新能源汽車電氣系統瞬變過電壓抑制技術

摘 要：新能源汽車中的設備在轉換電能時，由于開關器件的快速切換，會產生高頻的電壓和電流波動，從而轉變為瞬變過電壓，其存在高峰值，導致難以迅速響應并抑制過電壓能量。為此，提出新能源汽車電氣系統瞬變過電壓抑制技術。分析新能源汽車電氣系統引發瞬變過電壓的現象，引入晶閘管，計算晶閘管整流器直流側直流電壓，考慮汽車電池和電氣系統之間的電能傳輸，將直流電壓代入絕對值函數，并引入粒子群優化算法實現對新能源汽車電氣系統瞬變過電壓的抑制。仿真結果表明，該方法抑制后瞬變過電壓最大值下降至 38kV 以下，且電氣系統也達到穩定的平衡狀態。

關鍵詞：新能源汽車 電氣系統 瞬變電壓 電壓抑制

0 引言

新能源汽車的電氣系統相比傳統燃油車更為復雜，包含了電池管理系統、電機驅動系統、充電系統等多個子系統。這些系統在運行過程中，由于開關器件的快速切換，會產生高頻的電壓和電流波動，即瞬變過電壓，導致電氣系統中的敏感元件（如半導體器件、傳感器等）受損，導致車輛故障或停機，影響用戶的駕駛體驗和車輛的運行效率。

文獻[1]提出了采用聯合調用法和一致性算法求解控制模型，提高控制的靈活性和適應性。利用光伏逆變器無功回退分配控制，實現了對暫態過電壓的精細調節。聯合調用法會增加計算負擔，尤其是在大規模電網中，實時計算的需求會對計算資源和通信網絡造成壓力。文獻[2]提出了過電壓抑制策略，采用了雙脈沖測試來精確估算主回路中的雜散電感，從而實現對過電壓抑制。提出的過電壓抑制策略基于特定的電路設計和參數假設，如果實際系統與假設條件有較大差異，抑制策略的效果會受到限制。結合以上研究方法對電力系統中過電壓抑制的研究，提出一種針對新能源汽車電氣系統的瞬變過電壓抑制技術。

1 新能源汽車電氣系統瞬變過電壓分析

新能源汽車的電氣系統中包含了許多敏感的電子設備和半導體器件，如電池管理系統、電機控制器、車載充電器等。這些設備在瞬變過電壓的作用下容易受損，甚至引發系統故障或安全事故。因此，對瞬變過電壓分析和抑制，是確保系統安全運行的關鍵。

電氣系統中如電池管理系統、電機驅動系統、車載充電器等關鍵組件，在電能轉換過程中，由于開關器件的快速切換，會產生高頻的電壓和電流波動[3]。這些波動因電池的快速充放電、電機的磁場繞組突然開路，以及功率電子器件的開關動作等原因，引發瞬變過電壓。

設定新能源汽車電氣系統中存在個節點，將節點表示為新能源汽車電氣系統中的一個連接點，是電路中功率電子器件的輸出端。由于新能源汽車的電機驅動系統具有高功率密度，開關器件的快速切換會產生高頻的電壓和電流波動。因此，計算節點i+1的電壓有助于分析這些高頻波動的特性，為抑制技術的設計提供數據支持。節點i+1的電壓計算為：

公式中：Ui表示新能源汽車電氣系統節點i電壓，Xi為電機負載節點電流；ri為電源到節點的線路阻抗；Qi為節點濾波器參數；Pi為系統內部的有功功率。

電氣系統的高頻波動會導致瞬變過電壓，其峰值遠超過正常工作電壓。相鄰節點間的壓降可以幫助識別系統中可能出現瞬變過電壓的區域。如果某個節點間的壓降異常大，表明該區域存在較高的過電壓風險。節點i和節點i+1的壓降為：

