一、概述

在新能源汽車中，對車載系統(tǒng)的控制通常會涉及多個控制環(huán)路，如速度環(huán)、電流環(huán)、扭矩環(huán)和電壓環(huán)等等，這些環(huán)路共同作用于整個動力系統(tǒng)，以實現(xiàn)對電機(jī)以及其他相關(guān)組件系統(tǒng)的有效控制。

在這類系統(tǒng)中，每個環(huán)路負(fù)責(zé)不同的控制任務(wù)，并存在著從屬關(guān)系，從而形成一種多層次控制結(jié)構(gòu)。如在電機(jī)控制中，電壓環(huán)可根據(jù)由上層電流環(huán)的輸出值，直接控制電機(jī)驅(qū)動電路的輸出電壓，從而達(dá)成與電機(jī)的交互，此控制環(huán)路在整個系統(tǒng)中最接近硬件，是與電機(jī)物理交互的第一級，而如電流環(huán)、速度環(huán)等控制環(huán)路，都是通過輸出目標(biāo)值去間接改變電壓環(huán)的輸出結(jié)果從而來間接控制電機(jī)運行的行為?；诖丝刂屏飨?，電壓環(huán)通常被認(rèn)為是可直接與電源管理和電機(jī)驅(qū)動相關(guān)聯(lián)的、位于控制層次結(jié)構(gòu)最底層的一個控制環(huán)路。將環(huán)路具象如下：

圖1 不同環(huán)路關(guān)系

二、電壓環(huán)的工作原理

在對電機(jī)的控制中，電壓環(huán)的主要功能是通過調(diào)整驅(qū)動電路的輸出電壓來控制電機(jī)繞組中的電流，再通過電流的改變來控制轉(zhuǎn)速與扭矩的輸出結(jié)果。在這個過程中，首先電壓環(huán)從上一層級接收目標(biāo)電壓指令，并將該目標(biāo)電壓與從驅(qū)動電路中的電壓傳感器檢測到的實際輸出電壓進(jìn)行比較，以計算兩者之間的誤差?；诖苏`差信號，通過如PID算法、模糊控制等控制模型計算出合適的控制信號，再根據(jù)計算出的控制信號生成PWM①信號，從而控制驅(qū)動電路中的功率開關(guān)器件（如IGBT、MOSFET）的導(dǎo)通和關(guān)斷時間比例，實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)功能，進(jìn)而控制電機(jī)電流。

圖2 電壓環(huán)工作原理

①PWM信號的生成用于控制開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間比例，其中其頻率決定了信號的周期長度，較高的PWM頻率可提供更平滑的電壓控制，但會增加開關(guān)損耗。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，控制器需要一個初始占空比來開始控制過程，此初始占空比可由“期望占空比”得到，以為控制過程提供一個合理的起點。其計算公式可如下表示：

PWM期望占空比=（V目標(biāo)/V最大）*100%

其中，V目標(biāo)是從上層環(huán)路傳來的指令電壓，V最大是驅(qū)動電路能夠輸出的最大電壓（注意此處不是實際輸出電壓）。

示例：若一個電機(jī)驅(qū)動電路的最大輸出電壓為12V，上層環(huán)路給出的目標(biāo)電壓指令為9V，此時系統(tǒng)需求的占空比應(yīng)是75%。但在電壓環(huán)接收到該電壓指令時，其初始的輸出電壓可能不足或過高，此時通過實際電壓與目標(biāo)電壓的誤差信號（ev（t）=V實際-V目標(biāo)），控制模型將輸出相應(yīng)的控制信號，該控制信號會生成新的占空比（該新的占空比與期望占空比不一定相同）。

如，當(dāng)在接收到目標(biāo)電壓指令時，電機(jī)驅(qū)動電路的輸出電壓為6V，那么此時的實際占空比為50%，而為了快速讓實際電壓接近目標(biāo)電壓，此時基于電壓誤差信號，控制模型將輸出新的占空比（如80%），以快速調(diào)整實際輸出電壓，而隨著新占空比的實施，電機(jī)驅(qū)動電路的輸出電壓將快速接近目標(biāo)電壓，在誤差信號極度接近0時，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時系統(tǒng)不再需要進(jìn)一步調(diào)整占空比來糾正誤差，那么實際PWM占空比與期望的占空比將基本一致。

注：在實際的控制過程中，對輸出電壓的調(diào)整是通過改變占空比來實現(xiàn)的，此過程中期望占空比并沒有直接參與調(diào)控過程，但系統(tǒng)在應(yīng)用時依然會進(jìn)行期望占空比的計算，其原因是在啟動時為系統(tǒng)提供了一個合理的初始值。

三、電壓環(huán)應(yīng)用

在新能源汽車的應(yīng)用中，通過電壓環(huán)可實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓的準(zhǔn)確控制，其主要應(yīng)用場景有：

1.電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)：在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，電壓環(huán)是最底層的控制環(huán)路，用于控制電機(jī)驅(qū)動電路的輸出電壓，從而間接控制電機(jī)繞組中的電流，進(jìn)而控制電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

2.BMS：在電池的充放電過程中，通過電壓環(huán)可以控制實際的充放電電壓，從而確保電池在安全的電壓范圍內(nèi)工作。

3.電源管理：在整車電源管理中，電壓環(huán)常被用于如AC-DC、DC-DC等電壓轉(zhuǎn)換類產(chǎn)品中，以用于控制電壓的輸出，從而確保電源供應(yīng)的穩(wěn)定可靠。

4.能量回收系統(tǒng)：在再生制動過程中，制動力可通過控制直軸電流Id來間接實現(xiàn)，直軸電流的控制可通過直軸電壓ud來實現(xiàn)。因此在此環(huán)境下，通過直軸電壓環(huán)去控制ud從而達(dá)到控制Id的目標(biāo)，進(jìn)而提高能量回收系統(tǒng)的性能。

四、提升電壓環(huán)抗干擾能力的常規(guī)方式

在電壓環(huán)中，為確保系統(tǒng)在面對各種外部干擾時仍能保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，除了在PID應(yīng)用中對參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)調(diào)整外，通過與自適應(yīng)控制算法的融合，可在系統(tǒng)運行過程中自主動態(tài)調(diào)整PID參數(shù)，從而提高系統(tǒng)對未知干擾的適應(yīng)能力。

同時，在對輸入信號的處理方面，為了避免傳感器噪聲影響控制效果，可通過濾波、平滑處理等方式去有效減少外部噪聲的影響。在信號輸出方面，為避免控制信號超出工作范圍，會對輸出結(jié)果進(jìn)行限幅處理，以防止因外部干擾導(dǎo)致的過度調(diào)整，進(jìn)而提高系統(tǒng)的魯棒性。除此之外，通過如故障注入測試等一些系列測試手段去識別系統(tǒng)潛在的問題并采取措施，以此來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

五、總結(jié)

電壓環(huán)控制是在新能源汽車車載系統(tǒng)中應(yīng)用的重要組成部分，通過其閉環(huán)控制機(jī)制，可確保相關(guān)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和精度。