FSEC赛车预充电回路设计与仿真

谢兆康，苏圣超，沈 剑

FSEC赛车预充电回路设计与仿真

谢兆康1，苏圣超2，沈 剑1

（1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201600；2.上海工程技术大学工程实训中心，上海 201600）

为保证FSEC赛事的公平性与安全性，大赛制定了严格的规定，其中，安全回路是保证赛车电气系统安全的最重要环节，在整车高压部分设置预充电回路，可以有效缓解在赛车上高压过程中产生的巨大压升，进而保证动力电池与整车电气安全。论文根据电路基础理论知识计算得出预充电阻与预充继电器的具体参数，利用Simulink软件仿真赛车高压上电过程，设计预充电回路的布置方案，对比设置预充电回路与未设置预充电回路的上高压过程的不同，验证设计效果。最终，将设计成果运用于实车，展现出了良好的准确性与鲁棒性。

方程式赛车；预充电回路；放电回路；Simulink仿真

前言

随着机动车保有量的持续增长，石油等能源消耗量急剧增加，能源紧缺和环境保护已然成为全球迫切需要解决的重大问题。近几年，为了平衡能源与环保问题，大力发展节能与新能源汽车成为共识。这直接促使国内新能源汽车相关产业发展突飞猛进，纯电动汽车自然是新能源汽车的发展代表之一，电动方程式赛车即属于纯电动汽车[1]。

FSEC赛车的动力来源为动力电池，由于赛车比赛工况较为严苛，使得动力电池的电压高达400 V，外围电机控制器中存在大小为320 μF的电容，如果没有预充电过程，高压接入的瞬间，将产生上万安培的电流，一次性即可造成专用高压继电器触点的粘连，从而导致整个高压回路的失效[2]。

本文首先通过理论计算确定预充电阻与预充继电器型号，通过Matlab-Simulink建立赛车整车高压系统模型，模拟仿真上高压的过程，验证预充回路的工作原理可行性。

1 预充电原理及电路设计

1.1 预充电原理及电路设计

预充电回路设定主要是避免当动力电池箱高压继电器闭合时由于有很大的压升出现上万安培的电流，造成安全事故的发生[3]。对于预充电回路，大赛有着十分严格的规定，具体为：需要设计电路保证在闭合第二个电池箱绝缘继电器之前，中间回路电容的电压值达到了电池箱电压的95％。根据赛规要求，结合车队实际情况，设计如图1所示的电路。

图1 预充电回路原理图

整个预充电回路中包括：电池管理系统（BMS）、主正继电器、主负继电器、预充继电器、预充电阻以及电机控制器（MCU，其中含有电容）。设置预充电回路之后的动力电池箱上电过程为：当安全回路全部导通即安全回路输入端初存在12 V的电压时，经BMS控制，主负继电器与预充电继电器同时闭合进行预充电过程，当BMS检测到预充电阻电压值达到电池箱总电压的95%时，断开预充继电器，同时闭合主正继电器，完成上电过程[4]。整个上电过程动作时序图如图2所示。

图2 上电过程动作时序图

1.2 预充电回路零部件选型计算

整个预充电回路中，预充电继电器以及预充电阻应当依据需求进行计算确定具体选型。预充电的计算理论为RC电路的一阶电路零状态响应方程：

其中，U为预充过程中电容两端的电压；max为动力电池两端的最大电压；为预充时间；为预充电阻阻值；为电机控制器电容。

本文所涉及的动力系统部分参数见表1。

表1 动力总成部分参数

名称数值 动力电池箱最大电压Umax/V453.6 电机控制器电容C/μF320 预充电时间t/s≤0.5

根据赛规规定，在预充过程中电机控制器电容两端电压达到电池箱总电压的95%视为预充电完成，故：

U=max×0.95=430.92 V （2）

将此结果与表1各项数据带入公式（1）中，计算得预充电阻=521.58 Ω。

由于预充电过程中，预充电阻运行在比较高的电压区间内，故其不仅要保证额定电压大于电池箱最高电压453.6 V，且要保证其额定功率大于其运行过程中所产生的最大的功率，该功率计算公式如下：

