电驱系统安全状态（SPO/FreeWheeling、ASC）

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【引言】 新能源汽车的安全问题一直是从业人员和消费者关心的问题，除了最受人关注的电池热失控问题外，电驱系统作为电能与机械能转化的部件，实现整车行驶功能的“心脏”也有很多安全问题需要额外注意的。 在讨论电驱系统的安全的时候，最常使用的方法论是ISO 26262 《道路车辆功能安全》，这个标准做过国内转化GB/T 34590《道路车辆功能安全》，这个方法论里面，最开始有两个最基础的名词定义：“安全目标”、“安全状态”。 安全目标Safety Goal：你想让人员安全的目标是啥，譬如别高压触电，别忽然加速/减速等等。然后会给一个等级，说明你有多在意这个目标，接着就是用不同的措施来应对不同的级别需求。（不详细展开，大家可以自学功能安全，网上材料很多。） 安全状态Safety State：遇到问题时，要达到什么状态才是对人员最安全的，这里面涉及电驱系统内部的一些具体操作，然后达到具体什么状态，才能不对人身产生后续的伤害。 这篇文章重点聊一聊几个常见的安全状态的情况。 【安全状态】 因为要实现安全目标，所以才需要考虑有一个安全状态，确保这个安全目标的实现。我们先来看一下最常见的电驱系统的两个安全目标： 1、 安全目标1：怕失控-不产生不可预期的加速力/减速力。来源：最基本的安全目标。 2、 安全目标2-：怕触电-可产生>60V的不可控发电（UCGUncontrollable Generating）电压。来源：LV123：在高压系统处在下电状态时，必须阻止产生≥60V的直流电压；（LV123是欧洲车企联盟的团体标准， 欧洲供应商均遵守此设计标准）[1] 我们下面全文将基于这俩最核心的安全目标，看什么是最合适的安全状态，来重点讲一下常用的两种安全状态：SPO三相开路、ASC主动短路。 【SPO三相开路】 SPO: Six Pack Off，六个管子都断开，即三相开路 【SPO是什么，用途是啥】 遇到整车在高速运行的时候，忽然不知道哪根筋错了（过速、过温、过流、过压、通讯故障等等，详细我之后会出一个关于故障矩阵Fault Matrix的文章），我们的第一直觉反应是不是，赶紧断电，赶紧的，要不出事儿了。 那这时候有一个问题，请问，断哪个电？我们基于LV123的电气架构看一看。 图1：《LV123 ：Electrical characteristics and electrical safety of high voltagecomponents in road vehicles - Requirements and tests》中的电气架构图。整车电气里面主要有三套电：①直流高压，②交流高压，③低压电。 1、如果断③低压12V供电，老寿星上吊了，强电上出了问题，不解决强电，还把监测控制的12V电掉了，这脑回路，看不见问题就是没有问题是吧。作为成熟的汽车工程人员，没人会这样做。 2、如果断②高压交流，会发生什么？当前电动汽车经常使用的电机是永磁同步电机，永磁同步，顾名思义有永磁体，磁生电，电生磁，在高速旋转的情况下，导体在磁场中移动，会产生电。这个电，我们一般成为空载反电动势BEMF（Back electromotive force），BEMF是交流电压，电机控制器里面有二极管整流电路，所以这个交流的BEMF就变成直流的电压了。具体交流与直流什么关系，理论上关系是直流为交流的根号3倍，实际为三相中最大减去最小，然后通过控制器里的母线电容一滤波，就成直流了。 图2：电机BEMF@最高转速，以及对应的直流电压 这个电压是一个和转速直接成线性关系的电压，转速越高，电压越高，如果产生的直流电压与外部的电池电压一样的时候，这时候的转速就是电机的所谓空载转折转速（corner speed），如果转速大于这个corner speed，就会出现电机转动产生的电压大于电池电压，电池肯定不乐意啊，就把这些高的电压收了，然后形成电流，形成电流就有能量了，即对电池发电的能量，这个能量从哪来啊，从机械能来，就会产生一个很大的制动力让整车减速，并把这个能量变成电能给到电池。这就有问题了，整车在高速上正跑着呢，抽筋了，你说你不干活就算了，你怎么还能忽然猛的刹车啊，你让后车咋办啊，这不妥妥的追尾风险吗？这就是“安全目标1：怕失控-不产生不可预期的加速力/减速力”里面要避免的事情吗？ 所以我们就知道了，如果车速够高的话，这个交流电是不能随便断的，这时候其实应该使用的是另一种策略，ASC主动短路（Active Short Circuit），也是下一个章节要讲的内容。 如果此时车速不高（产生的BEMF小于电池电压时），断开②交流高压应该是可以的。