Инвертор тягового привода E-Traction

Основные требования, предъявляемые к таким инверторам, это диапазон питающего напряжения от 12 В до 96 В постоянного тока, наличие режима векторного управления, простота настройки инвертора на выбранный электродвигатель, интеграция в CAN-шину автомобиля, минимизация акустического и электромагнитного шума от работы инвертора, возможность гибкой настройки дискретных входов/выходов, минимальные массогабаритные характеристики, наличие защитных функций обеспечивающих стабильную безотказную работу при длительном периоде эксплуатации.

Рис.1 Тяговый инвертор E-Traction-ET4 мощностью 4 кВт

Рис. 2. Тяговый инвертор E-Traction-ET11 мощностью 11 кВт

Инверторы тягового привода могут быть установлены не только внутри автомобиля, но и снаружи, например, в нижней части рамы автомобиля. Поэтому важно наличие лёгкого и прочного герметичного корпуса, разъемов инвертора вплоть до степени защиты IP54 и выше.

Наиболее распространенные инверторы в сегменте гольфкаров и малых электромобилей это инверторы производства Curtis Instruments, Inc (США) и ZAPI (Италия). Эти бренды имеют многолетнюю историю и большой спектр продуктов обеспечивающих наиболее востребованные сегменты малых электромобилей.

Рассмотрим отечественную разработку ООО «Мехатроника-Томск», выполненную при поддержке Фонда содействия инновациям, обеспечивающего импортозамещение инверторов мощностью 4 и 11 кВт. Прямыми аналогами являются Curtis AC Motor Controller Model 1234E-62XX и 1238E-66XX. Технические характеристики разработанных инверторов приведены в таблице 1. В основе элементной базы применены отечественные компоненты – силовые транзисторы, конденсаторы, пассивные компоненты, корпусные детали.

Таблица 1 – Основные технические характеристики инверторов

Схема внешних подключений, приведённая на рисунке 3, унифицирована для систем 4 и 11 кВт. Подключение к электродвигателю производится через шинные соединения. Доступна возможность подключения датчика обратной связи (энкодера) с целью получения лучшей регулировочной характеристик привода.

Рис. 3. Схема внешних подключений тягового инвертора

С целью обеспечения плавности хода в динамических режимах работы предусмотрена возможность задания T/S-кривых на различных участках движения.

Для реализации управления скоростью от внешнего потенциометра предусмотрены аналоговые входы/выходы.

Конфигурирование и тонкая настройка осуществляется через универсальное программное обеспечение MViewer (http://mviewer.ru). Программа MViewer устанавливается на ПК под операционной системой Windows. Устройство соединяется с ПК по интерфейсам RS-485 либо CAN. Одной из особенностей MViewer является то, что программа имеет возможность подключения и взаимодействия одновременно с неограниченным числом устройств по различным интерфейсам. Изображение интерфейса в режиме настройки контуров регулирования и табличного отображения данных приведено на рисунке 5 и 6.

Пользователю предоставляются следующие возможности:

• выгрузка данных из памяти устройства и их форматирование;

• загрузка данных в память устройства;

• сохранение и воспроизведение конфигурации устройства;

• графическое представление полученных данных, в том числе от высокочастотных процессов;

• конструирование графического интерфейса пользователя с возможностью его экспорта в автономное приложение;

• загрузка микропрограммного обеспечения (прошивка);

• получение журнала событий устройства с сохранением и графическим представлением.

Пример осциллографирования данных в среде Mviewer и отработки команд на разгон/реверс привода без нагрузки для прогулочного электромобиля массой 640 кг и грузоподьёмностью 480 кг показан на рисунке 4. Показанная диаграмма отражает динамику разгона и реверса до скорости вала электродвигателя 3000 об/мин при заданном интервале разгона 1 секунда и торможении 2 секунды.

Рис. 4. Осциллограмма переходных процессов в контурах момента, скорости и напряжения звена постоянного тока

Встроенная функция отслеживания слишком быстрого нажатия на педаль газа ограничивает скорость электромобиля во избежание ударных нагрузок на привод.

Функция энергосбережения предотвращает разрядку аккумулятора инвертором, когда автомобиль неактивен.

Функция аварийного торможения позволяет обеспечить плавное торможение до остановки при выключении ключа или возникновении неисправности, требующей остановки автомобиля.

Функция защиты от отката/наката вперед обеспечивает плавное и безопасное управление автомобилем на возвышенностях.

