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电驱动系统功能解读：主动放电 v2.0

原创 SysPro系统工程智库 2024-12-29 07:54
如何通过半导体技术提升光伏与储能系统的效率？ 【技术前沿】Microchip最新嵌入式技术大揭秘！

- 关于电驱动系统功能解读：主动放电 v2.0

- 「SysPro|动力系统功能解读」专栏内容

- 本篇为节选，完整内容会在知识星球发布

- 内容有些多，分两次发表

导语：随着电动汽车的迅速普及，其安全性问题日益受到终端用户和制造商的重视。在众多安全特性中，高压主动放电功能作为规避高压人身危害的关键手段，显得尤为重要。今天我们深入探讨下这个问题，解释下电动汽车高压主动放电几种方式，以及它们各自的工作原理、适用场景、必要性、实现方式、提升电动汽车安全性能方面的作用。
目录
1. 主动放电的基本概念
  • 1.1 什么是高压主动放电？
  • 1.2 为什么需要高压主动放电？
  • 1.3  高压主动放电的基本工作原理是什么呢？
2. 电机主动放电、冗余主动放电、被动放电

  • 2.1 电机主动放电

  • 2.2 冗余主动放电

  • 2.3 被动放电

  • 2.4 小节

3. 主动放电的三种方式对比：电机放电、电阻放电、功率开关放电
4. 从应用场景到控制策略的说明
5. 功能安全的考虑
6. 功率开关放电的实现方法

备注：以上内容节选，完整内容在知识星球发布(点击文末"阅读原文")

01

主动放电基本概念综述

1.1 什么是高压主动放电？

高压主动放电是指在电动汽车高压系统断电后，通过专门的放电回路和控制策略，迅速将高压电容中的电能快速地（一般规定1~2s）释放至安全水平（高压降至60V以下）的过程。其核心目的：是防止因高压系统内部残余电压而导致的触电风险以及次生危害的产生，保障车辆维修、紧急救援等过程中的人员安全。这一功能在车辆关闭、紧急断开高压电池，或在维护、维修等需要安全操作的场景下尤为重要！

图片来源：网络
1.2 为什么需要高压主动放电？

电动汽车的高压系统，如电池、电机控制器等，在工作时会产生高电压。这些高电压在车辆关闭或发生紧急情况时仍可能残留在系统中，对人员构成潜在威胁。如果没有有效的放电机制，残余电压可能引发触电事故，甚至导致火灾等严重后果。因此，高压主动放电功能成为电动汽车安全设计不可或缺的一部分。通过主动放电，可以迅速将系统电压降低到安全水平，从而避免这些风险。

考虑到人身安全，国内/外对于xEV的高压安全，在标准层面都提出了明确的要求。以下两图分别是ISO6469-Part4和GB/T 18488-2024中关于主动放电的描述。

图片来源：ISO6469-Part4

图片来源：GB/T18488-2024

|SysPro备注，关于GB/T18488-2024 主被动放电的解读，之前已经做过，感兴趣的朋友可以点击下面链接：2024版GB/T18488解读 | 主动放电、被动放电
1.3  高压主动放电的基本工作原理是什么呢？
高压主动放电功能的工作原理主要基于电力电子技术和控制策略。当车辆的高压系统需要放电时（指令来自VCU，或者控制器内部），控制系统会发出指令，通过特定的放电回路将高压电能快速释放。这一过程通常利用电机绕组、或电机控制器内置的放电电阻、或通过功率半导体的线性区特征等作为负载，将电能转化为热能并耗散掉。

图片来源：ST

只不过，如何进行控制？如何执行放电？如果有需要冗余放电，主路径、冗余路径彼此之间要如何协同？选择什么样的放电方式，效果更好、能效更高、成本更低？这些问题是设计人员重要点权衡与考虑的问题。作为动力系统的设计人员，需要熟悉每一种控制路径和放电路径，并清楚不同技术路径下，会带来哪些优势和劣势，综合评估，以选择符合各利益相关方的最佳方案。这些问题，我们会在后续的文章中会陆续讨论到。

02

电机主动放电、冗余主动放电、被动放电

为了更清楚的定位后续的解读对象，有必要再对放电的方式做下澄清。只有从整车视角了解了诸如”主动放电究竟要解决什么问题？为什么又需要冗余放电？被动放电的意义是什么？“一类的问题，才能为后续的放电路径的选择、软件策略的定义提供指向。
对于动力系统而言，从类型上区分，放电的方式主要包括三种：电机主动放电、冗余主动放电、被动放电。下面我从定义/工作原理、放电路径、应用场景、优势、劣势角度做下说明。

2.1 电机主动放电

定义/工作原理

主要主动放电是一种通过电机，使用受控电流来主动降低电压的功能。在电动汽车中，这通常意味着利用电机控制器（MCU）来控制放电过程。当系统检测到需要放电时，MCU会发送信号给电机，通过特定的控制策略使电机绕组成为负载，从而消耗高压系统中的电能。

