純電動汽車MCU 母線電流采樣電路及故障機制

李 瑋， 王 晶

（1.北京新能源汽車股份有限公司工程研究院， 北京 100176；2.廊坊職業技術學院機電工程系， 河北 廊坊 065000）

純電動汽車在行駛過程中具有無尾氣排放、能量效率高、噪聲低、可回收利用能量等多項優點，大力發展純電動汽車可有效解決中國交通能源消耗和環境污染問題［1-4］。

對于純電動汽車，在行駛過程中唯一的能量來源于動力電池，動力電池提供直流電源，MCU （Motor Control Unit，電機控制器） 利用動力電池輸出的直流電作為電源來保證驅動系統的功能實現。電機控制器在工作過程中會對其輸入端的電流進行檢測，該電流將用于電機系統保護限制（過流保護、扭矩限制等）、儀表顯示、驅動系統消耗功率計算、整車能量管理、動力電池過流保護等控制邏輯的執行。

本文設計了一種純電動汽車電機控制器直流母線電流采樣電路，該電路在滿足母線電流信號可靠采樣的前提下實現了對采樣回路故障的有效檢測。在此基礎上本文提出了一種電流采樣故障的處理方法，與傳統的被動故障處理措施不同，該方法根據驅動系統當前狀態（電機轉速、當前輸出扭矩） 實現了對電機控制器輸入端直流母線電流的有效估算，當發生電機控制器直流母線電流采樣回路故障后利用估算值繼續保證整車控制邏輯的正常執行，在保證安全行車的前提下盡可能地對駕駛員的駕駛感受進行保護。關于文中所提到的電機控制器直流母線電流采樣電路及相應的故障機制，通過實車對其可靠性及有效性進行了驗證，具有良好的推廣價值。

圖1 直流母線電流采樣電路

1 直流母線電流采樣電路

圖1為直流母線電流采樣電路。該電路中采用LEM公司的HC5FW 900-S/SP1電流傳感器實現母線電流的檢測。該傳感器中，引腳1為參考電壓引腳，該引腳經電容C3 （4.7nF）與電源搭鐵相連接；引腳2輸出直流母線電流對應的電壓信號，用于后續的電流解析計算；引腳3為傳感器的電源搭鐵引腳；引腳4為傳感器的電源引腳，因此該引腳與+5V電源相連接，另外為保證供電電源的穩定，在電源的正極與搭鐵之間并入去耦電容C4 （100nF）。

電流傳感器反饋的電壓信號接入采集電路（a點處） 中，該信號經過電阻R2 （33kΩ） 與電容C2 （47nF） 組成的RC低通濾波電路后輸出 （b點處），后由電機控制器主控芯片A/D采集（圖中右側檢測點2處），之后通過解析便可以獲得電機控制器輸入端直流母線電流值。圖中R1 （2kΩ） 為上拉電阻，目的為防止電流采樣信號的漂移，C1 （10nF） 為濾波電容，目的為濾除采樣信號中的高頻干擾。

2 直流母線電流采樣故障檢測

正常情況下電流傳感器反饋的電壓值應在其量程范圍內，因此根據圖1所示的采樣電路，通過判斷b點處A/D采樣電壓是否超限便能夠實現故障的檢測，其中采樣故障包含：采樣回路對電源短路故障；采樣回路對搭鐵短路故障；采樣回路斷路故障。直流母線電流采樣故障檢測見表1。

表1 直流母線電流采樣故障檢測

正常情況下MCU主控芯片A/D采集到的電壓（b點處的電壓） 不應該在5V或0V附近，大于4.5V的采樣電壓或者小于0.5V的電壓已經不在HC5FW 900-S/SP1電流傳感器的有效量程范圍內，本文正是根據電路的這一特點設計故障機制來檢測采樣故障；另外100ms的確認時間能夠有效地避免由于干擾導致故障的誤報。

3 直流母線電流采樣故障處理

為保證直流母線電流采樣故障狀態下各項控制邏輯的正常實現，本文給出了一種故障處理方法，該方法首先估算MCU輸入端直流母線電流，該估算電流值將用于保證整車控制邏輯的正常執行。在此基礎上根據電流的估算情況采取不同的故障處理措施，從而在保證安全行車的前提下盡可能地對駕駛員的駕駛感受進行保護。

