发布于 10-23 09:58:32
电驱动系统作为电动雷竞技最新下载地址的动力来源，当系统功能出现故障时，分析其危害和风险，确保电驱动系统进入安全工作状态：主动短路工作状态ASC、开路工作状态OC或0-Torque控制状态，是一项必要任务。
下面将从以下几点来介绍高压电驱系统安全保护策略：
什么是ASC；
ASC状态下电流随转速的变化趋势；
ASC状态下电机制动力矩随转速的变化趋势；
什么是OC；
什么是0-torque控制；
安全保护策略：OC、ASC、0-torque的选择机制
1. 主动短路工作状态：ASC
主动短路又叫ASC（active shortcircuit），以电驱系统搭载三相IGBT功率模块为例，通过关断IGBT的上桥臂三个管，同时开通下桥臂三个管，如图1所示；或者开通IGBT的上桥臂三个管，同时关断下桥臂三个管，即为主动短路保护安全工作状态。
图1.下桥臂主动短路时IGBT的工作状态
主动短路工作状态时，电机定子绕组与下桥臂的IGBT形成闭环回路，电机产生的反电动势能量通过定子绕组释放出来，电机输出端产生相应的制动力矩。以峰值为150kw的永磁同步电机为例，仿真ASC工作状态下电流和电机制动力矩随转速的变化情况。
永磁同步电机的磁链方程如下：
当进入ASC工作状态时，电机输入d轴和q轴电压为0，当达到稳态时，则得：
ASC工作状态时，不同转速下，稳态Id电流随着转速升高而急速升高，到达一定转速后，电流基本不变，就等于特征电流，如图2所示，仅供参考。具体值与电机的设计参数：磁链、电感、极对数、绕组电阻等相关。
图2. ASC状态下Id电流仿真曲线
ASC工作状态时，不同转速下，稳态Id电流随在低速区随着转速升高而急速增大，后随着转速升高而急速减小，高速区趋于稳定，如图3所示。
图3. ASC状态下Iq电流仿真曲线
ASC工作状态时，不同转速下，电机输出扭矩在低速区随着转速升高而急速增大，后随着转速升高而急速减小，高速区趋于稳定，如图4所示。
图4. ASC状态下电机制动力矩仿真曲线
低速区产生显著的制动力矩；
反电动势产生的持续电流可能会引起电机过热；
电机过热导致转子磁钢退磁风险；
电机过热引起逆变器过热，导致逆变器损坏；
2. 开路工作状态：OC
开路保护工作状态又叫OC（open circuit）或Freewheeling，以电驱系统搭载三相IGBT功率模块为例，通过开通IGBT上桥臂和下桥臂所有的管，逆变器进入被动整流的状态，即为开路保护，如图5所示。
图5.开路时IGBT的工作状态
当电机运行在高转速区，如果进入开路保护工作状态，则电机产生的反电动势高于母线电压，经过续流二极管向高压电池整流回馈，形成闭合回路，如图5所示，此时电机端产生较大制动转矩。同时，这种不可控的被动整流使得电机反电动势对挂在直流母线上的器件，例如：母线电容、IGBT等，产生较大冲击危害。
当电机运行在低转速区，如果进入开路保护工作状态，则电机产生的反电动势低于母线电压，无法经过续流二极管向高压电池整流回馈，也就无法形成闭合回路，此时电机端空载运行。此时，电机反电动势对挂在直流母线上的器件不会产生冲击危害。
高速区相电流流过续流二极管；
高速区高反电动势给母线上器件带来冲击危害；
高速区电机输出端产生非预期的大制动力矩；
低速区电机输出端只存在轴承等摩擦力矩。
3. 0-torque控制工作状态
0-torque控制顾名思义就是逆变器进入0Nm控制状态，即电机输出扭矩为0Nm。然而，0-torque控制工作状态的前提条件是：高压、低压供电正常，电驱系统能执行0Nm输出。
4. 安全保护策略：ASC、OC、0-torque的选择机制
雷竞技最新下载地址功能安全标准ISO26262严格要求：电驱动系统以及整车其他系统（如：电池、DCDC、充电器、整车VCU等）出现故障时，电机控制器接受到故障，并做出及时响应，进入安全工作状态，以便电驱动运行在适当的工作状态，避免人员遭受伤害，同时，也尽可能免电驱系统再次破坏。电驱系统在安全工作状态运行时，需规避以下事件的发生：
避免整车出现无目的扭矩和车速输出造成人员伤亡；
避免过高的反电动势或高电池包电压输出造成人员伤亡；
避免过高的反电动势对挂在母线上各器件（如：IGBT、DC电容等）的损坏；
避免过高的温度造成逆变器的损坏或转子磁钢退磁；
等等……..
