基于ZCZVS升壓DC-DC雙向變換器與變頻器設(shè)計(jì)節(jié)能型電動(dòng)車(chē)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在電動(dòng)車(chē)中，蓄電池和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是兩個(gè)關(guān)鍵，它們的技術(shù)水平很大程度上決定著電動(dòng)車(chē)的主要性能。不同于一般工業(yè)和家用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)車(chē)上，不論是采用何種方式供給電能，能量都是有限的，因此為滿足電動(dòng)車(chē)的特殊性，新型的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)和功率變換裝置應(yīng)滿足以下一些基本要求：①高效率；②體積小重量輕；③高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)；④良好的調(diào)速性能和可控制性；⑤可靠性一定要高，使用壽命必須盡可能長(zhǎng)，少維護(hù)甚至是不維護(hù)；⑥降低噪聲和減小振動(dòng)，改善舒適性。

目前，我國(guó)電動(dòng)車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍以直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，普遍采用從蓄電池到功率變換器再到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的單向能量傳遞方式，它存在著很多不足。具體而言，直流電機(jī)雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控制性好、調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)較大、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)同樣不可忽視。有刷直流電機(jī)由于存在著機(jī)械換向部件電刷或換向器，很容易導(dǎo)致火花，噪聲和震動(dòng)嚴(yán)重，電磁干擾問(wèn)題突出，而且電刷或換向器的維護(hù)比較困難，使用壽命較短，此外，電機(jī)的體積十分龐大，造成有限空間的浪費(fèi)；無(wú)刷直流電機(jī)雖然克服了有刷電機(jī)的一些缺陷，但它的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)困難，整機(jī)價(jià)格頗高，性價(jià)比相對(duì)較低。再?gòu)南到y(tǒng)效率角度來(lái)看，由于絕大多數(shù)系統(tǒng)采用單向功率傳遞，使得車(chē)輛在剎車(chē)減速或下坡滑行時(shí)白白地浪費(fèi)了大量能量。此外，電刷、換向器等的機(jī)械震動(dòng)、摩擦，也造成了系統(tǒng)效率的降低。因此，本文針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本要求，提出一種新型的ZCZVS升壓DC-DC雙向變換器與變頻器相結(jié)合來(lái)驅(qū)動(dòng)鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能型電動(dòng)車(chē)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要作為電動(dòng)摩托車(chē)等輕型電動(dòng)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)裝置，其基本技術(shù)參數(shù)如下：輸入電壓為直流36V；直流變換器輸出電壓Vo為直流150V；驅(qū)動(dòng)電機(jī)容量不大于300W；實(shí)現(xiàn)減速、剎車(chē)能量可回饋功能；實(shí)現(xiàn)加減速可調(diào)、軟啟動(dòng)功能；具有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)功能等。

節(jié)能型電動(dòng)車(chē)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示，它包括蓄電池V5、ZCZVS升壓DC-DC變換器、三相橋式逆變電路、交流異步電機(jī)和相應(yīng)的控制、檢測(cè)單元。高頻電感L和電子開(kāi)關(guān)Su構(gòu)成升壓DC-DC變換器，為由S1“S6構(gòu)成的變頻調(diào)速器的逆變器提供輸入電壓，電容Csu為緩沖電容，反并聯(lián)二極管Dsu可以在能量回饋模式下進(jìn)行續(xù)流；Sd為能量回饋控制開(kāi)關(guān)，用于控制能量的流向和大小，電容Csd為緩沖電容，反并聯(lián)二極管Dsd可以在電動(dòng)運(yùn)行模式下進(jìn)行續(xù)流。當(dāng)車(chē)輛處于剎車(chē)減速或下坡滑行時(shí)，交流電機(jī)端反電勢(shì)將大于逆變器額定輸入電壓而處于發(fā)電狀態(tài)，那么檢測(cè)單元?jiǎng)幼?，它封鎖了升壓電路的電子開(kāi)關(guān)Su，同時(shí)打開(kāi)能量回饋開(kāi)關(guān)Sd，系統(tǒng)的能量被反饋到電源側(cè)。三相橋式逆變電路工作于VVVF模式下，當(dāng)車(chē)輛根據(jù)需求要進(jìn)行加、減速調(diào)節(jié)時(shí)，只需在給定的速度調(diào)節(jié)指令下，改變變頻調(diào)速電路控制，即可實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。另外，以鼠籠型異步電機(jī)作驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從結(jié)構(gòu)上克服了直流電機(jī)存在的不足，減少了維護(hù)工作，提高了整機(jī)系統(tǒng)容量和轉(zhuǎn)速，大大改善了可靠性和效率。

