摘 要： 本系統(tǒng)為采用三路電池同時(shí)或者單獨(dú)給九繞組電機(jī)供電的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，在主控制單元TSM2812的控制下并行工作，從而保證輸出的三組電壓同步，當(dāng)某組蓄電池出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)到其故障原因，通過(guò)主控單元封鎖逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖使相應(yīng)的逆變器停止工作，保證各組電池組獨(dú)立，減弱了電池的成組效應(yīng)，提高系統(tǒng)可靠性，保障行車安全；同時(shí)，該系統(tǒng)有效避免蓄電池放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響蓄電池使用壽命。為新能源純電動(dòng)汽車的推廣提供了一種全新的控制理念和技術(shù)保障。
關(guān)鍵詞： 多繞組電機(jī)；IGBT；成組效應(yīng)；動(dòng)力電源
0 引言
我國(guó)正在成為全球最大的汽車生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。汽車逐漸成為人們必需的代步工具，汽車對(duì)能量的消耗逐年增加。到2020年，車用燃油的缺口將達(dá)到1.24億噸。我國(guó)汽車行業(yè)面臨能源危機(jī)，節(jié)能減排是新一代新能源汽車的重大挑戰(zhàn)。同時(shí)汽車尾氣排放已成為貢獻(xiàn)PM2.5的主要來(lái)源之一。新能源汽車將成為能源動(dòng)力系統(tǒng)的一次技術(shù)革命，是擺脫汽車對(duì)石油資源依賴、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑之一。在中國(guó)，新能源汽車的發(fā)展重點(diǎn)是電動(dòng)汽車。發(fā)展電動(dòng)汽車被普遍認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型、解決能源和環(huán)境危機(jī)的根本途徑。電動(dòng)汽車的技術(shù)不成熟和電動(dòng)汽車未來(lái)幾年的發(fā)展需求的矛盾，形成了目前純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)推進(jìn)緩慢的被動(dòng)局面。
1 系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)為采用三路磷酸鐵鋰電池供電的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)。它包括微電腦處理器、SPWM發(fā)生器、門極驅(qū)動(dòng)模塊（三路）、逆變模塊（三路）、動(dòng)力電池組（三組）、多繞組電動(dòng)機(jī)、故障檢測(cè)保護(hù)模塊、顯示模塊、告警模塊以及設(shè)定輸入模塊。
其中每一組動(dòng)力電池組通過(guò)對(duì)應(yīng)逆變模塊向多繞組電機(jī)中的一組繞組獨(dú)立提供能量。各逆變模塊受控于對(duì)應(yīng)門極驅(qū)動(dòng)模塊的控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，三組逆變器分別由三組鋰電池組供電，在主控制單元的控制下并行工作，從而保證輸出的三組電壓同步，當(dāng)某組蓄電池出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)到其故障原因，通過(guò)主控單元封鎖逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖使相應(yīng)的逆變器停止工作，保證各組電池組獨(dú)立，可有效防止因?yàn)槟骋唤M電池組出現(xiàn)故障，影響其余電池工作，減弱了電池的成組效應(yīng)，提高系統(tǒng)可靠性，保障行車安全[1]；同時(shí)，通過(guò)智能的電池管理系統(tǒng)可有效避免蓄電池過(guò)充、過(guò)放電問(wèn)題，使磷酸鐵鋰電池的使用壽命延長(zhǎng)三倍以上。
該系統(tǒng)采用三組蓄電池并聯(lián)供電和多繞組電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方法，在不降低驅(qū)動(dòng)功率的前提下，降低了系統(tǒng)工作電壓，提高了安全性，降低了安裝調(diào)試難度。
采用三組蓄電池并聯(lián)供電，能夠有效解決蓄電池成組效應(yīng)導(dǎo)致的電池壽命縮短、供電可靠性降低等問(wèn)題，可防止蓄電池過(guò)放電，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命；使系統(tǒng)供電連續(xù)可靠，保障行車安全。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)采用三組電池同時(shí)對(duì)九繞組異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，在故障時(shí)通過(guò)封鎖逆變器，切斷故障電路的供電。逆變器由驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在整個(gè)工作過(guò)程中故障檢測(cè)模塊對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)如電壓、電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速等進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳送到DSP控制中心進(jìn)行處理，DSP針對(duì)處理結(jié)果做出相應(yīng)反應(yīng)。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
