姜點(diǎn)雙，趙久志，王曉鵬

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于MATLAB的電動(dòng)汽車預(yù)充電路仿真

姜點(diǎn)雙，趙久志，王曉鵬

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在純電動(dòng)轎車產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接影響整個(gè)車輛的安全性，合理的預(yù)充電路對(duì)車輛的可靠行駛至關(guān)重要。通過(guò)使用MATLAB軟件中的電氣控制模塊，對(duì)預(yù)充電回路在工作過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)過(guò)程中的電流、電壓、能量進(jìn)行計(jì)算，為元器件規(guī)格的選擇提供指導(dǎo)。

預(yù)充電路；MATLAB；仿真；安全

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

前言

隨著化石能源不斷消耗和環(huán)境污染的不斷加劇，節(jié)能、環(huán)保成為各國(guó)政府關(guān)注的焦點(diǎn)，隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車越來(lái)越受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。電池技術(shù)的不斷突破，使得發(fā)展純電動(dòng)汽車成為新能源汽車的一個(gè)重要戰(zhàn)略。

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的第二動(dòng)力艙，不僅決定車輛的動(dòng)力性、續(xù)航里程，同時(shí)是純電動(dòng)汽車的唯一能量來(lái)源，動(dòng)力電池能否正常運(yùn)行直接決定了車輛是否可以可靠運(yùn)行。且在車輛調(diào)試過(guò)程中甚至是在車輛使用過(guò)程中，偶爾出現(xiàn)由于預(yù)充回路設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致預(yù)充電阻炸裂的情況。本文基于MATLAB仿真軟件針對(duì)純電動(dòng)汽車預(yù)充回路的上電過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并與實(shí)際車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，已確定仿真分析的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1、預(yù)充回路工作原理

預(yù)充的主要作用在于通過(guò)在回路中串電阻的方式對(duì)電容性負(fù)載進(jìn)行充電，避免通過(guò)開(kāi)關(guān)直接閉合回路對(duì)容性負(fù)載進(jìn)行充電。具體的預(yù)充電路工作過(guò)程，如下圖所示：

圖1 狀態(tài)1

狀態(tài)1：所有接觸器處于斷開(kāi)狀態(tài)。如上圖1所示，所有接觸器均處于斷開(kāi)狀態(tài)，動(dòng)力電池對(duì)外沒(méi)有能量輸出。

狀態(tài)2：負(fù)極接觸器閉合。閉合負(fù)極接觸器，為下一步預(yù)充接觸器閉合做準(zhǔn)備。

圖2 負(fù)極接觸器閉合

狀態(tài)3：預(yù)充接觸器閉合。預(yù)充接觸器閉合后，高壓回路形成，動(dòng)力電池為電機(jī)控制器中電容充電，由于回路中有預(yù)充電阻，在預(yù)充接觸器閉合時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)較大的瞬間電流。

圖3 預(yù)充接觸器閉合

狀態(tài)4：正極接觸器閉合。當(dāng)電機(jī)控制器電容電壓被充電至動(dòng)力電池電壓的95%以上時(shí)，正極接觸器閉合，由于此時(shí)在正極接觸器觸點(diǎn)前后的壓降已經(jīng)為動(dòng)力電池電壓的5%以下，在閉合接觸器時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大的電流，從而保證正極接觸器的使用壽命。

圖4 正極接觸器閉合

狀態(tài)5：預(yù)充接觸器斷開(kāi)。正極接觸器閉合以后，預(yù)充電回路的作用完成，此時(shí)斷開(kāi)預(yù)充接觸器，整個(gè)高壓回路則通過(guò)正極接觸器和負(fù)極接觸器接通，整車高壓系統(tǒng)可以正常工作。

圖5 預(yù)充接觸器斷開(kāi)

通過(guò)使用串聯(lián)預(yù)充電阻的預(yù)充回路可以大大降低主正接觸器閉合時(shí)產(chǎn)生的瞬間大電流，減少瞬間大電流對(duì)接觸器觸點(diǎn)的影響，保證接觸器的使用壽命。

