電動汽車在節(jié)能、環(huán)保和性能上具有傳統(tǒng)汽車無法比擬的優(yōu)勢，是社會經(jīng)濟(jì)利益和能源、環(huán)保要求共同作用下的產(chǎn)物，已經(jīng)成為世界公認(rèn)的新能源汽車發(fā)展的主流。廣義上講，電動汽車包括純電動汽車、混合動力汽車和電電混合電動汽車?；旌蟿恿ζ嚐o論采用油電混合還是氣電混合，根本特點(diǎn)是熱機(jī)和電動機(jī)在動力層次的混合。電電混合的根本特點(diǎn)在于電能轉(zhuǎn)化元件與電儲能元件在能源層次的混合。目前，油電混合動力汽車已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商品化，電電混合動力汽車，尤其燃料電池和動力蓄電池/超級電容的電動汽車正成為向未來氫能經(jīng)濟(jì)過渡的載體，研發(fā)力度不斷加大，加速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

　　現(xiàn)在環(huán)境保護(hù)和能源問題是二十一世紀(jì)"綠色革命"的兩大主題，電動車作為汽車"綠色革命"的主角，存在著能量使用率低、充電行駛里程短等問題。通過研究直流調(diào)速系統(tǒng)雙向功率變換電路，實(shí)現(xiàn)ZCZVS Boost雙向DC/DC變換器與VVVF變頻調(diào)速器相結(jié)合，驅(qū)動鼠籠型異步電機(jī)的節(jié)能型電動車交流驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)在功能上實(shí)現(xiàn)了車輛剎車減速或下坡制動時能量的回饋，達(dá)到節(jié)能、提高能量使用效率和增加車輛行駛距離的目的；采用交流異步電機(jī)，克服了傳統(tǒng)直流驅(qū)動系統(tǒng)的諸多缺陷，降低了成本，減少了維護(hù)；采用ZCZVS技術(shù)，降低了電磁干擾和損耗，提高了效率；另外，在逆變主電路中采用IPM模塊，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了空間，提高了整個系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。分析系統(tǒng)工作原理，進(jìn)行了拓?fù)浜蛥?shù)設(shè)計(jì)，并完成一套300W樣機(jī)的制作，通過相應(yīng)的仿真和實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，特別適用于頻繁減速或剎車制動的電動車輛。預(yù)計(jì)該系統(tǒng)在旅游風(fēng)景區(qū)、山城等將有很好的應(yīng)用前景。本文提出一種新型的ZCZVS升壓DC-DC雙向變換器與變頻器相結(jié)合來驅(qū)動鼠籠型異步電動機(jī)的節(jié)能型電動車交流驅(qū)動系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和總體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)主要作為電動摩托車等輕型電動車輛的驅(qū)動裝置，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)、軟啟動功能；具有過流、過壓、欠壓保護(hù)功能等。

　　節(jié)能型電動車交流驅(qū)動系統(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，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)，那么檢測單元動作，它封鎖了升壓電路的電子開關(guān)Su,同時打開能量回饋開關(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，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)能型電動車交流驅(qū)動系統(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、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電源電壓Vcc=30V，內(nèi)部有一個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，啟動電壓閾值為16V，關(guān)閉電壓為10V，6V的啟動、關(guān)閉差值可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時產(chǎn)生振蕩；③自帶一個穩(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），低電平為1.5V（輸入電流為200mA時）；⑤高、低電平的上升、下降時間為100ns，電流采樣信號（從引腳3輸入）大于1V時，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，采樣電阻R21上的采樣電壓就增大，進(jìn)入UC3842A引腳3的信號相應(yīng)變大，此時經(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，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，同時避免開關(guān)管Sd長時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Sd。
　　圖3為“多諧振蕩器+高頻脈沖變壓器”組成的驅(qū)動電路，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，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，系統(tǒng)處于電動運(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)地控制電動運(yùn)行開關(guān)管和能量回饋開關(guān)管的驅(qū)動電路。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時，電動機(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，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個分離的IGBT單元來搭建，需要對每個IGBT單元提供驅(qū)動電路、過熱保護(hù)電路、過流保護(hù)電路，它們要和整個主回路的過壓、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（Intelligent Power Module），即智能功率模塊，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起。而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU.它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅(qū)動電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服驅(qū)動，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。
　　IPM模塊是以IGBT芯片為主體，將芯片及其門極驅(qū)動、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、價格適中等優(yōu)點(diǎn)。因此，結(jié)合電動車驅(qū)動裝置的基本要求，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，下橋臂的三個管子的漏極在同一點(diǎn)上，該點(diǎn)通過一個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)動控制，但是上橋臂三個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，下橋臂的+15V驅(qū)動電源同時給外部電容充電，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。
　　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，該條件具有優(yōu)先，它可防止過度減速時再生能量通過功率管而導(dǎo)致過電壓。通常 VMON<0.5VDD時，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)，瞬時頻率都會被降低到預(yù)先設(shè)置的減速頻率水平上，若在瞬時頻率降到0時，IMON≥VDD，則PWM脈沖輸出截止，此時不能進(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，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，一起得出的調(diào)速控制。
　　6 SA866AE/AM與EEPROM參數(shù)設(shè)定

　　EEPROM（電可擦寫可編程只讀存儲器）是可用戶更改的只讀存儲器（ROM），其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重編程（重寫）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計(jì)算機(jī)中取出即可修改。在一個EEPROM中，當(dāng)計(jì)算機(jī)在使用的時候是可頻繁地重編程的，EEPROM的壽命是一個很重要的設(shè)計(jì)考慮參數(shù)。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應(yīng)用通常是個人電腦中的電壓來擦寫和重編程。EPROM（Erasable Programmable ROM,可擦除可編程ROM）芯片可重復(fù)擦除和寫入，解決了PROM芯片只能寫入的弊端。EPROM芯片有一個很明顯的特征，在其正面的陶瓷封裝上，開有一個玻璃窗口，透過該窗口，可以看到其內(nèi)部的集成電路，紫外線透過該孔照射內(nèi)部芯片就可以擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。
　　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)存儲在EEPROM中，復(fù)位以后通過串行接口自動。本系統(tǒng)擬采用93LC46進(jìn)行參數(shù)存儲，與SA866AE/AM的接口如圖6所示。

圖6 SA866AE/AM與EEPROM結(jié)構(gòu)圖