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串联式混合动力电动汽车电机控制系统研究


安徽农业大学学报, 2007 34( 4) : 604 607 , Journa l of A nhui A gr icultura lU n ive rs ity

串联式混合动力电动汽车电机控制系统研究
牛礼民 , 冯能莲 , 陈
1 2

龙 , 杨启耀

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1

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( 1 江苏大学汽车与交通工程学院, 镇江 212013; 2 北京工业大学环境与能源学院, 北京 100022) 摘 要: 针对奥运会馆际用车的需要, 在原有纯电动汽车 的基础 上增加 辅助动 力装置 构成串联 式混合 动力电

动汽车, 研究驱动电机系统的控制部分和保护电路, 对绝缘栅双极晶 体管 ( I BT ) 传统驱动保 护电路的 缺陷进行了 G 改造, 并对整个电机控制系统进行了台架试验。结果表明, 通过增加辅助动力单元, 提高了车 载电源对 驱动系统的 输出效率, 在电池技术未能取得根本突破的条件下延长了车辆的续驶里程。 关键词: 电动汽车; 辅助动力 ; 电机; 控 制系统; 台架试验 中图分类号: U 462 34 文献标识码: A 文章编号: 1672 352X ( 2007) 04 0604 04

Series hybrid pow er electric veh icle motor con trol system
N I L i m in , FENG Neng lian , CH EN Long , YANG Q i yao U
( 1 Schoo l o f Au tom ob ile and T raffic Eng ineer ing, Jiangsu U niversity, Zhenjiang 212013; 2 Schoo l o f Environmenta l and Energy Eng ineer ing Beijing U niversity of T echnology Beijing 100022) , ,
1 2 1 1

Abstract In order to m eet the transportation dem ands of Be ijing O lym pic Gam es a concept of aux iliary pow er : , electric vehicle w as put forw ard on th e basis o f hybrid electric veh icle T he pro tective c ircu it and dr iv in g m otor s . contro l system w ere studied by using in tel 80C196KC sing leship as the m a in control unit and IGBT ( in su lated gate bipo la r transistor) as the pow er dev ice T he results ind icated th at the drive effic iency of veh icle load ing pow er w as . in creased and th e driv ing course w as pro longed sign if icantly through addin g aux iliary pow er uni. t K ey w ord s electric veh icle aux iliary pow er m otor contro l system; bench test : ; ; ; 汽车在给人类带来舒适、 便利的同时, 也给人类 带来了严重的环境污染和能源短缺问题。电动汽车 作为新世纪的绿色交通工具, 对于减少空气污染, 提 高能源利用效率等方面都有着深远的意义。美国、 日本等世界有名的汽车工业发达国家都已经研制出 实用的家庭用电动车, 如丰田公司的 prius是世界上 第一辆大批量生产的混合动力汽车, 代表了这一领 域的最高水平。我国政府也高度重视电动汽车的发 展, 已将电动汽车 (包括纯电动汽车、 混合动力电动 汽车和燃料电池电动汽车 ) 列入国家 ! 十五 ?、 863? ! 重大专项予以滚动支 持 。电动汽 车的发展已经 成为必然, 针对奥运会馆际用车的需要, 受北京市教
[ 1]

委重点项目资金资助, 由北京工业大学环能、 电控等 学院组建的辅助动力电动车课题组对电动汽车技术 进行了研发。通过增加辅助动力单元, 并对绝缘栅 双极晶体管 ( I BT ) 传统的电机驱动保护电路缺陷 G 进行了改进设计, 完成了台架试验, 验证了项目的可 行性。

1 混合动力电动汽车
在分析测试纯电动汽车性能的基础上, 采用小 型燃油发动机直接对耗能量相对较大的车用负载进 行驱动, 以提高车载电源对驱动系统的输出效率, 同 时作为一种发电装置对车载蓄电池进行能量补充。