实现方式

主要放电路径是由QM扭矩控制功能负责实现，控制d/q电流的控制，将DC-Link能量泄放到电机绕组中，通过热量的形式实现电能的消耗和电压的降低。如下图所示为通用汽车关于主动放电专利的原理说明。

图片来源：通用汽车

应用场景

主要主动放电通常用于正常关闭车辆或进行维护时，确保高压系统内的电压迅速且安全地降低。它也可以用于在车辆发生故障时，如碰撞后，快速降低高压以减少触电风险。

优势/劣势
电机放电可以放电速度快，可以在短时间内将电压降至安全水平；并且通过软件控制，可以实现智能化的放电策略，灵活性很强；适用于多种情况，包括正常操作和紧急情况。但是，由于共用的是电机的扭矩控制路径，快速放电过程中如果控制不当，可能会造成扭矩抖动，影响驾乘体验。

2.2 冗余主动放电

定义/工作原理

冗余主动放电同样是一种主动功能，但它不依赖于电机，而是通过电力电子的专用组件，如放电电阻或专门的放电电路，使用受控电流来降低电压。这些组件通常被设计为在电机放电失效时提供备份，以确保系统的安全性。

实现方式

冗余主动放电路径使用专门的放电电阻或放电单元，通过电力电子开关（如MOSFET）控制放电过程，在需要时提供额外的放电能力，确保即使主要放电路径失效，系统也能安全地放电。此外，硬件上需要设计放电电阻网络、开关控制电路及必要的保护电路。

如下图所示为一个由微处理器控制的主动放电系统，通过逻辑电路和驱动电路来驱动MOS管，从而控制母线电压和电流。

图片来源：精进电动
应用场景

冗余主动放电主要用于提高系统的可靠性，特别是在电机放电电路径可能因故障而无法工作时，如碰撞事件。它也可以用于在车辆长时间停放后，确保高压系统内的电压已经降至安全水平。

优势/劣势
冗余主动放电策略的优势在于其提供了额外的安全层，增加了系统的冗余性，不依赖于电机的状态，可以在更广泛的情况下使用，并且通过独立的监控机制来检测其工作状态，提高了系统的可维护性。然而，该策略也存在劣势，主要是需要另外增加电路，从而增加成本。此外，虽然用电阻放电风险较小，但在多次放电过程中，电阻也可能会老化损坏，引入了新的失效。

2.3 被动放电

定义/工作原理

被动放电是一种不需要任何主动控制机制的放电路径。它通常依赖于系统中的被动组件，如电阻器或电感，这些组件会自然地消耗或分散电能，从而降低电压。被动放电的速度通常比主动放电慢，但它是一种始终存在的放电机制，不需要额外的控制或监控。

应用场景

被动放电主要用于在车辆关闭且没有其他放电机制工作时，确保高压系统内的电压逐渐降低。它也可以作为主动放电路径失效时的最后一道防线。

优势/劣势
被动放电的优势在于它无需额外的控制或监控机制，从而降低了系统的复杂性；同时，它始终存在并提供基本的放电功能，且成本低廉，易于实现。

2.4 小节

小节一下。通过02章节，我们了解到在电动汽车高压电气系统中，电机主动放电、冗余主动放电以及被动放电共同构成了完整的放电路径体系。其中冗余主动放电又有多种方式可选，如电阻放电、晶闸管放电、功率开关放电（模块放电）等。以上所述每种放电路径都有其独特的作用、应用场景和优势，彼此协同、共同确保了系统的安全性和可靠性。

图片来源：ST

那么，是不是电机放电、冗余放电、被动放电都是必须存在的？如果不是，要如何根据各自的放电特征选用合适的放电方式呢？如果是，此三者之间又要如何配合（控制策略），以完整覆盖所有应用场景、满足整车需求呢？这些问题我们在下期「主动放电」文章中继续展开聊聊：
  • 03 主动放电的三种方式对比：电机放电、电阻放电、功率开关放电
  • 04 从应用场景到控制策略的说明
  • 05 功能安全的考虑

  • 06 功率开关放电的实现方法概述

备注：以上内容完整版会在知识星球中发表

以上是关于电驱动系统功能解读：主动放电 v1.0内容总结的节选，完整版及相关资料在知识星球「SysPro| 动力系统功能解读」 专栏发布，欢迎查阅、学习。此外，关于主动放电，大家可以结合知识星球中以下两部分内容一并学习(星球中点击链接跳转，查阅下载)，希望有所帮助！

  • 2024版GB/T18488解读 | 主动放电、被动放电(完整版)

  • 比亚迪 | 电驱动系统及组件 | 专利-逆变器：主动放电/集成PFC

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2024年12月28日

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