这个在低速时断开交流电的策略就叫FreeWheeling（轮子空转，惯性滑行）或者SPO（Six Pack Off，功率模块六个管都断开）。 3、如果断①高压直流，会发生什么？断开这个①之前，一般②高压交流都会先断开了，因为是电驱系统自己抽的筋得先自己反应之后整车才能知道，进而断开①高压直流。 如果此时车速很高，BEMF很高，同时直流电池断开了，所以产生的电压即使比电池高也过不去，因为断开了啊。这时候这个电压因为很高，就有可能损坏电机控制器里的电容（超了就短命）和功率模块（超了就挂）。 如果此时车速不高，且电池已经断开，产生的电压都没有电池电压高，不会损坏电机控制器。 综上，SPO就是把功率模块的六个管子全部开路的策略。让电机不再响应整车的油门信号，而不至于在抽筋时错乱响应产生别的安全问题。 【SPO的原理】 前面其实也提到了，SPO的原理，就是把功率模块的六个管子全部开路，处于OFF的状态。 图3：电机控制器内部的电气架构 就是控制器内部这个电气架构里面的六个管子（IGBT or SiC），全部OFF断开，这时候交流电只能通过二极管去变成直流电。 【SPO的注意事项】 注意事项，核心问题就是在高速的时候不能SPO啊，因为有不可控的制动力啊。 另外，在低速的时候，一定就可以SPO吗？也要看，如果考虑“安全目标2：怕触电-不可产生>60V的不可控发电电压”，你在碰撞或者抽筋的情况下，电池电压400V的，你恰好发出了个399V，是没超电池电压，然后这个电存在了电机控制器的母线电容里，你好死不死的，非要打开机舱，看看控制器为啥不干活了，你又一手正极一手负极摸了一下好不容易被你剥开的线缆，同时这个事情是在5分钟以内完成的（时间超了的话，电机控制器的被动放电Passive Discharge就把电放光了），然后你就中电了。尽管这个事儿概率很低，但咱们直接让电压就不大于60V不更安全了吗？所以就有了俩动作，一是在电池下电（正常下电、异常下电、碰撞等）时有一个主动放电（Active Discharge，一般给一个-Id的电流，让电机不转，光耗能）的动作，让电机控制器母线电容里的电尽快（5s以内，一般1s足矣）降下来，二是让这个产生的电压压根就别大于60V。动作一是每一个车企都必须做的，方法不一（一般是靠电机-Id放电或者靠DCDC放电），动作二主要是欧系尤其是德系整车厂和供应商做得多。这个动作二就是靠ASC来实现的。 【ASC主动短路】 ASC: Active Short Circuit，主动三相短路 【ASC是什么】 前面其实已经提到了ASC了，ASC就是主动短路，Active Short Circuit。主动短路的时候，就等于电机的三相线全部连在一起了，但是在旋转的时候，三根线的电压是互相差120°，瞬态值是不一样的，你非让他们连一起，不就是强制把三个电压定为一样了吗？电机多难受啊，要么赶紧不转了，要么外面拖着不得不转就产生反抗的电流，即三相短路电流。 【ASC的用途】 1、高速的时候，做SPO不行，因为有大的制动转矩，所以这时候要做ASC，这时ASC为了满足功能安全“安全目标1：怕失控-不产生不可预期的加速力/减速力”的用途。 2、同时，还有“安全目标2：怕触电-不可产生>60V的不可控发电电压”的需求，如果在一些电机被动转（例如被拖动），且产生电压>60V的时候，也可以采用ASC策略，让电机三相短路，与控制器的直流母线之间不再有关系，这样即使转速高，电压也无法上升到60V以上了。 【ASC的原理】 ASC的实现原理，就是通过对控制器力的功率模块进行控制，让电机实现三相电短路在一起。具体实现方式一般有两种，三相上桥闭合，下桥断开，或者三相下桥闭合，上桥断开（也有上三桥一会儿，下三桥一会儿的，但要小心别产生异常的BOOST升压现象）。下图图4是按照上三桥闭合的等效电路，等效于电机的三相线通过上三桥短路在了一起，即图中的绿色点处（即DC+电池正极），相应的，如果采用下三桥闭合的方式，则通过下三桥在DC-电池负极处实现电机三相线短路。 图4：ASC采用上三桥短路时的等效电路 那通过ASC方式，进入这种状态之后，电机和控制器到底会发生什么呢？ 图5：ASC电流、转矩特性的仿真结果。 图5左图就是一个常见的电压椭圆电流圆限制轨迹，红色的是FW曲线，蓝色的是MTPV曲线，黑色的就是随着转速的增加，短路电流的变化，可以看到逐渐增大，而且低速时有Q轴分量，之后逐渐改成以D轴分量为主。这个也与图5右图的电流变化以及转矩变化是吻合的（具体看转矩方程，下面这个文章里面都有讲）。 另外，这个在高速下的最大短路电流，也叫做电机的特征电流 ，是电机控制中的一个重要参数，其会直接影响控制策略。 光说仿真没意思，看实测，这是某款量产车型（若干年前的车型了）的实测短路电流和转矩数据，主动短路的电流、转矩特性与仿真是相符的。