李 瑋， 王 晶

（1.北京新能源汽車(chē)股份有限公司工程研究院， 北京 100176；2.廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系， 河北 廊坊 065000）

純電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中具有無(wú)尾氣排放、能量效率高、噪聲低、可回收利用能量等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，大力發(fā)展純電動(dòng)汽車(chē)可有效解決中國(guó)交通能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題［1-4］。

對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，在行駛過(guò)程中唯一的能量來(lái)源于動(dòng)力電池，動(dòng)力電池提供直流電源，MCU （Motor Control Unit，電機(jī)控制器） 利用動(dòng)力電池輸出的直流電作為電源來(lái)保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。電機(jī)控制器在工作過(guò)程中會(huì)對(duì)其輸入端的電流進(jìn)行檢測(cè)，該電流將用于電機(jī)系統(tǒng)保護(hù)限制（過(guò)流保護(hù)、扭矩限制等）、儀表顯示、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消耗功率計(jì)算、整車(chē)能量管理、動(dòng)力電池過(guò)流保護(hù)等控制邏輯的執(zhí)行。

本文設(shè)計(jì)了一種純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器直流母線電流采樣電路，該電路在滿足母線電流信號(hào)可靠采樣的前提下實(shí)現(xiàn)了對(duì)采樣回路故障的有效檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上本文提出了一種電流采樣故障的處理方法，與傳統(tǒng)的被動(dòng)故障處理措施不同，該方法根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)（電機(jī)轉(zhuǎn)速、當(dāng)前輸出扭矩） 實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)控制器輸入端直流母線電流的有效估算，當(dāng)發(fā)生電機(jī)控制器直流母線電流采樣回路故障后利用估算值繼續(xù)保證整車(chē)控制邏輯的正常執(zhí)行，在保證安全行車(chē)的前提下盡可能地對(duì)駕駛員的駕駛感受進(jìn)行保護(hù)。關(guān)于文中所提到的電機(jī)控制器直流母線電流采樣電路及相應(yīng)的故障機(jī)制，通過(guò)實(shí)車(chē)對(duì)其可靠性及有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，具有良好的推廣價(jià)值。

圖1 直流母線電流采樣電路

1 直流母線電流采樣電路

圖1為直流母線電流采樣電路。該電路中采用LEM公司的HC5FW 900-S/SP1電流傳感器實(shí)現(xiàn)母線電流的檢測(cè)。該傳感器中，引腳1為參考電壓引腳，該引腳經(jīng)電容C3 （4.7nF）與電源搭鐵相連接；引腳2輸出直流母線電流對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，用于后續(xù)的電流解析計(jì)算；引腳3為傳感器的電源搭鐵引腳；引腳4為傳感器的電源引腳，因此該引腳與+5V電源相連接，另外為保證供電電源的穩(wěn)定，在電源的正極與搭鐵之間并入去耦電容C4 （100nF）。

電流傳感器反饋的電壓信號(hào)接入采集電路（a點(diǎn)處） 中，該信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R2 （33kΩ） 與電容C2 （47nF） 組成的RC低通濾波電路后輸出 （b點(diǎn)處），后由電機(jī)控制器主控芯片A/D采集（圖中右側(cè)檢測(cè)點(diǎn)2處），之后通過(guò)解析便可以獲得電機(jī)控制器輸入端直流母線電流值。圖中R1 （2kΩ） 為上拉電阻，目的為防止電流采樣信號(hào)的漂移，C1 （10nF） 為濾波電容，目的為濾除采樣信號(hào)中的高頻干擾。

2 直流母線電流采樣故障檢測(cè)

正常情況下電流傳感器反饋的電壓值應(yīng)在其量程范圍內(nèi)，因此根據(jù)圖1所示的采樣電路，通過(guò)判斷b點(diǎn)處A/D采樣電壓是否超限便能夠?qū)崿F(xiàn)故障的檢測(cè)，其中采樣故障包含：采樣回路對(duì)電源短路故障；采樣回路對(duì)搭鐵短路故障；采樣回路斷路故障。直流母線電流采樣故障檢測(cè)見(jiàn)表1。

表1 直流母線電流采樣故障檢測(cè)

正常情況下MCU主控芯片A/D采集到的電壓（b點(diǎn)處的電壓） 不應(yīng)該在5V或0V附近，大于4.5V的采樣電壓或者小于0.5V的電壓已經(jīng)不在HC5FW 900-S/SP1電流傳感器的有效量程范圍內(nèi)，本文正是根據(jù)電路的這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)故障機(jī)制來(lái)檢測(cè)采樣故障；另外100ms的確認(rèn)時(shí)間能夠有效地避免由于干擾導(dǎo)致故障的誤報(bào)。

3 直流母線電流采樣故障處理

為保證直流母線電流采樣故障狀態(tài)下各項(xiàng)控制邏輯的正常實(shí)現(xiàn)，本文給出了一種故障處理方法，該方法首先估算MCU輸入端直流母線電流，該估算電流值將用于保證整車(chē)控制邏輯的正常執(zhí)行。在此基礎(chǔ)上根據(jù)電流的估算情況采取不同的故障處理措施，從而在保證安全行車(chē)的前提下盡可能地對(duì)駕駛員的駕駛感受進(jìn)行保護(hù)。

