節能型交流驅動(dòng)系統在電動(dòng)車(chē)中的應用

在電動(dòng)車(chē)中，蓄電池和電驅動(dòng)系統是兩個(gè)關(guān)鍵，它們的技術(shù)水平很大程度上決定著(zhù)電動(dòng)車(chē)的主要性能。不同于一般工業(yè)和家用電驅動(dòng)系統，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(mǎn)足電動(dòng)車(chē)的特殊性，新型的電驅動(dòng)系統中的電機和功率變換裝置應滿(mǎn)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)轉矩倍數；④良好的調速性能和可控制性；⑤可靠性一定要高，使用壽命必須盡可能長(cháng)，少維護甚至是不維護；⑥降低噪聲和減小振動(dòng)，改善舒適性。

目前，我國電動(dòng)車(chē)電驅動(dòng)系統仍以直流電機驅動(dòng)為主，普遍采用從蓄電池到功率變換器再到驅動(dòng)電機的單向能量傳遞方式，它存在著(zhù)很多不足。具體而言，直流電機雖然具有結構簡(jiǎn)單、可控制性好、調速范圍寬、起動(dòng)轉矩倍數較大、控制電路相對簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)同樣不可忽視。有刷直流電機由于存在著(zhù)機械換向部件電刷或換向器，很容易導致火花，噪聲和震動(dòng)嚴重，電磁干擾問(wèn)題突出，而且電刷或換向器的維護比較困難，使用壽命較短，此外，電機的體積十分龐大，造成有限空間的浪費；無(wú)刷直流電機雖然克服了有刷電機的一些缺陷，但它的轉子位置檢測困難，整機價(jià)格頗高，性?xún)r(jià)比相對較低。再從系統效率角度來(lái)看，由于絕大多數系統采用單向功率傳遞，使得車(chē)輛在剎車(chē)減速或下坡滑行時(shí)白白地浪費了大量能量。此外，電刷、換向器等的機械震動(dòng)、摩擦，也造成了系統效率的降低。因此，本文針對以上問(wèn)題，結合電驅動(dòng)系統的基本要求，提出一種新型的ZCZVS升壓DC-DC雙向變換器與變頻器相結合來(lái)驅動(dòng)鼠籠型異步電動(dòng)機的節能型電動(dòng)車(chē)交流驅動(dòng)系統。

系統設計要求和總體設計

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

節能型電動(dòng)車(chē)交流驅動(dòng)系統的基本構成如圖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、交流異步電機和相應的控制、檢測單元。高頻電感L和電子開(kāi)關(guān)Su構成升壓DC-DC變換器，為由S1~S6構成的變頻調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)運行模式下進(jìn)行續流。當車(chē)輛處于剎車(chē)減速或下坡滑行時(shí)，交流電機端反電勢將大于逆變器額定輸入電壓而處于發(fā)電狀態(tài)，那么檢測單元動(dòng)作，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，系統的能量被反饋到電源側。三相橋式逆變電路工作于VVVF模式下，當車(chē)輛根據需求要進(jìn)行加、減速調節時(shí)，只需在給定的速度調節指令下，改變變頻調速電路控制，即可實(shí)現速度的調節。另外，以鼠籠型異步電機作驅動(dòng)電機，從結構上克服了直流電機存在的不足，減少了維護工作，提高了整機系統容量和轉速，大大改善了可靠性和效率。

圖1 節能型電動(dòng)車(chē)交流驅動(dòng)系統

主要單元電路設計

1 開(kāi)關(guān)管Su控制電路

根據要求，控制芯片需具有軟啟動(dòng)、過(guò)流、欠壓保護等功能，本系統選用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、欠壓保護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，內部有一個(gè)36V的穩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（從引腳3輸入）大于1V時(shí)，脈寬調制鎖存器翻轉，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UC3842A引腳3的信號相應變大，此時(shí)經(jīng)過(guò)3842A內部的調節電路調節，引腳6輸出脈沖的占空比相應變小，使得DC-DC變換器輸出電壓降低，流經(jīng)Su上的電流相應也變小，起到電流保護作用。

