基于MATLAB的電動汽車預充電路仿真

姜點雙，趙久志，王曉鵬

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于MATLAB的電動汽車預充電路仿真

姜點雙，趙久志，王曉鵬

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在純電動轎車產品設計過程中，電氣系統設計直接影響整個車輛的安全性，合理的預充電路對車輛的可靠行駛至關重要。通過使用MATLAB軟件中的電氣控制模塊，對預充電回路在工作過程進行仿真模擬，并對過程中的電流、電壓、能量進行計算，為元器件規格的選擇提供指導。

預充電路；MATLAB；仿真；安全

CLC NO.: U469.72+2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-07-03

前言

隨著化石能源不斷消耗和環境污染的不斷加劇，節能、環保成為各國政府關注的焦點，隨著新能源汽車的不斷發展，新能源汽車尤其是純電動汽車越來越受到社會各界的廣泛關注。電池技術的不斷突破，使得發展純電動汽車成為新能源汽車的一個重要戰略。

動力電池作為電動汽車的第二動力艙，不僅決定車輛的動力性、續航里程，同時是純電動汽車的唯一能量來源，動力電池能否正常運行直接決定了車輛是否可以可靠運行。且在車輛調試過程中甚至是在車輛使用過程中，偶爾出現由于預充回路設計不合理導致預充電阻炸裂的情況。本文基于MATLAB仿真軟件針對純電動汽車預充回路的上電過程進行模擬分析，并與實際車輛數據進行對比分析，已確定仿真分析的實際指導意義。

1、預充回路工作原理

預充的主要作用在于通過在回路中串電阻的方式對電容性負載進行充電，避免通過開關直接閉合回路對容性負載進行充電。具體的預充電路工作過程，如下圖所示：

圖1 狀態1

狀態1：所有接觸器處于斷開狀態。如上圖1所示，所有接觸器均處于斷開狀態，動力電池對外沒有能量輸出。

狀態2：負極接觸器閉合。閉合負極接觸器，為下一步預充接觸器閉合做準備。

圖2 負極接觸器閉合

狀態3：預充接觸器閉合。預充接觸器閉合后，高壓回路形成，動力電池為電機控制器中電容充電，由于回路中有預充電阻，在預充接觸器閉合時，不會出現較大的瞬間電流。

圖3 預充接觸器閉合

狀態4：正極接觸器閉合。當電機控制器電容電壓被充電至動力電池電壓的95%以上時，正極接觸器閉合，由于此時在正極接觸器觸點前后的壓降已經為動力電池電壓的5%以下，在閉合接觸器時不會產生較大的電流，從而保證正極接觸器的使用壽命。

圖4 正極接觸器閉合

狀態5：預充接觸器斷開。正極接觸器閉合以后，預充電回路的作用完成，此時斷開預充接觸器，整個高壓回路則通過正極接觸器和負極接觸器接通，整車高壓系統可以正常工作。

圖5 預充接觸器斷開

通過使用串聯預充電阻的預充回路可以大大降低主正接觸器閉合時產生的瞬間大電流，減少瞬間大電流對接觸器觸點的影響，保證接觸器的使用壽命。

3、基于MATLAB的電氣系統仿真

3.1 MATLAB電氣系統仿真介紹

MATLAB軟件包下Simulink可以仿真線性或者非線性系統，并能構造連續或離散時間的系統。它具有良好的用戶界面，只需要從模塊庫中調用相應的模塊進行搭建，然后修改其參數就可以完成建模。Simulink 庫瀏覽器中包括：信號源模塊組(sources)、輸出池模塊組 (sinks)、連續模塊組(continuous)、離散模塊組(discrete)、數學運算模塊組(math )、非線性模塊組(nonlinear) 等，以及神經網絡、模糊控制、電力系統等模塊。其中，電力系統模塊 (power system blockset)包括：連接部分(connectors)，其中包括各種地及接地線型；電源(electrical sources)，其中包括交、直流電源元件(elements)，其中包括RC濾波線路、R LC負載和變壓器等；擴展庫(extra library )，其中包括直流電機、控制模塊、離散測量、離散控制模等。測量、三相庫；電機(machines )；測量(measurement)，其中包括電流、電壓互感器等；電力電子(power electronics)，其中包括二極管、晶閘管、IGBT和通用橋等。本文主要使用powerlib中的電源模塊（electrical sources）、元器件模塊(elements)、測量模塊(measurement)以及Simulink中的示波器（scope）、增益(gain)等等。

3.2 預充電回路的仿真分析平臺搭建

根據預充電路的工作原理，搭建預充電回路的電氣仿真模型，通過對比有無預充電回路對回路中電流的影響。搭建如下題6的仿真模型，其中包括直流電源（DC Voltage Source）、電阻(Series RLC Branch)、電流檢測模塊（Current measurement）、電壓檢測模塊（Voltage measurement）、電容(Series RLC Branch1)、示波器(scope)。基于安徽江淮汽車某一款電動汽車電池應用情況需要對各模塊做如下設定：電池模塊設定電壓值為330V，電阻設置根據需要進行設置為20 Ω或者0.01Ω，電容設置為500μF、初始電壓為0V，示波器設置為2路通道，且顯示時間為1S。

圖6 預充回路仿真模型

當電阻設置為0.01Ω時，即模擬回路中沒有預充電阻，僅有回路中的內阻，運行該模型，得到的電壓電流曲線如下圖7所示，在示波器中顯示的電流值大概在3.3*104左右，這個值遠遠大于接觸器能夠承受的瞬間電流，必定會對接觸器造成損傷，導致接觸器粘連或者其他損壞。

圖7 無預充電阻的電壓電流曲線

當電阻設置為20Ω時，即模擬回路中預充電阻，通過預充電阻將回路中電流降下來，得到的電壓電流曲線如下圖8所示，在示波器中顯示的電流值大概在16A左右，這個電流值對于接觸器而言，是能夠承受的。在0.05S時，電容充電已經基本完成。

圖8 有預充電阻下的上電過程

4、結束語

本文對一種電池組電氣仿真分析，得出結論如下：當高壓回路中包含有電容器件時，電容充電電路中如果含有預充電回路，則回路中的電流可以有效減低，減少接觸器由于瞬間大電流造成的損壞，保證回路中接觸器的安全可靠運行。

通過MATLAB仿真軟件對預充電回路的工作情況進行仿真，識別電氣系統匹配關系，為車輛的電氣方案設計提供仿真依據，通過對軟件的不斷深入學習，逐步將其升級為電氣系統設計的研發工具。

[1] Stormy Attaway. MATLAB編程與工程應用【M】北京.電子工業出版社,2013.

[2] 楊浩維.基于 MATLAB／SimuIink 的多饋入直流系統仿真研究.廣東電力,2006（32）.

Simulation of electric car pre-charge circuitry based on MATLAB

Jiang Dianshuang, Zhao Jiuzhi, Wang Xiaopeng
( Anhui jianghuai automobile Co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

In the process of product design of electric car, electrical system design has a direct impact on the safety of the whole vehicle. Reliable pre-charge circuitry play a crucial role for the vehicle reliable driving. By using electrical control module in the MATLAB software, simulation the working process of pre-charge circuitry, and calculate the current, voltage, energy; to provide guidance for the selection of component specifications.

Pre-charge circuitry; MATLAB; Simulation; Security

U469.72+2

：A

：：1671-7988 (2017)07-07-03

姜點雙（1987-），男，就職于安徽江淮集團股份有限公司技術中心，從事電動汽車電池高低壓電氣設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.004