尤其要注意，这个短路转矩是快速负向增大，然后再负向减小的，所以在高速的时候，制动力很小，即使因为抽筋了，不得已进入了ASC状态，也不会产生大的制动力。 图6：某款量产车型电机的实测ASC短路电流曲线 图7：某款量产车型电机的实测ASC短路转矩曲线 刚才讲了进入ASC之后的电流和转矩的稳态特性及不同转速下的特性，那么进入ASC瞬间，会有不太一样的地方吗？还真的有，看下面这张图： 图8：进入ASC状态的电流波形，瞬态和稳态 在进入ASC瞬间，明显电流是存在一个尖峰的，而且三相还不一样，这是为啥呢？可以简单理解为，在正常运行的时候，三相线上都有电压，你忽然给接上了，这个能量就要通过电感慢慢吸收掉，类似于RC/RL充放电过程，这个可以理解为瞬态ASC电流，等稳态以后，电机的BEMF被强行置为零，产生的反抗变成了电流，即稳态ASC电流。根据这个理解，完善一下ASC电流的公式，按照三相的总电流考虑的，分为了两部分： ，其中Um是电压，Z是阻抗，t是时间，τ是一个时间常数。 随时时间t推移，瞬态电流逐渐为 0，进入稳态，最大瞬时值的幅值大概为稳态电流幅值的两倍。这张图可以更好的描述这两部分电流的关系。 图9：ASC电流的两部分构成。 先说瞬态电流，按照一个放电曲线的样子在下降，那么分在三相的每一相上，也按照每相相差120°，那么在不同位置下，三相的瞬态电流就会存在明显差异，可能是向上的尖峰，也可能是向下的尖峰。具体与时间t有关，t可以理解为进入ASC状态时的电机转子位置量。 再说稳态电流，其实就是电机的特征电流 ，这个瞬态电流主要就与永磁磁链φf、D轴电感Ld，以及时间t有关，其中t只影响相位。 然后瞬态电流叠加在稳态电流上面，就形成了ASC电流真实的情况，如图8所示。 回到ASC电流的公式，以及上图，可以看到，电机的运行状态如转矩、功率、电压等信息根本和这个ASC电流没有关系，因为ASC电流的瞬态尖峰只和进入ASC状态的转子位置有关（其中稳态与电机设计的磁链和电感有关），稳态值只和转速有关（电机参数固定的情况下）。 【ASC的注意事项】 1、上面图8聊的ASC电流尖峰，是很高的，基本上是ASC稳态电流的两倍，那么大的电流，对于控制器是一个挑战，不是说控制器会坏，而是这时候一般都会触发过流保护，所以在进行系统设计的时候要注意，在发生ASC进入安全状态的时候，对应的过流保护别再启动了，该禁掉的禁掉。 2、ASC的稳态电流也不小，一般离峰值电流也不会少太多，这个电流发热厉害啊，所以在进入ASC之后，对应的发热也要注意。不过好在进入ASC之后，车速也会很快降下来，一般10s以内车速都会下来，电流也会下来。不过这依然是在做系统设计的时候需要注意的事项。 3、前面在讲ASC的用途时候，为了“安全目标2：怕触电：不可产生>60V的不可控发电电压”也可以使用ASC，但这个有个特殊情况，拖车。如果车故障了，被车轮着地，拖起来了，产生的电压>60V以后，电机控制器一般会通过一次电源把高压电转成12V电然后激活ASC电路，确保直流母线电压<60V。但这时候电压是不高了，但是ASC电流很大啊，又一直在拖车，长时间的电流发热，很容易最终因为ASC电流烧毁控制器的模块，产生二次损坏，所以你看电动汽车的用户手册，一般都是要求“本车辆不适合使用车轮着地的牵引方式进行牵引，请勿使用牵引链条直接牵引车辆”，有些车辆即使有个“拖车模式”也只能运行在很低的车速，就是为了确保电压不要超过60V，要不这个功能就启用了。另外国内有些车型，没有按这个60V来设计，电压上限会更高一些，或者压根就没有为了第二个安全目标的ASC策略，你说这样就不行吗？确实不符合LV123标准，但LV123只是德国的行标，也没有明确证据说这样一定不行，毕竟，5分钟之后，把机舱打开，把正负极剥开，然后一手正极一手负极这种天才，也许真的概率很低很低吧。但即使如此低的可能性，极狐汽车αT、αS等车型都还是考虑到了这个需求，做了基于“安全目标2：怕触电：不可产生>60V的不可控发电电压”的ASC措施，只是为了让极狐电驱系统多一分安全。 【总结】 1、功能安全（ISO26262）是一个好的方法论。 2、安全目标和安全状态是两个比较基础的安全概念。 3、转矩安全、高压安全是比较重要的。为了实现这俩安全的目标，需要用一些安全状态来支撑。 4、常用的安全状态是SPO/FreeWheeling、ASC。 5、SPO就是断开电机与电机控制器之间的交流，在高速时，会大的制动力，所以高速不能SPO。低速时可以。 6、ASC就是通过控制器把电机三相线短路，是一个小的制动转矩，能满足转矩安全。进入ASC瞬间有一个大电流，与进入位置有关，需要注意，另外ASC的长时间发热也要注意。 7、使用永磁同步电机的电动汽车，真的不能驱动轮直接拖车，除非没做基于高压安全的ASC策略。

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