通过分析电驱动系统安全工作状态：ASC、OC的特性，可大致按下述机制来进入安全工作状态，如图6所示：
当母线电压足够大时，则考虑进入开路保护工作状态OC；
当母线电压不够大，存在反电势反超母线电压现象时，则考虑在低速区进入开路保护工作状态OC，高速区进入主动短路保护工作状态ASC。因此，低速区采用OC避免采用ASC产生大的制动力给车辆运行造成大冲击，而影响驾驶舒适性；高速区采用ASC避免采用OC产生大的反电动势给母线上器件带来冲击危害。
图6.安全工作状态选择机制一
考虑到主动短路工作状态容易造成电机或逆变器过热，可在高速区设计主动短路和0-torque控制相结合的方式来调节安全工作状态，如图7所示，当0-torque控制引入时，还需要考虑功能安全标准ISO26262的话，则整个安全工作状态选择机制的控制系统将需设计得更复杂：在故障发生时，不仅需要实时监控0-torque控制是否能正常执行，还需监控0-torque控制的路径不会引起无目的地扭矩输出，对于容错时间间隔（FTTI）的控制也是个严峻的挑战。
图7.安全工作状态选择机制二
整车系统或电驱系统出现故障影响到驾驶安全性时，基于高压功能安全考虑，整车系统会第一时间断开高压继电器，禁止电池高压输出，避免故障发生时高压电源还在输出造成人员危险，此时也就无法执行0-Torque控制。相对而言，OC和ASC的实现就更简单、更快速。无论何种系统故障或硬件故障的发生，逆变器硬件层面都可通过器件或电路相互监控达到OC和ASC快速实现和切换。因此，为了追求简单、高效，当前大部电驱系统开采用了如图6所示的安全工作状态选择机制一，当然，少部分供应商采用ASC与0-torque控制相结合的方式，如图7所示安全工作状态选择机制二。
基于系统架构、软件架构以及硬件架构，触发安全工作状态，不同的故障，需要结合故障发生的时间、发生的位置以及功能安全等信息，来选择软件层面或硬件层面触发对应的安全工作状态。
5. 拖车保护应用
车辆发生故障或某些特殊情况时，需驱动轮着地被临时拖车，当电动雷竞技最新下载地址驱动电机与传动轴间没有脱离装置时，则电机将产生反电势。此时，我们就需要考虑电动车在临时被拖车时的安全工作状态：
若将电驱系统进入OC模式，则存在反电动势对电机控制器开关管、母线电容及其它器件形成安全威胁；
若将电驱系统进入ASC模式，则反电势电能通过电机定子绕组释放，有效起到保护用电器安全，但也存在低速拖车时制动力矩大、高速拖车时间长导致过热的风险。
正所谓：两害取其轻，故电动车在临时被拖车时往往将电驱系统进入ASC模式。购买了新能源电动雷竞技最新下载地址的朋友会发现电动车使用说明书标注：不允许驱动轮着地拖车，如图8所示，必要时，可允许短距离、短时间的情况下保持低车速（如5km/h）的牵引拖动，就是因为被拖车时电驱系统进入了ASC工作状态。另外，有人可能会提出0-torque控制用于临时拖车，但往往是车辆出现了故障才要求临时拖车，正如前面提到:基于功能安全考虑，故障发生后母线电压是断开的，导致无法实现0-torque控制。
图8.电动车运输说明
特殊情况下，如电池电量低，找不到备用电，需要临时拖车抢援，可实现驱动轮着地牵引电动车，具体操作如下：被牵引电动车辆必须挂入D挡，并踩压油门踏板保持一定的行程。这样的操作是模拟被牵引车辆的电驱系统进入发电模式的运行工况，前提是车辆动力/控制系统能正常工作，牵引速度可达到较高车速，如45千米每小时，被牵引的车辆相当于在充电。
结语：
谢谢关注/支持！关于文章内容，期待能听到你的声音。感兴趣的同仁，点击在看并后台留言，相互交流学习。
