劉向辰

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

電動(dòng)汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是由電子中央控制單元、逆變器驅(qū)動(dòng)單元、交流/直流電動(dòng)機(jī)、傳感器單元以及變速差速單元等組成，電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)組成框架如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)組成框架

圖1中，當(dāng)駕駛員的油門和剎車信號(hào)作為輸入信號(hào)進(jìn)入電子中央控制單元時(shí)，指令信號(hào)通過放大并轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，將PWM信號(hào)送至逆變器驅(qū)動(dòng)單元，由逆變器驅(qū)動(dòng)單元調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使車輛按照駕駛員的目標(biāo)指令行駛［1］。

因此在整個(gè)電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，逆變器驅(qū)動(dòng)的作用十分關(guān)鍵，它起到協(xié)調(diào)電動(dòng)機(jī)和蓄電池之間能量平衡以及匹配電動(dòng)機(jī)輸出功率的巨大作用［2］。

為了提高逆變器Z型電路IGBT運(yùn)行的安全性和可靠性，吳越［3］等人通過仿真比較IGBT一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)故障通斷狀態(tài)，對(duì)斷路狀態(tài)下的電流故障分量進(jìn)行討論，與離線故障量進(jìn)行對(duì)比，得出故障判斷結(jié)果。謝敬青［4］通過標(biāo)記故障IGBT工況下的3次、5次、7次諧波分量的幅值和相位，通過與正常運(yùn)行狀態(tài)下的IGBT諧波的幅值和相位進(jìn)行FFT［5］分析比對(duì)，最后確定故障類型，提高了檢測(cè)精度。

在充分研究以上文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備，該設(shè)備通過內(nèi)部IGBT斷路/短路探測(cè)分檢電路將檢測(cè)到的IGBT故障電流信號(hào)送至數(shù)字式DSP TMS320F2812［6-7］進(jìn)行分析處理，將分析處理后的故障結(jié)果通過LED顯示至屏幕上，極大程度提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性和售后便捷性。

1 電動(dòng)汽車IGBT斷路與短路問題

電動(dòng)汽車在行駛過程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT組件工作環(huán)境一般較為苛刻，經(jīng)常處于線路過電壓沖擊和負(fù)載過電流沖擊的工況下，致使IGBT更加容易出現(xiàn)故障，其中最為常見的故障是IGBT短路現(xiàn)象和IGBT斷路現(xiàn)象。

電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT組件出現(xiàn)故障的原因主要有以下幾點(diǎn)。

1.1 短時(shí)間內(nèi)電流急劇升高

由于線路或負(fù)載阻抗出現(xiàn)變化、逆變器控制序列出錯(cuò)等原因?qū)е陆?jīng)過IGBT的電流瞬時(shí)增大，超過了IG?BT允許流過的最大電流值，造成IGBT組件出現(xiàn)問題。

1.2 外部機(jī)械力

當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)IGBT組件受到人為外力或車輛碰撞等狀況時(shí)，有可能導(dǎo)致IGBT出現(xiàn)故障。

1.3 長(zhǎng)時(shí)間高溫工作

當(dāng)IGBT長(zhǎng)時(shí)間工作在溫度超過其能承受的最高溫度時(shí)（目前普遍采用的是能夠承受150℃的IGBT），IGBT也會(huì)面臨故障風(fēng)險(xiǎn)。

2 電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備

在研究了多種較為常見的IGBT現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備的控制單元包括：故障LED顯示、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)調(diào)理和數(shù)據(jù)處理等分模塊。

該設(shè)備具有以下功能：

功能1：IGBT短路現(xiàn)象以及斷路現(xiàn)象判斷與分析；

功能2：故障現(xiàn)象的實(shí)時(shí)顯示。

基于TMS320F2812數(shù)字芯片DSP的IGBT故障探測(cè)分檢電路控制原理如圖3所示。

圖3 基于TMS320F2812數(shù)字芯片DSP的IGBT故障探測(cè)分檢電路控制原理

IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備的控制單元采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812。

本設(shè)備的數(shù)字信號(hào)芯片選用德州TI公司出品的TMS320F2812，該芯片采用32位運(yùn)算、150 MHz芯片工作運(yùn)算頻率，計(jì)算分析精確度高、功耗低、性能穩(wěn)定、功能拓展快捷、存儲(chǔ)量大等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于制造業(yè)流水線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、特高壓交直流變換、手持機(jī)械裝置、醫(yī)用電動(dòng)手術(shù)設(shè)備等多個(gè)行業(yè)。