當新能源汽車未接入外部充電網絡時，系統內部的電壓通常由電池組維持，其流向和電壓水平主要受車輛內部負載的影響。然而，當新能源汽車接入充電站進行快速充電時，由于充電功率的瞬時性和不確定性，以及車輛內部負載的動態變化，會導致系統電壓的異常波動。特別是在充電功率遠超車輛內部負載消耗時，系統內部的有功功率流向發生逆轉，即Pi＜0。新能源汽車電氣系統的線路阻抗特性，由于有功功率的逆向流動對電壓的影響尤為顯著，可能導致系統電壓超過設定的安全閾值，從而引發瞬變過電壓現象。

2 電氣系統瞬變過電壓抑制

將新能源汽車電氣系統瞬變過電壓分析結果作為基礎，實現對電氣系統瞬變過電壓抑制。通過分析新能源汽車電氣系統中的瞬變過電壓特性，可以設計出更有針對性的抑制策略，減少能量在瞬變過電壓中的損耗。

新能源汽車中的設備在轉換電能時，由于開關器件的快速切換，會產生高頻的電壓和電流波動，使得瞬變過電壓多次發生[4]。具有自動復位功能的晶閘管過電壓抑制電路可以在每次過電壓事件后自動恢復到待機狀態，持續提供保護。在過電壓事件發生時，晶閘管可以迅速導通，限制電壓的上升，防止過電壓對新能源汽車電氣系統造成損害。晶閘管抑制電路圖如圖1所示。

該電路由晶閘管S1、晶體管T1、穩壓管DW及若干電阻電容元件構成，觸發電壓設定為20V。當系統電壓瞬時超過時，DW和T1相繼導通，觸發晶閘管S1，吸收外部瞬變過電壓。晶閘管導通后，繼電器J線圈通電，吸合觸點。隨后，晶閘管因短路而關閉，繼電器觸點斷開，電路實現自動復位。

為了有效抑制瞬變過電壓，確保電能從動力電池傳輸至電動機或其他電力負載，需要滿足以下條件：

（1）系統直流電流Id方向保持正向流動，從動力電池流向電動機或其他電力負載，確保能量的有效傳輸和利用。

（2）電壓源端口的電壓Udm小于電流源端口的電壓Edr，確保了在電能傳輸過程中，電壓源（如動力電池）的電壓始終低于電流源（如電動機或其他電力負載）的電壓，保護電氣系統的安全穩定運行。

晶閘管的控制電壓應精確匹配系統的工作電壓，以確保在瞬變過電壓發生時，晶閘管能夠迅速響應，通過調整其導通狀態來吸收或釋放能量，從而有效抑制過電壓。晶閘管整流器直流側直流電壓Edr具體計算式如下：

公式中：Er表示晶閘管交流線電壓有效值；Lr為換流變壓器每一相的換相電感；表示晶閘管觸發角。

在新能源汽車中，動力電池和電動機之間的電能傳輸依賴于高效的電力電子轉換器。這些換流器能夠將電池的直流電壓轉換為適合電動機運行的電壓和電流。通過計算直流電流Id，可以監控和調節電能的流動，確保在各種工況下都能維持適當的電壓水平，從而防止瞬變過電壓對電氣系統造成損害。直流電流Id為：

晶閘管通過對的調節來穩定Id，實現新能源汽車電氣系統的穩定運行。隨著晶閘管整流器直流側直流電壓Edr的逐漸增減，直流電流Id會相應地逐漸減小。

當晶閘管端口出現直流過電壓UdMF＞Edr時，二極管會自然關斷，此時能量將全部集中在晶閘管站內，且能量無法向直流側泄放。為了優化這一過程，引入絕對值函數，建立代價函數，以此來評估新能源汽車電氣系統的能量管理策略。通過最小化代價函數，可以找到最佳的控制策略，使得在電容電壓上升時，直流電流的減小速度與電容充電速度相匹配，從而抑制過電壓現象。引入絕對值函數，建立代價函數為：

