電動汽車充電系統電弧故障的建模與仿真

杜新宇，楊 凱*,，汪建波，孟 輝，董毓利，林清懷

電動汽車充電系統電弧故障的建模與仿真

杜新宇1，楊 凱*1,2，汪建波1，孟 輝2，董毓利3，林清懷2

（1.華僑大學 機電裝備過程監測及系統優化福建省高校重點實驗室，福建 廈門 361021；2.廈門產業技術研究院，福建 廈門 361001；3.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門 361021）

動力電池組在充電過程中由于高壓線路連接松動、繼電器吸合不穩、線路絕緣老化破損等常常引發電弧故障，對線路的安全性造成極大威脅。目前電動汽車充電系統不能有效檢測充電過程中的電弧故障，為研究充電電弧故障，論文建立電動汽車充電系統電弧故障模型。模型包括車載充電機電路模型、電弧故障模型以及動力電池組模型。以三相脈沖寬度調制（PWM）整流電路和移相全橋變換電路模擬車載充電機，以Cassie電弧模型作為直流串聯電弧故障模型，以MATLAB工具箱中的battery模型模擬動力電池組。經過計算機仿真，得到發生電弧故障時，不同電池荷電狀態下動力電池組端電壓、電弧兩端電壓及回路電流的變化規律，為電動汽車充電回路電弧故障識別提供理論依據。

電動汽車；充電系統；電弧故障；模型與仿真

隨著電動汽車保有量的增加，充電導致的火災數量也越來越多。電動汽車傳導充電過程中，充電線路溫度過高、電池內部出現短路電弧故障等，引發電動汽車充電自燃以及爆炸事故，極大地威脅駕乘人員及路人的安全。因此，充電安全已經成為電動汽車產業推廣進程中的重要問題[1-4]。

國內外的學者針對電動汽車充電過程安全問題，制定了絕緣、漏電、過熱等安全保護標準，并作了大量的相關研究。電動汽車具有高壓線路和低壓線路，整體電路較為復雜，隨著汽車長期使用，線路絕緣老化、連接松動等往往會產生直流電弧故障。文獻[5-7]分別針對電動汽車電弧故障提出基于反向傳播（Back Propagation, BP）神經網絡算法、小波熵算法以及采用高速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）數字濾波器對電流進行頻譜分析的方法對汽車直流電弧故障進行檢測。

以上文獻針對電動汽車直流電弧故障檢測問題進行研究，但是都側重于電動汽車上高、低壓用電設備的電弧故障。動力電池組在充電過程中由于高壓線路連接松動、繼電器吸合不穩、線路絕緣老化破損等所引發的電弧故障，對線路的安全性造成極大威脅。因此，本文針對電動汽車動力電池組充電電弧故障進行研究，對整體充電回路進行建模，并在此基礎上加入電弧故障模型，基于MATLAB/Simulink軟件對模型進行仿真，得到電動汽車動力電池組充電過程中出現電弧故障時，回路電參數的變化規律，為電動汽車高壓充電回路電弧故障的判別提供依據，對于充電電弧故障的理論研究具有良好的學術價值。

1 充電樁電路拓撲結構

充電樁電路整體拓撲結構包括電網及車載充電機，車載充電機電路包含濾波電路、雙向交流直流（Alternating Current-Direct Current, AC-DC）變換電路和雙向直流（Direct Current-Direct Current, DC-DC）變換電路[8]。目前主要研究和應用的是三相橋式整流電路加高頻DC-DC功率變換裝置構成的電動汽車車載充電機[9-10]。

1.1 三相PWM整流電路拓撲

雙向AC-DC變換電路模塊采用電壓型脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器（Voltage Source Rectifier, VSR）。如圖1所示為三相半橋VSR拓撲結構，其交流側采用三相對稱的無中線連接方式，并采用六個功率開關管，構成三相PWM整流器[11]。

圖1 三相半橋VSR拓撲結構

1.2 移相全橋變換器電路拓撲

全橋型雙向DC-DC變換器具有PWM控制和諧振開關的特點，實現了零電壓開關，能夠減小開關損耗，提高系統的穩定性[12]。本文選擇移相全橋型雙向DC-DC變換器作為電動汽車充電回路模型中的DC-DC變換器模塊。如圖2所示為移相全橋DC-DC變換器拓撲結構。

