电驱动系统功能解读：主动放电 v3.0

- 关于电驱动系统功能解读：主动放电 v3.0

- 「SysPro|动力系统功能解读」专栏内容，全文7800字

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• 1.1 什么是高压主动放电？
• 1.2 为什么需要高压主动放电？
• 1.3  高压主动放电的基本工作原理是什么呢？

• 2.1 电机主动放电

• 2.2 冗余主动放电

• 2.3 被动放电

• 2.4 小节

• 方案1：利用电机绕组放电
• 方案2：放电电阻放电
• 方案3：功率开关放电

• 4.1 电阻放电 vs. 功率开关放电

• 4.2 电机放电 vs. 功率开关放电

• 5.1 主动放电发生的场景
• 5.2执行主动放电的边界条件
• 5.3执行主动放电的触发条件
• 5.4主动放电优先级

备注：以上内容节选，完整内容在知识星球发布(点击文末"阅读原文")

主动放电基本概念综述

1.1 什么是高压主动放电？

高压主动放电是指在电动汽车高压系统断电后，通过专门的放电回路和控制策略，迅速将高压电容中的电能快速地（一般规定1~2s）释放至安全水平（高压降至60V以下）的过程。其核心目的：是防止因高压系统内部残余电压而导致的触电风险以及次生危害的产生，保障车辆维修、紧急救援等过程中的人员安全。这一功能在车辆关闭、紧急断开高压电池，或在维护、维修等需要安全操作的场景下尤为重要！

电动汽车的高压系统，如电池、电机控制器等，在工作时会产生高电压。这些高电压在车辆关闭或发生紧急情况时仍可能残留在系统中，对人员构成潜在威胁。如果没有有效的放电机制，残余电压可能引发触电事故，甚至导致火灾等严重后果。因此，高压主动放电功能成为电动汽车安全设计不可或缺的一部分。通过主动放电，可以迅速将系统电压降低到安全水平，从而避免这些风险。

考虑到人身安全，国内/外对于xEV的高压安全，在标准层面都提出了明确的要求。以下两图分别是ISO6469-Part4和GB/T 18488-2024中关于主动放电的描述。

图片来源：ISO6469-Part4

图片来源：GB/T18488-2024

图片来源：ST

只不过，如何进行控制？如何执行放电？如果有需要冗余放电，主路径、冗余路径彼此之间要如何协同？选择什么样的放电方式，效果更好、能效更高、成本更低？这些问题是设计人员重要点权衡与考虑的问题。作为动力系统的设计人员，需要熟悉每一种控制路径和放电路径，并清楚不同技术路径下，会带来哪些优势和劣势，综合评估，以选择符合各利益相关方的最佳方案。这些问题，我们会在后续的文章中会陆续讨论到。

电机主动放电、冗余主动放电、被动放电

2.1 电机主动放电

定义/工作原理

主要主动放电是一种通过电机，使用受控电流来主动降低电压的功能。在电动汽车中，这通常意味着利用电机控制器（MCU）来控制放电过程。当系统检测到需要放电时，MCU会发送信号给电机，通过特定的控制策略使电机绕组成为负载，从而消耗高压系统中的电能。

实现方式

主要放电路径是由QM扭矩控制功能负责实现，控制d/q电流的控制，将DC-Link能量泄放到电机绕组中，通过热量的形式实现电能的消耗和电压的降低。如下图所示为通用汽车关于主动放电专利的原理说明。

图片来源：通用汽车

应用场景

主要主动放电通常用于正常关闭车辆或进行维护时，确保高压系统内的电压迅速且安全地降低。它也可以用于在车辆发生故障时，如碰撞后，快速降低高压以减少触电风险。

2.2 冗余主动放电

冗余主动放电同样是一种主动功能，但它不依赖于电机，而是通过电力电子的专用组件，如放电电阻或专门的放电电路，使用受控电流来降低电压。这些组件通常被设计为在电机放电失效时提供备份，以确保系统的安全性。

冗余主动放电路径使用专门的放电电阻或放电单元，通过电力电子开关（如MOSFET）控制放电过程，在需要时提供额外的放电能力，确保即使主要放电路径失效，系统也能安全地放电。此外，硬件上需要设计放电电阻网络、开关控制电路及必要的保护电路。