公式中：表示權重系數，值越大，過電壓平衡抑制性能越好。

引入粒子群優化（Particle Swarm Optimization， PSO）算法展開權重系數的尋優過程，以找到最優的權重系數配置，實現最佳的過電壓平衡抑制效果[5]。

利用反射阻抗法確定粒子位置的上、下限。反射阻抗法是一種分析電氣系統中阻抗匹配和反射現象的方法，可以幫助理解汽車電氣系統中不同組件之間的能量傳輸特性。利用反射阻抗法來得到粒子位置的上、下限，即權重系數的上下限為：

公式中：表示電量轉換效率；RLmin、RLmax表示等效輸出負載電阻；RPVmin、RPVmax表示電氣系統的反射阻抗。根據PSO算法尋優獲得的權重系數，將其代入至代價函數中，實現對新能源汽車電氣系統瞬變過電壓的抑制。

3 仿真分析

為了評估所提出的過電壓抑制策略的有效性，在 MATLAB/Simulink 環境中設計了一系列對比仿真實驗。在這些實驗中，關注過電壓較為顯著的場景，例如在電流峰值時刻進行開關分閘操作，以及在新能源汽車電氣系統輸出高功率時的過電壓現象。

在新能源汽車電氣系統的主動抑制控制策略中，將權重系數設定為 0.8。在沒有應用任何抑制措施的情況下，新能源汽車電氣系統電壓的最大值達到了 306.9kV，如圖2（a）所示，突顯了采取有效過電壓抑制措施的必要性。因此，采用所述方法對瞬變過電壓現象展開抑制，所得結果如圖2（b）所示。

通過仿真試驗，電壓的最大值顯著下降至 38kV 以下，驗證了所提出的過電壓抑制方法的有效性。

為了體現所提方法的有效性，利用所提方法和文獻1方法、文獻2方法展開電壓抑制效果測試，選取平衡度作為對比指標，該值越高，說明方法抑制瞬變過電壓的性能越好，即為最優電壓協調控制方法。不同方法控制下電壓平衡度如圖3所示。

從圖3的實驗結果中可以看出，所提方法的抑制結果平衡度最高，接近于原始的最高電壓平衡狀態，使電氣系統也udjG+ecnEXVkzb92jlicZDoyWd7N5Q01hyy9rSQqdeE=同時達到一種穩定的平衡狀態。而文獻1方法與文獻2方法控制后的配電網平衡度一直較差，控制結果也相對不太理想。

4 結語

本文提出了一種基于晶閘管的新能源汽車電氣系統瞬變過電壓抑制技術。晶閘管能夠在高電壓和大電流環境下工作。在新能源汽車電氣系統中使用晶閘管整流器，可以有效地控制電能的傳輸，減少瞬變過電壓的發生。通過計算晶閘管整流器的直流側直流電壓，可以更精確地了解電氣系統中的電壓狀態，為過電壓的抑制提供數據支持。在新能源汽車電氣系統中，PSO算法可以用來優化晶閘管的控制策略，以實現對瞬變過電壓的有效抑制。

參考文獻：

[1]王蒙，張文朝，汪瑩，等.高比例光伏接入的電力系統暫態過電壓控制策略[J].太陽能學報，2023，44（10）：148-155.

[2]田安民，孫光淼，盧文兵，等.大容量變流器中IGBT關斷過電壓抑制技術研究[J].電力電子技術，2023，57（10）：13-16+38.

[3]劉淇偉，曾江，馮健磊，等.基于鏡像虛擬電阻技術的三相光伏逆變器直流電壓波動抑制策略[J].太陽能學報，2024，45（03）：555-564.

[4]陳黃鸝，王紅梅，程炯，等.特大功率晶閘管結終端技術對阻斷電壓的影響[J].電力電子技術，2022，56（03）：130-132.

[5]高波，彭程，路文梅，等.基于改進粒子群算法的電網系統無功電壓控制[J].計算機仿真，2022，39（09）：86-90.