Применяемые алгоритмы широтно-импульсной модуляции обеспечивают низкий уровень гармоник двигателя и как следствие, низкую пульсацию крутящего момента и минимальные потери на нагрев, что в итоге обеспечивает высокую эффективность.

Надёжное отключение питания обеспечивает контактор в цепи АКБ.

Алгоритмически предусмотрена остановка автомобиля до включения электромагнитного тормоза, что обеспечивает безопасную остановку при любых условиях.

Для исключения движения при подключенном зарядном устройстве предусмотрен вход блокировки зарядного устройства.

Сброс излишков энергии может быть осуществлен на внешний тормозной резистор.

Помимо программно-аппаратных технологических защит, связанных с передвижением транспортного средства, в инверторе предусмотрены базовые защиты:

• от превышения максимальных токов;
• от замыкания на корпус;
• от перегрева инвертора;
• от перегрева электромотора;
• от обрыва фаз электромотора ;
• от длительной токовой перегрузки;
• от неисправности энкодера;
• от неправильной последовательности чередования фаз электромотора;
• от превышения напряжения на промежуточной шине Udc;
• от понижения напряжения на промежуточной шине Udc.

Полное описание инвертора и его периферии представлено на сайте продукта https://et-drive.ru.

Рис. 5. Изображение среды-конфигуратора MViewer в режиме настройки контуров тока и скорости

Рис. 6. Изображение среды-конфигуратора MViewer в режиме табличной настройки параметров

Согласно приведённой на рисунке 3 схеме подключения применение инвертора E-Traction может быть реализовано в трёх основных вариантах. В первом случае инвертор устанавливается для управления тяговым электромотором с получением задания на скорость через педаль газа (фактически потенциометр). Динамика изменения скорости зависит от величины нажатия на педаль газа. Во-втором случае возможно задание скорости дискретно по предустановленным величинам, привязанным к дискретным входным каналам. В третьем случае это управление по каналам RS-485, CAN. Такое управление, как правило, реализуется в системах с беспилотным режимом управления либо дистанционным (трактор, толкатель, транспортная платформа).

Рис. 7. Функциональная схема установки инверторов в автомобиль с четырьмя тяговыми электродвигателями: УУ – устройство управления (ECU), МС – модуль синхронизации (VCU), МКА – модуль контроля АКБ (BMS), LV DC – низковольтная шина питания (бортовая сеть), HV DC – высоковольтная шина питания, ЗУ – зарядное устройство (Onboard charger)

Помимо приведённых вариантов управления с одним инвертором, существует возможность применения нескольких инверторов, связанных единой бортовой сетью, как показано на рисунке 7. Например, когда тяговый электродвигатель устанавливается либо на каждую ось, либо на каждый электродвигатель. Реализация систем управления в схеме с несколькими инверторами требует их дополнительной синхронизации, либо по оси, либо по колесу.

Рис. 8. Функциональная схема модуля синхронизации

Для решения задачи синхронизации предлагается использовать модуль синхронизации инверторов (МС), функциональная схема которого приведена на рисунке 8. Он позволяет получать единое задание от головной системы управления и сформировать такое управляющее воздействие на инверторы, которое обеспечит синхронизацию всех регулируемых осей с учётом обратной связи от датчиков положения вала электродвигателя.

В основе работы алгоритма синхронизации лежит принцип регулирования скорость вращения каждого колеса в зависимости от положения педалей газа, тормоза, рулевого колеса, пространственного положения каждого колеса, от их продольных, поперечных ускорений и линейных скоростей.

Перечень типовых функций, реализованных в модуле синхронизации:

• мониторинг показаний каждого инвертора тягового привода;

• формирование траектории разгона при нажатии на педаль газа;

• формирование траектории замедления при отпускании педали газа или при нажатии на педаль тормоза с контролируемой рекуперацией энергии в АКБ;

• функция защиты от пробуксовки колеса, в том числе и антиблокировочное торможение;

• корректировка скорости в зависимости от подъёма на уклон, или спуска;

• ограничение момента инверторов тягового привода;

• снижение выходной мощности при низком заряде АКБ;

• снижение тока рекуперации при перенапряжении АКБ.

Применение инверторов E-Traction и модуля синхронизации в комплексе, например для трактора, позволяет настроить режимы синхронизации с учётом инерционности каждой оси. Для беспилотной многоосевой тележки модуль синхронизации позволяет распределить вектор тяги и сформировать на инверторы E-Traction синхронизированное задание на каждое колесо, что обеспечит устойчивость прохождения траектории движения на максимально допустимой скорости.

Николай Гусев, к.т.н.