新能源汽车电气系统瞬变过电压抑制技术

摘 要：新能源汽车中的设备在转换电能时，由于开关器件的快速切换，会产生高频的电压和电流波动，从而转变为瞬变过电压，其存在高峰值，导致难以迅速响应并抑制过电压能量。为此，提出新能源汽车电气系统瞬变过电压抑制技术。分析新能源汽车电气系统引发瞬变过电压的现象，引入晶闸管，计算晶闸管整流器直流侧直流电压，考虑汽车电池和电气系统之间的电能传输，将直流电压代入绝对值函数，并引入粒子群优化算法实现对新能源汽车电气系统瞬变过电压的抑制。仿真结果表明，该方法抑制后瞬变过电压最大值下降至 38kV 以下，且电气系统也达到稳定的平衡状态。

关键词：新能源汽车 电气系统 瞬变电压 电压抑制

0 引言

新能源汽车的电气系统相比传统燃油车更为复杂，包含了电池管理系统、电机驱动系统、充电系统等多个子系统。这些系统在运行过程中，由于开关器件的快速切换，会产生高频的电压和电流波动，即瞬变过电压，导致电气系统中的敏感元件（如半导体器件、传感器等）受损，导致车辆故障或停机，影响用户的驾驶体验和车辆的运行效率。

文献[1]提出了采用联合调用法和一致性算法求解控制模型，提高控制的灵活性和适应性。利用光伏逆变器无功回退分配控制，实现了对暂态过电压的精细调节。联合调用法会增加计算负担，尤其是在大规模电网中，实时计算的需求会对计算资源和通信网络造成压力。文献[2]提出了过电压抑制策略，采用了双脉冲测试来精确估算主回路中的杂散电感，从而实现对过电压抑制。提出的过电压抑制策略基于特定的电路设计和参数假设，如果实际系统与假设条件有较大差异，抑制策略的效果会受到限制。结合以上研究方法对电力系统中过电压抑制的研究，提出一种针对新能源汽车电气系统的瞬变过电压抑制技术。

1 新能源汽车电气系统瞬变过电压分析

新能源汽车的电气系统中包含了许多敏感的电子设备和半导体器件，如电池管理系统、电机控制器、车载充电器等。这些设备在瞬变过电压的作用下容易受损，甚至引发系统故障或安全事故。因此，对瞬变过电压分析和抑制，是确保系统安全运行的关键。

电气系统中如电池管理系统、电机驱动系统、车载充电器等关键组件，在电能转换过程中，由于开关器件的快速切换，会产生高频的电压和电流波动[3]。这些波动因电池的快速充放电、电机的磁场绕组突然开路，以及功率电子器件的开关动作等原因，引发瞬变过电压。

设定新能源汽车电气系统中存在个节点，将节点表示为新能源汽车电气系统中的一个连接点，是电路中功率电子器件的输出端。由于新能源汽车的电机驱动系统具有高功率密度，开关器件的快速切换会产生高频的电压和电流波动。因此，计算节点i+1的电压有助于分析这些高频波动的特性，为抑制技术的设计提供数据支持。节点i+1的电压计算为：

公式中：Ui表示新能源汽车电气系统节点i电压，Xi为电机负载节点电流；ri为电源到节点的线路阻抗；Qi为节点滤波器参数；Pi为系统内部的有功功率。

电气系统的高频波动会导致瞬变过电压，其峰值远超过正常工作电压。相邻节点间的压降可以帮助识别系统中可能出现瞬变过电压的区域。如果某个节点间的压降异常大，表明该区域存在较高的过电压风险。节点i和节点i+1的压降为：

当新能源汽车未接入外部充电网络时，系统内部的电压通常由电池组维持，其流向和电压水平主要受车辆内部负载的影响。然而，当新能源汽车接入充电站进行快速充电时，由于充电功率的瞬时性和不确定性，以及车辆内部负载的动态变化，会导致系统电压的异常波动。特别是在充电功率远超车辆内部负载消耗时，系统内部的有功功率流向发生逆转，即Pi＜0。新能源汽车电气系统的线路阻抗特性，由于有功功率的逆向流动对电压的影响尤为显著，可能导致系统电压超过设定的安全阈值，从而引发瞬变过电压现象。

2 电气系统瞬变过电压抑制

将新能源汽车电气系统瞬变过电压分析结果作为基础，实现对电气系统瞬变过电压抑制。通过分析新能源汽车电气系统中的瞬变过电压特性，可以设计出更有针对性的抑制策略，减少能量在瞬变过电压中的损耗。

新能源汽车中的设备在转换电能时，由于开关器件的快速切换，会产生高频的电压和电流波动，使得瞬变过电压多次发生[4]。具有自动复位功能的晶闸管过电压抑制电路可以在每次过电压事件后自动恢复到待机状态，持续提供保护。在过电压事件发生时，晶闸管可以迅速导通，限制电压的上升，防止过电压对新能源汽车电气系统造成损害。晶闸管抑制电路图如图1所示。

该电路由晶闸管S1、晶体管T1、稳压管DW及若干电阻电容元件构成，触发电压设定为20V。当系统电压瞬时超过时，DW和T1相继导通，触发晶闸管S1，吸收外部瞬变过电压。晶闸管导通后，继电器J线圈通电，吸合触点。随后，晶闸管因短路而关闭，继电器触点断开，电路实现自动复位。

