電動汽車用電機控制器過電流保護方法

1、 微持電 棚 2 0 1 1 年 第 8 期驅動制? 一 。 ? 。 一 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。 ? ? 。 一 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 一 ? c’， ／ ／夠 ，磊? 一‘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(yè) 大學 ， 安徽合肥 2 3 0 0 0 9 )摘 要

2、 ： 系統(tǒng)地分析 了電機控制器過 電流故 障產生 的原 因 ， 建 立 了基 于 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A的 電控平 臺 ， 搭建 了 電流 的檢測 、 采樣 、 硬件 過流保護 電路和軟件 過流保護策略 ， 從而有效地解 決 了電機控制 器過 電流故障 的保 護 問題 ， 并 且提 出了減少過 流故 障的幾點建議 。關鍵詞 ： 電動汽車 ； 電機控制器 ； 過電流保護 中圖分 類號 ： T M3 3文獻標識碼

3、 ： A 文 章編號 ： 1 0 0 4 - 7 0 1 8 ( 2 0 1 1 ) 0 8 - 0 0 6 1 - 0 3Ov e r - Cu r r e n tPr o t e c t i o nM e t h o d so fEl e c t r i cVe h i c l eM o t o rCo n t r o i l e rWANG S h u-wa n g， XIS h i -h o n g， SUN C hu n

4、— z h e， zHoU Zh e n g， cUIXi n g— x i n g ( H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ， H e f e i2 3 0 0 0 9， C h i n a )Ab s t r a c t ： Th i sp a p e rs y s t e ma t i c a l l ya n a l y z e dt h ec a u s e

5、so fo v e r — c u r r e n ti nmo t o rc o n t r o l l e r ，b u i l tt h ep l a t f o r m o ft h ee —l e c t r o n i cc o n t r o lb a s e do nTMS 3 2 O L F 2 4 0 7 AD S P， a n de s t a b l i s h e dt h ec u r r e n td e

6、 t e c t i o n， s a mp l i n g ， o v e r —c u r r e n th a r d wa r ep r o t e c t i o nc i r c u i ta n do v e r - c u r r e n ts o f t wa r ep r o t e c t i o ns t r a t e g y ． W i t ht h e s e ． t h es y s t e m e f

7、 e c t i v e l ys o l v e st h ep r o b l e m o fo v e r- c u r e n ti nmo t o rc o n t r o l l e r ， a n dp r o p o s e ss o mes u g g e s t i o n so nh o w t or e d u c et h eo v e r — c u r r e n tf a u l to fmo t o

8、 rc o n t r o l l e r ．Ke ywo r d s ： e l e c t r i cv e h i c l e ； mo t o rc o n t r o l l e r ； o v e r — c u r r e n tp r o t e c t i o n0引 言 隨著能源危機 的 日益加劇 和環(huán)境壓力的增加 ，電動汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油汽車已經成為一個必然的 趨勢 ?。電驅動系統(tǒng)是電動汽車的心臟 ， 是提高電 動

9、汽車 的驅動性 能、 行 駛 里程 及 可靠性 的根本保 證 J ， 電機控制器是 電驅動 系統(tǒng) 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

10、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、 E M C濾波器 。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

11、線 出現短 收稿 日期 ： 2 0 1 l 一 0 2 — 1 5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 i慣性較大 ， 升速 ( 降速 ) 時間設 定太短 ， 電機控制器 i的工作 頻率 上升太 快 ， 同步 電機 的轉 速迅 速上 升 ( 下

12、降) ， 同步電機原來處于轉子產生的磁場與定子 j產生的旋轉磁場 同步 ， 當出現急加 速 ( 急剎車 ) 時， i電機的轉子轉速因慣性較大， 轉子速度仍處于高速 i旋轉 ， 轉子產生的磁場與定子的旋轉磁場 出現轉差 j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 由機內部故障引起過電流故障 ；i( 5 ) 驅動電機受

13、電磁干擾的影響， 漏電流變大，軍產生軸 電流、 軸 電壓 ， 引起電機控制器過電流 ；i( 6 ) 電 機控制器的 控制電路遭到電 磁干擾， 導 i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；疊( 7 ) 電 機 控 制 器 的 容 量 選 擇 與 負 載 特 性 不 匹 i配， 引起電 機 控制器 功能 和工 作異 常， 造 成過電 流；： 舔( 8 ) 電機控制器參數設定不正確和硬件 電路出問題 ， 也導致

14、過 電流 ；i過 電 時I h 3I ~ I G B電 T鬟 I 鉗 G B Tl I過 電 流 ； 如 瞬 時 斷 電 ， 電 流 產 生 尖 峰 ， 導 致過 l微持電 棚2 0 l 1 年 第 8 期驅 動 壯 制? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 一 c r ／ ／ 夠 ’蕩 ? ? !短 路 發(fā)生 時強 大 的電

