電機控制器主動放電過程影響因素試驗研究

【摘" 要】整車下電或發生緊急情況時，需及時將存儲在母線電容中的能量快速泄放。文章基于能量守恒定律，推導計算車輛在靜止狀態下D軸電流與放電時間的關系，經試驗驗證其時間估算精度在10%以內。試驗發現：需求D軸電流為0A時，電機繞組存在高頻脈沖電流，影響主動放電時間；隨著D軸電流增大，主動放電時間縮短，同時電機轉速波動幅度與頻率均增大；載波頻率影響脈沖電流頻率以及D軸電流控制精度，在同樣控制參數條件下，載波頻率過小會導致主動放電時間延長，甚至電流失控。

【關鍵詞】母線電容；主動放電；載波頻率；新能源汽車

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0046-03

Experimental Study on Influencing Factors of Active Discharge Process of Motor Controller

WANG Weizhen，HE Xiao，ZHANG Hao，LIU Jinxin

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】When the entire vehicle is powered off or an emergency occurs， the energy stored in the bus capacitor should be quickly discharged in a timely manner. The article is based on the law of conservation of energy and derives the relationship between the D-axis current and discharge time of a vehicle in a stationary state. The experimental verification shows that the time estimation accuracy is within 10%. Experiments have found that when the demand for D-axis current is 0A，there is a high-frequency pulse current in the motor winding，which affects the active discharge time；As the D-axis current increases，the active discharge time shortens，and the amplitude and frequency of motor speed fluctuations both increase；The carrier frequency affects the pulse current frequency and the accuracy of D-axis current control. Under the same control parameter conditions，a too small carrier frequency can lead to prolonged active discharge time or even current loss of control.

【Key words】busbar capacitance；active discharge；carrier frequency；new energy vehicle

電機控制器是新能源汽車的核心部件，其主要由功率模塊、母線電容（薄膜電容）、驅動板、控制板、銅排等部件組成，通過控制功率模塊通斷，實現直流電與交流電的相互轉化。目前，新能源汽車動力系統的電壓平臺越來越高，已逐漸從350V平臺升高至800V甚至1000V平臺^[1]，母線電壓平臺的提高，有助于提升驅動系統效率，縮短動力電池充電時間，但也對車輛安全提出了更高的要求^[2]。當整車下電或發生緊急情況時，動力電池會立即切斷母線接觸器，電機控制器中母線電容的剩余能量會使母線電壓長時間處于安全電壓以上，給乘客、救護人員或檢修人員帶來安全風險，因此有必要對母線電容進行專門放電^[3]。電驅動系統主動放電示意如圖1所示。

母線電容放電可分為被動放電和主動放電，被動放電是指驅動電機控制器被切斷電源后，不切入專門的放電回路，母線電容自然放電的過程；主動放電是指電機控制器被切斷電源后，切入專門的放電回路，母線電容快速放電的過程。國標18488中規定被動放電時間應不大于5min，主動放電時間不應超過3s。

目前，主動放電主要分為泄放電路放電、電機控制器橋臂直通放電以及電機繞組放電。

1）泄放電路主要由并聯在母線電容上的大功率開關和大功率電阻組成。當整車下電或者緊急情況時，開關閉合，將母線電容存儲的能量迅速泄放到電阻上轉化為熱量耗散掉。通過外加泄放電路的主動放電方式方案簡單、可靠性高，但額外增加的零部件增大了控制器的體積和質量，也提高了控制器成本。

2）電機控制器橋臂直通放電是將電機控制器電阻作為母線電容能量泄放電阻，通過控制不同功率模塊按順序導通，造成逆變器瞬時短路，將電容儲能耗散到電機控制器上。該方案成本低、放電速度快且無需增加額外元器件，但功率器件瞬時短路容易導致較大的短路電流，而高壓回路中的雜散電感會導致功率器件關斷時電壓應力較大，因此控制難度較大，應用較少。

3）電機繞組放電是通過控制Q軸電流I_q為0，給定D軸電流I_d的方式，將電容儲存的能量泄放到電機三相繞組上，電機三相繞組阻值小，放電速度快。相比其他兩種方式，不需要增加額外元器件，同時控制難度相對較低，是當前普遍應用的主動放電方式，但當旋變初始位置角度或電流采樣與位置采樣存在偏差時，會出現扭矩抖動，影響駕乘體驗^[4]。

本文主要從能量守恒角度推導計算車輛靜止狀態下D軸電流大小與放電時間的關系，并通過試驗，研究不同放電電流以及載波頻率對放電時間和轉速波動的影響。

1" 主動放電數學模型

永磁同步電機在三相靜止坐標系下功率計算公式為：

P_r=U_ai_a+U_bi_b+U_ci_c（1）

式中：U_a、U_b、U_c——UVW三相電壓；i_a、i_b、i_c——UVW三相電流。

電機繞組主動放電需要控制電機D、Q軸電流，因此需要將三相靜止坐標系下的功率計算公式轉換到同步旋轉坐標系下，電機三相電壓與電流分別經過等幅值Clark變換和Park變換，其換算公式為^[5]：

