節(jié)能型交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)車中的應(yīng)用(圖)
在電動(dòng)車中,蓄電池和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是兩個(gè)關(guān)鍵,它們的技術(shù)水平很大程度上決定著電動(dòng)車的主要性能。不同于一般工業(yè)和家用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),在電動(dòng)車上,不論是采用何種方式供給電能,能量都是有限的,因此為滿足電動(dòng)車的特殊性,新型的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)和功率變換裝置應(yīng)滿足以下一些基本要求:①高效率;②體積小重量輕;③高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù);④良好的調(diào)速性能和可控制性;⑤可靠性一定要高,使用壽命必須盡可能長,少維護(hù)甚至是不維護(hù);⑥降低噪聲和減小振動(dòng),改善舒適性。
目前,我國電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍以直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主,普遍采用從蓄電池到功率變換器再到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的單向能量傳遞方式,它存在著很多不足。具體而言,直流電機(jī)雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、可控制性好、調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)較大、控制電路相對(duì)簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn),但它的缺點(diǎn)同樣不可忽視。有刷直流電機(jī)由于存在著機(jī)械換向部件電刷或換向器,很容易導(dǎo)致火花,噪聲和震動(dòng)嚴(yán)重,電磁干擾問題突出,而且電刷或換向器的維護(hù)比較困難,使用壽命較短,此外,電機(jī)的體積十分龐大,造成有限空間的浪費(fèi);無刷直流電機(jī)雖然克服了有刷電機(jī)的一些缺陷,但它的轉(zhuǎn)子位置檢測困難,整機(jī)價(jià)格頗高,性價(jià)比相對(duì)較低。再從系統(tǒng)效率角度來看,由于絕大多數(shù)系統(tǒng)采用單向功率傳遞,使得車輛在剎車減速或下坡滑行時(shí)白白地浪費(fèi)了大量能量。此外,電刷、換向器等的機(jī)械震動(dòng)、摩擦,也造成了系統(tǒng)效率的降低。因此,本文針對(duì)以上問題,結(jié)合電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本要求,提出一種新型的ZCZVS升壓DC-DC雙向變換器與變頻器相結(jié)合來驅(qū)動(dòng)鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能型電動(dòng)車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和總體設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)主要作為電動(dòng)摩托車等輕型電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)裝置,其基本技術(shù)參數(shù)如下:輸入電壓為直流36V;直流變換器輸出電壓Vo為直流150V;驅(qū)動(dòng)電機(jī)容量不大于300W;實(shí)現(xiàn)減速、剎車能量可回饋功能;實(shí)現(xiàn)加減速可調(diào)、軟啟動(dòng)功能;具有過流、過壓、欠壓保護(hù)功能等。
節(jié)能型電動(dòng)車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示,它包括蓄電池V5、ZCZVS升壓DC-DC變換器、三相橋式逆變電路、交流異步電機(jī)和相應(yīng)的控制、檢測單元。高頻電感L和電子開關(guān)Su構(gòu)成升壓DC-DC變換器,為由S1~S6構(gòu)成的變頻調(diào)速器的逆變器提供輸入電壓,電容Csu為緩沖電容,反并聯(lián)二極管Dsu可以在能量回饋模式下進(jìn)行續(xù)流;Sd為能量回饋控制開關(guān),用于控制能量的流向和大小,電容Csd為緩沖電容,反并聯(lián)二極管Dsd可以在電動(dòng)運(yùn)行模式下進(jìn)行續(xù)流。當(dāng)車輛處于剎車減速或下坡滑行時(shí),交流電機(jī)端反電勢將大于逆變器額定輸入電壓而處于發(fā)電狀態(tài),那么檢測單元?jiǎng)幼?,它封鎖了升壓電路的電子開關(guān)Su,同時(shí)打開能量回饋開關(guān)Sd,系統(tǒng)的能量被反饋到電源側(cè)。