圖1 節(jié)能型電動(dòng)車(chē)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

主要單元電路設(shè)計(jì)

1 開(kāi)關(guān)管Su控制電路

根據(jù)要求，控制芯片需具有軟啟動(dòng)、過(guò)流、欠壓保護(hù)等功能，本系統(tǒng)選用Motorola公司的UC3842A，它是一種可以完成反饋電壓比較、誤差放大、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能的電流跟蹤型PWM控制集成電路。

開(kāi)關(guān)管Su控制電路如圖2所示。它的工作特性是：①最高電源電壓Vcc=30V，內(nèi)部有一個(gè)36V的穩(wěn)壓管可以有效防止高壓竄入造成損壞；②欠壓鎖定功能，啟動(dòng)電壓閾值為16V，關(guān)閉電壓為10V，6V的啟動(dòng)、關(guān)閉差值可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時(shí)產(chǎn)生振蕩；③自帶一個(gè)穩(wěn)定的5V參考電壓，由引腳8輸出供外部使用，輸出電流為20mA；④輸出高電平為13.5V（Vcc=15V，輸出電流200mA時(shí)），低電平為1.5V（輸入電流為200mA時(shí)）；⑤高、低電平的上升、下降時(shí)間為100ns，電流采樣信號(hào)（從引腳3輸入）大于1V時(shí)，脈寬調(diào)制鎖存器翻轉(zhuǎn)，輸出引腳6從高電平立即降至低電平，因此，改變電流采樣電阻的大小，就可以改變過(guò)流保護(hù)動(dòng)作的閾值。⑥電流跟蹤特性：圖2中流過(guò)開(kāi)關(guān)管Su的電流增大時(shí)，采樣電阻R21上的采樣電壓就增大，進(jìn)入U(xiǎn)C3842A引腳3的信號(hào)相應(yīng)變大，此時(shí)經(jīng)過(guò)3842A內(nèi)部的調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)，引腳6輸出脈沖的占空比相應(yīng)變小，使得DC-DC變換器輸出電壓降低，流經(jīng)Su上的電流相應(yīng)也變小，起到電流保護(hù)作用。

圖2 開(kāi)關(guān)管Su控制電路

2 開(kāi)關(guān)管Sd控制電路

在能量回饋時(shí)，開(kāi)關(guān)管Sd處于工作狀態(tài)，為了保證系統(tǒng)能量充分回饋，同時(shí)避免開(kāi)關(guān)管Sd長(zhǎng)時(shí)間承受大的回饋電流，采用555構(gòu)成的頻率為20kHz的“多諧振蕩器+高頻脈沖變壓器”來(lái)驅(qū)動(dòng)Sd。

圖3為“多諧振蕩器+高頻脈沖變壓器”組成的驅(qū)動(dòng)電路，其中由555構(gòu)成的多諧振蕩器的工作頻率為f=1.43/（R18+2R22）/C19。在該電路中，檢測(cè)與互鎖電路控制著555集成塊的引腳4。當(dāng)引腳4為高電平時(shí)，即檢測(cè)電路檢測(cè)到系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)入能量回饋狀態(tài)，多諧振蕩器開(kāi)始向Sd輸出開(kāi)關(guān)脈沖；當(dāng)引腳4為低電平時(shí)，系統(tǒng)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，多諧振蕩器不向Sd輸出開(kāi)關(guān)脈沖。

圖3 開(kāi)關(guān)管Sd控制電路

3 檢測(cè)與互鎖電路

在該系統(tǒng)中，檢測(cè)與互鎖電路具有異常重要的作用。首先，它通過(guò)檢測(cè)DC-DC變換器輸出端的電壓大小，來(lái)判定是否需要將電路工作模式從電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入能量回饋狀態(tài)或者從能量回饋狀態(tài)轉(zhuǎn)入電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；其次，它需要根據(jù)檢測(cè)及判斷的結(jié)果，相應(yīng)地控制電動(dòng)運(yùn)行開(kāi)關(guān)管和能量回饋開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。圖4為檢測(cè)及互鎖電路，其工作原理如下：首先根據(jù)DC-DC變換器正常工作時(shí)輸出電壓的大小，設(shè)定比較器引腳2的參考電壓，并采用電阻分壓器來(lái)檢測(cè)DC-DC變換器輸出端的電壓。當(dāng)系統(tǒng)處于下坡減速或剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，那么機(jī)端反電勢(shì)就大于DC-DC變換器的輸出電壓，也就是電阻分壓器檢測(cè)到的比較電壓大于給定的參考電壓，使得比較器翻轉(zhuǎn)，引腳1輸出為高電平，它迫使三極管Q1導(dǎo)通，將開(kāi)關(guān)管Su的門(mén)極信號(hào)下拉到低電平;另外，同樣由于分壓器提供給UC3842A引腳2的電壓超出芯片一內(nèi)部的參考電壓大小，它立即關(guān)斷UC3842A向外的脈沖輸出。這兩者很安全地封鎖了開(kāi)關(guān)管Su。同時(shí)，比較器引腳1的高電平進(jìn)入多諧振蕩器的引腳4，開(kāi)啟了多諧振蕩電路，使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入到能量回饋狀態(tài)下。

