馬 敬,張盛鋒
(1.湖南獵豹汽車股份有限公司長沙研究院,湖南 長沙 410000;2.大洋電機新動力科技有限公司,廣東 中山 528400)
近些年來,純電動汽車以零污染、噪聲小、加速性能好在汽車市場占有率越來越高,并且已成為未來汽車發(fā)展的趨勢。由驅(qū)動電機和驅(qū)動電機控制器組成的驅(qū)動電機系統(tǒng)作為純電動汽車的核心部件,一旦發(fā)生故障,就會給車輛帶來嚴重后果,甚至會危害人身安全,這就要求驅(qū)動電機系統(tǒng)具備高可靠性 (低故障率)、強適應(yīng)性,除此之外還應(yīng)具備高效率、高轉(zhuǎn)速、低質(zhì)量、低噪聲等性能特點。本文簡述純電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)控制原理,并針對某純電動汽車在連續(xù)顛簸路面驅(qū)動電機系統(tǒng)過流故障進行分析提出解決方案,為解決驅(qū)動電機系統(tǒng)故障提供依據(jù)和指導(dǎo)。
某純電動汽車搭載永磁同步驅(qū)動電機系統(tǒng)、固定速比減速器。驅(qū)動電機控制器 (MCU)由12V蓄電池供電,通過硬線喚醒,對驅(qū)動電機和驅(qū)動電機控制器的溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、扭矩、故障等狀態(tài)進行實時監(jiān)測與反饋,同時由高壓配電系統(tǒng)提供高壓電源,通過功率逆變模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾医涣麟娊o驅(qū)動電機提供電源。整車控制器 (VCU)根據(jù)擋位、加速踏板、制動踏板等輸入的信號發(fā)出控制指令,驅(qū)動電機和驅(qū)動電機控制器根據(jù)當前的狀態(tài)和整車控制器的指令調(diào)整電壓和電流使驅(qū)動電機輸出扭矩,實現(xiàn)車輛的加減速、能量回收等功能,確保為車輛提供持續(xù)不斷的動力。其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 某純電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖
車輛在襄陽國家檢測中心試驗場進行綜合耐久試驗時,駕駛員深踩加速踏板經(jīng)過坑洼顛簸路面,儀表顯示“驅(qū)動電機故障”,踩加速踏板車輛無力,重新啟動車輛恢復(fù)正常。從總線上采集故障發(fā)生時驅(qū)動電機系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù),顯示驅(qū)動電機過流故障,如圖2所示。從數(shù)據(jù)波形分析,①驅(qū)動電機實際扭矩:驅(qū)動電機達到峰值扭矩165Nm(屬于車輛急加速過程,與駕駛員深踩加速踏板吻合),在40ms內(nèi)發(fā)生突變從161Nm降低到8Nm,驅(qū)動電機的扭矩不能響應(yīng)VCU的指令,在極短時間內(nèi)多次出現(xiàn)了較大波動,過流故障出現(xiàn)后驅(qū)動電機停止輸出扭矩;②轉(zhuǎn)速:在40ms內(nèi)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速從2272r/min突變到3644r/min后,又迅速降低到1566r/min,極短時間內(nèi)多次出現(xiàn)較大波動。
圖2 電機過流故障發(fā)生時數(shù)據(jù)
在獵豹汽車試驗場人為的模仿襄陽試驗場故障發(fā)生時的工作條件和環(huán)境,使故障再現(xiàn)。深踩加速踏板加速通過連續(xù)減速帶路況時 (實際路面狀況如圖3所示)車輛發(fā)生相同現(xiàn)象,驅(qū)動電機報過流故障,停止扭矩輸出。從總線提取故障實時轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù),如圖4所示表現(xiàn)結(jié)果相同。現(xiàn)場檢查高低壓線束、驅(qū)動電機及驅(qū)動電機控制器硬件無異常,連接器無松動。
在驅(qū)動電機系統(tǒng)、高低壓線束、連接器等均無異常的前提下,綜合路況分析,車輛在大扭矩過顛簸路和減速帶時,由于路況的原因,輪胎會被頂起落空,頂起落空時處于空載狀態(tài),由于扭矩沒有變化導(dǎo)致加速度突變,電機轉(zhuǎn)速變化很快;當車輪胎落地時遇到阻力負載,電機轉(zhuǎn)速快速地回落;驅(qū)動電機反復(fù)處于負載突變、高頻的加速/減速過程,電機控制器的調(diào)節(jié)器無法響應(yīng)跟蹤,最終導(dǎo)致調(diào)節(jié)失控,硬件過流。