TMS320F2812芯片的內(nèi)部存儲(chǔ)空間為256 kb×16 bit，如需要擴(kuò)展時(shí)，可以由外部擴(kuò)充至512 kb×16 bit nor flash；RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器為34 kb×16 bit，如需要擴(kuò)展時(shí)，可以由外部擴(kuò)充至256 kb×16 bit SRAM；并且采用多種通訊總線，如：SPI、CAN、I2C以及PWM，完全能夠滿足本設(shè)備故障采集、調(diào)理、運(yùn)算和數(shù)據(jù)儲(chǔ)備要求。

TMS320F2812最小外部拓?fù)浣M件還包括：上拉電阻、下拉電阻、時(shí)鐘晶體振蕩電路、看門狗復(fù)位電路、EEPROM、供電電源、外部拓展存儲(chǔ)器等。

供電電源選擇基于HWD70302芯片的供電電路，該電路的輸入電壓為5 V，輸出電壓有3種，分別為3.3 V、2.5 V和1.9 V，可以滿足TMS320F2812芯片的正常供電；EEPROM全稱為選擇帶電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，它是一種在斷電后數(shù)據(jù)依舊存在的芯片，經(jīng)過通電擦除以后，可以再次編輯、書寫、導(dǎo)入程序，本產(chǎn)品采用的EEPROM為HWD24C256；晶體振蕩電路主要作用是生成振蕩頻率，廣泛應(yīng)用于各種DSP電路中，該產(chǎn)品一般由金屬外殼封裝，封裝內(nèi)部一般為IC電子器件組成的振蕩部分。

針對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT短路現(xiàn)象和斷路現(xiàn)象可以快速實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)，IGBT斷路/短路探測(cè)分檢電路如圖4所示。

圖4 IGBT斷路/短路探測(cè)分檢電路

通過IGBT斷路/短路探測(cè)分檢電路，可將電動(dòng)汽車IGBT短路或斷路現(xiàn)象實(shí)時(shí)傳輸?shù)絃ED顯示屏上，幫助維修售后人員快速判斷故障類型以及故障出現(xiàn)的原因。相比于傳統(tǒng)檢測(cè)方式，IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備能夠更加準(zhǔn)確、快速地判斷出IGBT故障類型。

IGBT手持式故障探測(cè)分檢模塊中的電壓傳感器選用直流/交流霍爾光電型三相電壓穿孔傳感器（電流變換規(guī)格為0～5 A轉(zhuǎn)4～20 mA），霍爾光電型三相電壓穿孔傳感器是基于物理學(xué)中的霍爾特性，將需要測(cè)量電壓的一側(cè)經(jīng)過外接電阻或者內(nèi)接電阻，從而使得需要測(cè)量端的電流嚴(yán)格限制在10 mA以內(nèi)，測(cè)量端的微小電流信號(hào)經(jīng)過電磁繞組后，通過電磁繞組磁場(chǎng)的作用，在電磁感應(yīng)定理的作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，在檢測(cè)端被霍爾元件探測(cè)到，該感應(yīng)電壓值即為測(cè)量端的電壓；放大芯片選用CA3130輸入高阻運(yùn)算放大器；比較運(yùn)算放大器選用LM211D，LM211D集電極和發(fā)射極的輸出信號(hào)穩(wěn)定，精度較高；隔離光電耦合選用PC817AC非線性隔離光電耦合，隔離光電耦合的結(jié)構(gòu)是將發(fā)光二極管和光敏組件連接在一起，使幾個(gè)電路之間通過光信號(hào)連接，而沒有直接的電信號(hào)連接，這樣可以消除由于電信號(hào)連接而產(chǎn)生的電磁干擾問題，隔離光電耦合在實(shí)際工程項(xiàng)目中經(jīng)常用到。

本設(shè)備設(shè)計(jì)的隔離光電耦合電路的隔離電容低于1 pF；電流直流分量的傳輸比為20%～25%，其光電傳輸效能較好；隔離端兩側(cè)的絕緣電壓為1～5 KV，絕緣電阻為1 kΩ；電壓降落飽和值較低，為0.3 V；動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。

IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備需要+12 V直流電源作為能量來源，通過逆變器將220 V交流電轉(zhuǎn)換成12 V直流電。

3 硬件電路原理分析與設(shè)計(jì)