3、基于MATLAB的電氣系統(tǒng)仿真

3.1 MATLAB電氣系統(tǒng)仿真介紹

MATLAB軟件包下Simulink可以仿真線性或者非線性系統(tǒng)，并能構(gòu)造連續(xù)或離散時(shí)間的系統(tǒng)。它具有良好的用戶界面，只需要從模塊庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的模塊進(jìn)行搭建，然后修改其參數(shù)就可以完成建模。Simulink 庫(kù)瀏覽器中包括：信號(hào)源模塊組(sources)、輸出池模塊組 (sinks)、連續(xù)模塊組(continuous)、離散模塊組(discrete)、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組(math )、非線性模塊組(nonlinear) 等，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、電力系統(tǒng)等模塊。其中，電力系統(tǒng)模塊 (power system blockset)包括：連接部分(connectors)，其中包括各種地及接地線型；電源(electrical sources)，其中包括交、直流電源元件(elements)，其中包括RC濾波線路、R LC負(fù)載和變壓器等；擴(kuò)展庫(kù)(extra library )，其中包括直流電機(jī)、控制模塊、離散測(cè)量、離散控制模等。測(cè)量、三相庫(kù)；電機(jī)(machines )；測(cè)量(measurement)，其中包括電流、電壓互感器等；電力電子(power electronics)，其中包括二極管、晶閘管、IGBT和通用橋等。本文主要使用powerlib中的電源模塊（electrical sources）、元器件模塊(elements)、測(cè)量模塊(measurement)以及Simulink中的示波器（scope）、增益(gain)等等。

3.2 預(yù)充電回路的仿真分析平臺(tái)搭建

根據(jù)預(yù)充電路的工作原理，搭建預(yù)充電回路的電氣仿真模型，通過(guò)對(duì)比有無(wú)預(yù)充電回路對(duì)回路中電流的影響。搭建如下題6的仿真模型，其中包括直流電源（DC Voltage Source）、電阻(Series RLC Branch)、電流檢測(cè)模塊（Current measurement）、電壓檢測(cè)模塊（Voltage measurement）、電容(Series RLC Branch1)、示波器(scope)?；诎不战雌嚹骋豢铍妱?dòng)汽車電池應(yīng)用情況需要對(duì)各模塊做如下設(shè)定：電池模塊設(shè)定電壓值為330V，電阻設(shè)置根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置為20 Ω或者0.01Ω，電容設(shè)置為500μF、初始電壓為0V，示波器設(shè)置為2路通道，且顯示時(shí)間為1S。

圖6 預(yù)充回路仿真模型

當(dāng)電阻設(shè)置為0.01Ω時(shí)，即模擬回路中沒(méi)有預(yù)充電阻，僅有回路中的內(nèi)阻，運(yùn)行該模型，得到的電壓電流曲線如下圖7所示，在示波器中顯示的電流值大概在3.3*104左右，這個(gè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接觸器能夠承受的瞬間電流，必定會(huì)對(duì)接觸器造成損傷，導(dǎo)致接觸器粘連或者其他損壞。

圖7 無(wú)預(yù)充電阻的電壓電流曲線

當(dāng)電阻設(shè)置為20Ω時(shí)，即模擬回路中預(yù)充電阻，通過(guò)預(yù)充電阻將回路中電流降下來(lái)，得到的電壓電流曲線如下圖8所示，在示波器中顯示的電流值大概在16A左右，這個(gè)電流值對(duì)于接觸器而言，是能夠承受的。在0.05S時(shí)，電容充電已經(jīng)基本完成。

圖8 有預(yù)充電阻下的上電過(guò)程

4、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)一種電池組電氣仿真分析，得出結(jié)論如下：當(dāng)高壓回路中包含有電容器件時(shí)，電容充電電路中如果含有預(yù)充電回路，則回路中的電流可以有效減低，減少接觸器由于瞬間大電流造成的損壞，保證回路中接觸器的安全可靠運(yùn)行。

通過(guò)MATLAB仿真軟件對(duì)預(yù)充電回路的工作情況進(jìn)行仿真，識(shí)別電氣系統(tǒng)匹配關(guān)系，為車輛的電氣方案設(shè)計(jì)提供仿真依據(jù)，通過(guò)對(duì)軟件的不斷深入學(xué)習(xí)，逐步將其升級(jí)為電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研發(fā)工具。

[1] Stormy Attaway. MATLAB編程與工程應(yīng)用【M】北京.電子工業(yè)出版社,2013.

[2] 楊浩維.基于 MATLAB／SimuIink 的多饋入直流系統(tǒng)仿真研究.廣東電力,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

姜點(diǎn)雙（1987-），男，就職于安徽江淮集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，從事電動(dòng)汽車電池高低壓電氣設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.004