圖4 檢測(cè)及互鎖控制電路

4 主電路智能功率模塊IPM

在本系統(tǒng)中，三相逆變電路具有非常重要的作用，它不僅為鼠籠異步電機(jī)提供電源電壓，而且還要對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。在以往，逆變電路主要采用6個(gè)分離的IGBT單元來(lái)搭建，需要對(duì)每個(gè)IGBT單元提供驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路，它們要和整個(gè)主回路的過(guò)壓、短路保護(hù)電路及IGBT單元相匹配，使得變頻逆變電路的設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)碾y度。然而隨著智能功率模塊（IPM）的出現(xiàn)，這種局面得到了巨大地改變，尤其近幾年內(nèi)，IPM正在逐步取代普通IGBT模塊。

IPM模塊是以IGBT芯片為主體，將芯片及其門(mén)極驅(qū)動(dòng)、控制和過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、短路、欠壓鎖定等多種保護(hù)與故障檢測(cè)電路集成于一體的高性能大功率器件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小、性能穩(wěn)定、工作可靠、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)。因此，結(jié)合電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置的基本要求，本系統(tǒng)中選擇三菱公司生產(chǎn)的IPM模塊PS21255-E作逆變電路。

在PS21255-E模塊中，下橋臂的三個(gè)管子的漏極在同一點(diǎn)上，該點(diǎn)通過(guò)一個(gè)小的電流檢測(cè)電阻與系統(tǒng)的地相連，可直接用以系統(tǒng)地為參考點(diǎn)的+15V電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，但是上橋臂三個(gè)管子的漏極不在地點(diǎn)，需要通過(guò)外部電路，在下橋臂管子導(dǎo)通時(shí)，下橋臂的+15V驅(qū)動(dòng)電源同時(shí)給外部電容充電，當(dāng)下橋臂斷開(kāi)后，電容兩端保持+15V的電壓降，且其低電勢(shì)一端正好與上橋臂IGBT管的漏極相連，因此就實(shí)現(xiàn)了上橋臂IGBT管門(mén)極電壓比漏極高的自舉功能，很好地實(shí)現(xiàn)上橋臂管子的驅(qū)動(dòng)。

5 系統(tǒng)加減速

圖5 加減速控制邏輯流程圖

本系統(tǒng)采用SA866AE/AM芯片的VMON和IMON兩個(gè)引腳進(jìn)行加減速控制，控制流程如圖5所示。①如果VMON有效（即VMON≥0.5VDD），則加減速指令無(wú)效，該條件具有最高優(yōu)先，它可防止過(guò)度減速時(shí)再生能量通過(guò)功率管而導(dǎo)致過(guò)電壓。通常VMON＜0.5VDD時(shí)，可以進(jìn)行加減速調(diào)節(jié)。②如果IMON有效，無(wú)論UP、DOWN處于什么狀態(tài)，瞬時(shí)頻率都會(huì)被降低到預(yù)先設(shè)置的減速頻率水平上，若在瞬時(shí)頻率降到0時(shí)，IMON≥VDD，則PWM脈沖輸出截止，此時(shí)不能進(jìn)行任何加減速操作。該條件的優(yōu)先權(quán)比VMON低，它可以防止加速過(guò)高導(dǎo)致過(guò)流過(guò)熱損壞開(kāi)關(guān)管。③當(dāng)上述二者都無(wú)效時(shí)，運(yùn)算法則將綜合比較器的輸出邏輯、DIR引腳控制和計(jì)數(shù)器信號(hào)，一起得出最后的調(diào)速控制。

6 SA866AE/AM與EEPROM參數(shù)設(shè)定

SA866AE/AM的串行三線接口可與256位或1024位的串行EEPROM連接，如93C06或93C46。所有的參數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中，復(fù)位以后通過(guò)串行接口自動(dòng)下載。本系統(tǒng)擬采用93LC46進(jìn)行參數(shù)存儲(chǔ)，與SA866AE/AM的接口如圖6所示。

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