潘忠亮 趙慧超 李帥

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：混合動(dòng)力汽車 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 母線電容 電壓控制

1 前言

高壓電池作為混合動(dòng)力汽車（HEV）中最有應(yīng)用前景的能量源，面臨著諸多挑戰(zhàn)。當(dāng)高壓電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，會(huì)降低高壓電池的輸出性能，甚至使其無法工作，進(jìn)而無法經(jīng)DC∕DC對(duì)12 V電源充電。多數(shù)HEV為節(jié)約成本取消了發(fā)電機(jī)，當(dāng)BMS出現(xiàn)嚴(yán)重故障切斷繼電器時(shí)，只有12 V 電源為所有低壓負(fù)載供電，易被耗盡而使HEV無法繼續(xù)行駛。

針對(duì)BMS 故障問題，應(yīng)用失效模式和效果分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)EMA）、故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）等方法可起到一定的預(yù)防作用，但不能解決故障發(fā)生后的問題。通過增加電路結(jié)構(gòu)可以提高BMS 的容錯(cuò)能力，但會(huì)增加成本。利用母線電容電壓作為電機(jī)控制目標(biāo)，通過電壓控制器得到電壓角度，利用電流控制器得到電流滯后電壓角度，將以上2 個(gè)角度之和輸入驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器（Motor Control Unit，MCU），通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電為母線電容充電，目前只應(yīng)用于摩托車。此方法的弊端為電壓控制器得到的電壓角度與電流控制器得到的電流滯后電壓的角度易形成相位延時(shí)，控制效果不理想。

針對(duì)P2構(gòu)型混合動(dòng)力汽車BMS發(fā)生嚴(yán)重故障切斷繼電器的情況，本文以母線電壓為控制目標(biāo)，根據(jù)實(shí)測(cè)母線電壓與母線電容電壓進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)，以電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令為輸出，構(gòu)成電壓環(huán)，再利用轉(zhuǎn)矩指令計(jì)算出電流指令，根據(jù)電流指令與實(shí)測(cè)電流進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)，構(gòu)成電流環(huán)，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制，基于電控系統(tǒng)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)雙閉環(huán)的系統(tǒng)參數(shù)。針對(duì)電壓控制作用工況，設(shè)計(jì)切換電壓控制狀態(tài)的條件，基于電磁參數(shù)和負(fù)載對(duì)電壓控制的影響，設(shè)計(jì)相關(guān)仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證電壓控制功能的可行性。

2 電壓控制功能的應(yīng)用

P2構(gòu)型HEV結(jié)構(gòu)如圖1所示，離合器接合時(shí)，車輛以混合動(dòng)力模式行駛，離合器斷開時(shí)，車輛以純電動(dòng)模式行駛。當(dāng)BMS發(fā)生嚴(yán)重故障切斷繼電器時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以母線電壓為控制目標(biāo)，通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電滿足DC∕DC工作條件，為12 V電源供電。簡(jiǎn)易高壓拓?fù)淙鐖D2所示。

圖1 P2構(gòu)型HEV

圖2 P2構(gòu)型BMS嚴(yán)重故障條件下的高壓拓?fù)?/p>

驅(qū)動(dòng)電機(jī)在轉(zhuǎn)矩控制模式下，以整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）轉(zhuǎn)矩指令為控制目標(biāo)，從整車轉(zhuǎn)矩指令中分解出目標(biāo)電流，進(jìn)行電流閉環(huán)控制。在轉(zhuǎn)速控制模式下，以整車轉(zhuǎn)速指令為控制目標(biāo)，通過實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速得到轉(zhuǎn)矩，再分解出目標(biāo)電流，進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)控制。電壓控制功能以母線電壓為控制目標(biāo)，根據(jù)實(shí)測(cè)母線電壓與母線電容電壓進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)。

2.1 電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

電壓環(huán)與電流環(huán)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，以電機(jī)母線電壓為控制目標(biāo)，通過PI 調(diào)節(jié)獲得轉(zhuǎn)矩。將轉(zhuǎn)矩分解獲得目標(biāo)電流，再根據(jù)目標(biāo)電流與實(shí)測(cè)電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)。

圖3 電壓環(huán)與電流環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)

圖3中，為電機(jī)母線電壓目標(biāo)值，為母線電壓實(shí)測(cè)值，K為根據(jù)電壓指令與反饋值計(jì)算得到的比例項(xiàng)系數(shù)，T為電壓指令與反饋值的積分時(shí)間，為根據(jù)電壓指令和反饋值計(jì)算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令，為最大轉(zhuǎn)矩電流比（Most Torque Per Ampere，MTPA）曲線中轉(zhuǎn)矩和電流矢量的對(duì)應(yīng)值，為電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令對(duì)應(yīng)的電流矢量，K為電流環(huán)比例項(xiàng)系數(shù)，T為電流環(huán)積分時(shí)間，為系統(tǒng)的復(fù)變量，為載頻周期對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間，為逆變器輸出電壓值，為定子電感，為定子電阻，為電機(jī)反饋電流矢量。

