電動汽車高壓預充回路保護控制研究與仿真

肖林海，韓福強

（濰柴動力股份有限公司新科技研究院，山東 濰坊 261000）

1 引言

在電動汽車的高壓部件系統中，動力電池是一個重要的動力源系統，動力電池能夠在車輛行駛時提供電能，對車輛進行充電時儲備電能。在高壓上電過程中，需要通過動力電池和預充回路給車輛的其它具有容性負載部件進行預充電，從而保護高壓部件不受損壞。

圖1為典型的高壓上電預充回路。可見，預充回路一般由預充繼電器、預充電阻組成，當整車進入高壓上電流程時，閉合主負繼電器、預充繼電器與整車的有容性元件的負載 （整車容性負載）建立起高壓預充回路。在高壓上電利用動力電池電能對電容進行預充電時，閉合預充繼電器，通過預充電阻減小上高壓過程中的母線電流，從而保護高壓繼電器、電機控制器及其它高壓部件不受損壞。預充過程中，通過設定的預充時間和電機控制器兩端的母線電壓 （電容兩端電壓）來判斷預充是否完成，當達到預充設定時間并且電機控制器反饋的母線電壓達到設定值時高壓預充完成，如果達到規定的預充設定時間后電機控制器反饋的母線電壓沒有達到設定值，報出預充失敗。

圖1 高壓預充回路

2 系統分析

通過設定的預充時間和電機控制器母線電壓是否達到設定值來判斷預充是否完成，當外圍電路出現短路、斷路或其它電路異常時，預充過程到達設定的預充時間后會報出預充失敗，但預充故障的判斷時間長。為了成本控制和節約空間，預充電阻一般功率比較小，如果預充回路中出現短路現象，會對預充電阻造成損傷，長時間預充或頻繁操作上高壓會有燒壞預充電阻的可能。

圖1所示的高壓預充回路屬于典型的RC串聯有源網絡，根據預充回路的網絡拓撲結構和元件的伏安特性建立該電路的微分方程：

式中：u（t）——t時刻電容兩端電壓；U0（t）——電壓源（本文中為動力電池）的輸出電壓，為階躍函數；i（t）——回路中的電流。拉式變換后可以得到U（s）=U0（s）／（RCs+1），I（s）=（U0（s）-U0（s）／（RCs+1））／R。

由于整車高壓控制回路的預充電阻阻值、電容參數已確定，根據電容的充電特性 （圖2），當預充繼電器閉合開始預充時，可以根據公式算出t時刻的通過高壓預充回路的電流。同時，檢測控制模塊可以通過電流傳感器實時采集預充控制回路的電流值，此電流值與理論計算的同一時刻的電流值進行比較，如果兩者偏差在合理范圍之內，說明當前高壓預充回路無異常，容性負載預充正常，如果在預充過程中兩者偏差超出合理范圍，可判斷出高壓預充回路出現異常，并可根據差值變化進一步判斷出控制回路是處于短路、開路還是RC參數不匹配故障。可以盡快地切斷控制回路，保護電路中的電器件不受損壞，預充控制判斷流程如圖3所示。

圖2 電容充電曲線

圖3 預充控制判斷流程

3 模型建立與仿真

根據系統分析建立仿真模型 （圖4），設定理論參數R=100Ω，C=700μF，假設電路中實際參數存在誤差，R=110Ω，C=750μF，設定U=500V，仿真時間5s，實際電流值跟理論計算電流值允許的最大誤差為2A，在t=1s時閉合繼電器，仿真曲線如圖5所示，實際電流值基本與理論計算的電流值變化曲線重合。如果預充回路出現短路情況 （圖6），閉合繼電器開始預充后實際電流會持續為5A左右，能夠很快報出預充故障。

圖4 仿真模型

圖5 正常預充電流曲線

圖6 預充短路

4 結束語

電動汽車高壓上電預充過程中，可以根據隨時間變化電容充電的電壓變化曲線來判斷預充狀態，在預充回路閉合開始給高壓部件預充電時，根據實車的預充電阻值、電容值計算出在采樣時刻電容理論電壓值，并考慮一定的偏差，與采樣時刻讀到的實際的預充電壓值進行比較，可判斷預充回路中是否有故障，理論計算電流值和實際采樣電流值的偏差量大小是判斷出預充故障時間的重要標定量。