電動汽車主動短路保護(hù)策略的分析及應(yīng)用

電驅(qū)動系統(tǒng)作為電動汽車的動力來源，當(dāng)系統(tǒng)功能出現(xiàn)故障時(shí)，分析其危害和風(fēng)險(xiǎn)，確保電驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)入安全工作狀態(tài)：主動短路工作狀態(tài)ASC、開路工作狀態(tài)OC或0-Torque控制狀態(tài)，是一項(xiàng)必要任務(wù)。

下面將從以下幾點(diǎn)來介紹高壓電驅(qū)系統(tǒng)安全保護(hù)策略：

• 什么是ASC；
• ASC狀態(tài)下電流隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢；
• ASC狀態(tài)下電機(jī)制動力矩隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢；
• 什么是****OC；
• 什么是0-torque控制；
• 安全保護(hù)策略： OC、ASC、0-torque的選擇機(jī)制

1. 主動短路工作狀態(tài)：ASC

主動短路又叫ASC（active shortcircuit），以電驅(qū)系統(tǒng)搭載三相IGBT功率模塊為例，通過關(guān)斷IGBT的上橋臂三個(gè)管，同時(shí)開通下橋臂三個(gè)管，如圖1所示；或者開通IGBT的上橋臂三個(gè)管，同時(shí)關(guān)斷下橋臂三個(gè)管，即為主動短路保護(hù)安全工作狀態(tài)。

圖1.下橋臂主動短路時(shí)IGBT的工作狀態(tài)

主動短路工作狀態(tài)時(shí)，電機(jī)定子繞組與下橋臂的IGBT形成閉環(huán)回路，電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢能量通過定子繞組釋放出來，電機(jī)輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的制動力矩。以峰值為150kw的永磁同步電機(jī)為例，仿真ASC工作狀態(tài)下電流和電機(jī)制動力矩隨轉(zhuǎn)速的變化情況。

永磁同步電機(jī)的磁鏈方程如下：

當(dāng)進(jìn)入ASC工作狀態(tài)時(shí)，電機(jī)輸入d軸和q軸電壓為0，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，則得：

ASC工作狀態(tài)時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下，穩(wěn)態(tài)Id電流隨著轉(zhuǎn)速升高而急速升高，到達(dá)一定轉(zhuǎn)速后，電流基本不變，就等于特征電流，如圖2所示，僅供參考。具體值與電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)：磁鏈、電感、極對數(shù)、繞組電阻等相關(guān)。

圖2. ASC狀態(tài)下Id電流仿真曲線

ASC工作狀態(tài)時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下，穩(wěn)態(tài)Id電流隨在低速區(qū)隨著轉(zhuǎn)速升高而急速增大，后隨著轉(zhuǎn)速升高而急速減小，高速區(qū)趨于穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3. ASC狀態(tài)下Iq電流仿真曲線

ASC工作狀態(tài)時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下，電機(jī)輸出扭矩在低速區(qū)隨著轉(zhuǎn)速升高而急速增大，后隨著轉(zhuǎn)速升高而急速減小，高速區(qū)趨于穩(wěn)定，如圖4所示。

圖4. ASC狀態(tài)下電機(jī)制動力矩仿真曲線

主動短路ASC****時(shí)，電驅(qū)系統(tǒng)的特性：

• 低速區(qū)產(chǎn)生顯著的制動力矩；
• 反電動勢產(chǎn)生的持續(xù)電流可能會引起電機(jī)過熱；
• 電機(jī)過熱導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鋼退磁風(fēng)險(xiǎn)；
• 電機(jī)過熱引起逆變器過熱，導(dǎo)致逆變器損壞；

2. 開路工作狀態(tài)：OC

開路保護(hù)工作狀態(tài)又叫OC（open circuit）或Freewheeling，以電驅(qū)系統(tǒng)搭載三相IGBT功率模塊為例，通過開通IGBT上橋臂和下橋臂所有的管，逆變器進(jìn)入被動整流的狀態(tài)，即為開路保護(hù)，如圖5所示。

圖5.開路時(shí)IGBT的工作狀態(tài)

