電驅動系統作為電動汽車的動力來源，當系統功能出現故障時，分析其危害和風險，確保電驅動系統進入安全工作狀態：主動短路工作狀態ASC、開路工作狀態OC或0-Torque控制狀態，是一項必要任務。

下面將從以下幾點來介紹高壓電驅系統安全保護策略：

• 什么是ASC；
• ASC狀態下電流隨轉速的變化趨勢；
• ASC狀態下電機制動力矩隨轉速的變化趨勢；
• 什么是****OC；
• 什么是0-torque控制；
• 安全保護策略： OC、ASC、0-torque的選擇機制

1. 主動短路工作狀態：ASC

主動短路又叫ASC（active shortcircuit），以電驅系統搭載三相IGBT功率模塊為例，通過關斷IGBT的上橋臂三個管，同時開通下橋臂三個管，如圖1所示；或者開通IGBT的上橋臂三個管，同時關斷下橋臂三個管，即為主動短路保護安全工作狀態。

圖1.下橋臂主動短路時IGBT的工作狀態

主動短路工作狀態時，電機定子繞組與下橋臂的IGBT形成閉環回路，電機產生的反電動勢能量通過定子繞組釋放出來，電機輸出端產生相應的制動力矩。以峰值為150kw的永磁同步電機為例，仿真ASC工作狀態下電流和電機制動力矩隨轉速的變化情況。

永磁同步電機的磁鏈方程如下：

當進入ASC工作狀態時，電機輸入d軸和q軸電壓為0，當達到穩態時，則得：

ASC工作狀態時，不同轉速下，穩態Id電流隨著轉速升高而急速升高，到達一定轉速后，電流基本不變，就等于特征電流，如圖2所示，僅供參考。具體值與電機的設計參數：磁鏈、電感、極對數、繞組電阻等相關。

圖2. ASC狀態下Id電流仿真曲線

ASC工作狀態時，不同轉速下，穩態Id電流隨在低速區隨著轉速升高而急速增大，后隨著轉速升高而急速減小，高速區趨于穩定，如圖3所示。

圖3. ASC狀態下Iq電流仿真曲線

ASC工作狀態時，不同轉速下，電機輸出扭矩在低速區隨著轉速升高而急速增大，后隨著轉速升高而急速減小，高速區趨于穩定，如圖4所示。

圖4. ASC狀態下電機制動力矩仿真曲線

主動短路ASC****時，電驅系統的特性：

• 低速區產生顯著的制動力矩；
• 反電動勢產生的持續電流可能會引起電機過熱；
• 電機過熱導致轉子磁鋼退磁風險；
• 電機過熱引起逆變器過熱，導致逆變器損壞；

2. 開路工作狀態：OC

開路保護工作狀態又叫OC（open circuit）或Freewheeling，以電驅系統搭載三相IGBT功率模塊為例，通過開通IGBT上橋臂和下橋臂所有的管，逆變器進入被動整流的狀態，即為開路保護，如圖5所示。

圖5.開路時IGBT的工作狀態

當電機運行在高轉速區，如果進入開路保護工作狀態，則電機產生的反電動勢高于母線電壓，經過續流二極管向高壓電池整流回饋，形成閉合回路，如圖5所示，此時電機端產生較大制動轉矩。同時，這種不可控的被動整流使得電機反電動勢對掛在直流母線上的器件，例如：母線電容、IGBT等，產生較大沖擊危害。

當電機運行在低轉速區，如果進入開路保護工作狀態，則電機產生的反電動勢低于母線電壓，無法經過續流二極管向高壓電池整流回饋，也就無法形成閉合回路，此時電機端空載運行。此時，電機反電動勢對掛在直流母線上的器件不會產生沖擊危害。

開路保護OC 時，電驅系統的特性 ：

• 高速區相電流流過續流二極管；
• 高速區高反電動勢給母線上器件帶來沖擊危害；
• 高速區電機輸出端產生非預期的大制動力矩；
• 低速區電機輸出端只存在軸承等摩擦力矩。

3. 0-torque控制工作狀態

0-torque控制顧名思義就是逆變器進入0Nm控制狀態，即電機輸出扭矩為0Nm。然而，0-torque控制工作狀態的前提條件是：高壓、低壓供電正常，電驅系統能執行0Nm輸出。

4. 安全保護策略：ASC、OC、0-torque的選擇機制

汽車功能安全標準ISO26262嚴格要求：電驅動系統以及整車其他系統（如：電池、DCDC、充電器、整車VCU等）出現故障時，電機控制器接受到故障，并做出及時響應，進入安全工作狀態，以便電驅動運行在適當的工作狀態，避免人員遭受傷害，同時，也盡可能免電驅系統再次破壞。電驅系統在安全工作狀態運行時，需規避以下事件的發生：

避免整車出現無目的扭矩和車速輸出造成人員傷亡；

避免過高的反電動勢或高電池包電壓輸出造成人員傷亡；

避免過高的反電動勢對掛在母線上各器件（如：IGBT、DC電容等）的損壞；

避免過高的溫度造成逆變器的損壞或轉子磁鋼退磁；

等等……..

