摘  要： 本系統(tǒng)為采用三路電池同時或者單獨給九繞組電機供電的電動汽車動力系統(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，系統(tǒng)可以自動檢測到其故障原因，通過主控單元封鎖逆變器驅(qū)動脈沖使相應(yīng)的逆變器停止工作，保證各組電池組獨立，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，該系統(tǒng)有效避免蓄電池放電時間過長，影響蓄電池使用壽命。為新能源純電動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；IGBT；成組效應(yīng)；動力電源

0 引言

　　我國正在成為全球最大的汽車生產(chǎn)和消費國。汽車逐漸成為人們必需的代步工具，汽車對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。我國汽車行業(yè)面臨能源危機，節(jié)能減排是新一代新能源汽車的重大挑戰(zhàn)。同時汽車尾氣排放已成為貢獻(xiàn)PM2.5的主要來源之一。新能源汽車將成為能源動力系統(tǒng)的一次技術(shù)革命，是擺脫汽車對石油資源依賴、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑之一。在中國，新能源汽車的發(fā)展重點是電動汽車。發(fā)展電動汽車被普遍認(rèn)為是實現(xiàn)動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型、解決能源和環(huán)境危機的根本途徑。電動汽車的技術(shù)不成熟和電動汽車未來幾年的發(fā)展需求的矛盾，形成了目前純電動汽車產(chǎn)業(yè)推進(jìn)緩慢的被動局面。

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汽車動力系統(tǒng)。它包括微電腦處理器、SPWM發(fā)生器、門極驅(qū)動模塊（三路）、逆變模塊（三路）、動力電池組（三組）、多繞組電動機、故障檢測保護(hù)模塊、顯示模塊、告警模塊以及設(shè)定輸入模塊。

　　其中每一組動力電池組通過對應(yīng)逆變模塊向多繞組電機中的一組繞組獨立提供能量。各逆變模塊受控于對應(yīng)門極驅(qū)動模塊的控制。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，系統(tǒng)可以自動檢測到其故障原因，通過主控單元封鎖逆變器驅(qū)動脈沖使相應(yīng)的逆變器停止工作，保證各組電池組獨立，可有效防止因為某一組電池組出現(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，通過智能的電池管理系統(tǒng)可有效避免蓄電池過充、過放電問題，使磷酸鐵鋰電池的使用壽命延長三倍以上。

　　該系統(tǒng)采用三組蓄電池并聯(lián)供電和多繞組電機驅(qū)動的方法，在不降低驅(qū)動功率的前提下，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題，可防止蓄電池過放電，延長蓄電池使用壽命；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

　　本次設(shè)計采用三組電池同時對九繞組異步電動機進(jìn)行供電，在故障時通過封鎖逆變器，切斷故障電路的供電。逆變器由驅(qū)動模塊進(jìn)行驅(qū)動。在整個工作過程中故障檢測模塊對系統(tǒng)的參數(shù)如電壓、電流和電機轉(zhuǎn)速等進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果傳送到DSP控制中心進(jìn)行處理，DSP針對處理結(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

　　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)計針對額定工作電壓為144 V的三相異步電機，采用三組相互獨立的蓄電池并聯(lián)供電，每組電池由45個標(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)稱電壓由原來的336 V降低為144 V。這種設(shè)計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，符合電動汽車特別是電動轎車的發(fā)展方向。三組電池組獨立供電，當(dāng)其中任意一組或兩組出現(xiàn)故障時，由主控單元將故障線路切斷，不會影響其他電池組的正常工作，保證電動汽車不會拋錨。

　　2.2 多繞組電機設(shè)計

　　為了滿足電動汽車運行穩(wěn)定，提高續(xù)航里程的要求，本次設(shè)計選用一個九繞組三相交流異步電動機做車載電機。九繞組三相交流異步電動機的每相繞組都是獨立的，是不會相互影響的，當(dāng)某相繞組發(fā)生故障時不會對其他繞組造成影響。同時，該多繞組電機可以實現(xiàn)三組電池同時供電，不但解決了電動汽車動力不足的問題，而且還提高了汽車運行的穩(wěn)定性，三組電池中的一組電源出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動直接切斷該電池組，而不會影響其他兩組電池組繼續(xù)供電。這樣，與傳統(tǒng)的三繞組異步電機相比較，穩(wěn)定性和運行的持久性都大大提高[3]。