三相橋式逆變電路工作于VVVF模式下,當(dāng)車輛根據(jù)需求要進(jìn)行加、減速調(diào)節(jié)時(shí),只需在給定的速度調(diào)節(jié)指令下,改變變頻調(diào)速電路控制,即可實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。另外,以鼠籠型異步電機(jī)作驅(qū)動(dòng)電機(jī),從結(jié)構(gòu)上克服了直流電機(jī)存在的不足,減少了維護(hù)工作,提高了整機(jī)系統(tǒng)容量和轉(zhuǎn)速,大大改善了可靠性和效率。
圖1 節(jié)能型電動(dòng)車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
主要單元電路設(shè)計(jì)
1 開關(guān)管Su控制電路
根據(jù)要求,控制芯片需具有軟啟動(dòng)、過流、欠壓保護(hù)等功能,本系統(tǒng)選用Motorola公司的UC3842A,它是一種可以完成反饋電壓比較、誤差放大、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能的電流跟蹤型PWM控制集成電路。
開關(guān)管Su控制電路如圖2所示。它的工作特性是:①最高電源電壓Vcc=30V,內(nèi)部有一個(gè)36V的穩(wěn)壓管可以有效防止高壓竄入造成損壞;②欠壓鎖定功能,啟動(dòng)電壓閾值為16V,關(guān)閉電壓為10V,6V的啟動(dòng)、關(guān)閉差值可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時(shí)產(chǎn)生振蕩;③自帶一個(gè)穩(wěn)定的5V參考電壓,由引腳8輸出供外部使用,輸出電流為20mA;④輸出高電平為13.5V(Vcc=15V,輸出電流200mA時(shí)),低電平為1.5V(輸入電流為200mA時(shí));⑤高、低電平的上升、下降時(shí)間為100ns,電流采樣信號(hào)(從引腳3輸入)大于1V時(shí),脈寬調(diào)制鎖存器翻轉(zhuǎn),輸出引腳6從高電平立即降至低電平,因此,改變電流采樣電阻的大小,就可以改變過流保護(hù)動(dòng)作的閾值。⑥電流跟蹤特性:圖2中流過開關(guān)管Su的電流增大時(shí),采樣電阻R21上的采樣電壓就增大,進(jìn)入U(xiǎn)C3842A引腳3的信號(hào)相應(yīng)變大,此時(shí)經(jīng)過3842A內(nèi)部的調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié),引腳6輸出脈沖的占空比相應(yīng)變小,使得DC-DC變換器輸出電壓降低,流經(jīng)Su上的電流相應(yīng)也變小,起到電流保護(hù)作用。
圖2 開關(guān)管Su控制電路
2 開關(guān)管Sd控制電路
在能量回饋時(shí),開關(guān)管Sd處于工作狀態(tài),為了保證系統(tǒng)能量充分回饋,同時(shí)避免開關(guān)管Sd長時(shí)間承受大的回饋電流,采用555構(gòu)成的頻率為20kHz的“多諧振蕩器+高頻脈沖變壓器”來驅(qū)動(dòng)Sd。
圖3為“多諧振蕩器+高頻脈沖變壓器”組成的驅(qū)動(dòng)電路,其中由555構(gòu)成的多諧振蕩器的工作頻率為f=1.43/(R18+2R22)/C19。在該電路中,檢測與互鎖電路控制著555集成塊的引腳4。當(dāng)引腳4為高電平時(shí),即檢測電路檢測到系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)入能量回饋狀態(tài),多諧振蕩器開始向Sd輸出開關(guān)脈沖;當(dāng)引腳4為低電平時(shí),系統(tǒng)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下,多諧振蕩器不向Sd輸出開關(guān)脈沖。
圖3 開關(guān)管Sd控制電路
3 檢測與互鎖電路
在該系統(tǒng)中,檢測與互鎖電路具有異常重要的作用。首先,它通過檢測DC-DC變換器輸出端的電壓大小,來判定是否需要將電路工作模式從電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入能量回饋狀態(tài)或者從能量回饋狀態(tài)轉(zhuǎn)入電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài);其次,它需要根據(jù)檢測及判斷的結(jié)果,相應(yīng)地控制電動(dòng)運(yùn)行開關(guān)管和能量回饋開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。圖4為檢測及互鎖電路,其工作原理如下:首先根據(jù)DC-DC變換器正常工作時(shí)輸出電壓的大小,設(shè)定比較器引腳2的參考電壓,并采用電阻分壓器來檢測DC-DC變換器輸出端的電壓。