2.1 多電池組設(shè)計(jì)
電池模塊要達(dá)到較高的電壓和容量，必須進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)組合。
本設(shè)計(jì)針對(duì)額定工作電壓為144 V的三相異步電機(jī)，采用三組相互獨(dú)立的蓄電池并聯(lián)供電，每組電池由45個(gè)標(biāo)稱電壓為3.2 V的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)而成，每組電池標(biāo)稱電壓由原來(lái)的336 V降低為144 V。這種設(shè)計(jì)不僅降低了電池組成組效應(yīng)，大大降低了電池成本，而且使電氣絕緣要求降低，安全性大為提高，符合電動(dòng)汽車特別是電動(dòng)轎車的發(fā)展方向。三組電池組獨(dú)立供電，當(dāng)其中任意一組或兩組出現(xiàn)故障時(shí)，由主控單元將故障線路切斷，不會(huì)影響其他電池組的正常工作，保證電動(dòng)汽車不會(huì)拋錨。
2.2 多繞組電機(jī)設(shè)計(jì)
為了滿足電動(dòng)汽車運(yùn)行穩(wěn)定，提高續(xù)航里程的要求，本次設(shè)計(jì)選用一個(gè)九繞組三相交流異步電動(dòng)機(jī)做車載電機(jī)。九繞組三相交流異步電動(dòng)機(jī)的每相繞組都是獨(dú)立的，是不會(huì)相互影響的，當(dāng)某相繞組發(fā)生故障時(shí)不會(huì)對(duì)其他繞組造成影響。同時(shí)，該多繞組電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)三組電池同時(shí)供電，不但解決了電動(dòng)汽車動(dòng)力不足的問(wèn)題，而且還提高了汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性，三組電池中的一組電源出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)直接切斷該電池組，而不會(huì)影響其他兩組電池組繼續(xù)供電。這樣，與傳統(tǒng)的三繞組異步電機(jī)相比較，穩(wěn)定性和運(yùn)行的持久性都大大提高[3]。
2.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
信號(hào)調(diào)理電路由兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成，第一級(jí)采用反向比例放大單元，將電壓控制在-1.5 V～+1.5 V之內(nèi)；第二級(jí)為加法電路，提升放大后的電壓信號(hào)，通過(guò)雙向二極管BAV99將電壓限制在3.3 V左右。具體電路如圖3所示。
該模塊通過(guò)接口JP3與汽車操作臺(tái)相連，操作臺(tái)的動(dòng)作信號(hào)進(jìn)入到該模塊由TL07411構(gòu)成的濾波器和電壓跟隨器，濾波器起濾波和放大的作用，電壓跟隨器可增加電路的負(fù)載能力。信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和放大后傳到 TSM2812的8路A/D輸入端。
2.4 通信電路設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)通過(guò)MAX232芯片與DSP進(jìn)行通信，MAX232的作用是將DSP片內(nèi)集成SCI模塊3.3 V的UART信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成與RS-232兼容的TTL信號(hào)電平[4]。系統(tǒng)采用A28C250實(shí)現(xiàn)CAN總線收發(fā)器接口芯片，通過(guò)該芯片的CANL和CANH實(shí)現(xiàn)CAN總線與物理總線以及電池管理系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的實(shí)時(shí)科學(xué)管理[5]。
2.5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