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速區(qū)，如果進(jìn)入開路保護(hù)工作狀態(tài)，則電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢高于母線電壓，經(jīng)過續(xù)流二極管向高壓電池整流回饋，形成閉合回路，如圖5所示，此時(shí)電機(jī)端產(chǎn)生較大制動轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，這種不可控的被動整流使得電機(jī)反電動勢對掛在直流母線上的器件，例如：母線電容、IGBT等，產(chǎn)生較大沖擊危害。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速區(qū)，如果進(jìn)入開路保護(hù)工作狀態(tài)，則電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢低于母線電壓，無法經(jīng)過續(xù)流二極管向高壓電池整流回饋，也就無法形成閉合回路，此時(shí)電機(jī)端空載運(yùn)行。此時(shí)，電機(jī)反電動勢對掛在直流母線上的器件不會產(chǎn)生沖擊危害。

開路保護(hù)OC 時(shí)，電驅(qū)系統(tǒng)的特性 ：

• 高速區(qū)相電流流過續(xù)流二極管；
• 高速區(qū)高反電動勢給母線上器件帶來沖擊危害；
• 高速區(qū)電機(jī)輸出端產(chǎn)生非預(yù)期的大制動力矩；
• 低速區(qū)電機(jī)輸出端只存在軸承等摩擦力矩。

3. 0-torque控制工作狀態(tài)

0-torque控制顧名思義就是逆變器進(jìn)入0Nm控制狀態(tài)，即電機(jī)輸出扭矩為0Nm。然而，0-torque控制工作狀態(tài)的前提條件是：高壓、低壓供電正常，電驅(qū)系統(tǒng)能執(zhí)行0Nm輸出。

4. 安全保護(hù)策略：ASC、OC、0-torque的選擇機(jī)制

汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262嚴(yán)格要求：電驅(qū)動系統(tǒng)以及整車其他系統(tǒng)（如：電池、DCDC、充電器、整車VCU等）出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)控制器接受到故障，并做出及時(shí)響應(yīng)，進(jìn)入安全工作狀態(tài)，以便電驅(qū)動運(yùn)行在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)，避免人員遭受傷害，同時(shí)，也盡可能免電驅(qū)系統(tǒng)再次破壞。電驅(qū)系統(tǒng)在安全工作狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，需規(guī)避以下事件的發(fā)生：

避免整車出現(xiàn)無目的扭矩和車速輸出造成人員傷亡；

避免過高的反電動勢或高電池包電壓輸出造成人員傷亡；

避免過高的反電動勢對掛在母線上各器件（如：IGBT、DC電容等）的損壞；

避免過高的溫度造成逆變器的損壞或轉(zhuǎn)子磁鋼退磁；

等等……..

通過分析電驅(qū)動系統(tǒng)安全工作狀態(tài)：ASC、OC的特性，可大致按下述機(jī)制來進(jìn)入安全工作狀態(tài)，如圖6所示：

• 當(dāng)母線電壓足夠大時(shí)，則考慮進(jìn)入開路保護(hù)工作狀態(tài)OC；
• 當(dāng)母線電壓不夠大，存在反電勢反超母線電壓現(xiàn)象時(shí)，則考慮在低速區(qū)進(jìn)入開路保護(hù)工作狀態(tài)OC，高速區(qū)進(jìn)入主動短路保護(hù)工作狀態(tài)ASC。因此，低速區(qū)采用OC避免采用ASC產(chǎn)生大的制動力給車輛運(yùn)行造成大沖擊，而影響駕駛舒適性；高速區(qū)采用ASC避免采用OC產(chǎn)生大的反電動勢給母線上器件帶來沖擊危害。

圖6.安全工作狀態(tài)選擇機(jī)制一

考慮到主動短路工作狀態(tài)容易造成電機(jī)或逆變器過熱，可在高速區(qū)設(shè)計(jì)主動短路和0-torque控制相結(jié)合的方式來調(diào)節(jié)安全工作狀態(tài)，如圖7所示，當(dāng)0-torque控制引入時(shí)，還需要考慮功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262的話，則整個(gè)安全工作狀態(tài)選擇機(jī)制的控制系統(tǒng)將需設(shè)計(jì)得更復(fù)雜：在故障發(fā)生時(shí)，不僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)控0-torque控制是否能正常執(zhí)行，還需監(jiān)控0-torque控制的路徑不會引起無目的地扭矩輸出，對于容錯(cuò)時(shí)間間隔（FTTI）的控制也是個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖7.安全工作狀態(tài)選擇機(jī)制二