表1所示為驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，本文母線電容標(biāo)稱值為530 μF，耐壓值為564 V，逆變器耐壓值為750 V，過流閾值為800 A。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

由圖3可知，電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

分子和分母同時(shí)除以可得：

式中，為上升時(shí)間。

取=T=∕，電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

根據(jù)二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)：

式中，()、()分別為系統(tǒng)輸出函數(shù)、輸入函數(shù)；為系統(tǒng)阻尼比；為系統(tǒng)自然頻率。

當(dāng)二階系統(tǒng)的阻尼比為0.707，系統(tǒng)的超調(diào)量為4%時(shí)，系統(tǒng)可獲得較好的綜合性能。因此：

2.2 轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)電流幅值參數(shù)設(shè)計(jì)

關(guān)于的計(jì)算，因?yàn)殡妷嚎刂茷镠EV的一種跛行控制狀態(tài)，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)全域工作點(diǎn)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。對(duì)于正弦波永磁同步電機(jī)而言，轉(zhuǎn)子上不存在阻尼繞組，則電動(dòng)機(jī)電壓方程為：

電磁方程為：

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中，u、u分別為直軸、交軸電壓；i、i分別為直軸、交軸電流；ψ、ψ分別為直軸、交軸磁鏈；為電機(jī)轉(zhuǎn)速；為電機(jī)定子電阻；L=+、L=+分別為定子繞組的、軸電感；、分別為定、轉(zhuǎn)子間的、軸互電感；為定子漏電感；為永磁體的等效勵(lì)磁電流，當(dāng)不考慮溫度對(duì)永磁體性能的影響時(shí)，其值為一常數(shù)，=∕；為轉(zhuǎn)子磁鏈；為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

假設(shè)定子磁鏈與永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)間空間電角度為，如圖4 所示，有i=cos，i=sin，其中為定子電流矢量幅值。

圖4 電機(jī)控制矢量圖

根據(jù)圖4中電流關(guān)系和式（11）可得：

當(dāng)≠時(shí)，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域用標(biāo)幺值表示為：

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在MTPA區(qū)域時(shí)：

式中，=L∕L。

將式（17）用標(biāo)幺值表示，并帶入式（14）可得：

圖5所示為標(biāo)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)獲得的臺(tái)架轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)、軸電流，圖6所示為轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)MTPA解耦的、軸電流，圖7所示為轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的范圍。

圖5 臺(tái)架轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)d、q軸電流

圖6 MTPA轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)d、q軸電流

圖7 κ取值范圍

2.3 電壓環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖3，整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

根據(jù)式（1）～式（3），整個(gè)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

根據(jù)勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)，可得K>0，T>0。

2.4 電壓控制功能進(jìn)入和退出參數(shù)設(shè)計(jì)

電壓控制功能的開啟與關(guān)閉應(yīng)同時(shí)考慮母線電壓和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，為避免在電壓控制時(shí)出現(xiàn)反復(fù)開啟和關(guān)閉的情況，進(jìn)入和退出電壓控制的母線電壓和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速都存在滯環(huán)。

進(jìn)入電壓控制的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)等于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速。跛行狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)通過離合器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)直連，退出電壓控制的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)小于母線電容耐壓值和逆變器耐壓值對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速限值。圖8所示為各溫度下仿真和試驗(yàn)測(cè)得的1 000 r∕min 對(duì)應(yīng)的反電勢(shì)，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)磁鏈?zhǔn)茈姍C(jī)溫度影響，本文應(yīng)用仿真和試驗(yàn)測(cè)得驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大磁鏈，取母線電容耐壓值與逆變器耐壓值中較小者推導(dǎo)退出電壓控制的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖8 不同溫度對(duì)應(yīng)反電勢(shì)

進(jìn)入電壓控制的母線電壓應(yīng)等于進(jìn)入電壓控制的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的反電勢(shì)。退出電壓控制的母線電壓應(yīng)小于電壓控制狀態(tài)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的反電勢(shì)。雖然可以通過電壓閉環(huán)控制來調(diào)節(jié)母線電容電壓，但因DC∕DC功率波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致母線電壓波動(dòng)，應(yīng)保證DC∕DC拋負(fù)載不會(huì)損壞功率器件。本文高壓拓?fù)渲械腄C∕DC 峰值功率為2.5 kW，工作電壓范圍為180～430 V，降額電壓為240 V。對(duì)不同功率負(fù)載進(jìn)行仿真，階躍負(fù)載以0.5 kW 為步長(zhǎng)，增加至5 kW，其中輸入3 kW 階躍負(fù)載時(shí)的仿真結(jié)果如圖9 所示。不同功率的階躍負(fù)載對(duì)母線電壓波動(dòng)的影響情況如圖10 所示，由圖10 可知，隨著負(fù)載的增加，母線電壓被拉低和被拉高的幅度都會(huì)增大。

