黃步甲，于海生，劉 野

（科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201501）

近幾年，中國(guó)從政策上積極推動(dòng)新能源汽車(chē)尤其是電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，目的是為了減少對(duì)石油的使用，降低車(chē)輛尾氣的排放，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)綠色能源消耗。

電機(jī)控制器作為電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)系統(tǒng)的核心部件，具備實(shí)現(xiàn)直流電和交流電的相互轉(zhuǎn)換，在電動(dòng)車(chē)正常行駛時(shí)可將動(dòng)力電池的直流電逆變成三相交流電，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電源并控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛；在電動(dòng)車(chē)滑行或制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)控制器可控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行于饋電模式，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能給動(dòng)力電池充電，有效地通過(guò)節(jié)約效能來(lái)提升電動(dòng)車(chē)的純電續(xù)航里程。

1 三相主動(dòng)短路電路分析

1.1 三相橋式逆變電路

電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)控制器目前主要采用三相橋式逆變器來(lái)實(shí)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(gè)正弦周期中，每個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)管開(kāi)通半個(gè)周期 （即180°），同一相上下橋臂開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差120°［1］，且任一瞬間有3個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，但不能出現(xiàn)同相橋臂上下開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)，否則會(huì)引起直流側(cè)電源短路。逆變器三相橋臂共有6個(gè)開(kāi)關(guān)管及6個(gè)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(kāi)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(kāi)關(guān)管只能一個(gè)導(dǎo)通則另一個(gè)關(guān)斷或互換兩種狀態(tài)，令Sa=1時(shí)，S1導(dǎo)通、S4關(guān)斷；Sa=0時(shí)，S1關(guān)斷、S4導(dǎo)通。

同理類(lèi)推Sb和Sc橋臂具有同樣的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，綜合Sa、Sb、Sc橋臂的開(kāi)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(dòng)短路電路

在表1中所列Sa、Sb、Sc的8種組合開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，7和8狀態(tài)下逆變器各相橋臂分別對(duì)應(yīng)下臂同時(shí)導(dǎo)通、上臂同時(shí)導(dǎo)通，此狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入ASC模式，開(kāi)關(guān)狀態(tài)電路如圖2、3所示，在ASC模式下，電機(jī)側(cè)和動(dòng)力電池側(cè)無(wú)法有效形成回路［3］。

表1 逆變器的三相橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)［2］

圖2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)7電路

圖3 開(kāi)關(guān)狀態(tài)8電路

2 三相主動(dòng)短路的特性及作用

2.1 三相主動(dòng)短路控制的特性

電機(jī)控制器可通過(guò)對(duì)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(lái)實(shí)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(jī)控制器工作在ASC模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)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(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、相電流的對(duì)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(dòng)電機(jī)輸出反向轉(zhuǎn)矩 （以車(chē)輛前進(jìn)為正向轉(zhuǎn)矩），且反向轉(zhuǎn)矩輸出絕對(duì)值與電機(jī)轉(zhuǎn)速變化成非線性，整體趨勢(shì)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(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖5 ASC電機(jī)相電流和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

2.2 三相主動(dòng)短路的主要作用

當(dāng)電機(jī)控制器進(jìn)入ASC模式時(shí)，因?yàn)楦飨鄻虮劬粚?dǎo)通，直流端與交流端電路不再形成回路，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，基于這些特性ASC模式合理運(yùn)用在電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中主要起到以下幾方面作用［4］。

1）整車(chē)失控時(shí)，實(shí)施ASC可產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，使車(chē)輛緩慢制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安全停車(chē)。

2）動(dòng)力電池故障時(shí)，實(shí)施ASC可使電機(jī)、電機(jī)控制器與動(dòng)力電池側(cè)隔離，保證整車(chē)高壓安全。

3）整車(chē)行駛過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高或異常時(shí)，實(shí)施ASC可避免過(guò)高的反電勢(shì)對(duì)動(dòng)力電池、母線電容及其它高壓器件的損壞。

4）電機(jī)控制器逆變電路中某個(gè)開(kāi)關(guān)管 （IGBT）故障時(shí)，實(shí)施ASC可避免不可控整流對(duì)其它器件或動(dòng)力電池的損壞。

3 三相主動(dòng)短路應(yīng)用分析

前文已說(shuō)明了電機(jī)控制器工作在ASC模式下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及相電流成一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，但根據(jù)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，不同的驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(duì)應(yīng)關(guān)系與電機(jī)本身固有輸出特性息息相關(guān)。

3.1 電動(dòng)車(chē)高速失控應(yīng)用

在新能源純電動(dòng)汽車(chē)中，車(chē)輛的唯一動(dòng)力源為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且目前大部分的電動(dòng)車(chē)用電機(jī)類(lèi)型為永磁同步電機(jī)，一旦驅(qū)動(dòng)電機(jī)永磁體退磁或脫離半軸連接等故障發(fā)生，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速失控而引發(fā)整車(chē)失控，危及人身安全。圖6所示為匹配某純電動(dòng)車(chē)型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在ASC模式及逆變器關(guān)閉 （開(kāi)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(jī)在較高轉(zhuǎn)速 （7 000 r／min以上）下運(yùn)行時(shí)如直接關(guān)閉逆變器電路將會(huì)產(chǎn)生很大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)高速行駛中的車(chē)輛而言極其危險(xiǎn)。對(duì)比ASC和逆變器關(guān)閉的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性，車(chē)輛高速下出現(xiàn)失控或嚴(yán)重故障時(shí)，在電機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū) （5 300 r／min以上）進(jìn)入ASC模式，在電機(jī)低速區(qū) （5 300 r／min以下）進(jìn)入逆變器關(guān)閉模式，為高速運(yùn)行車(chē)輛安全停車(chē)較為有效的保護(hù)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(shì)過(guò)高保護(hù)應(yīng)用