为了有效抑制瞬变过电压，确保电能从动力电池传输至电动机或其他电力负载，需要满足以下条件：

（1）系统直流电流Id方向保持正向流动，从动力电池流向电动机或其他电力负载，确保能量的有效传输和利用。

（2）电压源端口的电压Udm小于电流源端口的电压Edr，确保了在电能传输过程中，电压源（如动力电池）的电压始终低于电流源（如电动机或其他电力负载）的电压，保护电气系统的安全稳定运行。

晶闸管的控制电压应精确匹配系统的工作电压，以确保在瞬变过电压发生时，晶闸管能够迅速响应，通过调整其导通状态来吸收或释放能量，从而有效抑制过电压。晶闸管整流器直流侧直流电压Edr具体计算式如下：

公式中：Er表示晶闸管交流线电压有效值；Lr为换流变压器每一相的换相电感；表示晶闸管触发角。

在新能源汽车中，动力电池和电动机之间的电能传输依赖于高效的电力电子转换器。这些换流器能够将电池的直流电压转换为适合电动机运行的电压和电流。通过计算直流电流Id，可以监控和调节电能的流动，确保在各种工况下都能维持适当的电压水平，从而防止瞬变过电压对电气系统造成损害。直流电流Id为：

晶闸管通过对的调节来稳定Id，实现新能源汽车电气系统的稳定运行。随着晶闸管整流器直流侧直流电压Edr的逐渐增减，直流电流Id会相应地逐渐减小。

当晶闸管端口出现直流过电压UdMF＞Edr时，二极管会自然关断，此时能量将全部集中在晶闸管站内，且能量无法向直流侧泄放。为了优化这一过程，引入绝对值函数，建立代价函数，以此来评估新能源汽车电气系统的能量管理策略。通过最小化代价函数，可以找到最佳的控制策略，使得在电容电压上升时，直流电流的减小速度与电容充电速度相匹配，从而抑制过电压现象。引入绝对值函数，建立代价函数为：

公式中：表示权重系数，值越大，过电压平衡抑制性能越好。

引入粒子群优化（Particle Swarm Optimization， PSO）算法展开权重系数的寻优过程，以找到最优的权重系数配置，实现最佳的过电压平衡抑制效果[5]。

利用反射阻抗法确定粒子位置的上、下限。反射阻抗法是一种分析电气系统中阻抗匹配和反射现象的方法，可以帮助理解汽车电气系统中不同组件之间的能量传输特性。利用反射阻抗法来得到粒子位置的上、下限，即权重系数的上下限为：

公式中：表示电量转换效率；RLmin、RLmax表示等效输出负载电阻；RPVmin、RPVmax表示电气系统的反射阻抗。根据PSO算法寻优获得的权重系数，将其代入至代价函数中，实现对新能源汽车电气系统瞬变过电压的抑制。

3 仿真分析

为了评估所提出的过电压抑制策略的有效性，在 MATLAB/Simulink 环境中设计了一系列对比仿真实验。在这些实验中，关注过电压较为显著的场景，例如在电流峰值时刻进行开关分闸操作，以及在新能源汽车电气系统输出高功率时的过电压现象。

在新能源汽车电气系统的主动抑制控制策略中，将权重系数设定为 0.8。在没有应用任何抑制措施的情况下，新能源汽车电气系统电压的最大值达到了 306.9kV，如图2（a）所示，突显了采取有效过电压抑制措施的必要性。因此，采用所述方法对瞬变过电压现象展开抑制，所得结果如图2（b）所示。

通过仿真试验，电压的最大值显著下降至 38kV 以下，验证了所提出的过电压抑制方法的有效性。

为了体现所提方法的有效性，利用所提方法和文献1方法、文献2方法展开电压抑制效果测试，选取平衡度作为对比指标，该值越高，说明方法抑制瞬变过电压的性能越好，即为最优电压协调控制方法。不同方法控制下电压平衡度如图3所示。

从图3的实验结果中可以看出，所提方法的抑制结果平衡度最高，接近于原始的最高电压平衡状态，使电气系统也udjG+ecnEXVkzb92jlicZDoyWd7N5Q01hyy9rSQqdeE=同时达到一种稳定的平衡状态。而文献1方法与文献2方法控制后的配电网平衡度一直较差，控制结果也相对不太理想。

4 结语

本文提出了一种基于晶闸管的新能源汽车电气系统瞬变过电压抑制技术。晶闸管能够在高电压和大电流环境下工作。在新能源汽车电气系统中使用晶闸管整流器，可以有效地控制电能的传输，减少瞬变过电压的发生。通过计算晶闸管整流器的直流侧直流电压，可以更精确地了解电气系统中的电压状态，为过电压的抑制提供数据支持。在新能源汽车电气系统中，PSO算法可以用来优化晶闸管的控制策略，以实现对瞬变过电压的有效抑制。

参考文献：

[1]王蒙，张文朝，汪莹，等.高比例光伏接入的电力系统暂态过电压控制策略[J].太阳能学报，2023，44（10）：148-155.

[2]田安民，孙光淼，卢文兵，等.大容量变流器中IGBT关断过电压抑制技术研究[J].电力电子技术，2023，57（10）：13-16+38.

[3]刘淇伟，曾江，冯健磊，等.基于镜像虚拟电阻技术的三相光伏逆变器直流电压波动抑制策略[J].太阳能学报，2024，45（03）：555-564.

[4]陈黄鹂，王红梅，程炯，等.特大功率晶闸管结终端技术对阻断电压的影响[J].电力电子技术，2022，56（03）：130-132.

[5]高波，彭程，路文梅，等.基于改进粒子群算法的电网系统无功电压控制[J].计算机仿真，2022，39（09）：86-90.