一種電動(dòng)汽車(chē)能量回饋下IGBT保護策略?xún)?yōu)化及驗證

　　舒 暉（奇瑞新能源汽車(chē)股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）

　　摘 要：針對電動(dòng)汽車(chē)在能量回饋時(shí)，動(dòng)力電池高壓繼電器異常斷開(kāi)的特殊工況下，提出了一種IGBT保護策略?xún)?yōu)化方案，快速檢測因動(dòng)力電池瞬斷產(chǎn)生的尖峰電壓，觸發(fā)保護機制保護IGBT模塊。本文通過(guò)臺架實(shí)驗對比了方案優(yōu)化前后的尖峰電壓值，最終通過(guò)實(shí)車(chē)驗證了該方案的可行性。結果表明，優(yōu)化后的保護策略能更快地檢測到抬升的母線(xiàn)電壓，觸發(fā)保護機制，停止IGBT工作，降低IGBT模塊損壞的風(fēng)險。

　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；能量回饋；IGBT

　　0 引言

　　傳統汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中，機械能大部分通過(guò)制動(dòng)器的摩擦轉化為熱能損耗掉，電動(dòng)汽車(chē)采用電機作為驅動(dòng)部件，可以利用電機的制動(dòng)發(fā)電來(lái)回收制動(dòng)能量^[1]。通過(guò)能量回饋，可以有效回收車(chē)輛滑行和制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能，使車(chē)輛行駛里程增加10%~30%^[2]。因此，研究電動(dòng)汽車(chē)能量回饋技術(shù)對降低電動(dòng)汽車(chē)能耗和提高續航有重大意義。

　　張俊智^[3]等總結了能量回收系統的組成和分類(lèi)，主要從液壓執行機構、系統控制和系統評價(jià)3個(gè)方面對制動(dòng)能量回收系統的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。黃萬(wàn)友^[4]等通過(guò)對不同電機轉速、制動(dòng)扭矩及電池組荷電狀態(tài)下的能量回饋效率進(jìn)行測試，優(yōu)化了能量回饋控制策略，提高了能量回收效率。張鳳蓮^[5]針對能量回饋過(guò)程中IGBT功率周次問(wèn)題，結合實(shí)際工況，提出了優(yōu)化方案，提高了運行可靠性。以上文獻從不同方面研究了能量回饋系統，并獲得了很好的驗證。

　　本文主要針對電動(dòng)汽車(chē)能量回饋時(shí)，動(dòng)力電池繼電器異常斷開(kāi)情況下，電驅動(dòng)系統因發(fā)電導致的電壓持續激增的工況進(jìn)行研究，提出了一種電動(dòng)汽車(chē)能量回饋下IGBT保護策略?xún)?yōu)化方案。在動(dòng)力電池繼電器異常斷開(kāi)時(shí)，快速檢測因發(fā)電導致抬升的電壓，當達到過(guò)壓保護閾值時(shí)，IGBT停止工作；分別在額定電壓和峰值電壓下進(jìn)行臺架和實(shí)車(chē)測試，驗證了該方案滿(mǎn)足要求，可以降低該工況下IGBT損壞的風(fēng)險。

　　1 能量回饋系統

　　能量回饋系統主要由動(dòng)力電池、電機控制器、電機組成，如圖1所示。電動(dòng)時(shí)，電驅動(dòng)系統將動(dòng)力電池輸出的直流電轉化為交流電驅動(dòng)整車(chē)前進(jìn)后退；發(fā)電時(shí)，電驅動(dòng)系統將電機產(chǎn)生的交流電通過(guò)逆變電路整流成直流電回饋給動(dòng)力電池，進(jìn)行電制動(dòng)，增加整車(chē)續航。

　　現有電動(dòng)汽車(chē)大部分采用軟件過(guò)壓保護，母線(xiàn)電壓通過(guò)軟件采樣得到，當電壓值大于設定閾值時(shí)，上報母線(xiàn)過(guò)壓故障，IGBT停止工作。

　　在電動(dòng)汽車(chē)處于能量回饋工況下，當動(dòng)力電池繼電器異常斷開(kāi)時(shí)，由于母線(xiàn)電壓是通過(guò)軟件采樣得到的，有一定的延時(shí)，導致電機發(fā)電產(chǎn)生的電壓在電機控制器內的電容上持續累加；若采集到的母線(xiàn)電壓沒(méi)有達到保護閾值，有擊穿IGBT的風(fēng)險。

　　2 優(yōu)化方案

　　在軟件過(guò)壓保護的基礎上增加硬件過(guò)壓保護。母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓后VDC_IN給到單片機，單片機分兩路輸出：一路輸出相應占空比的PWM波CEX1，CEX1經(jīng)光耦隔離、RC濾波輸出母線(xiàn)模擬量采集信號給控制板DSP；另一路與單片機內設定的過(guò)壓電壓值比較，如果超出設定的電壓值，則輸出OT信號為低，OT信號經(jīng)光耦隔離后拉低DSP的GPIO口，整車(chē)軟件檢測到GPIO口為低時(shí)，則執行IGBT關(guān)管。圖2、圖3分別為驅動(dòng)板母線(xiàn)電壓采樣框圖和控制板母線(xiàn)電壓處理框圖。