該故障處理方法包括兩部分內(nèi)容，分別為輸入端直流母線電流估算與故障處理，下面分別進(jìn)行介紹。

3.1 MCU直流母線電流估算

本文采用扭矩公式進(jìn)行直流母線電流估算，具體如下：

式中：Imcu——估算的輸入端直流母線電流；n——電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速；Tq——電機(jī)當(dāng)前輸出扭矩；——電機(jī)控制器的當(dāng)前效率；Umcu——電機(jī)控制器輸入端直流母線電壓。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中電機(jī)控制器及電機(jī)均會(huì)散發(fā)熱量，這部分能量對(duì)于扭矩未產(chǎn)生作用，因此存在效率問(wèn)題，其效率與當(dāng)前的電機(jī)狀態(tài)有關(guān)，如在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，由于電機(jī)控制器內(nèi)部IGBT模塊開(kāi)關(guān)頻率增大，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的開(kāi)關(guān)損耗；同樣，電機(jī)在大扭矩輸出的狀態(tài)下，由于電流增大電機(jī)本體會(huì)產(chǎn)生更多的熱量損耗。根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出扭矩強(qiáng)相關(guān)，為此本文在式（1） 中將電機(jī)控制器的當(dāng)前效率表示為電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)當(dāng)前輸出扭矩的函數(shù)，其獲得方式如圖2所示。

如圖2所示，通過(guò)前期臺(tái)架試驗(yàn)，獲得電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、輸出扭矩與系統(tǒng)效率之間的映射關(guān)系，將以上關(guān)系以表格的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速n與電機(jī)當(dāng)前輸出扭矩Tq可直接查詢得到電機(jī)控制器效率ηmcu（n， Tq），進(jìn)而通過(guò)式（1） 計(jì)算得到直流母線電流估算值。

圖2 電機(jī)控制器效率計(jì)算

3.2 故障處理

本文給出的直流母線電流采樣回路故障處理方法具體如下。

如圖3所示，當(dāng)發(fā)生電機(jī)控制器輸入端直流母線電流采樣回路故障，為保證各項(xiàng)控制策略正常執(zhí)行，需要對(duì)直流母線電流進(jìn)行估算，根據(jù)式 （1），若要完成電流估算需要首先獲得以下幾個(gè)參數(shù)：電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、電機(jī)當(dāng)前輸出扭矩、電機(jī)控制器的當(dāng)前效率以及電機(jī)控制器輸入端直流母線電壓。正常情況下以上參數(shù)均能夠有效獲得，但在異常狀態(tài)下則不能夠保證，如電機(jī)當(dāng)前輸出扭矩計(jì)算失效、直流母線電壓異常等，為此首先對(duì)直流母線電流估算狀態(tài)判斷，若估算成功則采用方式1進(jìn)行故障處理，若未估算成功則采用方式2進(jìn)行故障處理，通過(guò)區(qū)別處理來(lái)保證駕駛員的駕駛感受。

圖3 故障處理流程圖

具體故障處理方式如下。

1） 故障處理方式1

考慮到這種情況下由于能夠獲得母線電流的估算值，利用該估算值整車(chē)控制策略能夠正常進(jìn)行，不會(huì)對(duì)行車(chē)安全造成隱患，因此采用以下故障處理方式：①利用估算的電機(jī)控制器輸入端直流母線電流完成整車(chē)控制邏輯；②點(diǎn)亮儀表驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障燈，同時(shí)儀表文字提示駕駛員：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，請(qǐng)安全駕駛并盡快對(duì)車(chē)輛進(jìn)行檢修。

2） 故障處理方式2

此時(shí)由于不能夠正常估算得到電機(jī)控制器輸入端的直流母線電流，這將造成一些整車(chē)控制策略無(wú)法執(zhí)行，會(huì)對(duì)行車(chē)安全產(chǎn)生隱患，為此采用以下方式進(jìn)行故障處理：①儀表鳴報(bào)警音；點(diǎn)亮儀表驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障燈，同時(shí)儀表文字提示駕駛員：“驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，動(dòng)力輸出將受到限制，請(qǐng)安全駕駛并盡快對(duì)車(chē)輛進(jìn)行檢修”；②驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大輸出功率限制為額定功率的30%。

通過(guò)以上措施來(lái)保證行車(chē)安全。

4 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

針對(duì)本文所提出的純電動(dòng)汽車(chē)MCU直流母線電流采樣電路以及對(duì)應(yīng)的故障檢測(cè)處理方法進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證。其中所提出的采樣電路已經(jīng)裝備了數(shù)萬(wàn)輛某品牌的純電動(dòng)汽車(chē)，該電路的可靠性經(jīng)過(guò)大批量的實(shí)車(chē)驗(yàn)證。另外，在不同車(chē)速的車(chē)輛行駛狀態(tài)下，通過(guò)人為模擬直流母線電流采樣故障對(duì)故障的檢測(cè)及處理方式進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估，其中采用本文所提出的故障檢測(cè)方法能夠準(zhǔn)確、有效地對(duì)故障實(shí)施檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上配合相應(yīng)的故障處理機(jī)制在保證安全行車(chē)的前提下有效地保護(hù)了駕駛員的駕駛感受，評(píng)估人員對(duì)此給出了良好的評(píng)價(jià)。

5 結(jié)論

文中提到的電路及故障機(jī)制具有原理清晰、可靠性高等特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)其準(zhǔn)確性及有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，考慮綜合效果，其具有普遍的推廣價(jià)值。