通過分析電驅動系統安全工作狀態：ASC、OC的特性，可大致按下述機制來進入安全工作狀態，如圖6所示：

• 當母線電壓足夠大時，則考慮進入開路保護工作狀態OC；
• 當母線電壓不夠大，存在反電勢反超母線電壓現象時，則考慮在低速區進入開路保護工作狀態OC，高速區進入主動短路保護工作狀態ASC。因此，低速區采用OC避免采用ASC產生大的制動力給車輛運行造成大沖擊，而影響駕駛舒適性；高速區采用ASC避免采用OC產生大的反電動勢給母線上器件帶來沖擊危害。

圖6.安全工作狀態選擇機制一

考慮到主動短路工作狀態容易造成電機或逆變器過熱，可在高速區設計主動短路和0-torque控制相結合的方式來調節安全工作狀態，如圖7所示，當0-torque控制引入時，還需要考慮功能安全標準ISO26262的話，則整個安全工作狀態選擇機制的控制系統將需設計得更復雜：在故障發生時，不僅需要實時監控0-torque控制是否能正常執行，還需監控0-torque控制的路徑不會引起無目的地扭矩輸出，對于容錯時間間隔（FTTI）的控制也是個嚴峻的挑戰。

圖7.安全工作狀態選擇機制二

整車系統或電驅系統出現故障影響到駕駛安全性時，基于高壓功能安全考慮，整車系統會第一時間斷開高壓繼電器，禁止電池高壓輸出，避免故障發生時高壓電源還在輸出造成人員危險，此時也就無法執行0-Torque控制。

相對而言，OC和ASC的實現就更簡單、更快速。無論何種系統故障或硬件故障的發生，逆變器硬件層面都可通過器件或電路相互監控達到OC和ASC快速實現和切換。因此，為了追求簡單、高效，當前大部電驅系統開采用了如圖6所示的安全工作狀態選擇機制一，當然，少部分供應商采用ASC與0-torque控制相結合的方式，如圖7所示安全工作狀態選擇機制二。

基于系統架構、軟件架構以及硬件架構，觸發安全工作狀態，不同的故障，需要結合故障發生的時間、發生的位置以及功能安全等信息，來選擇軟件層面或硬件層面觸發對應的安全工作狀態。

5. 拖車保護應用

車輛發生故障或某些特殊情況時，需驅動輪著地被臨時拖車，當電動汽車驅動電機與傳動軸間沒有脫離裝置時，則電機將產生反電勢。此時，我們就需要考慮電動車在臨時被拖車時的安全工作狀態：

• 若將電驅系統進入OC模式，則存在反電動勢對電機控制器開關管、母線電容及其它器件形成安全威脅；
• 若將電驅系統進入ASC模式，則反電勢電能通過電機定子繞組釋放，有效起到保護用電器安全，但也存在低速拖車時制動力矩大、高速拖車時間長導致過熱的風險。

正所謂：兩害取其輕，故電動車在臨時被拖車時往往將電驅系統進入ASC模式。購買了新能源電動汽車的朋友會發現電動車使用說明書標注：不允許驅動輪著地拖車，如圖8所示，必要時，可允許短距離、短時間的情況下保持低車速（如5km/h）的牽引拖動，就是因為被拖車時電驅系統進入了ASC工作狀態。另外，有人可能會提出0-torque控制用于臨時拖車，但往往是車輛出現了故障才要求臨時拖車，正如前面提到:基于功能安全考慮，故障發生后母線電壓是斷開的，導致無法實現0-torque控制。

特殊情況下，如電池電量低，找不到備用電，需要臨時拖車搶援，可實現驅動輪著地牽引電動車，具體操作如下：被牽引電動車輛必須掛入D擋，并踩壓油門踏板保持一定的行程。這樣的操作是模擬被牽引車輛的電驅系統進入發電模式的運行工況，前提是車輛動力/控制系統能正常工作，牽引速度可達到較高車速，如45千米每小時，被牽引的車輛相當于在充電。