母線電容儲存的能量僅與電容兩端的電壓相關，電機靜止主動放電過程中，母線電容能量變化可以用式（8）表示：

式中：k——效率系數；t——主動放電時間。

2" 電機靜止狀態下主動放電試驗研究

基于某款高速永磁同步電機在臺架上進行了靜止狀態下主動放電試驗，電機與控制器參數如表1所示。通過試驗，研究不同的D軸電流和載頻對放電時間以及電機轉速的影響。

2.1" 不同D軸電流對主動放電過程的影響研究

1）i_d=0A時母線電容放電測試。當i_d=0時，控制電機控制器中3個上橋臂功率器件同步開合，理論上電機三相線處于斷路狀態，不會在三相繞組上產生放電電流，母線電容處于被動放電過程，母線電壓不會快速下降，然而在實際試驗過程中，如圖2所示，母線電容電壓在1.45s時間內從525V下降到38.72V，電機轉速平穩。

借助示波器采集三相電流，發現三相繞組存在高頻脈沖電流，電流幅值可達240A，其頻率約為載波頻率的2倍，達到16000Hz，如圖3所示，由于各功率器件開合動作無法做到嚴格同步，導致一個周期內出現2次三相短路，引起高頻脈沖電流。該部分電流不容忽視，借助公式（9），該高頻脈沖電流可等效為D軸電流-20A。

2）i_d=-10A、-20A、-30A、-40A時母線電容放電測試。分別設置i_d=-10A、-20A、-30A、-40A，測試母線電容放電過程（525～36V），其結果如圖4所示。隨著D軸電流逐漸增大，主動放電時間逐漸縮短，從0.7s下降到0.23s，同時轉速波動幅度和頻率也隨D軸電流增大逐漸增大，D軸電流越大，D、Q軸電流耦合現象愈明顯，電機出現扭矩，導致轉速波動。D軸需求電流為-20A時，放電時間縮短明顯，且未引起明顯的轉速波動，對駕乘體驗影響較小。

實際放電時間與考慮高頻脈動電流的理論計算時間統計在表2中，取效率系數k為0.85。從理論計算結果看，誤差值均在10%以內，基于公式（9）對放電時間進行預測，對MCU數據標定具有一定的指導性。

2.2" 不同載波頻率對主動放電過程的影響研究

在D軸需求電流-20A的條件下，分別設定載波頻率為8000Hz、6000Hz、4000Hz、2000Hz，試驗結果如圖5所示。隨著載波頻率減小，主動放電時間逐次增加，載波頻率為8000Hz時，放電時間為0.4s；載波頻率6000Hz時，主動放電時間為0.5s；載波頻率為4000Hz和2000Hz時，主動放電時間為0.6s。在D軸電流一定的條件下，功率器件開關頻率越高，產生高頻電流脈沖的次數也就越多，因此載波頻率越高，主動放電時間越短。根據圖5，相比載波頻率4000Hz的主動放電過程，當載波頻率為2000Hz時，實際D軸電流與需求D軸電流已出現明顯偏離，因此主動放電時間并未進一步縮短。載波頻率越低，控制精度越差，因此電機轉速的波動頻率也越高。

3" 結論

1）基于能量守恒推導出主動放電時間估算公式，測試表明理論計算時間與實際放電時間誤差在10%以內，對于MCU數據標定具有一定指導性。

2）需求D軸電流為0的情況下，通過示波器觀察到高頻脈沖電流，電流頻率約為載波頻率2倍，幅值達240A，高頻脈沖電流對主動放電時間影響較大，理論計算時，應考慮高頻脈沖電流的影響。

3）D軸電流越大，主動放電時間越短，同時由于D軸與Q軸相互耦合，D軸電流越大，轉速波動的幅度和頻率越高，影響駕乘體驗，針對該電驅系統參數建議選取i_d=-20A。

4）載波頻率影響脈沖電流頻率，載頻越低，主動放電時間越長，電流控制精度越差。若修改載波頻率，應對電流PID參數做適應性調整，建議載波頻率4000Hz，以保證良好的電流控制精度。

參考文獻：

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[4] 楊昊林. 電動汽車永磁電機主驅動器母線電容主動放電控制策略研究[D]. 杭州：浙江大學，2022.

[5] 楊國良，李建雄. 永磁同步電機控制技術[M]. 北京：知識產權出版社，2015.

（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-12-18

作者簡介

王維振（1985—），男，高級工程師，碩士，主要從事電驅系統標定開發工作。