一种电动汽车能量回馈下IGBT保护策略优化及验证

　　摘 要：针对电动汽车在能量回馈时，动力电池高压继电器异常断开的特殊工况下，提出了一种IGBT保护策略优化方案，快速检测因动力电池瞬断产生的尖峰电压，触发保护机制保护IGBT模块。本文通过台架实验对比了方案优化前后的尖峰电压值，最终通过实车验证了该方案的可行性。结果表明，优化后的保护策略能更快地检测到抬升的母线电压，触发保护机制，停止IGBT工作，降低IGBT模块损坏的风险。

　　0 引言

　　传统汽车在制动过程中，机械能大部分通过制动器的摩擦转化为热能损耗掉，电动汽车采用电机作为驱动部件，可以利用电机的制动发电来回收制动能量[1]。通过能量回馈，可以有效回收车辆滑行和制动时的动能，使车辆行驶里程增加10%~30%[2]。因此，研究电动汽车能量回馈技术对降低电动汽车能耗和提高续航有重大意义。

　　张俊智[3]等总结了能量回收系统的组成和分类，主要从液压执行机构、系统控制和系统评价3个方面对制动能量回收系统的关键技术进行了分析。黄万友[4]等通过对不同电机转速、制动扭矩及电池组荷电状态下的能量回馈效率进行测试，优化了能量回馈控制策略，提高了能量回收效率。张凤莲[5]针对能量回馈过程中IGBT功率周次问题，结合实际工况，提出了优化方案，提高了运行可靠性。以上文献从不同方面研究了能量回馈系统，并获得了很好的验证。

　　本文主要针对电动汽车能量回馈时，动力电池继电器异常断开情况下，电驱动系统因发电导致的电压持续激增的工况进行研究，提出了一种电动汽车能量回馈下IGBT保护策略优化方案。在动力电池继电器异常断开时，快速检测因发电导致抬升的电压，当达到过压保护阈值时，IGBT停止工作；分别在额定电压和峰值电压下进行台架和实车测试，验证了该方案满足要求，可以降低该工况下IGBT损坏的风险。

　　1 能量回馈系统

　　能量回馈系统主要由动力电池、电机控制器、电机组成，如图1所示。电动时，电驱动系统将动力电池输出的直流电转化为交流电驱动整车前进后退；发电时，电驱动系统将电机产生的交流电通过逆变电路整流成直流电回馈给动力电池，进行电制动，增加整车续航。

　　现有电动汽车大部分采用软件过压保护，母线电压通过软件采样得到，当电压值大于设定阈值时，上报母线过压故障，IGBT停止工作。

　　在电动汽车处于能量回馈工况下，当动力电池继电器异常断开时，由于母线电压是通过软件采样得到的，有一定的延时，导致电机发电产生的电压在电机控制器内的电容上持续累加；若采集到的母线电压没有达到保护阈值，有击穿IGBT的风险。

　　2 优化方案

　　在软件过压保护的基础上增加硬件过压保护。母线电压经过电阻分压后VDC_IN给到单片机，单片机分两路输出：一路输出相应占空比的PWM波CEX1，CEX1经光耦隔离、RC滤波输出母线模拟量采集信号给控制板DSP；另一路与单片机内设定的过压电压值比较，如果超出设定的电压值，则输出OT信号为低，OT信号经光耦隔离后拉低DSP的GPIO口，整车软件检测到GPIO口为低时，则执行IGBT关管。图2、图3分别为驱动板母线电压采样框图和控制板母线电压处理框图。

