電動汽車高壓預(yù)充電系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算及分析

陳善球 方瑞蓮 李鵬鵬 謝相飛

【摘? 要】通過對電動汽車高壓預(yù)充電系統(tǒng)功能、工作過程進(jìn)行分析，建立高壓預(yù)充電系統(tǒng)的電路模型及數(shù)學(xué)模型，基于Matlab軟件分析容性負(fù)載端電壓及系統(tǒng)充電電流隨充電時(shí)間的變化規(guī)律，為電動汽車高壓預(yù)充電系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算及方案選擇提供參考。

【Abstract】Through the analysis of the function and work process of electric vehicle high voltage precharging system， this paper establishes the circuit model and mathematical model of the high voltage precharging system. Based on Matlab software， this paper analyzes the variation rule of capacitive load terminal voltage and system charging current with charging time， which provides reference for parameter matching calculation and scheme selection of electric vehicle high voltage precharging system.

【關(guān)鍵詞】高壓預(yù)充電系統(tǒng);模型;匹配計(jì)算

1 引言

高壓驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的核心系統(tǒng)，包含高壓動力電池組、電機(jī)控制器及驅(qū)動電機(jī)，其能量傳輸路徑為高壓動力電池組輸出電能，經(jīng)過電機(jī)控制器，到達(dá)驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動汽車行駛[1]。同時(shí)，電池管理系統(tǒng)BMS和電機(jī)控制器分別對高壓動力電池進(jìn)行管理，其系統(tǒng)方框圖如圖1所示。但電機(jī)控制器的前端有較多容性負(fù)載電容元件，在電動汽車?yán)鋯訝顟B(tài)，電容元件無電壓或殘留的電壓較低，當(dāng)高壓蓄電池直接接通電機(jī)控制器時(shí)，接通瞬間相當(dāng)于系統(tǒng)短路，瞬間沖擊電流將損害系統(tǒng)中的電氣元件，具體沖擊電流估算電路模型如圖2所示。由導(dǎo)線、繼電器觸點(diǎn)組成的負(fù)載電阻R通常小于0.02Ω，按R=0.02Ω算，假設(shè)動力電池電壓UB=200V（本文后續(xù)計(jì)算用到的動力電池電壓以此值為例），電容元件無殘留電荷，動力電池與電容元件的電壓差為200V，則回路沖擊電流為：Ipeak=1000V，如此高的瞬間沖擊電流直接損害繼電器等元器件。

為避免整車的高壓元件在接通高壓電瞬間受到?jīng)_擊而損害，需在高壓動力電池輸出線路中設(shè)置高壓預(yù)充電回路，其主要作用是在動力電池組的高壓電接通電動汽車高壓部件前，先給系統(tǒng)中的容性負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電，使高壓元器件在接通高壓瞬間的電流控制在安全范圍內(nèi)，以保護(hù)整車電氣元件的電路安全[2]。

2 建立系統(tǒng)電路模型

電動汽車高壓預(yù)充電系統(tǒng)包含高壓動力蓄電池、預(yù)充電繼電器、預(yù)充電電阻、容性負(fù)載等，其系統(tǒng)電路模型如圖3所示，容性負(fù)載用等效電容C和電阻RC表示。在電動汽車發(fā)出啟動信號時(shí)，總負(fù)繼電器KB2和預(yù)充電繼電器KP接通，高壓動力電池通過預(yù)充電電阻RC給電容C充電，電容C 的電壓UC隨著充電的進(jìn)行越來越高，充電電流IP越來越小，當(dāng)電容電壓到達(dá)動力電池電壓UB的90%時(shí)，斷開預(yù)充電繼電器KP，完成預(yù)充電過程，接通總正繼電器KB1，此時(shí)，動力電池與電容間的電壓差較小，充電電流IP也較小，假設(shè)預(yù)充電電阻RP=100Ω，則初始最大充電電流Ip=2A，因此，加入預(yù)充電回路后，避免了對系統(tǒng)帶來大電流沖擊的危險(xiǎn)。

3 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

前面已知?jiǎng)恿﹄姵仉妷篣B=200V，預(yù)充電電阻RP=100Ω，假設(shè)等效電容C=1000μF，以此輸入?yún)?shù)為例，分析在高壓預(yù)充電過程中等效電容C兩端電壓及充電電流IP隨時(shí)間的變化規(guī)律，預(yù)充電時(shí)間完成時(shí)間的影響要素及影響程度。

高壓預(yù)充回路開始工作前，等效電容C的初始電壓值UC（0-）=0V時(shí)，在t=0時(shí)，預(yù)充電繼電器閉合，動力電池的高壓直流電通過預(yù)充電電阻RP對電容C充電，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得：

