電動汽車高壓預充電系統參數匹配計算及分析

陳善球 方瑞蓮 李鵬鵬 謝相飛

【摘? 要】通過對電動汽車高壓預充電系統功能、工作過程進行分析，建立高壓預充電系統的電路模型及數學模型，基于Matlab軟件分析容性負載端電壓及系統充電電流隨充電時間的變化規律，為電動汽車高壓預充電系統參數匹配計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.

【關鍵詞】高壓預充電系統;模型;匹配計算

1 引言

高壓驅動系統是電動汽車的核心系統，包含高壓動力電池組、電機控制器及驅動電機，其能量傳輸路徑為高壓動力電池組輸出電能，經過電機控制器，到達驅動電機，驅動電機將電能轉化為機械能，驅動汽車行駛[1]。同時，電池管理系統BMS和電機控制器分別對高壓動力電池進行管理，其系統方框圖如圖1所示。但電機控制器的前端有較多容性負載電容元件，在電動汽車冷啟動狀態，電容元件無電壓或殘留的電壓較低，當高壓蓄電池直接接通電機控制器時，接通瞬間相當于系統短路，瞬間沖擊電流將損害系統中的電氣元件，具體沖擊電流估算電路模型如圖2所示。由導線、繼電器觸點組成的負載電阻R通常小于0.02Ω，按R=0.02Ω算，假設動力電池電壓UB=200V（本文后續計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沖擊而損害，需在高壓動力電池輸出線路中設置高壓預充電回路，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，先給系統中的容性負載進行預充電，使高壓元器件在接通高壓瞬間的電流控制在安全范圍內，以保護整車電氣元件的電路安全[2]。

2 建立系統電路模型

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

3 建立系統數學模型

前面已知動力電池電壓UB=200V，預充電電阻RP=100Ω，假設等效電容C=1000μF，以此輸入參數為例，分析在高壓預充電過程中等效電容C兩端電壓及充電電流IP隨時間的變化規律，預充電時間完成時間的影響要素及影響程度。

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

4 匹配計算分析與調試

4.1 容性負載無初始存儲時的電壓與電流隨時間的變化規律

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

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

4.2 容性負載有初始存儲時的電壓與電流隨時間的變化規律

根據式（13）繪制容性負載有初始殘留電壓時的電容端電壓隨充電時間的變化規律曲線，如圖6所示，對比零初始狀態的電容電壓隨時間變化的曲線可知，變化規律相同，區別是有能量殘留的曲線在充電時間為零時，電容電壓存在;根據式（14）可得容性負載有初始存儲時的充電電流隨充電時間的變化規律，如圖7所示，從曲線可分析得出結論，當電容存在電荷殘留時，接通預充電繼電器觸點，開始充電瞬間的充電電流比無電荷殘留的狀態對應的電流低，且殘留電荷越多，動力電池與容性負載的電壓差越大，初始充電電流越小[3]。

令τ=RpC為時間常數，假設容性負載端電壓達到UC=180V時預充電結束，將式（13）變為充電時間與時間常數的關系式：? τ=■? ? （15）

繪制時間常數τ與充電時間的關系曲線如圖8所示，充電時間與時間常數成反比，若時間常數越大，即預充電電阻與容性負載的電容值的乘積越大，電容電壓隨時間衰減得越慢，預充電進程則越長;若時間常數越小，即預充電電阻與容性負載的電容值的乘積越小，電容電壓隨時間衰減得越慢，預充電進程則越短暫。

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，預充電方可結束，預充電時間通常要求不大于1s（即1000ms）。對于本文中的案例，根據圖8曲線，若預充電完成時間1000ms計算，時間常數應為0.435，即在容性負載電容值不變的情況下，預充電電阻的阻值應為43.5Ω，可選擇阻值為50Ω的預充電電阻。

5 結語

預充電電路是電動汽車高壓電路的安全保障系統之一，預充電電阻阻值與容性負載電容值匹配是保障安全充電電流及適當充電時間的關鍵要素[4]。因此，做好高壓預充電系統的參數匹配計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】

【1】王芳，夏軍.電動汽車動力電池系統設計與制造技術[M].北京：科學出版社，2018.

【2】吉培榮.電工學[M].北京：中國電力出版社，2012.

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

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