　　以上方案主要从3个方面优化：

　　增加驱动板发电工况下母线AD采样的过压判断功能，输出过压数字信号；

　　将控制板过压信号I/O口的RC滤波电容由100 nF改为10 nF，减小整车软件检测过压信号延时时间；

　　在整车软件里增加过压I/O口检测功能。

　　表1为优化前后的对比。

　　3 台架测试

　　分别将优化前后的电驱动系统安装在台架上进行实验，对比优化前后的尖峰电压。根据整车参数制定测试步骤，表2为整车参数。

　　测试步骤如下：

　　1 ） 统一试验环境， 室温25℃，冷却水流速8 L/min，水温65℃；

　　2）将优化前的电驱动系统安装在台架上；

　　3）母线电压为350 V，转速为1 910 rpm（转折转速），逐渐提高输出转矩，找到断开动力电池继电器时IGBT尖峰电压值小于IGBT最大耐压值的90%（585 V），记录此时的母线电压值和IGBT尖峰电压；

　　4）母线电压为350 V，转速为9 500 rpm（峰值转速），逐渐提高输出转矩，找到断开动力电池继电器时IGBT尖峰电压值小于IGBT最大耐压值的90%（585 V），记录此时的母线电压值和IGBT尖峰电压；

　　5）母线电压为417 V，转速为1 910 rpm（转折转速），逐渐提高输出转矩，找到断开动力电池继电器时IGBT尖峰电压值小于IGBT最大耐压值的90%（585 V），记录此时的母线电压值和IGBT尖峰电压；

　　6）母线电压为417 V，转速为9 500 rpm（峰值转速），逐渐提高输出转矩，找到断开动力电池继电器时IGBT尖峰电压值小于IGBT最大耐压值的90%（585 V），记录此时的母线电压值和IGBT尖峰电压；

　　7）将优化后的电驱动系统安装在台架上；

　　重复上述步骤3到步骤6，记录数据。

　　表3、表4为优化前数据，表5、表6为优化后数据。

　　通过以上台架数据对比发现，优化前发电功率在10 kW左右时，断开动力电池继电器，尖峰电压超过600 V，故在最大发电功率30 kW时断开继电器，存在IGBT模块损坏风险；优化后发电功率为30 kW时，断开动力电池继电器，尖峰电压远小于650 V，不存在耐压问题。

　　4 整车验证

　　图5所示为整车验证，连接示波器，使用高压差分探头测量电压，在能量回馈过程中，通过上位机标定动力电池继电器断开。

　　电池电压354 V时，整车发电断开动力电池继电器，最高电压为530 V，母线电压最高抬升176 V，发电功率已测试到25 kW。

　　电池电压3 8 0 V 时， 整车发电断开动力电池继电器， 最高电压为538 V， 母线电压最高抬升158 V，发电功率已测试到29.8 kW。

　　电池电压400 V时，电池限制能量回馈功率，整车控制器允许的发电功率很小，为5 kW，母线电压抬高50 V。

　　综上，基于3个电压下的不同发电功率测试，母线电压均满足要求，可以实现整车发电时异常断开动力电池继电器工况下，保护IGBT模块。

　　5 总结

　　本文通过对优化前后的电驱动系统进行不同电压下的能量回馈测试可知，优化后在能量回馈下断开动力电池继电器的尖峰电压远小于优化前，能量回馈功率从10 kW提升到30 kW。经过整车验证，整车发电功率为30 kW时，电压为530 V，低于IGBT模块耐压值，可以保护该异常工况下的IGBT模块，降低损坏风险。

　　参考文献：

　　[1] 卢东斌,欧阳明高,谷靖,等.电动汽车永磁同步电机最优制动能量回馈控制[J].中国电机工程学报,2013(01).

　　[2] 王思哲,钟日敏,陈长健.基于NEDC工况的纯电动汽车能量回馈方法研究[J].汽车工业研究,2018(12).

　　[3] 张俊智,吕辰,李禹橦,等.电驱动乘用车制动能量回收技术发展现状与展望[J].汽车工程,2014(08).

　　[4] 黄万友,程勇,曹红,等.纯电动汽车能量回馈效率特性测试分析[J].机械工程学报,2012(06).

　　[5] 张凤莲.能量回馈单元IGBT功率周次问题及改进[J].电气传动,20 13(06).