基于MATLAB的电动汽车预充电路仿真

姜点双，赵久志，王晓鹏

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于MATLAB的电动汽车预充电路仿真

姜点双，赵久志，王晓鹏

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在纯电动轿车产品设计过程中，电气系统设计直接影响整个车辆的安全性，合理的预充电路对车辆的可靠行驶至关重要。通过使用MATLAB软件中的电气控制模块，对预充电回路在工作过程进行仿真模拟，并对过程中的电流、电压、能量进行计算，为元器件规格的选择提供指导。

预充电路；MATLAB；仿真；安全

CLC NO.: U469.72+2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-07-03

前言

随着化石能源不断消耗和环境污染的不断加剧，节能、环保成为各国政府关注的焦点，随着新能源汽车的不断发展，新能源汽车尤其是纯电动汽车越来越受到社会各界的广泛关注。电池技术的不断突破，使得发展纯电动汽车成为新能源汽车的一个重要战略。

动力电池作为电动汽车的第二动力舱，不仅决定车辆的动力性、续航里程，同时是纯电动汽车的唯一能量来源，动力电池能否正常运行直接决定了车辆是否可以可靠运行。且在车辆调试过程中甚至是在车辆使用过程中，偶尔出现由于预充回路设计不合理导致预充电阻炸裂的情况。本文基于MATLAB仿真软件针对纯电动汽车预充回路的上电过程进行模拟分析，并与实际车辆数据进行对比分析，已确定仿真分析的实际指导意义。

1、预充回路工作原理

预充的主要作用在于通过在回路中串电阻的方式对电容性负载进行充电，避免通过开关直接闭合回路对容性负载进行充电。具体的预充电路工作过程，如下图所示：

图1 状态1

状态1：所有接触器处于断开状态。如上图1所示，所有接触器均处于断开状态，动力电池对外没有能量输出。

状态2：负极接触器闭合。闭合负极接触器，为下一步预充接触器闭合做准备。

图2 负极接触器闭合

状态3：预充接触器闭合。预充接触器闭合后，高压回路形成，动力电池为电机控制器中电容充电，由于回路中有预充电阻，在预充接触器闭合时，不会出现较大的瞬间电流。

图3 预充接触器闭合

状态4：正极接触器闭合。当电机控制器电容电压被充电至动力电池电压的95%以上时，正极接触器闭合，由于此时在正极接触器触点前后的压降已经为动力电池电压的5%以下，在闭合接触器时不会产生较大的电流，从而保证正极接触器的使用寿命。

图4 正极接触器闭合

状态5：预充接触器断开。正极接触器闭合以后，预充电回路的作用完成，此时断开预充接触器，整个高压回路则通过正极接触器和负极接触器接通，整车高压系统可以正常工作。

图5 预充接触器断开

通过使用串联预充电阻的预充回路可以大大降低主正接触器闭合时产生的瞬间大电流，减少瞬间大电流对接触器触点的影响，保证接触器的使用寿命。

3、基于MATLAB的电气系统仿真

3.1 MATLAB电气系统仿真介绍

MATLAB软件包下Simulink可以仿真线性或者非线性系统，并能构造连续或离散时间的系统。它具有良好的用户界面，只需要从模块库中调用相应的模块进行搭建，然后修改其参数就可以完成建模。Simulink 库浏览器中包括：信号源模块组(sources)、输出池模块组 (sinks)、连续模块组(continuous)、离散模块组(discrete)、数学运算模块组(math )、非线性模块组(nonlinear) 等，以及神经网络、模糊控制、电力系统等模块。其中，电力系统模块 (power system blockset)包括：连接部分(connectors)，其中包括各种地及接地线型；电源(electrical sources)，其中包括交、直流电源元件(elements)，其中包括RC滤波线路、R LC负载和变压器等；扩展库(extra library )，其中包括直流电机、控制模块、离散测量、离散控制模等。测量、三相库；电机(machines )；测量(measurement)，其中包括电流、电压互感器等；电力电子(power electronics)，其中包括二极管、晶闸管、IGBT和通用桥等。本文主要使用powerlib中的电源模块（electrical sources）、元器件模块(elements)、测量模块(measurement)以及Simulink中的示波器（scope）、增益(gain)等等。

3.2 预充电回路的仿真分析平台搭建

根据预充电路的工作原理，搭建预充电回路的电气仿真模型，通过对比有无预充电回路对回路中电流的影响。搭建如下题6的仿真模型，其中包括直流电源（DC Voltage Source）、电阻(Series RLC Branch)、电流检测模块（Current measurement）、电压检测模块（Voltage measurement）、电容(Series RLC Branch1)、示波器(scope)。基于安徽江淮汽车某一款电动汽车电池应用情况需要对各模块做如下设定：电池模块设定电压值为330V，电阻设置根据需要进行设置为20 Ω或者0.01Ω，电容设置为500μF、初始电压为0V，示波器设置为2路通道，且显示时间为1S。

图6 预充回路仿真模型

当电阻设置为0.01Ω时，即模拟回路中没有预充电阻，仅有回路中的内阻，运行该模型，得到的电压电流曲线如下图7所示，在示波器中显示的电流值大概在3.3*104左右，这个值远远大于接触器能够承受的瞬间电流，必定会对接触器造成损伤，导致接触器粘连或者其他损坏。

图7 无预充电阻的电压电流曲线

当电阻设置为20Ω时，即模拟回路中预充电阻，通过预充电阻将回路中电流降下来，得到的电压电流曲线如下图8所示，在示波器中显示的电流值大概在16A左右，这个电流值对于接触器而言，是能够承受的。在0.05S时，电容充电已经基本完成。

图8 有预充电阻下的上电过程

4、结束语

本文对一种电池组电气仿真分析，得出结论如下：当高压回路中包含有电容器件时，电容充电电路中如果含有预充电回路，则回路中的电流可以有效减低，减少接触器由于瞬间大电流造成的损坏，保证回路中接触器的安全可靠运行。

通过MATLAB仿真软件对预充电回路的工作情况进行仿真，识别电气系统匹配关系，为车辆的电气方案设计提供仿真依据，通过对软件的不断深入学习，逐步将其升级为电气系统设计的研发工具。

[1] Stormy Attaway. MATLAB编程与工程应用【M】北京.电子工业出版社,2013.

[2] 杨浩维.基于 MATLAB／SimuIink 的多馈入直流系统仿真研究.广东电力,2006（32）.

Simulation of electric car pre-charge circuitry based on MATLAB

Jiang Dianshuang, Zhao Jiuzhi, Wang Xiaopeng
( Anhui jianghuai automobile Co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

In the process of product design of electric car, electrical system design has a direct impact on the safety of the whole vehicle. Reliable pre-charge circuitry play a crucial role for the vehicle reliable driving. By using electrical control module in the MATLAB software, simulation the working process of pre-charge circuitry, and calculate the current, voltage, energy; to provide guidance for the selection of component specifications.

Pre-charge circuitry; MATLAB; Simulation; Security

U469.72+2

：A

：：1671-7988 (2017)07-07-03

姜点双（1987-），男，就职于安徽江淮集团股份有限公司技术中心，从事电动汽车电池高低压电气设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.004