當(dāng)系統(tǒng)處于下坡減速或剎車制動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),那么機(jī)端反電勢就大于DC-DC變換器的輸出電壓,也就是電阻分壓器檢測到的比較電壓大于給定的參考電壓,使得比較器翻轉(zhuǎn),引腳1輸出為高電平,它迫使三極管Q1導(dǎo)通,將開關(guān)管Su的門極信號(hào)下拉到低電平;另外,同樣由于分壓器提供給UC3842A引腳2的電壓超出芯片一內(nèi)部的參考電壓大小,它立即關(guān)斷UC3842A向外的脈沖輸出。這兩者很安全地封鎖了開關(guān)管Su。同時(shí),比較器引腳1的高電平進(jìn)入多諧振蕩器的引腳4,開啟了多諧振蕩電路,使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入到能量回饋狀態(tài)下。
圖4 檢測及互鎖控制電路
4 主電路智能功率模塊IPM
在本系統(tǒng)中,三相逆變電路具有非常重要的作用,它不僅為鼠籠異步電機(jī)提供電源電壓,而且還要對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。在以往,逆變電路主要采用6個(gè)分離的IGBT單元來搭建,需要對(duì)每個(gè)IGBT單元提供驅(qū)動(dòng)電路、過熱保護(hù)電路、過流保護(hù)電路,它們要和整個(gè)主回路的過壓、短路保護(hù)電路及IGBT單元相匹配,使得變頻逆變電路的設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)碾y度。然而隨著智能功率模塊(IPM)的出現(xiàn),這種局面得到了巨大地改變,尤其近幾年內(nèi),IPM正在逐步取代普通IGBT模塊。
IPM模塊是以IGBT芯片為主體,將芯片及其門極驅(qū)動(dòng)、控制和過流、過壓、過熱、短路、欠壓鎖定等多種保護(hù)與故障檢測電路集成于一體的高性能大功率器件,具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小、性能穩(wěn)定、工作可靠、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)。因此,結(jié)合電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)裝置的基本要求,本系統(tǒng)中選擇三菱公司生產(chǎn)的IPM模塊PS21255-E作逆變電路。
在PS21255-E模塊中,下橋臂的三個(gè)管子的漏極在同一點(diǎn)上,該點(diǎn)通過一個(gè)小的電流檢測電阻與系統(tǒng)的地相連,可直接用以系統(tǒng)地為參考點(diǎn)的+15V電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制,但是上橋臂三個(gè)管子的漏極不在地點(diǎn),需要通過外部電路,在下橋臂管子導(dǎo)通時(shí),下橋臂的+15V驅(qū)動(dòng)電源同時(shí)給外部電容充電,當(dāng)下橋臂斷開后,電容兩端保持+15V的電壓降,且其低電勢一端正好與上橋臂IGBT管的漏極相連,因此就實(shí)現(xiàn)了上橋臂IGBT管門極電壓比漏極高的自舉功能,很好地實(shí)現(xiàn)上橋臂管子的驅(qū)動(dòng)。
5 系統(tǒng)加減速
圖5 加減速控制邏輯流程圖
本系統(tǒng)采用SA866AE/AM芯片的VMON和IMON兩個(gè)引腳進(jìn)行加減速控制,控制流程如圖5所示。①如果VMON有效(即VMON≥0.5VDD),則加減速指令無效,該條件具有最高優(yōu)先,它可防止過度減速時(shí)再生能量通過功率管而導(dǎo)致過電壓。通常VMON<0.5VDD時(shí),可以進(jìn)行加減速調(diào)節(jié)。②如果IMON有效,無論UP、DOWN處于什么狀態(tài),瞬時(shí)頻率都會(huì)被降低到預(yù)先設(shè)置的減速頻率水平上,若在瞬時(shí)頻率降到0時(shí),IMON≥VDD,則PWM脈沖輸出截止,此時(shí)不能進(jìn)行任何加減速操作。該條件的優(yōu)先權(quán)比VMON低,它可以防止加速過高導(dǎo)致過流過熱損壞開關(guān)管。③當(dāng)上述二者都無效時(shí),運(yùn)算法則將綜合比較器的輸出邏輯、DIR引腳控制和計(jì)數(shù)器信號(hào),一起得出最后的調(diào)速控制。
6 SA866AE/AM與EEPROM參數(shù)設(shè)定
SA866AE/AM的串行三線接口可與256位或1024位的串行EEPROM連接,如93C06或93C46。所有的參數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中,復(fù)位以后通過串行接口自動(dòng)下載。本系統(tǒng)擬采用93LC46進(jìn)行參數(shù)存儲(chǔ),與SA866AE/AM的接口如圖6所示。
評(píng)論