舒 暉（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）

　　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保護策略優化方案，快速檢測因動力電池瞬斷產生的尖峰電壓，觸發保護機制保護IGBT模塊。本文通過臺架實驗對比了方案優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。結果表明，優化后的保護策略能更快地檢測到抬升的母線電壓，觸發保護機制，停止IGBT工作，降低IGBT模塊損壞的風險。

　　關鍵詞：電動汽車；能量回饋；IGBT

　　0 引言

　　傳統汽車在制動過程中，機械能大部分通過制動器的摩擦轉化為熱能損耗掉，電動汽車采用電機作為驅動部件，可以利用電機的制動發電來回收制動能量^[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對降低電動汽車能耗和提高續航有重大意義。

　　張俊智^[3]等總結了能量回收系統的組成和分類，主要從液壓執行機構、系統控制和系統評價3個方面對制動能量回收系統的關鍵技術進行了分析。黃萬友^[4]等通過對不同電機轉速、制動扭矩及電池組荷電狀態下的能量回饋效率進行測試，優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，結合實際工況，提出了優化方案，提高了運行可靠性。以上文獻從不同方面研究了能量回饋系統，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，電驅動系統因發電導致的電壓持續激增的工況進行研究，提出了一種電動汽車能量回饋下IGBT保護策略優化方案。在動力電池繼電器異常斷開時，快速檢測因發電導致抬升的電壓，當達到過壓保護閾值時，IGBT停止工作；分別在額定電壓和峰值電壓下進行臺架和實車測試，驗證了該方案滿足要求，可以降低該工況下IGBT損壞的風險。

　　1 能量回饋系統

　　能量回饋系統主要由動力電池、電機控制器、電機組成，如圖1所示。電動時，電驅動系統將動力電池輸出的直流電轉化為交流電驅動整車前進后退；發電時，電驅動系統將電機產生的交流電通過逆變電路整流成直流電回饋給動力電池，進行電制動，增加整車續航。

　　現有電動汽車大部分采用軟件過壓保護，母線電壓通過軟件采樣得到，當電壓值大于設定閾值時，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，導致電機發電產生的電壓在電機控制器內的電容上持續累加；若采集到的母線電壓沒有達到保護閾值，有擊穿IGBT的風險。

　　2 優化方案

　　在軟件過壓保護的基礎上增加硬件過壓保護。母線電壓經過電阻分壓后VDC_IN給到單片機，單片機分兩路輸出：一路輸出相應占空比的PWM波CEX1，CEX1經光耦隔離、RC濾波輸出母線模擬量采集信號給控制板DSP；另一路與單片機內設定的過壓電壓值比較，如果超出設定的電壓值，則輸出OT信號為低，OT信號經光耦隔離后拉低DSP的GPIO口，整車軟件檢測到GPIO口為低時，則執行IGBT關管。圖2、圖3分別為驅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個方面優化：

　　增加驅動板發電工況下母線AD采樣的過壓判斷功能，輸出過壓數字信號；

　　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為優化前后的對比。

　　3 臺架測試

　　分別將優化前后的電驅動系統安裝在臺架上進行實驗，對比優化前后的尖峰電壓。根據整車參數制定測試步驟，表2為整車參數。

　　測試步驟如下：

　　1 ） 統一試驗環境， 室溫25℃，冷卻水流速8 L/min，水溫65℃；

　　2）將優化前的電驅動系統安裝在臺架上；

　　3）母線電壓為350 V，轉速為1 910 rpm（轉折轉速），逐漸提高輸出轉矩，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，轉速為9 500 rpm（峰值轉速），逐漸提高輸出轉矩，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，轉速為1 910 rpm（轉折轉速），逐漸提高輸出轉矩，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，轉速為9 500 rpm（峰值轉速），逐漸提高輸出轉矩，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）將優化后的電驅動系統安裝在臺架上；

　　重復上述步驟3到步驟6，記錄數據。

　　表3、表4為優化前數據，表5、表6為優化后數據。

　　通過以上臺架數據對比發現，優化前發電功率在10 kW左右時，斷開動力電池繼電器，尖峰電壓超過600 V，故在最大發電功率30 kW時斷開繼電器，存在IGBT模塊損壞風險；優化后發電功率為30 kW時，斷開動力電池繼電器，尖峰電壓遠小于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，通過上位機標定動力電池繼電器斷開。

　　電池電壓354 V時，整車發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，發電功率已測試到25 kW。

　　電池電壓3 8 0 V 時， 整車發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個電壓下的不同發電功率測試，母線電壓均滿足要求，可以實現整車發電時異常斷開動力電池繼電器工況下，保護IGBT模塊。

　　5 總結

　　本文通過對優化前后的電驅動系統進行不同電壓下的能量回饋測試可知，優化后在能量回饋下斷開動力電池繼電器的尖峰電壓遠小于優化前，能量回饋功率從10 kW提升到30 kW。經過整車驗證，整車發電功率為30 kW時，電壓為530 V，低于IGBT模塊耐壓值，可以保護該異常工況下的IGBT模塊，降低損壞風險。

　　參考文獻：

　　[1] 盧東斌,歐陽明高,谷靖,等.電動汽車永磁同步電機最優制動能量回饋控制[J].中國電機工程學報,2013(01).

　　[2] 王思哲,鐘日敏,陳長健.基于NEDC工況的純電動汽車能量回饋方法研究[J].汽車工業研究,2018(12).

　　[3] 張俊智,呂辰,李禹橦,等.電驅動乘用車制動能量回收技術發展現狀與展望[J].汽車工程,2014(08).

　　[4] 黃萬友,程勇,曹紅,等.純電動汽車能量回饋效率特性測試分析[J].機械工程學報,2012(06).

　　[5] 張鳳蓮.能量回饋單元IGBT功率周次問題及改進[J].電氣傳動,20 13(06).

　　（注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第07期第40頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）