新能源汽车控制系统中的电压环

一、概述

在新能源汽车中，对车载系统的控制通常会涉及多个控制环路，如速度环、电流环、扭矩环和电压环等等，这些环路共同作用于整个动力系统，以实现对电机以及其他相关组件系统的有效控制。

在这类系统中，每个环路负责不同的控制任务，并存在着从属关系，从而形成一种多层次控制结构。如在电机控制中，电压环可根据由上层电流环的输出值，直接控制电机驱动电路的输出电压，从而达成与电机的交互，此控制环路在整个系统中最接近硬件，是与电机物理交互的第一级，而如电流环、速度环等控制环路，都是通过输出目标值去间接改变电压环的输出结果从而来间接控制电机运行的行为。基于此控制流向，电压环通常被认为是可直接与电源管理和电机驱动相关联的、位于控制层次结构最底层的一个控制环路。将环路具象如下：

图1 不同环路关系

二、电压环的工作原理

在对电机的控制中，电压环的主要功能是通过调整驱动电路的输出电压来控制电机绕组中的电流，再通过电流的改变来控制转速与扭矩的输出结果。在这个过程中，首先电压环从上一层级接收目标电压指令，并将该目标电压与从驱动电路中的电压传感器检测到的实际输出电压进行比较，以计算两者之间的误差。基于此误差信号，通过如PID算法、模糊控制等控制模型计算出合适的控制信号，再根据计算出的控制信号生成PWM①信号，从而控制驱动电路中的功率开关器件（如IGBT、MOSFET）的导通和关断时间比例，实现对输出电压的调节功能，进而控制电机电流。

图2 电压环工作原理

①PWM信号的生成用于控制开关元件的导通和关断时间比例，其中其频率决定了信号的周期长度，较高的PWM频率可提供更平滑的电压控制，但会增加开关损耗。当系统启动时，控制器需要一个初始占空比来开始控制过程，此初始占空比可由“期望占空比”得到，以为控制过程提供一个合理的起点。其计算公式可如下表示：

PWM期望占空比=（V目标/V最大）*100%

其中，V目标是从上层环路传来的指令电压，V最大是驱动电路能够输出的最大电压（注意此处不是实际输出电压）。

示例：若一个电机驱动电路的最大输出电压为12V，上层环路给出的目标电压指令为9V，此时系统需求的占空比应是75%。但在电压环接收到该电压指令时，其初始的输出电压可能不足或过高，此时通过实际电压与目标电压的误差信号（ev（t）=V实际-V目标），控制模型将输出相应的控制信号，该控制信号会生成新的占空比（该新的占空比与期望占空比不一定相同）。

如，当在接收到目标电压指令时，电机驱动电路的输出电压为6V，那么此时的实际占空比为50%，而为了快速让实际电压接近目标电压，此时基于电压误差信号，控制模型将输出新的占空比（如80%），以快速调整实际输出电压，而随着新占空比的实施，电机驱动电路的输出电压将快速接近目标电压，在误差信号极度接近0时，系统达到稳态，此时系统不再需要进一步调整占空比来纠正误差，那么实际PWM占空比与期望的占空比将基本一致。

注：在实际的控制过程中，对输出电压的调整是通过改变占空比来实现的，此过程中期望占空比并没有直接参与调控过程，但系统在应用时依然会进行期望占空比的计算，其原因是在启动时为系统提供了一个合理的初始值。

三、电压环应用

在新能源汽车的应用中，通过电压环可实现对系统电压的准确控制，其主要应用场景有：

1.电机驱动系统：在电机驱动系统中，电压环是最底层的控制环路，用于控制电机驱动电路的输出电压，从而间接控制电机绕组中的电流，进而控制电机产生的转矩。

2.BMS：在电池的充放电过程中，通过电压环可以控制实际的充放电电压，从而确保电池在安全的电压范围内工作。

3.电源管理：在整车电源管理中，电压环常被用于如AC-DC、DC-DC等电压转换类产品中，以用于控制电压的输出，从而确保电源供应的稳定可靠。

4.能量回收系统：在再生制动过程中，制动力可通过控制直轴电流Id来间接实现，直轴电流的控制可通过直轴电压ud来实现。因此在此环境下，通过直轴电压环去控制ud从而达到控制Id的目标，进而提高能量回收系统的性能。

四、提升电压环抗干扰能力的常规方式

在电压环中，为确保系统在面对各种外部干扰时仍能保持稳定运行状态，除了在PID应用中对参数进行仔细调整外，通过与自适应控制算法的融合，可在系统运行过程中自主动态调整PID参数，从而提高系统对未知干扰的适应能力。

同时，在对输入信号的处理方面，为了避免传感器噪声影响控制效果，可通过滤波、平滑处理等方式去有效减少外部噪声的影响。在信号输出方面，为避免控制信号超出工作范围，会对输出结果进行限幅处理，以防止因外部干扰导致的过度调整，进而提高系统的鲁棒性。除此之外，通过如故障注入测试等一些系列测试手段去识别系统潜在的问题并采取措施，以此来确保系统的稳定性与可靠性。

五、总结

电压环控制是在新能源汽车车载系统中应用的重要组成部分，通过其闭环控制机制，可确保相关系统运行的稳定性和精度。