余电检测与泄放.pdf

2014.03.25第2 8 卷V o l.2 8 总第1 0 9 期1收稿日期:20130725作者简介:任亚辉(1984)，男，2011 年毕业于电子科技大学控制理论与控制工程专业，硕士。现在东方电气集团中央研究院从事电动车驱动系统研究工作。电动车电机驱动系统余电检测及泄放方法任亚辉郑刚蒲晓珉东方电气集团中央研究院，成都 611731摘要:目前，在电动车电驱动系统主电路的设计中均采用高容值的高压总线形式，而储存在高压总线电容中的电量对电驱动系统的安全构成了严重的安全隐患。本文针对电动车的高压总线余电安全问题，提出了一种高压余电检测及泄放方法。该方法能实时监测、诊断、泄放各类电动车高压总线上残存的电压和电量，并利用 CAN 总线实时发送高压总线的安全状态。试验和应用结果表明，该法满足各类电动车车载状况下静态和动态高压总线余电安全需要，并具有很好的通用性。关键词:电动汽车;异步电机驱动系统;余电检测;余电泄放中图分类号:TM343;U469.72文献标识码:A文章编号:10019006(2014)01000106AH i g h-v o l t a g eR e s i d u a l P o w e r D e t e c t i o na n dD i s c h a r g i n gMe t h o df o r E l e c t r i cV e h i c l eD r i v i n gS y s t e mEN Yahui，ZHENG Gang，PU Xiaomin(Central esearch Academy of DEC，611731，Chengdu，China)Abstract:Nowadays high-voltage buses with high capacitance are adopted in electric vehicle driving system circuits design However，the power stored in the bus poses a serious security risk to the safety of the electric driving system In this paper，a high-voltageresidual power detection and discharging method is proposed to cope with the said problem The method could real-time monitor，diagnose，discharge residual voltage and power in the high-voltage bus of various types of electric vehicles，and deliver the securitystatus of the high-voltage bus via CAN bus real-time Experiments and applications indicate that the method satisfies the static anddynamic high-voltage residue safety needs of all types of loaded electric vehicles with good versatilityKey words:electric vehicle;asynchronous motor driving system;residual power detection;residual power discharging为保证电动车的续航里程，一般在电动车中配有高压的动力蓄电池组。在正常情况下，动力蓄电池组两端的电压在300 V(DC)以上。电动车的行驶过程是驱动控制器高压总线的充放电过程，在这个过程中，高压总线两端必须并联电容器且储存有高电压、大电荷才能有效保障电驱动系统的安全、稳定、高效运行。在电动车的行驶过程结束后，由于高压总线上大量电容的存在，高压总线上还残存有大量的电荷，这些电荷的电压接近于蓄电池两端的电压，属于非安全用电，危及人身安全。因此，为保证电机驱动系统高压总线动力电能的可靠传输以及整车设备和人员的安全，随时监测整个高压总线的情况极为重要12。