一種電動汽車能量回饋下IGBT保護(hù)策略優(yōu)化及驗證
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
舒 暉（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202006/414834.htm摘 要：針對電動汽車在能量回饋時，動力電池高壓繼電器異常斷開的特殊工況下，提出了一種IGBT保護(hù)策略優(yōu)化方案，快速檢測因動力電池瞬斷產(chǎn)生的尖峰電壓，觸發(fā)保護(hù)機(jī)制保護(hù)IGBT模塊。本文通過臺架實驗對比了方案優(yōu)化前后的尖峰電壓值，最終通過實車驗證了該方案的可行性。結(jié)果表明，優(yōu)化后的保護(hù)策略能更快地檢測到抬升的母線電壓，觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，停止IGBT工作，降低IGBT模塊損壞的風(fēng)險。
0 引言
傳統(tǒng)汽車在制動過程中，機(jī)械能大部分通過制動器的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能損耗掉，電動汽車采用電機(jī)作為驅(qū)動部件，可以利用電機(jī)的制動發(fā)電來回收制動能量[1]。通過能量回饋，可以有效回收車輛滑行和制動時的動能，使車輛行駛里程增加10%~30%[2]。因此，研究電動汽車能量回饋技術(shù)對降低電動汽車能耗和提高續(xù)航有重大意義。
張俊智[3]等總結(jié)了能量回收系統(tǒng)的組成和分類，主要從液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)控制和系統(tǒng)評價3個方面對制動能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。黃萬友[4]等通過對不同電機(jī)轉(zhuǎn)速、制動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]針對能量回饋過程中IGBT功率周次問題，結(jié)合實際工況，提出了優(yōu)化方案，提高了運(yùn)行可靠性。以上文獻(xiàn)從不同方面研究了能量回饋系統(tǒng)，并獲得了很好的驗證。
本文主要針對電動汽車能量回饋時，動力電池繼電器異常斷開情況下，電驅(qū)動系統(tǒng)因發(fā)電導(dǎo)致的電壓持續(xù)激增的工況進(jìn)行研究，提出了一種電動汽車能量回饋下IGBT保護(hù)策略優(yōu)化方案。在動力電池繼電器異常斷開時，快速檢測因發(fā)電導(dǎo)致抬升的電壓，當(dāng)達(dá)到過壓保護(hù)閾值時，IGBT停止工作；分別在額定電壓和峰值電壓下進(jìn)行臺架和實車測試，驗證了該方案滿足要求，可以降低該工況下IGBT損壞的風(fēng)險。
1 能量回饋系統(tǒng)
能量回饋系統(tǒng)主要由動力電池、電機(jī)控制器、電機(jī)組成，如圖1所示。電動時，電驅(qū)動系統(tǒng)將動力電池輸出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電驅(qū)動整車前進(jìn)后退；發(fā)電時，電驅(qū)動系統(tǒng)將電機(jī)產(chǎn)生的交流電通過逆變電路整流成直流電回饋給動力電池，進(jìn)行電制動，增加整車?yán)m(xù)航。
現(xiàn)有電動汽車大部分采用軟件過壓保護(hù)，母線電壓通過軟件采樣得到，當(dāng)電壓值大于設(shè)定閾值時，上報母線過壓故障，IGBT停止工作。
在電動汽車處于能量回饋工況下，當(dāng)動力電池繼電器異常斷開時，由于母線電壓是通過軟件采樣得到的，有一定的延時，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的電壓在電機(jī)控制器內(nèi)的電容上持續(xù)累加；若采集到的母線電壓沒有達(dá)到保護(hù)閾值，有擊穿IGBT的風(fēng)險。
2 優(yōu)化方案
在軟件過壓保護(hù)的基礎(chǔ)上增加硬件過壓保護(hù)。母線電壓經(jīng)過電阻分壓后VDC_IN給到單片機(jī)，單片機(jī)分兩路輸出：一路輸出相應(yīng)占空比的PWM波CEX1，CEX1經(jīng)光耦隔離、RC濾波輸出母線模擬量采集信號給控制板DSP；另一路與單片機(jī)內(nèi)設(shè)定的過壓電壓值比較，如果超出設(shè)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，整車軟件檢測到GPIO口為低時，則執(zhí)行IGBT關(guān)管。圖2、圖3分別為驅(qū)動板母線電壓采樣框圖和控制板母線電壓處理框圖。