圖2 移相全橋DC-DC變換器拓撲結構

將三相PWM整流器輸出的直流母線電壓與移相全橋DC-DC變換器的輸入端連接，得到充電樁整體拓撲結構。

2 充電樁電路控制策略

2.1 三相電壓型PWM整流器的控制

三相PWM整流電路采用瞬時無功功率的解耦整流控制策略，調制方式采用空間矢量PWM調制。

瞬時無功功率的解耦整流控制策略的步驟：

1）坐標變換。將三相電流變換為兩相旋轉坐標系下的直流量，規定軸方向為電動勢方向，控制整流器工作于整流模式，功率因數為1。

2）電流內環控制設計。三相VSR的軸電流分量ii相互耦合，引入前饋解耦控制，采用比例-積分（Proportion Integration, PI）調節電流環。中頻寬的取值為5，選擇按照典型II型系統設計電流內環調節器，最終得到電流內環的PI控制參數公式為

式中，iP為電流環比例調節增益，iL為電流環積分調節增益，S=為電路開關管的開關周期，PWM為三相VSR的等效增益。

3）電壓外環控制設計。電壓環作為電流環的外環，穩定三相VSR直流輸出電壓。選擇典型II型系統設計PI調節器，采用典型II型系統設計系統控制器，令頻寬v=5，可得電壓環的PI調節參數為[13]

式中，vP為電壓環比例調節增益，vI為電壓環積分調節增益。

2.2 雙向DC-DC變換器的控制

在充電模式中，DC-DC變換器的后級功率開關管無需驅動信號，僅需要反并聯的二極管實現全橋整流即可。

移相全橋DC-DC變換器采用移相控制方式。斜對角的功率開關管同時導通和關斷，先導通的功率開關管稱為超前橋臂，后導通的功率開關管稱為滯后橋臂，超前橋臂和滯后橋臂導通時間上相差的相位角稱為移相角，調節移相角的大小即可調節輸出電壓的脈寬，達到調節輸出電壓的目的。移相全橋變換器采用恒壓閉環控制策略，控制器為比例積分控制[14]。

3 電弧故障仿真模塊

Mayr模型和Cassie模型作為典型的黑盒模型，描述了電弧的外部特性。Mayr模型能夠表示高電阻情況下的電弧特性并且只能用于小電流時開斷，而Cassie模型對低電阻大電流的情況更為適合且準確性較高。由于電動汽車動力電池組內阻較小，充電時的額定電流較大，故本文選取Cassie模型作為電動汽車充電回路的電弧故障仿真模型。

使用Simulink中的元件建立Cassie電弧仿真模型，主要組成部分有微分方程編輯器、電壓控制電流源、定制檢測以及階躍信號等。Cassie電弧模型的微分方程式為

式中，為電弧電導；為瞬時電弧電壓；c為電弧電壓常數；為電弧時間常數。

4 模型仿真

4.1 仿真參數選取及模型建立

使用MATLAB/Simulink軟件建立電路模型，選用battery電池模塊作為電動汽車動力鋰離子電池模型，仿真模型結構圖如圖3所示。

4.2 仿真結果與分析

對建立好的模型進行仿真，三相交流電經過三相PWM整流電路AC-DC轉換后，輸出穩定的直流母線電壓。三相VSR輸入功率因數趨近于1，網側電壓電流同相位，三相VSR工作于整流狀態。

直流母線電壓作為移相全橋變換器的輸入電壓，經過DC-DC變換后輸出電壓為402 V的可供電動汽車鋰離子電池組充電的直流電，移相全橋變換器輸出電壓波形如圖4所示。設置電池模塊類型為鋰離子，電池額定容量為153 Ah，荷電狀態（State Of Charge, SOC）為90 %。圖5為電池SOC曲線，正常充電時鋰離子電池SOC線性增大。

圖3 仿真模型結構圖

圖4 輸出電壓波形圖

圖5 電池電荷狀態SOC

在充電樁與動力鋰離子電池的充電回路中，串聯電弧故障模型。通過查閱相關文獻、產品參數以及實際實驗數據的計算，設置Cassie電弧模型的時間常數=1.368×10-4s，電壓常數c=3 000 V，電弧電導=1×104，觸頭分斷時間為0.7 s。設置battery模塊的SOC值從10%～90%分別進行仿真，在同一坐標系中繪制電池電流、電池電壓、電弧兩端電壓的曲線，如圖6—圖9所示。