該故障處理方法包括兩部分內容，分別為輸入端直流母線電流估算與故障處理，下面分別進行介紹。

3.1 MCU直流母線電流估算

本文采用扭矩公式進行直流母線電流估算，具體如下：

式中：Imcu——估算的輸入端直流母線電流；n——電機當前轉速；Tq——電機當前輸出扭矩；——電機控制器的當前效率；Umcu——電機控制器輸入端直流母線電壓。

驅動系統在工作過程中電機控制器及電機均會散發熱量，這部分能量對于扭矩未產生作用，因此存在效率問題，其效率與當前的電機狀態有關，如在高轉速狀態下，由于電機控制器內部IGBT模塊開關頻率增大，此時會產生更多的開關損耗；同樣，電機在大扭矩輸出的狀態下，由于電流增大電機本體會產生更多的熱量損耗。根據以上分析可以發現，驅動系統的效率與電機轉速、輸出扭矩強相關，為此本文在式（1） 中將電機控制器的當前效率表示為電機轉速與電機當前輸出扭矩的函數，其獲得方式如圖2所示。

如圖2所示，通過前期臺架試驗，獲得電機當前轉速、輸出扭矩與系統效率之間的映射關系，將以上關系以表格的形式進行存儲，在實際應用中，通過電機當前轉速n與電機當前輸出扭矩Tq可直接查詢得到電機控制器效率ηmcu（n， Tq），進而通過式（1） 計算得到直流母線電流估算值。

圖2 電機控制器效率計算

3.2 故障處理

本文給出的直流母線電流采樣回路故障處理方法具體如下。

如圖3所示，當發生電機控制器輸入端直流母線電流采樣回路故障，為保證各項控制策略正常執行，需要對直流母線電流進行估算，根據式 （1），若要完成電流估算需要首先獲得以下幾個參數：電機當前轉速、電機當前輸出扭矩、電機控制器的當前效率以及電機控制器輸入端直流母線電壓。正常情況下以上參數均能夠有效獲得，但在異常狀態下則不能夠保證，如電機當前輸出扭矩計算失效、直流母線電壓異常等，為此首先對直流母線電流估算狀態判斷，若估算成功則采用方式1進行故障處理，若未估算成功則采用方式2進行故障處理，通過區別處理來保證駕駛員的駕駛感受。

圖3 故障處理流程圖

具體故障處理方式如下。

1） 故障處理方式1

考慮到這種情況下由于能夠獲得母線電流的估算值，利用該估算值整車控制策略能夠正常進行，不會對行車安全造成隱患，因此采用以下故障處理方式：①利用估算的電機控制器輸入端直流母線電流完成整車控制邏輯；②點亮儀表驅動系統故障燈，同時儀表文字提示駕駛員：驅動系統發生故障，請安全駕駛并盡快對車輛進行檢修。

2） 故障處理方式2

此時由于不能夠正常估算得到電機控制器輸入端的直流母線電流，這將造成一些整車控制策略無法執行，會對行車安全產生隱患，為此采用以下方式進行故障處理：①儀表鳴報警音；點亮儀表驅動系統故障燈，同時儀表文字提示駕駛員：“驅動系統發生故障，動力輸出將受到限制，請安全駕駛并盡快對車輛進行檢修”；②驅動系統最大輸出功率限制為額定功率的30%。

通過以上措施來保證行車安全。

4 實車驗證

針對本文所提出的純電動汽車MCU直流母線電流采樣電路以及對應的故障檢測處理方法進行實車驗證。其中所提出的采樣電路已經裝備了數萬輛某品牌的純電動汽車，該電路的可靠性經過大批量的實車驗證。另外，在不同車速的車輛行駛狀態下，通過人為模擬直流母線電流采樣故障對故障的檢測及處理方式進行驗證評估，其中采用本文所提出的故障檢測方法能夠準確、有效地對故障實施檢測，在此基礎上配合相應的故障處理機制在保證安全行車的前提下有效地保護了駕駛員的駕駛感受，評估人員對此給出了良好的評價。

5 結論

文中提到的電路及故障機制具有原理清晰、可靠性高等特點，通過實車試驗對其準確性及有效性進行了驗證，考慮綜合效果，其具有普遍的推廣價值。