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)，為了保證系統能量充分回饋，同時(shí)避免開(kāi)關(guān)管Sd長(cháng)時(shí)間承受大的回饋電流，采用555構成的頻率為20kHz的“多諧振蕩器+高頻脈沖變壓器”來(lái)驅動(dòng)Sd。

圖3為“多諧振蕩器+高頻脈沖變壓器”組成的驅動(dòng)電路，其中由555構成的多諧振蕩器的工作頻率為f=1.43/(R18+2R22)/C19。在該電路中，檢測與互鎖電路控制著(zhù)555集成塊的引腳4。當引腳4為高電平時(shí)，即檢測電路檢測到系統應該進(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；當引腳4為低電平時(shí)，系統處于電動(dòng)運行狀態(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 檢測與互鎖電路

在該系統中，檢測與互鎖電路具有異常重要的作用。首先，它通過(guò)檢測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)運行狀態(tài)轉入能量回饋狀態(tài)或者從能量回饋狀態(tài)轉入電動(dòng)運行狀態(tài)；其次，它需要根據檢測及判斷的結果，相應地控制電動(dòng)運行開(kāi)關(guān)管和能量回饋開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)電路。圖4為檢測及互鎖電路，其工作原理如下：首先根據DC-DC變換器正常工作時(shí)輸出電壓的大小，設定比較器引腳2的參考電壓，并采用電阻分壓器來(lái)檢測DC-DC變換器輸出端的電壓。當系統處于下坡減速或剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機處于發(fā)電狀態(tài)，那么機端反電勢就大于DC-DC變換器的輸出電壓，也就是電阻分壓器檢測到的比較電壓大于給定的參考電壓，使得比較器翻轉，引腳1輸出為高電平，它迫使三極管Q1導通，將開(kāi)關(guān)管Su的門(mén)極信號下拉到低電平;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)系統進(jìn)入到能量回饋狀態(tài)下。

圖4 檢測及互鎖控制電路

4 主電路智能功率模塊IPM

在本系統中，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提供電源電壓，而且還要對電機進(jìn)行變頻調速控制。在以往，逆變電路主要采用6個(gè)分離的IGBT單元來(lái)搭建，需要對每個(gè)IGBT單元提供驅動(dòng)電路、過(guò)熱保護電路、過(guò)流保護電路，它們要和整個(gè)主回路的過(guò)壓、短路保護電路及IGBT單元相匹配，使得變頻逆變電路的設計具有相當的難度。然而隨著(zhù)智能功率模塊（IPM）的出現，這種局面得到了巨大地改變，尤其近幾年內，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與故障檢測電路集成于一體的高性能大功率器件，具有結構緊湊、體積較小、性能穩定、工作可靠、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)。因此，結合電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)裝置的基本要求，本系統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)小的電流檢測電阻與系統的地相連，可直接用以系統地為參考點(diǎn)的+15V電源進(jìn)行驅動(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，在下橋臂管子導通時(shí)，下橋臂的+15V驅動(dòng)電源同時(shí)給外部電容充電，當下橋臂斷開(kāi)后，電容兩端保持+15V的電壓降，且其低電勢一端正好與上橋臂IGBT管的漏極相連，因此就實(shí)現了上橋臂IGBT管門(mén)極電壓比漏極高的自舉功能，很好地實(shí)現上橋臂管子的驅動(dòng)。

5 系統加減速

圖5 加減速控制邏輯流程圖

本系統采用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)功率管而導致過(guò)電壓。通常VMON0.5VDD時(shí)，可以進(jìn)行加減速調節。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 )被降低到預先設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)先權比VMON低，它可以防止加速過(guò)高導致過(guò)流過(guò)熱損壞開(kāi)關(guān)管。③當上述二者都無(wú)效時(shí)，運算法則將綜合比較器的輸出邏輯、DIR引腳控制和計數器信號，一起得出最后的調速控制。

6 SA866AE/AM與EEPROM參數設定

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

圖6 SA866AE/AM與EEPROM結構圖