　　2.3 信號調(diào)理電路設(shè)計

　　信號調(diào)理電路由兩級運放構(gòu)成，第一級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)；第二級為加法電路，提升放大后的電壓信號，通過雙向二極管BAV99將電壓限制在3.3 V左右。具體電路如圖3所示。

　　該模塊通過接口JP3與汽車操作臺相連，操作臺的動作信號進(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。信號經(jīng)過濾波和放大后傳到 TSM2812的8路A/D輸入端。

　　2.4 通信電路設(shè)計

　　該系統(tǒng)通過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信號電平轉(zhuǎn)換成與RS-232兼容的TTL信號電平[4]。系統(tǒng)采用A28C250實現(xiàn)CAN總線收發(fā)器接口芯片，通過該芯片的CANL和CANH實現(xiàn)CAN總線與物理總線以及電池管理系統(tǒng)通信，實現(xiàn)對電池系統(tǒng)的實時科學(xué)管理[5]。

　　2.5 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

　　電源通過驅(qū)動模塊IGBT給系統(tǒng)各部分供電。IGBT導(dǎo)通時的電壓通常小于3 V，如果電路出現(xiàn)瞬時過流狀況，IGBT管電壓將會迅速上升，將出現(xiàn)被擊穿損壞的可能，所以必須實施IGBT快速斷開的保護(hù)。系統(tǒng)采用A316J通過實施快速斷開保護(hù)對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，A316J通過14號引腳和16號引腳的外圍電路，和被驅(qū)動的IGBT的C極和E極形成閉合環(huán)路，如果IGBT檢測到的管壓降大于7 V，則A316J封鎖輸出脈沖，與此同時，由6號引腳向DSP發(fā)出低電平有效的OC報警信號，DSP響應(yīng)實施保護(hù)停機動作。如果DSP微處理器把低電平有效的復(fù)位信號傳送到A316J的5引腳，則A316J獲得復(fù)位信號后立刻解除脈沖封鎖，同時解除故障狀態(tài)，進(jìn)入工作狀態(tài)。圖4所示是一路IGBT驅(qū)動電路。

　　2.6 供電模塊設(shè)計

　　主控板采用LM7805給MAX232提供+5 V電源，同時給W1117提供一個電壓輸入，通過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集成在一個電路上，實現(xiàn)多輸入穩(wěn)定電源，該電源具有穩(wěn)定性好、抗干擾強等優(yōu)點[6]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　當(dāng)電動汽車插入鑰匙開始啟動時，程序控制系統(tǒng)對電流電壓等進(jìn)行檢測，并將檢測值與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果檢測參數(shù)超過設(shè)定范圍，系統(tǒng)發(fā)出報警并斷開故障電路；如果檢測參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)，則對三組電池的電流峰值時間進(jìn)行檢測，并對三組電池的峰值電壓進(jìn)行比較，以檢測三組電池供電是否同步。如果三組電池的電流峰值時間不同，則發(fā)出警報，并調(diào)整三組電池的供電，再對調(diào)整后的電流峰值時間進(jìn)行檢測，直到三組電池同步供電[7]；如果三組電池的峰值電壓相同，說明三組電池同時對電動機供電。如果需控制電動汽車加速和減速，則先對電動機轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，再將檢測值與給定值進(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)，也需要對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，如檢測值過大則減速，檢測值過小則加速；在加減速后也需要對電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，以保證行車安全。如果需實現(xiàn)汽車的前進(jìn)或倒退，則對電動機的轉(zhuǎn)向進(jìn)行檢測，并將其保存在存儲器中，再改變電機轉(zhuǎn)向，進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作后再對電動機轉(zhuǎn)向進(jìn)行檢測，并將其與存儲器中存儲的信息進(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；如果通過比較得出的結(jié)果是轉(zhuǎn)向相同，說明該次操作無效，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

　　該系統(tǒng)首次采用三組電池組串并聯(lián)實現(xiàn)多電池組獨立給九繞組電機供電，系統(tǒng)成功解決了一組電池出現(xiàn)問題導(dǎo)致汽車出現(xiàn)“拋錨”的問題，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門極實現(xiàn)電池組的故障切換，采用DSP同時給三個IGBT發(fā)送脈沖的辦法，實現(xiàn)九繞組電機同步問題，防止電機運行期間出現(xiàn)“堵轉(zhuǎn)”。該方案使純電動汽車動力電源系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的優(yōu)化[8]，為新能源純電動汽車的推廣提供了一種全新的控制理念和技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

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