传统的高压总线余电检测方法是在电容器两端串联数十千欧姆到数百千欧姆阻值的电阻和发光二级管，当电容器残留有余电时，电容器中的电量驱动发光二级管发光，警示操作人员。为了增强直观性和方便性，诸如发光二级管类的提示装置大多数都安装在控制器外壳上，这样就将电容器两端的强电直接引到了控制器表面，严重危及了人身与车辆安全。并且这种传统检测方式的稳定性较差，无法准确检测到电容器中所残留的余电并将其处理3。本文主要是提出 1 种方法对电动车电机驱动控制器的电容器的余电进行安全DOI:10.13661/ki.issn1001-9006.2014.01.0012014.03.25第2 8 卷V o l.2 8 总第1 0 9 期2准确检测并有效处理。1电动车电机驱动控制器结构电机驱动控制器是电动车电机驱动系统的控制载体，各种对电机的操作指令最终都是通过驱动控制器来完成的。电动车电机驱动器的整体结构如图 1 所示。其中，电机驱动控制器包括两部分，即功率部分和控制部分。功率部分将电动汽车蓄电池组的直流信号经过电压型三相桥式逆变电路变换成三相交流信号后驱动电机。控制部分的主要功能是采集与电机运行相关的输入信号，以及部分运行参数，通过采用合理的控制算法处理这些信号，调节控制主回路接触器以及驱动单元中功率元件(IGBT)的通断来快速准确地完成对电机转速的调节，以满足汽车行驶工况的要求。此外，控制部分还能和外部设备进行数据通讯，完成相关监测信号的显示4。由于电驱动系统工作原理的需要，在工作过程中，并联在高压总线两端的电容器必须储存有高电压、大电荷，才能保证电能的传输质量。而电驱动系统通常又安装于密闭的金属壳体中，危险性高，检测难度大。设计一个专门的高压总线余电检测模块，首先要从功能上保证它能实时检测到全部的被检高压总线余电的动态情况，及时诊断出高压电总线所处的工作状态，快速地与整车控制器等交换信息。其次，应避免将高压电源直接引入车载控制单元，以减少安全隐患。此外，还应当能够确保所有高压回路与设备中的高压剩余电荷及时可靠泄放，使高压设备避免任何形式的永久损坏，并且能保证驾乘与维护人员在驾乘和维修过程中免于人身伤害。图 1电动车电机驱动控制器结构2014.03.25第2 8 卷V o l.2 8 总第1 0 9 期32高压余电检测2.1高压余电检测电路本文将高压余电检测单元作为驱动控制器的一个模块内嵌于驱动控制器的控制模块中，利用控制模块中丰富的资源进行 CAN 现场总线通信、自诊断和灵活多变的控制策略，并通过控制模块自带的标定程序自动适应各类电动车对各种控制策略的要求，以提高其推广应用的范围。余电检测的硬件逻辑设计图如图 2 所示。其中，电压采集是通过电压传感器来进行采集的，将电压传感器并联在电动车电机驱动控制器主电路上的电容器两端，将电容器两端的电压隔离变换成电流信号输入控制板的数据采集单元，MCU根据电流传感器的变比以及数据采集单元的电路形式实时计算出电容器两端的电压值。图 2高压余电检测电路逻辑图2.2高压余电检测原理余电检测硬件详细设计图如图 3 所示。图 3 中，电容器两端的电压通过输入电阻和电压传感器的初级线圈后形成初级回路，产生输入电流信号:IIN=UININ(1)式(1)中，IIN为初级线圈中输入电流信号，UIN为电容器两端的电压，IN为初级回路输入电阻。电压传感器将初级回路中的输入电流信号 IIN进行线性隔离变换，形成次级线圈的输出电流信号:IO=k1IIN(2)式(2)中k1为电容器两端的电压 UIN与次级线圈的输出电流信号 IO的线性比例，k1由输入电2014.03.25第2 8 卷V o l.2 8 总第1 0 9 期4图 3余电检测硬件详细设计框图阻 IN的电阻值和初级线圈、次级线圈的变比决定。将输出电流信号 IO流经包括电流传感器的次级线圈和调理电阻的次级回路，产生输出电压:U1=IO1(3)式(3)中，1为次级回路中的调理电阻。次级回路输出电压 U1再经过缩放和偏置处理后变换为 MCU 可采集范围内的电压信号:U=k2U1+U0(4)式(4)中，k2为缩放系数;U0为偏置电路产生的偏置电压。由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可得:U=k1k2UIN1IN+U0(5)由式(5)可以看出余电电压的检测范围，根据实际应用情况，可通过调整初级回路中的输入电阻、电压传感器初次线圈的变比以及调理电路的结构形式进行调节。在正常工作状态下，高压余电检测电路实时测量高压总线电压，并实时判断电机驱动控制器的工作状态。