由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程存在反電勢(shì)的特性，新能源汽車(chē)在行駛過(guò)程中如果出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速異常及控制不良等情況，極有可能出現(xiàn)電機(jī)的反電勢(shì)高于電機(jī)輸入電壓，從而引發(fā)反電勢(shì)通過(guò)逆變器倒灌動(dòng)力電池，造成動(dòng)力電池及相關(guān)高壓器件的損壞。因此在出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)，適宜地進(jìn)入ASC控制模式尤為重要。

圖7為搭載于某款新能源電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下反電勢(shì)與輸入電壓的對(duì)比曲線圖。由圖7可知電機(jī)反電勢(shì)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(shì)高于輸入電壓的情況，因此在轉(zhuǎn)速大于3 000 r／min以上時(shí)，電機(jī)控制器應(yīng)考慮進(jìn)入ASC狀態(tài)。

圖7 反電勢(shì)與輸入電壓對(duì)比曲線

值得注意的是，電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行于ASC模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)相電流將遠(yuǎn)高于正常工作狀態(tài)，并可能接近峰值電流，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)需確保相電流不超過(guò)電機(jī)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(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和相電流的關(guān)系，對(duì)該電機(jī)的特性測(cè)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(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r／min以上已穩(wěn)定，且相電流為225 A （電機(jī)峰值電流為280 A）不超過(guò)峰值電流，那么該車(chē)輛電機(jī)控制器進(jìn)入ASC控制模式可基于以下工況。

圖8 ASC電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖9 ASC電機(jī)相電流和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

1）動(dòng)力電池輸出母線電壓為240VDC時(shí)，為了防止高反電動(dòng)勢(shì)倒灌動(dòng)力電池，電機(jī)轉(zhuǎn)速大于3 000 r／min時(shí)進(jìn)入ASC模式。

2）動(dòng)力電池輸出母線電壓為240~400VDC時(shí)，為了防止高反電動(dòng)勢(shì)倒灌動(dòng)力電池，電機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000~5 000 r／min應(yīng)對(duì)比電機(jī)輸入端電壓和反電勢(shì)數(shù)據(jù)，在反電勢(shì)高于電機(jī)輸入端電壓時(shí)進(jìn)入ASC模式。

3）動(dòng)力電池輸出母線電壓400VDC時(shí)，為了防止高反電動(dòng)勢(shì)倒灌動(dòng)力電池，電機(jī)轉(zhuǎn)速大于5 000 r／min進(jìn)入ASC模式。

3.3 車(chē)輛滑行及拖車(chē)保護(hù)應(yīng)用

驅(qū)動(dòng)電機(jī)為新能源汽車(chē)的關(guān)鍵動(dòng)力總成，而永磁同步電機(jī)對(duì)比其它類(lèi)型電機(jī)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(diǎn)而被廣泛采用。然而永磁同步電機(jī)因其轉(zhuǎn)子采用永久磁體，即使在不通電的情況下電機(jī)轉(zhuǎn)子磁性仍一直存在，因此永磁同步電機(jī)在被反拖時(shí)將會(huì)產(chǎn)生反電勢(shì)，且反電勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，高轉(zhuǎn)速反拖永磁同步電機(jī)可能引起電機(jī)控制器高壓器件甚至動(dòng)力電池?fù)p壞。

目前大部分的新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)軸間沒(méi)有脫離裝置，那么搭載永磁同步電機(jī)的車(chē)輛在滑行工況及驅(qū)動(dòng)輪著地拖車(chē)時(shí)電機(jī)將產(chǎn)生反電勢(shì)，對(duì)電機(jī)控制器開(kāi)關(guān)管及其它高壓器件形成安全威脅。因此，車(chē)輛在滑行工況或臨時(shí)拖車(chē)時(shí)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入ASC模式，切斷了電機(jī)端與動(dòng)力電池端電路連接，將反電勢(shì)電能通過(guò)電機(jī)定子繞組釋放，有效起到保護(hù)用電器安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前電動(dòng)汽車(chē)正處于高速發(fā)展時(shí)期，解決電動(dòng)汽車(chē)特有安全問(wèn)題為今后電動(dòng)車(chē)技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。伴隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，關(guān)鍵系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)水平也越來(lái)越成熟，電機(jī)控制器開(kāi)發(fā)中ASC已成為必不可少的一種保護(hù)功能。電動(dòng)車(chē)電機(jī)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(jī)控制器根據(jù)匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性及搭載車(chē)輛的行駛工況制定合理的控制策略。