收稿日期: 2006 10 09 基金项目: 北京市教委重点项目 ( P050501 02)资助。 作者简介: 牛礼民 ( 1976- ), 男, 博士研究生。

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牛礼民等

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试验车发动机发电机组功率相对于驱动电机的功率 来说很小, 只是起辅助动力的作用, 主要还是电机驱 动。这种串联式混合动力电动汽车可以避免并联型 和混联型的机械装置和控制系统的复 杂性
[ 2, 3]

,同

时可在提高燃油发动机经济性及环保性的前提下缓 解现行车载电源续驶里程有限的不足。 纯电动车由于空调、 助力等驱动电机都从车载 蓄电池中获取 动力能源, 能耗较大 , 因此车载电 池对驱动直流电机的输出效率很低。而增加辅助动 力后的电动汽车具有自身反充电功能, 增加电池电 力, 在坡度较大的道路行驶时能发挥燃油发动机的 优势, 既保留了燃油发动机优越的动力性、 经济性, 又使电动行驶里程增加, 辅助车辆正常运行, 发挥了 电动车的环保性。辅助动力单元由动力控制器、 辅 助动力发动机、 发电机等组成。电机驱动系统是整 车核心, 限于篇幅, 本文仅对串联式混合动力汽车的 电机控制系统进行阐述。
图 1 强电电路原理 F igure 1 H igh current c ircu it princ iple
[ 4]

图 1中接触器 1和接触器 4是主回路电源控制 器, 由同一路信号控制; 接触器 2 接触器 3是励磁 、 输出控制器, 分别有由两路信号单独控制; 接触器 5 是电枢回路输出控制器。励磁回路用于实现档位变 换 ( 空档、 前进、 后退 ) , 其工作原理为: 空档状态, 励 磁绕组没有电流流过; 当挂上前进档, 就会产生相应 的前进逻辑信号, 由此促使接触器 E2接触片常开 触点 E21闭合, 常闭触点 E 22断开; 后退档的后退 逻辑信号促使 E2接触片回落保持常态, E3接触片 常开触点 E31闭合, 常闭触点 E32断开。正是通过 接触器 E 2 E3 的不同通断状态来控制励磁电流的 、 方向, 从而实现电机的转向改变, 最终控制车辆的前 进后退。同时通过控制功率晶体管 GTR 的导通占 空比来实现对电机励磁电流大小的控制从而保证挂 挡的可靠性。电枢回路是通过控制绝缘栅双极型晶 体管 I BT 的导通占空比来实现对电枢回路电流大 G 小的控制, 在 I BT 关断时, 回路通过续流二极管 D5 G 使电机运行较平稳。 I BT 应用的关键是其驱动电路和保护电路的 G 可靠性。驱动 保护电路设计不 好, 常会 造成 IGBT 工作在放大区, 短时承受很大的功耗而击穿失效, 或 者使 IGBT 关 断 不 迅 速, 造 成 电 流 短 路 而 损 坏。 EXB841是日本富士公司生产的 IGBT 专用驱动模 块, 其驱动信号延迟 # 1 s 最高工作频率可达 40 , k z, 采用单 20 V电源供电, 由模块内部产生 - 5 V H 负偏压, 采用了高速光耦输入隔离, 并有过流检测功 能, 防止以正常驱动速度切断过流时, 产生过高的集 电极电压尖脉冲损坏 I BT。所以它具有单电源、 G 模 块化、 过流检测、 保护软关断等优点, 但实际应用中 EXB841的过流保护 (根据 I BT 过流时的 C E 极间 G 电压 uce的大小来判定是否过流而进行保护, 也就 是 6脚的电压 ) 并不十分可靠, 存在保护盲区, 不能