如下图所示为一个由微处理器控制的主动放电系统，通过逻辑电路和驱动电路来驱动MOS管，从而控制母线电压和电流。

冗余主动放电主要用于提高系统的可靠性，特别是在电机放电电路径可能因故障而无法工作时，如碰撞事件。它也可以用于在车辆长时间停放后，确保高压系统内的电压已经降至安全水平。

2.3 被动放电

被动放电是一种不需要任何主动控制机制的放电路径。它通常依赖于系统中的被动组件，如电阻器或电感，这些组件会自然地消耗或分散电能，从而降低电压。被动放电的速度通常比主动放电慢，但它是一种始终存在的放电机制，不需要额外的控制或监控。

被动放电主要用于在车辆关闭且没有其他放电机制工作时，确保高压系统内的电压逐渐降低。它也可以作为主动放电路径失效时的最后一道防线。

2.4 小节

小节一下。通过02章节，我们了解到在电动汽车高压电气系统中，电机主动放电、冗余主动放电以及被动放电共同构成了完整的放电路径体系。其中主动放电，除了常用的电机放电外，还有多种方式可选，如电阻放电、晶闸管放电、功率开关放电（模块放电）等。

那么，以电机放电、电阻放电、功率开关放电为例，每种放电路径都有不同的放电特征、应用场景、优缺点，彼此协同、共同确保了系统的安全性和可靠性。

那么，要根据什么样的原则选用合适的放电方式呢？是不是一定要冗余主动放电？如果是，此彼此之间又要如何配合（控制策略），以完整覆盖所有应用场景、满足整车需求呢？这些问题我们在下面继续聊聊。

图片来源：ST

以下内容发表在「SysPro系统工程智库」知识星球

三种主动放电的进一步解读：

电机放电、电阻放电、功率开关放电

(知识星球发布)

以下内容发表在「SysPro电力电子技术」知识星球

(知识星球发布)

4.1 电阻放电 vs. 功率开关放电

直流链路在电力电子系统中用于存储和传输电能，当系统需要关闭或维护时，需安全释放其存储的电能。传统的DCLink放电采用大功率电阻放电，如下原理图所示，通常包含以下几个关键部分：...

近几年，比较先进的一种放电方式是采用功率开关进行放电，相较电阻放电...

4.2 电机放电 vs. 功率开关放电

到此为止，我们对电机放电、电阻放电、功率开关放电的基本特征、工作原理、应用场景和优缺点有了基本了解，那么，如何根据实际应用需求制定放电策略呢？下面我们继续聊聊。

以下内容发表在「SysPro电力电子技术」知识星球

05 从应用场景到控制策略的说明

(知识星球发布)

以下内容发表在「SysPro电力电子技术」知识星球

06 功能安全的考虑

(知识星球发布)

 ...

07 功率开关放电的实现方法

(4.0中发布)

 ...

到目前为止，关于主动放电的整体解读基本完成了80%。

我们通过几次解读，全面介绍了电动汽车高压系统中的主动放电技术，包括其基本概念、工作原理、不同类型放电（电机主动放电、冗余主动放电、被动放电）的特点及应用场景，以及三种主要主动放电方案（电机绕组放电、电阻放电、功率开关放电）的对比总结。

在后半部的解读中，我们总结了主动放电的发生场景、边界条件、触发条件和优先级，并讨论了功能安全方面的考虑。通过对比分析，可以看出不同放电方案各有优劣，实际应用中需根据具体需求和场景权衡选择，以确保车辆的安全性和可靠性。同时，为了满足更高的功能安全要求，整车通常会采用多种放电方案结合的方式来实现主动放电。

后续，我们会针对功率模块直通放电的实现方式进行深度解读，回答如何通过智能驱动IC实现功率开关的直通放电? 这个放电策略的实现有诸多问题要解决:

如何设置栅极电压，以通过功率半导体的线性区特征等作为负载，将电能转化为热能并耗散掉？如何实现这一栅极电压的选择？如何根据放电速率要求，选择合适的占空比？同时保证放电电流稳健，模块安全运行（过温、过压、过流）？这一部分我们后续再聊聊。

图片来源：ST

• 2024版GB/T18488解读 | 主动放电、被动放电(完整版)

• 比亚迪 | 电驱动系统及组件 | 专利-逆变器：主动放电/集成PFC