纯电动汽车MCU 母线电流采样电路及故障机制

李 玮， 王 晶

（1.北京新能源汽车股份有限公司工程研究院， 北京 100176；2.廊坊职业技术学院机电工程系， 河北 廊坊 065000）

纯电动汽车在行驶过程中具有无尾气排放、能量效率高、噪声低、可回收利用能量等多项优点，大力发展纯电动汽车可有效解决中国交通能源消耗和环境污染问题［1-4］。

对于纯电动汽车，在行驶过程中唯一的能量来源于动力电池，动力电池提供直流电源，MCU （Motor Control Unit，电机控制器） 利用动力电池输出的直流电作为电源来保证驱动系统的功能实现。电机控制器在工作过程中会对其输入端的电流进行检测，该电流将用于电机系统保护限制（过流保护、扭矩限制等）、仪表显示、驱动系统消耗功率计算、整车能量管理、动力电池过流保护等控制逻辑的执行。

本文设计了一种纯电动汽车电机控制器直流母线电流采样电路，该电路在满足母线电流信号可靠采样的前提下实现了对采样回路故障的有效检测。在此基础上本文提出了一种电流采样故障的处理方法，与传统的被动故障处理措施不同，该方法根据驱动系统当前状态（电机转速、当前输出扭矩） 实现了对电机控制器输入端直流母线电流的有效估算，当发生电机控制器直流母线电流采样回路故障后利用估算值继续保证整车控制逻辑的正常执行，在保证安全行车的前提下尽可能地对驾驶员的驾驶感受进行保护。关于文中所提到的电机控制器直流母线电流采样电路及相应的故障机制，通过实车对其可靠性及有效性进行了验证，具有良好的推广价值。

图1 直流母线电流采样电路

1 直流母线电流采样电路

图1为直流母线电流采样电路。该电路中采用LEM公司的HC5FW 900-S/SP1电流传感器实现母线电流的检测。该传感器中，引脚1为参考电压引脚，该引脚经电容C3 （4.7nF）与电源搭铁相连接；引脚2输出直流母线电流对应的电压信号，用于后续的电流解析计算；引脚3为传感器的电源搭铁引脚；引脚4为传感器的电源引脚，因此该引脚与+5V电源相连接，另外为保证供电电源的稳定，在电源的正极与搭铁之间并入去耦电容C4 （100nF）。

电流传感器反馈的电压信号接入采集电路（a点处） 中，该信号经过电阻R2 （33kΩ） 与电容C2 （47nF） 组成的RC低通滤波电路后输出 （b点处），后由电机控制器主控芯片A/D采集（图中右侧检测点2处），之后通过解析便可以获得电机控制器输入端直流母线电流值。图中R1 （2kΩ） 为上拉电阻，目的为防止电流采样信号的漂移，C1 （10nF） 为滤波电容，目的为滤除采样信号中的高频干扰。

2 直流母线电流采样故障检测

正常情况下电流传感器反馈的电压值应在其量程范围内，因此根据图1所示的采样电路，通过判断b点处A/D采样电压是否超限便能够实现故障的检测，其中采样故障包含：采样回路对电源短路故障；采样回路对搭铁短路故障；采样回路断路故障。直流母线电流采样故障检测见表1。

表1 直流母线电流采样故障检测

正常情况下MCU主控芯片A/D采集到的电压（b点处的电压） 不应该在5V或0V附近，大于4.5V的采样电压或者小于0.5V的电压已经不在HC5FW 900-S/SP1电流传感器的有效量程范围内，本文正是根据电路的这一特点设计故障机制来检测采样故障；另外100ms的确认时间能够有效地避免由于干扰导致故障的误报。

3 直流母线电流采样故障处理

为保证直流母线电流采样故障状态下各项控制逻辑的正常实现，本文给出了一种故障处理方法，该方法首先估算MCU输入端直流母线电流，该估算电流值将用于保证整车控制逻辑的正常执行。在此基础上根据电流的估算情况采取不同的故障处理措施，从而在保证安全行车的前提下尽可能地对驾驶员的驾驶感受进行保护。