整車系統(tǒng)或電驅(qū)系統(tǒng)出現(xiàn)故障影響到駕駛安全性時(shí)，基于高壓功能安全考慮，整車系統(tǒng)會第一時(shí)間斷開高壓繼電器，禁止電池高壓輸出，避免故障發(fā)生時(shí)高壓電源還在輸出造成人員危險(xiǎn)，此時(shí)也就無法執(zhí)行0-Torque控制。

相對而言，OC和ASC的實(shí)現(xiàn)就更簡單、更快速。無論何種系統(tǒng)故障或硬件故障的發(fā)生，逆變器硬件層面都可通過器件或電路相互監(jiān)控達(dá)到OC和ASC快速實(shí)現(xiàn)和切換。因此，為了追求簡單、高效，當(dāng)前大部電驅(qū)系統(tǒng)開采用了如圖6所示的安全工作狀態(tài)選擇機(jī)制一，當(dāng)然，少部分供應(yīng)商采用ASC與0-torque控制相結(jié)合的方式，如圖7所示安全工作狀態(tài)選擇機(jī)制二。

基于系統(tǒng)架構(gòu)、軟件架構(gòu)以及硬件架構(gòu)，觸發(fā)安全工作狀態(tài)，不同的故障，需要結(jié)合故障發(fā)生的時(shí)間、發(fā)生的位置以及功能安全等信息，來選擇軟件層面或硬件層面觸發(fā)對應(yīng)的安全工作狀態(tài)。

5. 拖車保護(hù)應(yīng)用

車輛發(fā)生故障或某些特殊情況時(shí)，需驅(qū)動輪著地被臨時(shí)拖車，當(dāng)電動汽車驅(qū)動電機(jī)與傳動軸間沒有脫離裝置時(shí)，則電機(jī)將產(chǎn)生反電勢。此時(shí)，我們就需要考慮電動車在臨時(shí)被拖車時(shí)的安全工作狀態(tài)：

• 若將電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)入OC模式，則存在反電動勢對電機(jī)控制器開關(guān)管、母線電容及其它器件形成安全威脅；
• 若將電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)入ASC模式，則反電勢電能通過電機(jī)定子繞組釋放，有效起到保護(hù)用電器安全，但也存在低速拖車時(shí)制動力矩大、高速拖車時(shí)間長導(dǎo)致過熱的風(fēng)險(xiǎn)。

正所謂：兩害取其輕，故電動車在臨時(shí)被拖車時(shí)往往將電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)入ASC模式。購買了新能源電動汽車的朋友會發(fā)現(xiàn)電動車使用說明書標(biāo)注：不允許驅(qū)動輪著地拖車，如圖8所示，必要時(shí)，可允許短距離、短時(shí)間的情況下保持低車速（如5km/h）的牽引拖動，就是因?yàn)楸煌宪嚂r(shí)電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)入了ASC工作狀態(tài)。另外，有人可能會提出0-torque控制用于臨時(shí)拖車，但往往是車輛出現(xiàn)了故障才要求臨時(shí)拖車，正如前面提到:基于功能安全考慮，故障發(fā)生后母線電壓是斷開的，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)0-torque控制。

特殊情況下，如電池電量低，找不到備用電，需要臨時(shí)拖車搶援，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動輪著地牽引電動車，具體操作如下：被牽引電動車輛必須掛入D擋，并踩壓油門踏板保持一定的行程。這樣的操作是模擬被牽引車輛的電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電模式的運(yùn)行工況，前提是車輛動力/控制系統(tǒng)能正常工作，牽引速度可達(dá)到較高車速，如45千米每小時(shí)，被牽引的車輛相當(dāng)于在充電。