代入数据得，最大功率=394.48 W。

根据理论计算结果，综合考虑车队各项因素，筛选出如表2所示规格的预充电阻。

表2 预充电阻参数表

序号名称数值 1电阻阻值/Ω680 2电阻持续功率/W50 3电阻最大功率/W500 4电阻额定电压/V1 250

图3为预充电阻实物图。

图3 预充电阻实物图

同理，利用以上相类似的规则，筛选出如表3所示规格的预充电继电器。

表3 预充继电器参数表

序号名称数值 1预充继电器额定电压/V450 2预充继电器额定电流/A50 3预充继电器线圈功率/W5.5

图4为预充继电器实物图。

图4 预充继电器实物图

2 预充电回路仿真

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[5-6]。

根据实际原理，在Simulink中建立如图5所示的模型。

图5 预充电回路仿真模型

该模型中采用的模块有：直流电源（DC Voltage Source）、电阻（Series RLC Branch）、电容（Series RLC Branch）、电流检测模块（Current Measurement）、电压检测模块（Voltage Measurement）以及两个示波器（Scope）。对其中的电阻模块进行设置，输入电阻=680 Ω；同理对电容模块进行设置，输入电容=0.000 32 F。两个示波器模块分别检测回路中的电流与电容段电压，通过示波器所反映出来的函数曲线，判断该电路运行状态是否安全可靠。

图6为按照以上参数设置的电容两端电压值的仿真结果，可以清晰地看出，当预充继电器闭合的瞬间，电压随时间缓慢上升，0.5 s左右时，电压值达到动力电池箱总电压的95%；1 s左右时，电压值接近动力电池箱总电压，说明该电路运行接近理论计算结果，符合预期要求。

图6 电容两端电压仿真结果示意图

图7为设置的对比试验的仿真结果示意图，对比试验为未设置预充电回路，即上电开始后直接同时闭合主正继电器与主负继电器。从图中曲线可看出，此种情况下，上电瞬间电压值立即达到动力电池箱最大电压，很有可能击穿电容，导致高压电路直接短路，发生不必要的危险。

图7 对比试验中电容两端电压仿真结果示意图

3 结论

本文以中国大学生电动方程式汽车大赛赛规为基础，结合车队实际以及乘用车高压电池箱使用规则，设计并设置预充电回路。利用MatlabSimulink仿真软件，建立仿真模型，并设置对比试验，验证预充电回路的可靠性与有效性。

将本文实验结论运用于赛车之中，为其在条件严苛的比赛中能够完赛奠定了坚实基础，保证了赛车高压部分的安全性以及整车运行的稳定性，达到了预期的设计目的。

[1] 谢兆康,苏圣超,周大炜.FSEC赛车安全回路设计探索[J].产业与科技论坛,2020,19(19):59-61.

[2] 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.

[3] 陈培哲,王薪强.动力电池预充电电阻选型设计[J].客车技术与研究,2018,40(01):30-33.

[4] 张楷翼,黄河,刘进程,等.电动汽车预充电路优化设计与仿真[J].客车技术,2019(06):39-41+45.

[5] 姜点双,赵久志,王晓鹏.基于MATLAB的电动汽车预充电路仿真[J].汽车实用技术,2017(07):7-8+15.

[6] 肖林海,韩福强.电动汽车高压预充回路保护控制研究与仿真[J].汽车电器,2019(12):12-13.

Design and Simulation of FSEC Racing Pre-charging Circuit

XIE Zhaokang1, SU Shengchao2, SHEN Jian1

( 1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600;2.The Engineering Training Center, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600 )

In order to ensure the fairness and safety of the FSEC event, the competition has formulated strict regulations. Among them, the safety circuit is the most important link to ensure the safety of the racing electrical system. A pre-charging circuit is installed in the high voltage part of the vehicle to effectively relieve the high voltage on the racing car. The huge pressure rise generated in the process ensures the electrical safety of the power battery and the entire vehicle. According to the basic theoretical knowledge of the circuit, the specific parameters of the pre-charge resistance and the pre-charge relay are calculated, and the Simulink software is used to simulate the high-voltage power-on process of the racing car. The layout of the pre-charge circuit is designed and the pre-charge circuit is set and the pre-charge circuit is not set. The difference in the high-pressure process verifies the design effect. In the end, the design results were applied to real vehicles, showing good accuracy and robustness.

Formula racing; Pre-charging circuit; Discharging circuit; Simulink simulation

U469.6+96

A

1671-7988(2022)02-37-04

U469.6+96

A

1671-7988(2022)02-37-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.009

谢兆康（1999—），男，上海工程技术大学在读本科生，研究方向为车辆工程。

国家级大学生创新项目，编号：202010856。