电动汽车高压预充电系统参数匹配计算及分析

陈善球 方瑞莲 李鹏鹏 谢相飞

【摘  要】通过对电动汽车高压预充电系统功能、工作过程进行分析，建立高压预充电系统的电路模型及数学模型，基于Matlab软件分析容性负载端电压及系统充电电流随充电时间的变化规律，为电动汽车高压预充电系统参数匹配计算及方案选择提供参考。

【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.

【关键词】高压预充电系统;模型;匹配计算

1 引言

高压驱动系统是电动汽车的核心系统，包含高压动力电池组、电机控制器及驱动电机，其能量传输路径为高压动力电池组输出电能，经过电机控制器，到达驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能，驱动汽车行驶[1]。同时，电池管理系统BMS和电机控制器分别对高压动力电池进行管理，其系统方框图如图1所示。但电机控制器的前端有较多容性负载电容元件，在电动汽车冷启动状态，电容元件无电压或残留的电压较低，当高压蓄电池直接接通电机控制器时，接通瞬间相当于系统短路，瞬间冲击电流将损害系统中的电气元件，具体冲击电流估算电路模型如图2所示。由导线、继电器触点组成的负载电阻R通常小于0.02Ω，按R=0.02Ω算，假设动力电池电压UB=200V（本文后续计算用到的动力电池电压以此值为例），电容元件无残留电荷，动力电池与电容元件的电压差为200V，则回路冲击电流为：Ipeak=1000V，如此高的瞬间冲击电流直接损害继电器等元器件。

为避免整车的高压元件在接通高压电瞬间受到冲击而损害，需在高压动力电池输出线路中设置高压预充电回路，其主要作用是在动力电池组的高压电接通电动汽车高压部件前，先给系统中的容性负载进行预充电，使高压元器件在接通高压瞬间的电流控制在安全范围内，以保护整车电气元件的电路安全[2]。

2 建立系統电路模型

电动汽车高压预充电系统包含高压动力蓄电池、预充电继电器、预充电电阻、容性负载等，其系统电路模型如图3所示，容性负载用等效电容C和电阻RC表示。在电动汽车发出启动信号时，总负继电器KB2和预充电继电器KP接通，高压动力电池通过预充电电阻RC给电容C充电，电容C 的电压UC随着充电的进行越来越高，充电电流IP越来越小，当电容电压到达动力电池电压UB的90%时，断开预充电继电器KP，完成预充电过程，接通总正继电器KB1，此时，动力电池与电容间的电压差较小，充电电流IP也较小，假设预充电电阻RP=100Ω，则初始最大充电电流Ip=2A，因此，加入预充电回路后，避免了对系统带来大电流冲击的危险。

3 建立系统数学模型

前面已知动力电池电压UB=200V，预充电电阻RP=100Ω，假设等效电容C=1000μF，以此输入参数为例，分析在高压预充电过程中等效电容C两端电压及充电电流IP随时间的变化规律，预充电时间完成时间的影响要素及影响程度。

高压预充回路开始工作前，等效电容C的初始电压值UC（0-）=0V时，在t=0时，预充电继电器闭合，动力电池的高压直流电通过预充电电阻RP对电容C充电，根据基尔霍夫电压定律，可得：

4 匹配计算分析与调试

4.1 容性负载无初始存储时的电压与电流随时间的变化规律

依据式（10）在Matlab软件中基于plot功能绘制高压预充电系统等效电容电压UC随充电时间的变化曲线如图4所示，从曲线中可知，该预充电系统需要4.6s的时间使电容电压达到动力电池电压的90%。

依据式（11）在Matlab软件中基于plot功能绘制高压预充电系统充电电流IP随充电时间的变化曲线如图5所示，从曲线中可知，4s内充电电流从2A快速下降，4s后下降速度减缓，直到第10s降为0A，该预充电系统最大充电电流为2A，充电电流不会给系统带来元器件的冲击风险。

4.2 容性负载有初始存储时的电压与电流随时间的变化规律

根据式（13）绘制容性负载有初始残留电压时的电容端电压随充电时间的变化规律曲线，如图6所示，对比零初始状态的电容电压随时间变化的曲线可知，变化规律相同，区别是有能量残留的曲线在充电时间为零时，电容电压存在;根据式（14）可得容性负载有初始存储时的充电电流随充电时间的变化规律，如图7所示，从曲线可分析得出结论，当电容存在电荷残留时，接通预充电继电器触点，开始充电瞬间的充电电流比无电荷残留的状态对应的电流低，且残留电荷越多，动力电池与容性负载的电压差越大，初始充电电流越小[3]。

令τ=RpC为时间常数，假设容性负载端电压达到UC=180V时预充电结束，将式（13）变为充电时间与时间常数的关系式：  τ=■    （15）

绘制时间常数τ与充电时间的关系曲线如图8所示，充电时间与时间常数成反比，若时间常数越大，即预充电电阻与容性负载的电容值的乘积越大，电容电压随时间衰减得越慢，预充电进程则越长;若时间常数越小，即预充电电阻与容性负载的电容值的乘积越小，电容电压随时间衰减得越慢，预充电进程则越短暂。

通常要求电容端电压与动力电池端电压的电压差小于10%倍的电池电压值，即UC≥90UB，预充电方可结束，预充电时间通常要求不大于1s（即1000ms）。对于本文中的案例，根据图8曲线，若预充电完成时间1000ms计算，时间常数应为0.435，即在容性负载电容值不变的情况下，预充电电阻的阻值应为43.5Ω，可选择阻值为50Ω的预充电电阻。

5 结语

预充电电路是电动汽车高压电路的安全保障系统之一，预充电电阻阻值与容性负载电容值匹配是保障安全充电电流及适当充电时间的关键要素[4]。因此，做好高压预充电系统的参数匹配计算和分析是保证高压电路回路电气元件安全的重要措施。

【参考文献】

【1】王芳，夏军.电动汽车动力电池系统设计与制造技术[M].北京：科学出版社，2018.

【2】吉培荣.电工学[M].北京：中国电力出版社，2012.

【3】周泉，储爱华，张彤.高压动力电池预充电参数匹配与应用[J].电池工业，2018，22（04）：212-215.

【4】申彩英，孟瑞，李兴全，等.纯电动汽车高压预充电研究[J].现代车用动力，2016（03）：16-17+27.