2 电机控制系统设计与工作原理
混合动力电动汽车电机驱动控制系统分为两个 部分: 弱电部分和强电部分。 2 1 弱电部分 弱电部分用来实现逻辑、 运算处理、 外部接口和 提供不同的供电模块, 按功能可分为 3个部分: MCU ( 微处理器 ) 模块、 接口驱动模块和电源模块。 主处理器采用 I TEL 公司的 M CS96系列单片 N [ 5] 机 80C196KC ; 系统提供 RS232和 CAN 总线两种 通讯接口; CAN 控制器采用 Ph ilips公司的 CAN 协 议控制器 SJA1000, 用于控制基于 CAN 总线由整车 控制器、 电机控制器、 电池管理系统、 变速箱和液晶 显示器组建的局域网。 驱动控制单元是车辆安全行驶和提高能量利用 效率的关键, 其中逻辑信号的处理十分重要的。采 用可编程逻辑器件 ( CPLD) 可以实现复杂的逻辑处 理功能。 CPLD与处理器协调工作模式可进一步保 障逻辑控制安全, 提高车辆的安全性。因此, 逻辑处 理芯片选用 X ilinx公司的 XC9500系列低功耗快闪 存芯片 XC9572 采用 VHDL 语 言编写实 现设计功 , 能: 地址译码、 数据总 线和外部输入 状态的逻辑运 算 。 2 2 强电部分 强电部分的控制利用 P WM 输出控 制励磁、 电 枢、 反馈回路的功率元件, 用数字量输出控制 5个强 电接触器, 实现档位控制。强电电路的原理图见图 1所示。
[ 6]

606

















2007年

保证 I BT 长期安全工作, 过流保护的起控点设置 G 不合理, 无过流保护自锁功能, 负栅压过低, 在高压 电路中应用会降低 I BT 工作的可靠性。针对其缺 G 点, 改用图 2所示电路
[ 7]

控制测功机加载并显示测功机相关参数。蓄电池组 由 18块 85Ah的水平铅布电池组成。



图 2

IGBT 的驱动保护电路

F igure 2 D r iver and pro tect c ircuit o f IGBT 图 3 台架试验平台

图 2中压管 VZ 5起保护作用, 避免 6脚承受过 电压, 通 过二极管 V7检 测是否过 流, 反 串稳压管 VZ1可改变 EXB841模块的过流保护起控点。过流 时, 5脚 会输出故障信号, 通过光 隔 TP521 4 使 T 1 截止, T1的集电极电压经 R c和 C c延迟后使定时器 LM 555置零, 通过与门 4081将输入信号封锁, 避免 了立即停止输入信号造成硬关断。试验证明该电路 能可靠应用于电机控制系统。

F igure 3 Experi entation flat m

3 电机控制系统软件设计
图 4 台架试验平台结构

控制系统的软件采用 M CS96系列相配的单片 机语言 C196编写, 用于实现系统初始化、 处理中断 函数以及输出控制信号等功能。采用模块化设计方 法, 包括 AD采 样模块、 ID 控制模块、 P 逻辑控制单 元、 CAN 总线通讯接口模块、 RS232 串行调试接口 模块和调试显示界面模块。 初始化阶段对程序的控制参数设定初值, 对系 统中断、 串口通讯进行设置, 完成后打开中断等待响 应。程序中主要使用的中断处理有: 串口接受数据 中断、 CAN总线中断、 SO 中断和档位变换中断处 H 理。档位信号的变换是影响驱动控制的关键信号, 在信号 改 变 时 CPLD 将 产 生 相 应 的 信 号 跳 变, 80C196KC 采用非可屏 蔽中断 ( NM I) 处理, 对档位 信号做出及时响应, 防止因档位切换出现危险动作。

F igure 4 Experi entation flat structu re m

在试验台架上主要对油门开度的选择、 电池组 电压、 电流的监控、 控制器承受最大负荷方面进行了 测试, 并模拟负载起动和爬坡试验。测得电机功率 与转速的关系见图 5所示。

4 试验
完成电机控制系统软、 硬件的联调后进行了台 架试验, 试验台架见图 3所示。图 4为试验台架的 结构框图, 对应于图 3从左向右依次是发动机发电 机组、 电机通过联轴器与测功机相连, 测试设备用于