该故障处理方法包括两部分内容，分别为输入端直流母线电流估算与故障处理，下面分别进行介绍。

3.1 MCU直流母线电流估算

本文采用扭矩公式进行直流母线电流估算，具体如下：

式中：Imcu——估算的输入端直流母线电流；n——电机当前转速；Tq——电机当前输出扭矩；——电机控制器的当前效率；Umcu——电机控制器输入端直流母线电压。

驱动系统在工作过程中电机控制器及电机均会散发热量，这部分能量对于扭矩未产生作用，因此存在效率问题，其效率与当前的电机状态有关，如在高转速状态下，由于电机控制器内部IGBT模块开关频率增大，此时会产生更多的开关损耗；同样，电机在大扭矩输出的状态下，由于电流增大电机本体会产生更多的热量损耗。根据以上分析可以发现，驱动系统的效率与电机转速、输出扭矩强相关，为此本文在式（1） 中将电机控制器的当前效率表示为电机转速与电机当前输出扭矩的函数，其获得方式如图2所示。

如图2所示，通过前期台架试验，获得电机当前转速、输出扭矩与系统效率之间的映射关系，将以上关系以表格的形式进行存储，在实际应用中，通过电机当前转速n与电机当前输出扭矩Tq可直接查询得到电机控制器效率ηmcu（n， Tq），进而通过式（1） 计算得到直流母线电流估算值。

图2 电机控制器效率计算

3.2 故障处理

本文给出的直流母线电流采样回路故障处理方法具体如下。

如图3所示，当发生电机控制器输入端直流母线电流采样回路故障，为保证各项控制策略正常执行，需要对直流母线电流进行估算，根据式 （1），若要完成电流估算需要首先获得以下几个参数：电机当前转速、电机当前输出扭矩、电机控制器的当前效率以及电机控制器输入端直流母线电压。正常情况下以上参数均能够有效获得，但在异常状态下则不能够保证，如电机当前输出扭矩计算失效、直流母线电压异常等，为此首先对直流母线电流估算状态判断，若估算成功则采用方式1进行故障处理，若未估算成功则采用方式2进行故障处理，通过区别处理来保证驾驶员的驾驶感受。

图3 故障处理流程图

具体故障处理方式如下。

1） 故障处理方式1

考虑到这种情况下由于能够获得母线电流的估算值，利用该估算值整车控制策略能够正常进行，不会对行车安全造成隐患，因此采用以下故障处理方式：①利用估算的电机控制器输入端直流母线电流完成整车控制逻辑；②点亮仪表驱动系统故障灯，同时仪表文字提示驾驶员：驱动系统发生故障，请安全驾驶并尽快对车辆进行检修。

2） 故障处理方式2

此时由于不能够正常估算得到电机控制器输入端的直流母线电流，这将造成一些整车控制策略无法执行，会对行车安全产生隐患，为此采用以下方式进行故障处理：①仪表鸣报警音；点亮仪表驱动系统故障灯，同时仪表文字提示驾驶员：“驱动系统发生故障，动力输出将受到限制，请安全驾驶并尽快对车辆进行检修”；②驱动系统最大输出功率限制为额定功率的30%。

通过以上措施来保证行车安全。

4 实车验证

针对本文所提出的纯电动汽车MCU直流母线电流采样电路以及对应的故障检测处理方法进行实车验证。其中所提出的采样电路已经装备了数万辆某品牌的纯电动汽车，该电路的可靠性经过大批量的实车验证。另外，在不同车速的车辆行驶状态下，通过人为模拟直流母线电流采样故障对故障的检测及处理方式进行验证评估，其中采用本文所提出的故障检测方法能够准确、有效地对故障实施检测，在此基础上配合相应的故障处理机制在保证安全行车的前提下有效地保护了驾驶员的驾驶感受，评估人员对此给出了良好的评价。

5 结论

文中提到的电路及故障机制具有原理清晰、可靠性高等特点，通过实车试验对其准确性及有效性进行了验证，考虑综合效果，其具有普遍的推广价值。