　　以上方案主要從3個(gè)方面優(yōu)化：

　　增加驅動(dòng)板發(fā)電工況下母線(xiàn)AD采樣的過(guò)壓判斷功能，輸出過(guò)壓數字信號；

　　將控制板過(guò)壓信號I/O口的RC濾波電容由100 nF改為10 nF，減小整車(chē)軟件檢測過(guò)壓信號延時(shí)時(shí)間；

　　在整車(chē)軟件里增加過(guò)壓I/O口檢測功能。

　　表1為優(yōu)化前后的對比。

　　3 臺架測試

　　分別將優(yōu)化前后的電驅動(dòng)系統安裝在臺架上進(jìn)行實(shí)驗，對比優(yōu)化前后的尖峰電壓。根據整車(chē)參數制定測試步驟，表2為整車(chē)參數。

　　測試步驟如下：

　　1 ） 統一試驗環(huán)境， 室溫25℃，冷卻水流速8 L/min，水溫65℃；

　　2）將優(yōu)化前的電驅動(dòng)系統安裝在臺架上；

　　3）母線(xiàn)電壓為350 V，轉速為1 910 rpm（轉折轉速），逐漸提高輸出轉矩，找到斷開(kāi)動(dòng)力電池繼電器時(shí)IGBT尖峰電壓值小于IGBT最大耐壓值的90%（585 V），記錄此時(shí)的母線(xiàn)電壓值和IGBT尖峰電壓；

　　4）母線(xiàn)電壓為350 V，轉速為9 500 rpm（峰值轉速），逐漸提高輸出轉矩，找到斷開(kāi)動(dòng)力電池繼電器時(shí)IGBT尖峰電壓值小于IGBT最大耐壓值的90%（585 V），記錄此時(shí)的母線(xiàn)電壓值和IGBT尖峰電壓；

　　5）母線(xiàn)電壓為417 V，轉速為1 910 rpm（轉折轉速），逐漸提高輸出轉矩，找到斷開(kāi)動(dòng)力電池繼電器時(shí)IGBT尖峰電壓值小于IGBT最大耐壓值的90%（585 V），記錄此時(shí)的母線(xiàn)電壓值和IGBT尖峰電壓；

　　6）母線(xiàn)電壓為417 V，轉速為9 500 rpm（峰值轉速），逐漸提高輸出轉矩，找到斷開(kāi)動(dòng)力電池繼電器時(shí)IGBT尖峰電壓值小于IGBT最大耐壓值的90%（585 V），記錄此時(shí)的母線(xiàn)電壓值和IGBT尖峰電壓；

　　7）將優(yōu)化后的電驅動(dòng)系統安裝在臺架上；

　　重復上述步驟3到步驟6，記錄數據。

　　表3、表4為優(yōu)化前數據，表5、表6為優(yōu)化后數據。

　　通過(guò)以上臺架數據對比發(fā)現，優(yōu)化前發(fā)電功率在10 kW左右時(shí)，斷開(kāi)動(dòng)力電池繼電器，尖峰電壓超過(guò)600 V，故在最大發(fā)電功率30 kW時(shí)斷開(kāi)繼電器，存在IGBT模塊損壞風(fēng)險；優(yōu)化后發(fā)電功率為30 kW時(shí)，斷開(kāi)動(dòng)力電池繼電器，尖峰電壓遠小于650 V，不存在耐壓?jiǎn)?wèn)題。

　　4 整車(chē)驗證

　　圖5所示為整車(chē)驗證，連接示波器，使用高壓差分探頭測量電壓，在能量回饋過(guò)程中，通過(guò)上位機標定動(dòng)力電池繼電器斷開(kāi)。

　　電池電壓354 V時(shí)，整車(chē)發(fā)電斷開(kāi)動(dòng)力電池繼電器，最高電壓為530 V，母線(xiàn)電壓最高抬升176 V，發(fā)電功率已測試到25 kW。

　　電池電壓3 8 0 V 時(shí)， 整車(chē)發(fā)電斷開(kāi)動(dòng)力電池繼電器， 最高電壓為538 V， 母線(xiàn)電壓最高抬升158 V，發(fā)電功率已測試到29.8 kW。

　　電池電壓400 V時(shí)，電池限制能量回饋功率，整車(chē)控制器允許的發(fā)電功率很小，為5 kW，母線(xiàn)電壓抬高50 V。

　　綜上，基于3個(gè)電壓下的不同發(fā)電功率測試，母線(xiàn)電壓均滿(mǎn)足要求，可以實(shí)現整車(chē)發(fā)電時(shí)異常斷開(kāi)動(dòng)力電池繼電器工況下，保護IGBT模塊。

　　5 總結

　　本文通過(guò)對優(yōu)化前后的電驅動(dòng)系統進(jìn)行不同電壓下的能量回饋測試可知，優(yōu)化后在能量回饋下斷開(kāi)動(dòng)力電池繼電器的尖峰電壓遠小于優(yōu)化前，能量回饋功率從10 kW提升到30 kW。經(jīng)過(guò)整車(chē)驗證，整車(chē)發(fā)電功率為30 kW時(shí)，電壓為530 V，低于IGBT模塊耐壓值，可以保護該異常工況下的IGBT模塊，降低損壞風(fēng)險。

　　參考文獻：

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　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第40頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）