图 5 驱动电机功率与转速的关系 F igure 5 The re la tionsh ip of m otor pow er and speed

图 5所示励磁电流是 2 8 A, 在电机刚起动运 转时, 输出的功率基本上与转速成线性关系; 当转速 - 1 达到 2 500 r? m in 后, 电机的输 出功率将近最大

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功率 45 k 此后保持恒功率输出, 表明电机特性参 W, 数正常。

上试验条件看出, 在油门开度保持不变匀速行驶时, 放电时间延长, 最后电压下降的趋势比较明显, 放电 电流保持平稳, 检验了本控制系统的可靠性, 保障了 车辆稳定行驶的安全性和可行性。

5 结论
通过对电动汽车的硬件电路进行了设计改造, 重点解决了强、 弱电的隔离和对高压强流的检测控 制, 在台架上成功实现了驱动控制系统的调试。 本试验表明本电机控制系统在台架试验上能正
图 6 4个不同油门开度下放电电压电流与时间的 关系 F igure 6 The re la tionsh ip of d ischarge vo ltage and ti e w ith m four d ifferent thro ttle

常运转, 电池组电压波动小, 放电电流平稳, 模拟负 载起动和爬坡试验均能满足设计要求。 通过分析试验结果证实了电机控制系统的有效 性和辅助动力的可行性, 在多能源动力总成控制方 面取得了积极的进展。

图 6所示为在 4个不同的油门开度时放电电压 电流与时间的关系, 初始电压为 223V, 油门开度依 次是 75 、、 % 、 % 时, 反映在图上就是放电电 % 0 50 90 流明显地随着油门开度在变化, 放电电量 15 5 Ah, 放电时间 47 m in 。当放电时间到 30 m in 时, 放电电 压产生一个突变, 是因为当时电压传感器的信号输 入端连线松动脱落。整个过程反映电机受控情况良 好。

参考文献:
[ 1 ]电动汽车重大 专项总 体组. ! 十五 ?国 家高 技术 研究发 展计划 ( 863计划 )电动汽 车重大 专项进 展 [ J]. 汽车工 程, 2003, 25( 6): 533 536. [ 2 ] John M M iller Pow er electronics in hybr id electric v eh ic le . app lications[ J]. A pp lied Pow er E lectronic Conference and Exposition, 2003, 18( 1): 23 29. [ 3 ] Ishikawa K, Suda K, Sasaki M, et a.l A 600 V dr iver I C w ith ne short pro tection in hybrid e lectr ic vehic le I w GBT inverter sy stem [ J]. Pow er Sem iconductor D ev ices and I s C, 2005, 17( 1): 59 62. [ 4 ]王盛军. 混合辅助动力电动汽车驱动 控制系统 [ D ] . 北 京: 北京工业大学, 2004.

图 7 油门开度 50%、 转速 400 r? m in 时放 电电压电流 与时间的关系 F igure 7 T he relationsh ip of d ischarge vo ltage and ti e in m thro ttle 50% , speed 400 r? m in - 1

-1

[ 5 ]赵秀菊, 刘 江桁. 单片微机 8X C196原理及应用 [ M ]. 南 京: 东南大学出版社, 1995: 79 86. [ 6 ]王晓明. 电动机的单片 机控 制 [ M ]. 北 京: 北京 航空航 天大学出版社, 2002: 125 149. [ 7 ]苏麟, 郑建勇, 梅 军, 等. CPLD 逻 辑控制 单元 在 I GBT 驱动 电 路 中 的 应 用 [ J]. 电 力 自 动 化 设 备, 2004, 24

图 7所示为电池 组初始电压 222 V, 油门开度 50% 、 转速 400 r? m in 时放电电压电流与时间的 关系, 放电电量 18 5 Ah 放电时间 47 m in 对比以 , ,
- 1

( 11) : 47 51 .


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