圖6 不同SOC電池充電電流曲線

仿真模型在觸頭分斷前，充電樁電路模型對鋰離子電池模塊正常充電，在0.7 s時刻，電弧模型的觸頭開始分斷，線路發生電弧故障。由圖6可知，在0.7 s發生電弧故障后，經過2.4×10-3s，電流變為0 A。在不同SOC下對鋰電池模型充電時，SOC越大，充電電流絕對值越小。發生電弧故障時，不同SOC下電池充電電流變為零的速率不同，SOC越小時，速率越大。

圖7 不同SOC電池充電電壓曲線

圖8 SOC50%～SOC90%電池充電電壓曲線

圖9 不同SOC電弧兩端電壓曲線

由圖7可知，發生電弧故障前，電池電壓上升曲線為battery模型的充電曲線，發生電弧故障后，電池電壓數值減小至指數區默認設定的電壓值，減小曲線為鋰離子電池放電曲線。由于SOC不同時，電池充電電壓相差較大，在同一坐標系下繪圖所得特征不容易觀測，因此，將SOC= 50%～90%時電池充電電壓曲線繪制在同一坐標系中，如圖8所示。根據圖像斜率計算，在不同SOC下，電池電壓的下降速率不同，SOC越大，電池電壓下降速率越大。

如圖9所示，在0.7 s發生電弧故障后，延遲2 ms后，電弧兩端電壓從零開始上升，隨后電弧兩端電壓趨向于充電樁回路輸出電壓與鋰電池額定電壓之間的壓差值。不同SOC下，其壓差值不同。

5 結論

本文建立三相PWM整流電路和移相全橋DC-DC變換電路的車載充電機模型對動力電池組模型充電，采用Cassie電弧模型對充電過程中高壓直流線路的電弧進行仿真，仿真結果表明：

1）本文所建立的充電樁電路模型能夠在理想情況下實現對鋰電池模塊充電，充電控制策略邏輯得以驗證；

2）以Cassie電弧模型作為充電回路高壓直流電弧故障仿真模型，能夠表征高電壓動力鋰離子電池組充電回路產生電弧的電壓電流特性；

3）在不同SOC下發生電弧故障時，所得到的電壓電流特征不同。SOC越小，發生電弧故障時電流的變化率越大，電池組端電壓的變化率越小。

電動汽車充電回路的電弧故障仿真研究，能夠得到電弧故障電壓電流規律，對于識別電動汽車充電電弧故障、防范電動汽車火災的發生以及保障駕乘人員和路人的安全具有重要意義。仿真結果提供多種SOC下的結果，節約了實驗成本，對于電動汽車充電回路電弧故障的識別研究提供理論依據。

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Modeling and Simulation of Arc Fault in the Charging System of Electric Vehicles

DU Xinyu1, YANG Kai*1,2, WANG Jianbo1, MENG Hui2, DONG Yuli3, LIN Qinghuai2

( 1.Key Laboratory of Mechanical and Electrical Equipment Process Monitoring and System Optimization,Huaqiao University, Xiamen 361021, China; 2.Xiamen Industrial Technology Research Institute,Xiamen 361001, China; 3.College of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China )

Due to the loose connection of high-voltage line, unstable suction of relay, aging damage of line insulation and other reasons, arc fault is often caused, which poses a great threat to the safety of the circuit.The current electric vehicle charging system can not effectively detects the arc fault in the charging process. This paper establishes an arc fault model of charging system.The model includes vehicle charging circuit model, arc fault model and pack model.The three phase pulse width modulation (PWM)rectifier circuit and phase shift full bridge transform circuit are used to simulate the vehicle-mounted charger, the Cassie arc model is used as the direct current series arc fault model, and the battery model in MATLAB toolbox is used to simulate the battery. Through computer simulation, the changes of terminal voltage of power battery pack, voltage at both ends of arc and circuit current under different state of charge are obtained, which provides a theoretical basis for electric vehicle charging circuit arc fault identification.

Electric vehicles; Charging system; Arc fault; Model and simulation

TM714

A

1671-7988(2023)10-01-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.001

杜新宇（1996—），男，碩士研究生，研究方向為電動汽車充電系統故障診斷，E-mail:1040300884@qq.com。

楊凱（1985—），男，博士，講師，研究方向為電動車、動力電池系統電氣故障診斷，E-mail:yangkai1@hqu.edu.cn。

國家自然科學基金面上項目（52175508）；中國博士后科學基金資助項目（2021M691861）；中央高校基本科研業務費專項資金資助（ZQN-1001）。