当处于电机运行状态时，MCU 将采集到的电压发送至运算单元进行算法运算;当处于电机停机状态时，MCU 将采集到的电压与安全设定值相比较，以判断高压总线的安全状态，并将其发送至整车控制器。余电检测流程图如图 4所示。3高压余电泄放3.1高压余电泄放电路高压余电安全保护单元逻辑框图如图 5 所示。图 5 中，余电泄放电路中的电阻为功率电阻，泄放图 4余电检测流程图开关为常闭开关，MCU 实时采集主接触器的状态进行泄放开关的控制，泄放开关状态与主接触器互斥。在驱动控制器正常工作时，主接触器一旦闭合，泄放开关则随即断开，高压母线正常向电机侧传输电能。当主接触器因正常停机或控制器故障保护而断开时，泄放开关则随即闭合，高压母线上电容中储存的电能消耗在泄放电阻上，保证高压总线的余电安全。3.2高压余电泄放方法3.2.1高压总线等效电容计算电源断开后，高压总线的剩余电量主要集中在高压总线的等效负载电容上。主电路余电泄放模型如图 6 所示5。高压电源切断后，设等效电容两端的电压为VC，泄放电阻两端的电压为 V。由于高压供电线路电阻远小于余电泄放电阻，忽略不计。余电泄放电流为 i，则根据基尔霍夫电压定律及电压电流关系可得:VC=V(6)V=i(7)i=CdVC/dt(8)考虑初始条件:在 t=0 时刻，VC=V。由式(6)、式(7)、式(8)可得电量释放时间的计算公式如下:C=t(lnV0 lnVt)(9)当主电路残余电荷电压 Vt=60V 时，式(9)可化为:2014.03.25第2 8 卷V o l.2 8 总第1 0 9 期5图 5高压余电安全保护单元逻辑框图C=t(lnV0 ln60)(10)图 6余电泄放等效模型3.2.2高压余电电量计算当主电路残余电荷电压为 Vt时，根据电容电量计算公式，则主电路残余电量 W 的计算公式为W=CV2t/2(11)3.2.3高压余电泄放流程高压电源断开后，余电泄放回路打开，并开始计时，实时检测高压电路剩余电压值，将高压电路断开前一刻高压回路电压、当前电压值和计时时间代入式(9)，计算出余电泄放回路等效电容C。当剩余电压小于电压阈值时，通过式(11)计算得出当前高压电路剩余电量 W。若剩余电量小于电量阈值，则表示余电泄放完成，否则将继续余电泄放，直到剩余电量小于电量阈值。高压余电安全泄放流程如图 7 所示。4试验与应用结果针对文中提出的高压余电检测与泄放方法，在异步电机驱动控制系统的设计中进行了大量的现场数据采集和归类分析，不断完善升级，成功开发而来具有 CAN 总线为主控制信号整车控制器、驱动控制器协同的余电检测与泄放单元。目前已应用在20 kW异步电机驱动控制器上。图 8 所示，为配备有余电检测与泄放单元的20 kW异步电机驱动控制器台架试验情况，驱动控制器通过 CAN 总线与上位机通讯，实时监控驱动控制器状态。当驱动控制器处于停机状态时，主接触器断开，泄放回路闭合，高压总线开始放电。2014.03.25第2 8 卷V o l.2 8 总第1 0 9 期6图 7余电泄放流程图放电初期由于高压总线电压为 327.2 VDC，大于设定的 60 VDC 余电电压安全阈值，因此，驱动控制器发送余电电压警告和余电电量警告，如图 9 所示。余电泄放持续一段时间后，高压总线电压降低到30.6 VDC，低于设定的60 VDC 余电电压安全阈值，并且此时高压总线上的电量也低于设定的30 J余电电量安全阈值，因此，驱动控制器解除高压总线报警信号，如图 10 所示。图 8现场试验图图 9余电安全警告图 10余电安全5结语所研究开发的高压余电检测与泄放单元，实现了电动车的车载静态和动态对高压总线的实时检测。试验和应用结果表明，本文所提出的方法在安全性方面提高了控制器对维护人员的保护作用，拓宽了适用的余电电压检测范围，采用了简单的电路形式和少量的电子器件，结构简单，实用性高。参考文献:1 SAE J2234:Guidelines for Electric Vehicle SafetyS.1998 2 GB/T 18384.12001.电动汽车安全要求(第 1 部分):车载储能装置 S.3 华东国家计量测试中心.电动汽车高压电安全控制器检测报告.编号 2005103A11006，2005.11 4 朱建新，郑荣良，卓斌，等.电动汽车高压电安全诊断与控制策略的研究 J.汽车工程，2007，29(4)5 刘碧军，杨林，朱建新，等.电动汽车高压电安全测试系统的研究 J.汽车工程，2005，27(3)