4 匹配計(jì)算分析與調(diào)試

4.1 容性負(fù)載無初始存儲時(shí)的電壓與電流隨時(shí)間的變化規(guī)律

依據(jù)式（10）在Matlab軟件中基于plot功能繪制高壓預(yù)充電系統(tǒng)等效電容電壓UC隨充電時(shí)間的變化曲線如圖4所示，從曲線中可知，該預(yù)充電系統(tǒng)需要4.6s的時(shí)間使電容電壓達(dá)到動力電池電壓的90%。

依據(jù)式（11）在Matlab軟件中基于plot功能繪制高壓預(yù)充電系統(tǒng)充電電流IP隨充電時(shí)間的變化曲線如圖5所示，從曲線中可知，4s內(nèi)充電電流從2A快速下降，4s后下降速度減緩，直到第10s降為0A，該預(yù)充電系統(tǒng)最大充電電流為2A，充電電流不會給系統(tǒng)帶來元器件的沖擊風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 容性負(fù)載有初始存儲時(shí)的電壓與電流隨時(shí)間的變化規(guī)律

根據(jù)式（13）繪制容性負(fù)載有初始?xì)埩綦妷簳r(shí)的電容端電壓隨充電時(shí)間的變化規(guī)律曲線，如圖6所示，對比零初始狀態(tài)的電容電壓隨時(shí)間變化的曲線可知，變化規(guī)律相同，區(qū)別是有能量殘留的曲線在充電時(shí)間為零時(shí)，電容電壓存在;根據(jù)式（14）可得容性負(fù)載有初始存儲時(shí)的充電電流隨充電時(shí)間的變化規(guī)律，如圖7所示，從曲線可分析得出結(jié)論，當(dāng)電容存在電荷殘留時(shí)，接通預(yù)充電繼電器觸點(diǎn)，開始充電瞬間的充電電流比無電荷殘留的狀態(tài)對應(yīng)的電流低，且殘留電荷越多，動力電池與容性負(fù)載的電壓差越大，初始充電電流越小[3]。

令τ=RpC為時(shí)間常數(shù)，假設(shè)容性負(fù)載端電壓達(dá)到UC=180V時(shí)預(yù)充電結(jié)束，將式（13）變?yōu)槌潆姇r(shí)間與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系式：? τ=■? ? （15）

繪制時(shí)間常數(shù)τ與充電時(shí)間的關(guān)系曲線如圖8所示，充電時(shí)間與時(shí)間常數(shù)成反比，若時(shí)間常數(shù)越大，即預(yù)充電電阻與容性負(fù)載的電容值的乘積越大，電容電壓隨時(shí)間衰減得越慢，預(yù)充電進(jìn)程則越長;若時(shí)間常數(shù)越小，即預(yù)充電電阻與容性負(fù)載的電容值的乘積越小，電容電壓隨時(shí)間衰減得越慢，預(yù)充電進(jìn)程則越短暫。

通常要求電容端電壓與動力電池端電壓的電壓差小于10%倍的電池電壓值，即UC≥90UB，預(yù)充電方可結(jié)束，預(yù)充電時(shí)間通常要求不大于1s（即1000ms）。對于本文中的案例，根據(jù)圖8曲線，若預(yù)充電完成時(shí)間1000ms計(jì)算，時(shí)間常數(shù)應(yīng)為0.435，即在容性負(fù)載電容值不變的情況下，預(yù)充電電阻的阻值應(yīng)為43.5Ω，可選擇阻值為50Ω的預(yù)充電電阻。

5 結(jié)語

預(yù)充電電路是電動汽車高壓電路的安全保障系統(tǒng)之一，預(yù)充電電阻阻值與容性負(fù)載電容值匹配是保障安全充電電流及適當(dāng)充電時(shí)間的關(guān)鍵要素[4]。因此，做好高壓預(yù)充電系統(tǒng)的參數(shù)匹配計(jì)算和分析是保證高壓電路回路電氣元件安全的重要措施。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王芳，夏軍.電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2018.

【2】吉培榮.電工學(xué)[M].北京：中國電力出版社，2012.

【3】周泉，儲愛華，張彤.高壓動力電池預(yù)充電參數(shù)匹配與應(yīng)用[J].電池工業(yè)，2018，22（04）：212-215.

【4】申彩英，孟瑞，李興全，等.純電動汽車高壓預(yù)充電研究[J].現(xiàn)代車用動力，2016（03）：16-17+27.