在軟件Altium designer 14下設(shè)計(jì)了PCB硬件電路原理圖，IGBT故障電流采集調(diào)理電路PCB原理如圖5所示。

圖5 IGBT故障電流采集調(diào)理電路PCB原理

設(shè)計(jì)IGBT故障電流采集調(diào)理電路的核心是放大運(yùn)算電路，本設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)的IGBT故障電流采集調(diào)理電路采用了兩個(gè)放大運(yùn)算電路，放大運(yùn)算電路是現(xiàn)今電力、電子和自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛也是最基礎(chǔ)的電子單元之一，它是構(gòu)成大容量集成運(yùn)算電路的基礎(chǔ)部件。所謂放大運(yùn)算電路，就是將微小的電信號(hào)，一般為十幾毫安、微安的電壓、電流信號(hào)，不失真的放大到需要的數(shù)值，且在放大過程中，電壓、電流的波形、幅頻等關(guān)鍵特性與原信號(hào)一致，不得改變。

通過故障電流采集調(diào)理電路，可以將IGBT斷路故障電流和短路故障電流準(zhǔn)確檢測(cè)并采集，并送至數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812，進(jìn)行分析和處理。

基于RS422芯片的數(shù)據(jù)通訊傳輸電路PCB原理如圖6所示。

圖6 基于RS422芯片的數(shù)據(jù)通訊傳輸電路PCB原理

RS422是數(shù)字平均電壓電路接口通道的簡(jiǎn)寫，RS422在傳輸信號(hào)時(shí)，一共使用了5根數(shù)字信號(hào)傳輸線，其中最后1根為地線。相比于RS232，RS422由于采用了輸入端高阻值、輸出端低阻值，從而使RS422有更加優(yōu)異的帶動(dòng)負(fù)載能力和信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，因此在同一條信號(hào)傳輸線路上，可以連接更多的接收端點(diǎn)（最多可以連接256個(gè)接收端點(diǎn)），且不影響其余端點(diǎn)信號(hào)的正確、實(shí)時(shí)傳送。

標(biāo)準(zhǔn)的RS422包含1個(gè)主收發(fā)端點(diǎn)和若干個(gè)從收發(fā)端點(diǎn)，但是從收發(fā)端點(diǎn)之間不能自主完成信號(hào)的傳送，RS422的最大輸入阻抗為4 kΩ，最大帶動(dòng)負(fù)載能力為10×4 kΩ+100 Ω。

RS422各個(gè)收發(fā)端點(diǎn)采用獨(dú)立的接收和發(fā)送通路，所以不用考慮數(shù)據(jù)傳送方向選定的問題，每個(gè)收發(fā)端點(diǎn)之間信息和數(shù)碼的交互可以采用軟件和硬件兩種方式。RS422最遠(yuǎn)且不失真的信息傳送距離為1 200 m左右，在此距離內(nèi)最大傳輸速率為10 Mb/s，但由于其采用的傳輸線制造材料為雙絞線，因此其數(shù)據(jù)傳送過程中，數(shù)據(jù)傳送距離和傳送速率成反比，因此在實(shí)際工程項(xiàng)目中，一般傳輸速率保持穩(wěn)定在100 kb/s以下。

RS422作為一種全雙工通信方式，其信號(hào)在采集、調(diào)理過程中，具有反射干擾，信號(hào)傳輸精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高精度傳送。

4 現(xiàn)場(chǎng)分析與檢測(cè)

通過電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析，IGBT斷路故障和短路故障電流實(shí)驗(yàn)結(jié)論如圖7所示。

通過實(shí)驗(yàn)分析，比較圖7中（a）和（b）可以清晰看出，斷路故障電流的階躍峰值持續(xù)時(shí)間明顯高于短路故障電流的階躍峰值持續(xù)時(shí)間。由此可以看出，電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備可以準(zhǔn)確判斷出電子器件的斷路故障和短路故障，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸至數(shù)字信號(hào)處理器CPU，通過計(jì)算分析由LED顯示出來，大大降低了故障的檢測(cè)精度、提高了方便性。

圖7 實(shí)驗(yàn)分析

5 結(jié)論

電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)逆變器IGBT手持式故障探測(cè)分檢設(shè)備，通過內(nèi)部IGBT斷路/短路探測(cè)分檢電路將檢測(cè)到的IGBT故障電流信號(hào)送至數(shù)字DSP TMS320F2812進(jìn)行運(yùn)算、比對(duì)和處理，將分析處理后的故障結(jié)果通過LED顯示至屏幕上，可以方便、快捷、準(zhǔn)確的判斷車輛用逆變器IGBT存在的故障問題。