圖9 3 kW階躍負(fù)載仿真結(jié)果

圖10 階躍負(fù)載對(duì)應(yīng)母線電壓波動(dòng)

以驅(qū)動(dòng)電機(jī)母線電壓值310 V 為目標(biāo)電壓進(jìn)行仿真，如圖11 所示，在30 ms 內(nèi)仿真電壓值跟隨電壓指令值，電壓波動(dòng)峰值小于10%，之后迅速穩(wěn)定在310 V，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 電壓控制仿真

3 電壓控制功能的實(shí)車測(cè)試

在VCU、BMS 和MCU 控制交互過程中，應(yīng)保證BMS 切斷繼電器后，屏蔽與其相關(guān)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）通訊，保證發(fā)動(dòng)機(jī)跛行能正常工作。為保證MCU 能迅速穩(wěn)定執(zhí)行電壓控制，VCU 在電壓控制穩(wěn)定前禁止DC∕DC 工作，防止DC∕DC負(fù)載變化導(dǎo)致母線電壓波動(dòng)而無法進(jìn)入電壓控制模式。圖12 所示為整車試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)布置情況，包括上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集工具和整車與上位機(jī)接口線束等。

圖12 整車試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)布置

本文實(shí)車驗(yàn)證了電壓控制功能的穩(wěn)定性，主要包括低壓負(fù)載全功率輸出觸發(fā)電壓控制、電壓控制狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速急變、電壓控制的時(shí)序和注入電流傳感器偏差等4 種試驗(yàn)工況。圖13 中，HEV 在低壓狀態(tài)下進(jìn)行低壓負(fù)載全功率輸出，此時(shí)觸發(fā)電壓控制，維持低壓負(fù)載全功率輸出一定時(shí)間后關(guān)閉低壓電源。DC∕DC 工作時(shí)母線電壓被拉低，關(guān)閉低壓電源后DC∕DC 退出工作，母線電壓被拉高。圖9 中相同負(fù)載下過壓值基本低于欠壓值，這是因?yàn)榉抡嬷袃烧邥r(shí)間相等。HEV中DC∕DC 全功率輸出結(jié)果與理想狀態(tài)下的仿真結(jié)果存在一定偏差，通過計(jì)算可知，電壓控制中欠壓值和過壓值變化均符合設(shè)計(jì)要求。

圖13 低壓全負(fù)載下觸發(fā)電壓控制

圖14所示為電壓控制狀態(tài)油門開度100%條件下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速急劇變化時(shí)電壓控制的穩(wěn)定性驗(yàn)證結(jié)果。圖15所示為電壓控制狀態(tài)開啟∕關(guān)閉低壓電源切換條件下，電壓控制時(shí)序的驗(yàn)證結(jié)果。圖16 所示為電流傳感器注入偏差，電壓控制狀態(tài)下油門開度100%駛過減速帶時(shí)的電壓波動(dòng)情況。

圖14 油門開度100%對(duì)應(yīng)母線電壓波動(dòng)

圖15 電壓控制狀態(tài)切換對(duì)應(yīng)母線電壓波動(dòng)

圖16 電流傳感器注入偏差對(duì)應(yīng)母線電壓波動(dòng)

上述各狀態(tài)下均未出現(xiàn)過流、過壓等失控情況。雖然進(jìn)入電壓控制的母線電壓不同，但根據(jù)不同試驗(yàn)的母線電壓變化值和計(jì)算補(bǔ)償?shù)碾妷褐悼芍?，極端工況下的母線電壓值均未超過逆變器和母線電容的耐壓值，證明電壓控制可應(yīng)用于P2構(gòu)型HEV，解決BMS 發(fā)生嚴(yán)重故障切斷繼電器后12 V電源易饋電而被迫停車的問題。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)P2構(gòu)型混合動(dòng)力汽車BMS發(fā)生嚴(yán)重故障切斷繼電器的情況，提出了以母線電壓為控制目標(biāo)的電壓控制方式，建立了P2 構(gòu)型HEV 電控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并基于雙閉環(huán)的系統(tǒng)響應(yīng)性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。其次，根據(jù)電壓控制功能的作用工況，設(shè)計(jì)了切換電壓控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)速和電壓，基于電機(jī)溫度對(duì)電機(jī)電磁參數(shù)的影響和DC∕DC 等負(fù)載對(duì)母線電壓的影響，進(jìn)行了電機(jī)溫度對(duì)電磁參數(shù)影響的仿真和試驗(yàn)，針對(duì)DC∕DC 等負(fù)載對(duì)母線電壓的影響進(jìn)行了仿真，并設(shè)計(jì)了相關(guān)整車試驗(yàn)，最終仿真和實(shí)車試驗(yàn)都驗(yàn)證了電壓控制的可行性。