电动汽车电机系统三相主动短路分析及应用

黄步甲，于海生，刘 野

（科力远混合动力技术有限公司，上海 201501）

近几年，中国从政策上积极推动新能源汽车尤其是电动汽车的发展，目的是为了减少对石油的使用，降低车辆尾气的排放，实现汽车绿色能源消耗。

电机控制器作为电动汽车电机系统的核心部件，具备实现直流电和交流电的相互转换，在电动车正常行驶时可将动力电池的直流电逆变成三相交流电，为驱动电机提供电源并控制电机输出转矩驱动车辆行驶；在电动车滑行或制动过程中电机控制器可控制驱动电机运行于馈电模式，将动能转换成电能给动力电池充电，有效地通过节约效能来提升电动车的纯电续航里程。

1 三相主动短路电路分析

1.1 三相桥式逆变电路

电动汽车用电机控制器目前主要采用三相桥式逆变器来实现直流电与交流电的转换功能，根据三相桥式逆变电路的控制原理 （SVPWM），正常工作下，在一个正弦周期中，每个桥臂开关管开通半个周期 （即180°），同一相上下桥臂开关管交替导通，各相开始导电的角度差120°［1］，且任一瞬间有3个桥臂同时导通，但不能出现同相桥臂上下开关管同时导通的状态，否则会引起直流侧电源短路。逆变器三相桥臂共有6个开关管及6个反向续流二极管，令三相桥臂分别为Sa （S1、S4），Sb（S3、S6），Sc （S5、S2），各开关管在上下桥臂分布如图1所示。

图1 三相桥式逆变器电路

逆变器在工作状态中每相桥臂的上下开关管只能一个导通则另一个关断或互换两种状态，令Sa=1时，S1导通、S4关断；Sa=0时，S1关断、S4导通。

同理类推Sb和Sc桥臂具有同样的开关状态，综合Sa、Sb、Sc桥臂的开关状态，共有8种组合状态，具体如表1所示。1.2 三相主动短路电路

在表1中所列Sa、Sb、Sc的8种组合开关状态中，7和8状态下逆变器各相桥臂分别对应下臂同时导通、上臂同时导通，此状态即可实现电机系统进入ASC模式，开关状态电路如图2、3所示，在ASC模式下，电机侧和动力电池侧无法有效形成回路［3］。

表1 逆变器的三相桥臂开关状态［2］

图2 开关状态7电路

图3 开关状态8电路

2 三相主动短路的特性及作用

2.1 三相主动短路控制的特性

电机控制器可通过对逆变电路上桥臂全导通下桥臂全关断或上桥臂全关断下桥臂全导通两种方式来实现ASC，通常采用上桥臂全关断下桥臂全导通的方式，如图2所示。

电机控制器工作在ASC模式时，驱动电机输出的转矩和转速之间，转速和三相电流之间形成一定比例关系，但其表征的特性与正常控制模式下电机转矩、转速及相电流关系存在差异，ASC状态下驱动电机转矩、转速、相电流的对应关系如图4、图5所示。由图4可发现ASC模式下驱动电机输出反向转矩 （以车辆前进为正向转矩），且反向转矩输出绝对值与电机转速变化成非线性，整体趋势为转矩随着转速的增加先增后减最后趋于稳定。由图5可发现在ASC模式下相电流随着转速的增加先增大并逐渐趋于稳定。

图4 ASC电机转矩和转速关系曲线

图5 ASC电机相电流和转速关系曲线

2.2 三相主动短路的主要作用

当电机控制器进入ASC模式时，因为各相桥臂均不导通，直流端与交流端电路不再形成回路，同时驱动电机产生反向制动转矩，基于这些特性ASC模式合理运用在电动汽车行驶过程中主要起到以下几方面作用［4］。

1）整车失控时，实施ASC可产生反向转矩，使车辆缓慢制动，实现安全停车。

2）动力电池故障时，实施ASC可使电机、电机控制器与动力电池侧隔离，保证整车高压安全。

3）整车行驶过程中驱动电机转速过高或异常时，实施ASC可避免过高的反电势对动力电池、母线电容及其它高压器件的损坏。

4）电机控制器逆变电路中某个开关管 （IGBT）故障时，实施ASC可避免不可控整流对其它器件或动力电池的损坏。

3 三相主动短路应用分析

前文已说明了电机控制器工作在ASC模式下电机输出转矩、转速及相电流成一定对应关系，但根据实际测试验证发现，不同的驱动电机下应用ASC其转矩和转速、相电流和转速的变化曲线均有所不同，ASC模式下输出转矩、转速和相电流的对应关系与电机本身固有输出特性息息相关。