電源通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊IGBT給系統(tǒng)各部分供電。IGBT導(dǎo)通時(shí)的電壓通常小于3 V，如果電路出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)流狀況，IGBT管電壓將會(huì)迅速上升，將出現(xiàn)被擊穿損壞的可能，所以必須實(shí)施IGBT快速斷開的保護(hù)。系統(tǒng)采用A316J通過(guò)實(shí)施快速斷開保護(hù)對(duì)IGBT的導(dǎo)通和截止進(jìn)行控制。速斷保護(hù)的保護(hù)原理為：微處理器給定脈沖時(shí)，A316J通過(guò)14號(hào)引腳和16號(hào)引腳的外圍電路，和被驅(qū)動(dòng)的IGBT的C極和E極形成閉合環(huán)路，如果IGBT檢測(cè)到的管壓降大于7 V，則A316J封鎖輸出脈沖，與此同時(shí)，由6號(hào)引腳向DSP發(fā)出低電平有效的OC報(bào)警信號(hào)，DSP響應(yīng)實(shí)施保護(hù)停機(jī)動(dòng)作。如果DSP微處理器把低電平有效的復(fù)位信號(hào)傳送到A316J的5引腳，則A316J獲得復(fù)位信號(hào)后立刻解除脈沖封鎖，同時(shí)解除故障狀態(tài)，進(jìn)入工作狀態(tài)。圖4所示是一路IGBT驅(qū)動(dòng)電路。
2.6 供電模塊設(shè)計(jì)
主控板采用LM7805給MAX232提供+5 V電源，同時(shí)給W1117提供一個(gè)電壓輸入，通過(guò)W1117三端穩(wěn)壓電源將電壓穩(wěn)定在3.3 V左右，給DSP2407提供供電電源。該電源模塊將LM7805和W1117集成在一個(gè)電路上，實(shí)現(xiàn)多輸入穩(wěn)定電源，該電源具有穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
當(dāng)電動(dòng)汽車插入鑰匙開始啟動(dòng)時(shí)，程序控制系統(tǒng)對(duì)電流電壓等進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果檢測(cè)參數(shù)超過(guò)設(shè)定范圍，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并斷開故障電路；如果檢測(cè)參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)，則對(duì)三組電池的電流峰值時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)三組電池的峰值電壓進(jìn)行比較，以檢測(cè)三組電池供電是否同步。如果三組電池的電流峰值時(shí)間不同，則發(fā)出警報(bào)，并調(diào)整三組電池的供電，再對(duì)調(diào)整后的電流峰值時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，直到三組電池同步供電[7]；如果三組電池的峰值電壓相同，說(shuō)明三組電池同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)供電。如果需控制電動(dòng)汽車加速和減速，則先對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，再將檢測(cè)值與給定值進(jìn)行比較，如果在安全范圍內(nèi)則直接加速或減速；如果不在安全范圍內(nèi)，也需要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，如檢測(cè)值過(guò)大則減速，檢測(cè)值過(guò)小則加速；在加減速后也需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，以保證行車安全。如果需實(shí)現(xiàn)汽車的前進(jìn)或倒退，則對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行檢測(cè)，并將其保存在存儲(chǔ)器中，再改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作后再對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行檢測(cè)，并將其與存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較，判斷轉(zhuǎn)向操作是否有效，如果比較結(jié)果是轉(zhuǎn)向不同，則轉(zhuǎn)向成功，相應(yīng)轉(zhuǎn)向指示燈發(fā)亮；如果通過(guò)比較得出的結(jié)果是轉(zhuǎn)向相同，說(shuō)明該次操作無(wú)效，需要重復(fù)上述操作。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)首次采用三組電池組串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)多電池組獨(dú)立給九繞組電機(jī)供電，系統(tǒng)成功解決了一組電池出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致汽車出現(xiàn)“拋錨”的問(wèn)題，降低了電池的成組效應(yīng)，提高了系統(tǒng)的續(xù)航能力。該系統(tǒng)采用軟件封鎖IGBT門極實(shí)現(xiàn)電池組的故障切換，采用DSP同時(shí)給三個(gè)IGBT發(fā)送脈沖的辦法，實(shí)現(xiàn)九繞組電機(jī)同步問(wèn)題，防止電機(jī)運(yùn)行期間出現(xiàn)“堵轉(zhuǎn)”。該方案使純電動(dòng)汽車動(dòng)力電源系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的優(yōu)化[8]，為新能源純電動(dòng)汽車的推廣提供了一種全新的控制理念和技術(shù)保障。
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