圖3 連續(xù)減速帶路況
圖4 加速過連續(xù)減速帶路況故障實時數(shù)據(jù)
當前,矢量控制是永磁同步電機比較常用的控制方法,在工程技術(shù)領(lǐng)域矢量控制技術(shù)也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。永磁同步電機系統(tǒng)的矢量控制方法是模擬直流電機的控制性能,以clark-park、反clark-park坐標變換為基礎(chǔ)進行數(shù)學運算,通過對定子電流在dq旋轉(zhuǎn)坐標系大小和方向進行控制,實現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制,一般包含經(jīng)PI調(diào)解控制的轉(zhuǎn)速控制環(huán)、電流控制環(huán),其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。文獻[1]~[7]闡述了基速以下的Id=0控制、MTPA控制和基速以上的弱磁控制等控制策略,以及采用模糊自整定的PID控制,可以使電機獲得更好的動態(tài)性能。
圖5 永磁同步電機矢量控制結(jié)構(gòu)框圖
前已論述,電機控制器大扭矩過顛簸路和減速帶時,電機控制器的調(diào)節(jié)器無法響應(yīng)指令扭矩,導(dǎo)致調(diào)節(jié)失控,硬件過流的根本原因為速度的突變,根據(jù)這一特征,MCU需要針對速度快速變化進行PI參數(shù)整定,加快電流環(huán)調(diào)節(jié)。同時,由于電機控制器采用了解耦控制,如圖6所示,電壓前饋補償型電流調(diào)節(jié)器[8]中,電機轉(zhuǎn)速突變后,兩項解耦項-ωrLqiq以及ωrLdid+ωrΨf會對電流控制造成極大的影響。通常電動汽車的控制中,考慮到電機轉(zhuǎn)速是個慣性環(huán)節(jié),會對ωr進行一定的濾波后再參與到電機電流調(diào)節(jié)控制中,可以解決低速起步抖動等問題。但在過顛簸路或減速帶時,尤其是大扭矩,由于對ωr濾波,轉(zhuǎn)速突變勢必會造成電流調(diào)節(jié)不跟隨,進而導(dǎo)致過流。本文針對電機轉(zhuǎn)速n突變,采取在低速時(n≤1200r/min)對轉(zhuǎn)速ωr進行一定的濾波控制,檢測到電機轉(zhuǎn)速突變及n>1200r/min及時反饋ωr的變化,防止兩項解耦項的失真,有效地解決了電流調(diào)節(jié)的失控,解決了過流故障。
圖6 電壓前饋補償型電流調(diào)節(jié)器
本文通過上述優(yōu)化方案后,在獵豹汽車試驗場連續(xù)大減速帶路況進行模擬測試,深踩加速踏板在減速帶上連續(xù)顛簸,轉(zhuǎn)速依舊有突變,MCU轉(zhuǎn)矩能夠跟隨VCU扭矩,不再出現(xiàn)過流故障??偩€上實時數(shù)據(jù)如圖7所示,測試數(shù)據(jù)由于路況的原因不可避免地依舊有較大的轉(zhuǎn)速波動,扭矩輸出根據(jù)實際狀況輪胎上減速帶加扭,輪胎下減速帶減扭,與理論遇到阻力增加力無阻力減小力一致,測試結(jié)果表明本方案有效地解決了連續(xù)顛簸路面驅(qū)動電機過流的問題。
圖7 優(yōu)化方案后加速過減速帶實時數(shù)據(jù)
驅(qū)動電機系統(tǒng)的故障發(fā)生率對汽車穩(wěn)定可靠的運行及控制起著極其重要的作用,過流故障是電動車驅(qū)動電機系統(tǒng)的常見故障之一,文章簡述了純電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)常見故障類型,針對連續(xù)顛簸路面驅(qū)動電機過流故障進行分析,由于負載的突變造成了驅(qū)動電機系統(tǒng)過流故障,并提出了基于電壓前饋補償性電流控制器優(yōu)化轉(zhuǎn)速濾波的方案,有效地解決了驅(qū)動電機系統(tǒng)在連續(xù)顛簸路面過流故障,為以后的相關(guān)研究及實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。
(編輯 凌 波)