電動汽車電機系統(tǒng)三相主動短路分析及應(yīng)用

黃步甲，于海生，劉 野

（科力遠混合動力技術(shù)有限公司，上海 201501）

近幾年，中國從政策上積極推動新能源汽車尤其是電動汽車的發(fā)展，目的是為了減少對石油的使用，降低車輛尾氣的排放，實現(xiàn)汽車綠色能源消耗。

電機控制器作為電動汽車電機系統(tǒng)的核心部件，具備實現(xiàn)直流電和交流電的相互轉(zhuǎn)換，在電動車正常行駛時可將動力電池的直流電逆變成三相交流電，為驅(qū)動電機提供電源并控制電機輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動車輛行駛；在電動車滑行或制動過程中電機控制器可控制驅(qū)動電機運行于饋電模式，將動能轉(zhuǎn)換成電能給動力電池充電，有效地通過節(jié)約效能來提升電動車的純電續(xù)航里程。

1 三相主動短路電路分析

1.1 三相橋式逆變電路

電動汽車用電機控制器目前主要采用三相橋式逆變器來實現(xiàn)直流電與交流電的轉(zhuǎn)換功能，根據(jù)三相橋式逆變電路的控制原理 （SVPWM），正常工作下，在一個正弦周期中，每個橋臂開關(guān)管開通半個周期 （即180°），同一相上下橋臂開關(guān)管交替導(dǎo)通，各相開始導(dǎo)電的角度差120°［1］，且任一瞬間有3個橋臂同時導(dǎo)通，但不能出現(xiàn)同相橋臂上下開關(guān)管同時導(dǎo)通的狀態(tài)，否則會引起直流側(cè)電源短路。逆變器三相橋臂共有6個開關(guān)管及6個反向續(xù)流二極管，令三相橋臂分別為Sa （S1、S4），Sb（S3、S6），Sc （S5、S2），各開關(guān)管在上下橋臂分布如圖1所示。

圖1 三相橋式逆變器電路

逆變器在工作狀態(tài)中每相橋臂的上下開關(guān)管只能一個導(dǎo)通則另一個關(guān)斷或互換兩種狀態(tài)，令Sa=1時，S1導(dǎo)通、S4關(guān)斷；Sa=0時，S1關(guān)斷、S4導(dǎo)通。

同理類推Sb和Sc橋臂具有同樣的開關(guān)狀態(tài)，綜合Sa、Sb、Sc橋臂的開關(guān)狀態(tài)，共有8種組合狀態(tài)，具體如表1所示。1.2 三相主動短路電路

在表1中所列Sa、Sb、Sc的8種組合開關(guān)狀態(tài)中，7和8狀態(tài)下逆變器各相橋臂分別對應(yīng)下臂同時導(dǎo)通、上臂同時導(dǎo)通，此狀態(tài)即可實現(xiàn)電機系統(tǒng)進入ASC模式，開關(guān)狀態(tài)電路如圖2、3所示，在ASC模式下，電機側(cè)和動力電池側(cè)無法有效形成回路［3］。

表1 逆變器的三相橋臂開關(guān)狀態(tài)［2］

圖2 開關(guān)狀態(tài)7電路

圖3 開關(guān)狀態(tài)8電路

2 三相主動短路的特性及作用

2.1 三相主動短路控制的特性

電機控制器可通過對逆變電路上橋臂全導(dǎo)通下橋臂全關(guān)斷或上橋臂全關(guān)斷下橋臂全導(dǎo)通兩種方式來實現(xiàn)ASC，通常采用上橋臂全關(guān)斷下橋臂全導(dǎo)通的方式，如圖2所示。

電機控制器工作在ASC模式時，驅(qū)動電機輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間，轉(zhuǎn)速和三相電流之間形成一定比例關(guān)系，但其表征的特性與正?？刂颇Ｊ较码姍C轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及相電流關(guān)系存在差異，ASC狀態(tài)下驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、相電流的對應(yīng)關(guān)系如圖4、圖5所示。由圖4可發(fā)現(xiàn)ASC模式下驅(qū)動電機輸出反向轉(zhuǎn)矩 （以車輛前進為正向轉(zhuǎn)矩），且反向轉(zhuǎn)矩輸出絕對值與電機轉(zhuǎn)速變化成非線性，整體趨勢為轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增加先增后減最后趨于穩(wěn)定。由圖5可發(fā)現(xiàn)在ASC模式下相電流隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 ASC電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖5 ASC電機相電流和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

2.2 三相主動短路的主要作用

當(dāng)電機控制器進入ASC模式時，因為各相橋臂均不導(dǎo)通，直流端與交流端電路不再形成回路，同時驅(qū)動電機產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩，基于這些特性ASC模式合理運用在電動汽車行駛過程中主要起到以下幾方面作用［4］。

1）整車失控時，實施ASC可產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，使車輛緩慢制動，實現(xiàn)安全停車。

2）動力電池故障時，實施ASC可使電機、電機控制器與動力電池側(cè)隔離，保證整車高壓安全。

3）整車行駛過程中驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速過高或異常時，實施ASC可避免過高的反電勢對動力電池、母線電容及其它高壓器件的損壞。

4）電機控制器逆變電路中某個開關(guān)管 （IGBT）故障時，實施ASC可避免不可控整流對其它器件或動力電池的損壞。

3 三相主動短路應(yīng)用分析

前文已說明了電機控制器工作在ASC模式下電機輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及相電流成一定對應(yīng)關(guān)系，但根據(jù)實際測試驗證發(fā)現(xiàn)，不同的驅(qū)動電機下應(yīng)用ASC其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、相電流和轉(zhuǎn)速的變化曲線均有所不同，ASC模式下輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和相電流的對應(yīng)關(guān)系與電機本身固有輸出特性息息相關(guān)。