3.1 电动车高速失控应用

在新能源纯电动汽车中，车辆的唯一动力源为驱动电机，且目前大部分的电动车用电机类型为永磁同步电机，一旦驱动电机永磁体退磁或脱离半轴连接等故障发生，驱动电机可能会出现转速失控而引发整车失控，危及人身安全。图6所示为匹配某纯电动车型的驱动电机在ASC模式及逆变器关闭 （开关管全关断）下输出转矩和转速的特性曲线。由曲线图可知该电机在较高转速 （7 000 r／min以上）下运行时如直接关闭逆变器电路将会产生很大的制动转矩，对高速行驶中的车辆而言极其危险。对比ASC和逆变器关闭的转矩和转速特性，车辆高速下出现失控或严重故障时，在电机高转速区 （5 300 r／min以上）进入ASC模式，在电机低速区 （5 300 r／min以下）进入逆变器关闭模式，为高速运行车辆安全停车较为有效的保护措施。

图6 ASC与逆变器关闭转速、转矩曲线

3.2 反电势过高保护应用

由于电动机运行过程存在反电势的特性，新能源汽车在行驶过程中如果出现电机转速异常及控制不良等情况，极有可能出现电机的反电势高于电机输入电压，从而引发反电势通过逆变器倒灌动力电池，造成动力电池及相关高压器件的损坏。因此在出现此类故障时，适宜地进入ASC控制模式尤为重要。

图7为搭载于某款新能源电动汽车的驱动电机在不同转速下反电势与输入电压的对比曲线图。由图7可知电机反电势与转速成正比例关系，且在转速大于3 000 r／min以上，均有可能出现反电势高于输入电压的情况，因此在转速大于3 000 r／min以上时，电机控制器应考虑进入ASC状态。

图7 反电势与输入电压对比曲线

值得注意的是，电机系统运行于ASC模式下，驱动电机相电流将远高于正常工作状态，并可能接近峰值电流，因此实际应用时需确保相电流不超过电机的峰值电流，避免造成高压器件的损坏。结合前文所分析ASC状态下驱动电机转矩、转速和相电流的关系，对该电机的特性测试数据如图8、图9所示。由图8、图9可知，ASC状态下反向转矩在电机转速3 000 r／min以上已稳定，且相电流为225 A （电机峰值电流为280 A）不超过峰值电流，那么该车辆电机控制器进入ASC控制模式可基于以下工况。

图8 ASC电机转矩和转速关系曲线

图9 ASC电机相电流和转速关系曲线

1）动力电池输出母线电压为240VDC时，为了防止高反电动势倒灌动力电池，电机转速大于3 000 r／min时进入ASC模式。

2）动力电池输出母线电压为240~400VDC时，为了防止高反电动势倒灌动力电池，电机转速在3 000~5 000 r／min应对比电机输入端电压和反电势数据，在反电势高于电机输入端电压时进入ASC模式。

3）动力电池输出母线电压400VDC时，为了防止高反电动势倒灌动力电池，电机转速大于5 000 r／min进入ASC模式。

3.3 车辆滑行及拖车保护应用

驱动电机为新能源汽车的关键动力总成，而永磁同步电机对比其它类型电机具有效率高、转矩和功率密度大、恒功率调速范围宽等优点而被广泛采用。然而永磁同步电机因其转子采用永久磁体，即使在不通电的情况下电机转子磁性仍一直存在，因此永磁同步电机在被反拖时将会产生反电势，且反电势与转速成正比例关系，高转速反拖永磁同步电机可能引起电机控制器高压器件甚至动力电池损坏。

目前大部分的新能源汽车驱动电机与传动轴间没有脱离装置，那么搭载永磁同步电机的车辆在滑行工况及驱动轮着地拖车时电机将产生反电势，对电机控制器开关管及其它高压器件形成安全威胁。因此，车辆在滑行工况或临时拖车时电机系统进入ASC模式，切断了电机端与动力电池端电路连接，将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。

4 结束语

目前电动汽车正处于高速发展时期，解决电动汽车特有安全问题为今后电动车技术领域的重点研究方向之一。伴随着电动汽车的快速发展，关键系统领域的技术水平也越来越成熟，电机控制器开发中ASC已成为必不可少的一种保护功能。电动车电机系统工作在ASC状态既有好处亦存在危害的特性，如何更好地发挥ASC有利作用，规避其危害，这需要电机控制器根据匹配驱动电机的特性及搭载车辆的行驶工况制定合理的控制策略。