15、流 流過 I G B T， 若 不 及 時 采取 保 護 ， 將 會 直 接 導 致 器 件 損 毀 。1 E D 0 2 0 1 1 2 一 F A 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 6 0 0V ／ 12 0 0V 的 I G B T或 I G B T模 塊 ， 該 驅 動 器提供 了過流保護 功能 ， 通 過檢測 電壓來 實現 I G B T 短路保護。1 E D 0

16、2 0 1 1 2 一 F A 的短路保護包 括兩部分 ： 一部 分 是 對 I G B T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 I G B T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 I G B T集 電極端的飽和電壓來實現 的。I G —B T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 ，會 明顯增至高于正常導通時的飽 和

17、壓降水平 ， 一般為 7V以上 ， 產生退飽和現象。檢 測 電路如 圖 6所 示 ， 電路 中， 芯 片 D E S A T引腳 與 C B I aR 。A T 和 D D E S A T構 成 了退 飽 和 檢 i 貝 4 電 路 ，D E S A T引腳端電壓變化可用下式表示 ：U D E s A T=2 5 0· R D E s A T+D D E s A T+。( 2 )圖 61E D 0 2 0 1 1 2 - F

18、A驅動保 護電路 在退飽和檢測時 ， 當 。高于門限值 9V時 ，即表 明 I G B T出現了短路或者過流 ， 此時芯片輸 出故障信號 ， 同時 O U T輸出低 電平來及 時關 閉 I G B T ，同時在延時 2s 后上傳故障信號。因為 I G B T導通 時 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(qū)， 以防止退飽和誤判斷 J 。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

19、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 I G B T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(tài)后 的 正常行駛 。如 圖 3所 示 ， 該 電路經 過濾

20、波 、 跟 隨和差 分得 到 ，， 該信號采集后 通過模數轉換輸 入到 D S P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 ， 。， 當 電流值超 過 了 ] l i m 值時就采用降低 電 機控制器工作頻率^ 的方 法 處 理 ( 降

21、 功 率 處理 ) ， 當電流值小 于 的值時再恢復到額 定值 。圖 8為 降 功 率 開始 電壓信 號 t蠢 羽 n 電壓信號]二一差分 lt瓦 ] 保護 策 略 。 6。 電動 車 一出現 堵 轉 時， 也會 出圖7 軟件保護流程 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 ， “

22、時就保持電機控制器工作 頻率 不變 ， 等到電流值小于 ，i時， 再增加電機控 制器 的工作頻率 ， 保證 電機控制器 的安全 。圖 9為延 長 時 間保 護 策 略 。fo余 ii = ．： ： 一DL — ———+f圖 8 降功率保護策略 3結 語 ， ▲￡￡，蘭，圖 9 延長 時間保護策 略 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

23、， 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(fā)、 采購 、 加工、 調試都需要注意， 系 統(tǒng)地考慮故障問題。參 考文 獻 [ 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 ， 2

24、 0 0 2 ．[ 2 ] 陳清泉． 環(huán)境保 護和 電動 車的開 發(fā) [ J ] 江 蘇機 械制造 與 自動 化 ， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 3 — 7 ．[ 3 ]李銳 ． 變頻器過 流原 因分析 [ M] ． 印刷雜 志出版社 ， 2 0 0 6 ．[ 4 ]B o h o nHR ． I n v e s t i g a t i o ni n t oac l a s so fb r u s h l e s sD Cm o t

25、 o rw i t hq u a s i s q u a r ev o l t a g ea n dc u r r e n t [ J] ． I E EP R O C ， P t 2 B ， 1 9 8 6 ， 1 3 3( 2 ) ： 1 0 3 — 1 1 1 ．[ 5 ] 施 賢能 ， 吳庚 澤 ， 朱 元． 1 E D 0 2 0 1 1 2 一 F A在 驅動 中大功率 I G B T中的應用 [ J ] ． 企業(yè)技術開發(fā) (

26、 學術版) ， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 5 ) ： 4 — 6 ．[ 6 ] 張燕賓． S P WM 變頻 調速應 用技術 [ M] ． 北京 ： 機械工 業(yè) 出版 社 ． 2 0 0 1 ．作者簡介 ： 王淑旺 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 博士 ， 副教 授 ， 碩士生導師 ， 研 究 ；方 向 為 電 動 汽 車 電 驅 動 系 統(tǒng) 和 汽 軸動 化 裝 備 ?！?一～一一 } 一， ～r ●電動汽車 用電機控制