以上方案主要從3個方面優(yōu)化：
增加驅(qū)動板發(fā)電工況下母線AD采樣的過壓判斷功能，輸出過壓數(shù)字信號；
將控制板過壓信號I/O口的RC濾波電容由100 nF改為10 nF，減小整車軟件檢測過壓信號延時時間；
在整車軟件里增加過壓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(qū)動系統(tǒng)安裝在臺架上進(jìn)行實驗，對比優(yōu)化前后的尖峰電壓。根據(jù)整車參數(shù)制定測試步驟，表2為整車參數(shù)。
測試步驟如下：
1 ） 統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)安裝在臺架上；
3）母線電壓為350 V，轉(zhuǎn)速為1 910 rpm（轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速），逐漸提高輸出轉(zhuǎn)矩，找到斷開動力電池繼電器時IGBT尖峰電壓值小于IGBT最大耐壓值的90%（585 V），記錄此時的母線電壓值和IGBT尖峰電壓；
4）母線電壓為350 V，轉(zhuǎn)速為9 500 rpm（峰值轉(zhuǎn)速），逐漸提高輸出轉(zhuǎn)矩，找到斷開動力電池繼電器時IGBT尖峰電壓值小于IGBT最大耐壓值的90%（585 V），記錄此時的母線電壓值和IGBT尖峰電壓；
5）母線電壓為417 V，轉(zhuǎn)速為1 910 rpm（轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速），逐漸提高輸出轉(zhuǎn)矩，找到斷開動力電池繼電器時IGBT尖峰電壓值小于IGBT最大耐壓值的90%（585 V），記錄此時的母線電壓值和IGBT尖峰電壓；
6）母線電壓為417 V，轉(zhuǎn)速為9 500 rpm（峰值轉(zhuǎn)速），逐漸提高輸出轉(zhuǎn)矩，找到斷開動力電池繼電器時IGBT尖峰電壓值小于IGBT最大耐壓值的90%（585 V），記錄此時的母線電壓值和IGBT尖峰電壓；
7）將優(yōu)化后的電驅(qū)動系統(tǒng)安裝在臺架上；
重復(fù)上述步驟3到步驟6，記錄數(shù)據(jù)。
表3、表4為優(yōu)化前數(shù)據(jù)，表5、表6為優(yōu)化后數(shù)據(jù)。
通過以上臺架數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前發(fā)電功率在10 kW左右時，斷開動力電池繼電器，尖峰電壓超過600 V，故在最大發(fā)電功率30 kW時斷開繼電器，存在IGBT模塊損壞風(fēng)險；優(yōu)化后發(fā)電功率為30 kW時，斷開動力電池繼電器，尖峰電壓遠(yuǎn)小于650 V，不存在耐壓問題。
4 整車驗證
圖5所示為整車驗證，連接示波器，使用高壓差分探頭測量電壓，在能量回饋過程中，通過上位機(jī)標(biāo)定動力電池繼電器斷開。
電池電壓354 V時，整車發(fā)電斷開動力電池繼電器，最高電壓為530 V，母線電壓最高抬升176 V，發(fā)電功率已測試到25 kW。
電池電壓3 8 0 V 時， 整車發(fā)電斷開動力電池繼電器， 最高電壓為538 V， 母線電壓最高抬升158 V，發(fā)電功率已測試到29.8 kW。
電池電壓400 V時，電池限制能量回饋功率，整車控制器允許的發(fā)電功率很小，為5 kW，母線電壓抬高50 V。
綜上，基于3個電壓下的不同發(fā)電功率測試，母線電壓均滿足要求，可以實現(xiàn)整車發(fā)電時異常斷開動力電池繼電器工況下，保護(hù)IGBT模塊。
5 總結(jié)
本文通過對優(yōu)化前后的電驅(qū)動系統(tǒng)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動力電池繼電器的尖峰電壓遠(yuǎn)小于優(yōu)化前，能量回饋功率從10 kW提升到30 kW。經(jīng)過整車驗證，整車發(fā)電功率為30 kW時，電壓為530 V，低于IGBT模塊耐壓值，可以保護(hù)該異常工況下的IGBT模塊，降低損壞風(fēng)險。
參考文獻(xiàn)：
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?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a(chǎn)品世界》2020年第07期第40頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）
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