3.1 電動車高速失控應(yīng)用

在新能源純電動汽車中，車輛的唯一動力源為驅(qū)動電機，且目前大部分的電動車用電機類型為永磁同步電機，一旦驅(qū)動電機永磁體退磁或脫離半軸連接等故障發(fā)生，驅(qū)動電機可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速失控而引發(fā)整車失控，危及人身安全。圖6所示為匹配某純電動車型的驅(qū)動電機在ASC模式及逆變器關(guān)閉 （開關(guān)管全關(guān)斷）下輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的特性曲線。由曲線圖可知該電機在較高轉(zhuǎn)速 （7 000 r／min以上）下運行時如直接關(guān)閉逆變器電路將會產(chǎn)生很大的制動轉(zhuǎn)矩，對高速行駛中的車輛而言極其危險。對比ASC和逆變器關(guān)閉的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性，車輛高速下出現(xiàn)失控或嚴重故障時，在電機高轉(zhuǎn)速區(qū) （5 300 r／min以上）進入ASC模式，在電機低速區(qū) （5 300 r／min以下）進入逆變器關(guān)閉模式，為高速運行車輛安全停車較為有效的保護措施。

圖6 ASC與逆變器關(guān)閉轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線

3.2 反電勢過高保護應(yīng)用

由于電動機運行過程存在反電勢的特性，新能源汽車在行駛過程中如果出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速異常及控制不良等情況，極有可能出現(xiàn)電機的反電勢高于電機輸入電壓，從而引發(fā)反電勢通過逆變器倒灌動力電池，造成動力電池及相關(guān)高壓器件的損壞。因此在出現(xiàn)此類故障時，適宜地進入ASC控制模式尤為重要。

圖7為搭載于某款新能源電動汽車的驅(qū)動電機在不同轉(zhuǎn)速下反電勢與輸入電壓的對比曲線圖。由圖7可知電機反電勢與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，且在轉(zhuǎn)速大于3 000 r／min以上，均有可能出現(xiàn)反電勢高于輸入電壓的情況，因此在轉(zhuǎn)速大于3 000 r／min以上時，電機控制器應(yīng)考慮進入ASC狀態(tài)。

圖7 反電勢與輸入電壓對比曲線

值得注意的是，電機系統(tǒng)運行于ASC模式下，驅(qū)動電機相電流將遠高于正常工作狀態(tài)，并可能接近峰值電流，因此實際應(yīng)用時需確保相電流不超過電機的峰值電流，避免造成高壓器件的損壞。結(jié)合前文所分析ASC狀態(tài)下驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和相電流的關(guān)系，對該電機的特性測試數(shù)據(jù)如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知，ASC狀態(tài)下反向轉(zhuǎn)矩在電機轉(zhuǎn)速3 000 r／min以上已穩(wěn)定，且相電流為225 A （電機峰值電流為280 A）不超過峰值電流，那么該車輛電機控制器進入ASC控制模式可基于以下工況。

圖8 ASC電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖9 ASC電機相電流和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

1）動力電池輸出母線電壓為240VDC時，為了防止高反電動勢倒灌動力電池，電機轉(zhuǎn)速大于3 000 r／min時進入ASC模式。

2）動力電池輸出母線電壓為240~400VDC時，為了防止高反電動勢倒灌動力電池，電機轉(zhuǎn)速在3 000~5 000 r／min應(yīng)對比電機輸入端電壓和反電勢數(shù)據(jù)，在反電勢高于電機輸入端電壓時進入ASC模式。

3）動力電池輸出母線電壓400VDC時，為了防止高反電動勢倒灌動力電池，電機轉(zhuǎn)速大于5 000 r／min進入ASC模式。

3.3 車輛滑行及拖車保護應(yīng)用

驅(qū)動電機為新能源汽車的關(guān)鍵動力總成，而永磁同步電機對比其它類型電機具有效率高、轉(zhuǎn)矩和功率密度大、恒功率調(diào)速范圍寬等優(yōu)點而被廣泛采用。然而永磁同步電機因其轉(zhuǎn)子采用永久磁體，即使在不通電的情況下電機轉(zhuǎn)子磁性仍一直存在，因此永磁同步電機在被反拖時將會產(chǎn)生反電勢，且反電勢與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，高轉(zhuǎn)速反拖永磁同步電機可能引起電機控制器高壓器件甚至動力電池損壞。

目前大部分的新能源汽車驅(qū)動電機與傳動軸間沒有脫離裝置，那么搭載永磁同步電機的車輛在滑行工況及驅(qū)動輪著地拖車時電機將產(chǎn)生反電勢，對電機控制器開關(guān)管及其它高壓器件形成安全威脅。因此，車輛在滑行工況或臨時拖車時電機系統(tǒng)進入ASC模式，切斷了電機端與動力電池端電路連接，將反電勢電能通過電機定子繞組釋放，有效起到保護用電器安全。

4 結(jié)束語

目前電動汽車正處于高速發(fā)展時期，解決電動汽車特有安全問題為今后電動車技術(shù)領(lǐng)域的重點研究方向之一。伴隨著電動汽車的快速發(fā)展，關(guān)鍵系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)水平也越來越成熟，電機控制器開發(fā)中ASC已成為必不可少的一種保護功能。電動車電機系統(tǒng)工作在ASC狀態(tài)既有好處亦存在危害的特性，如何更好地發(fā)揮ASC有利作用，規(guī)避其危害，這需要電機控制器根據(jù)匹配驅(qū)動電機的特性及搭載車輛的行駛工況制定合理的控制策略。