼續(xù)供電。這樣，與傳統(tǒng)的三繞組異步電機(jī)相比較，穩(wěn)定性和運(yùn)行的持久性都大大提高［3］。

2.3信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路由兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成，第一級(jí)采用反向比例放大單元，將電壓控制在-1.5 V～+1.5 V之內(nèi)；第二級(jí)為加法電路，提升放大后的電壓信號(hào)，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(tái)相連，操作臺(tái)的動(dòng)作信號(hào)進(jìn)入到該模塊由 TL07411構(gòu)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(fù)載能力。信號(hào)經(jīng)過濾波和放大后傳到TSM2812的8路A/D輸入端。

圖3　信號(hào)調(diào)理圖

2.4通信電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過MAX232芯片與DSP進(jìn)行通信，MAX232的作用是將DSP片內(nèi)集成SCI模塊3.3 V的UART信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成與RS-232兼容的 TTL信號(hào)電平［4］。系統(tǒng)采用A28C250實(shí)現(xiàn)CAN總線收發(fā)器接口芯片，通過該芯片的CANL和CANH實(shí)現(xiàn)CAN總線與物理總線以及電池管理系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的實(shí)時(shí)科學(xué)管理［5］。

2.5IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖4　IGBT驅(qū)動(dòng)電路

電源通過驅(qū)動(dòng)模塊IGBT給系統(tǒng)各部分供電。IGBT導(dǎo)通時(shí)的電壓通常小于3 V，如果電路出現(xiàn)瞬時(shí)過流狀況，IGBT管電壓將會(huì)迅速上升，將出現(xiàn)被擊穿損壞的可能，所以必須實(shí)施IGBT快速斷開的保護(hù)。系統(tǒng)采用A316J通過實(shí)施快速斷開保護(hù)對(duì) IGBT的導(dǎo)通和截止進(jìn)行控制。速斷保護(hù)的保護(hù)原理為：微處理器給定脈沖時(shí)，A316J通過14號(hào)引腳和16號(hào)引腳的外圍電路，和被驅(qū)動(dòng)的IGBT的C極和E極形成閉合環(huán)路，如果IGBT檢測(cè)到的管壓降大于7 V，則A316J封鎖輸出脈沖，與此同時(shí)，由6號(hào)引腳向DSP發(fā)出低電平有效的OC報(bào)警信號(hào)，DSP響應(yīng)實(shí)施保護(hù)停機(jī)動(dòng)作。如果DSP微處理器把低電平有效的復(fù)位信號(hào)傳送到A316J的5引腳，則A316J獲得復(fù)位信號(hào)后立刻解除脈沖封鎖，同時(shí)解除故障狀態(tài)，進(jìn)入工作狀態(tài)。圖4所示是一路IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

2.6供電模塊設(shè)計(jì)

主控板采用LM7805給MAX232提供+5 V電源，同時(shí)給W1117提供一個(gè)電壓輸入，通過W1117三端穩(wěn)壓電源將電壓穩(wěn)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(gè)電路上，實(shí)現(xiàn)多輸入穩(wěn)定電源，該電源具有穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［6］。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)電動(dòng)汽車插入鑰匙開始啟動(dòng)時(shí)，程序控制系統(tǒng)對(duì)電流電壓等進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果檢測(cè)參數(shù)超過設(shè)定范圍，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并斷開故障電路；如果檢測(cè)參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)，則對(duì)三組電池的電流峰值時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)三組電池的峰值電壓進(jìn)行比較，以檢測(cè)三組電池供電是否同步。如果三組電池的電流峰值時(shí)間不同，則發(fā)出警報(bào)，并調(diào)整三組電池的供電，再對(duì)調(diào)整后的電流峰值時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，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(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)供電。如果需控制電動(dòng)汽車加速和減速，則先對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，再將檢測(cè)值與給定值進(jìn)行比較，如果在安全范圍內(nèi)則直接加速或減速；如果不在安全范圍內(nèi)，也需要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，如檢測(cè)值過大則減速，檢測(cè)值過小則加速；在加減速后也需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，以保證行車安全。如果需實(shí)現(xiàn)汽車的前進(jìn)或倒退，則對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行檢測(cè)，并將其保存在存儲(chǔ)器中，再改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作后再對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行檢測(cè)，并將其與存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較，判斷轉(zhuǎn)向操作是否有效，如果比較結(jié)果是轉(zhuǎn)向不同，則轉(zhuǎn)向成功，相應(yīng)轉(zhuǎn)向指示燈發(fā)亮；如果通過比較得出的結(jié)果是轉(zhuǎn)向相同，說明該次操作無效，需要重復(fù)上述操作。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)主程序流程圖

4　結(jié)束語

該系統(tǒng)首次采用三組電池組串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)多電池組獨(dú)立給九繞組電機(jī)供電，系統(tǒng)成功解決了一組電池出現(xiàn)問題導(dǎo)致汽車出現(xiàn)“拋錨”的問題，降低了電池的成組效應(yīng)，提高了系統(tǒng)的續(xù)航能力。該系統(tǒng)采用軟件封鎖IGBT門極實(shí)現(xiàn)電池組的故障切換，采用DSP同時(shí)給三個(gè) IGBT發(fā)送脈沖的辦法，實(shí)現(xiàn)九繞組電機(jī)同步問題，防止電機(jī)運(yùn)行期間出現(xiàn)“堵轉(zhuǎn)”。該方案使純電動(dòng)汽車動(dòng)力電源系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的優(yōu)化［8］，為新能源純電動(dòng)汽車的推廣提供了一種全新的控制理念和技術(shù)保障。

［1］楊君，邱曉明，徐正藻.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.軟件，2011，32（3）：54-56.

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

［3］張承寧，朱正，張玉璞，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006，42（25）：35-37.

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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(guān)項(xiàng)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(cè)技術(shù)。