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        汽車動力電池預充電電阻選型設計

        來源:Autrou.com    作者:奧創電子   日期:2022-04-22

        1、預充電保護必要性及原理
        1.1 動力電池系統預充電保護必要性
        根據電動汽車和人體安全標準,在最大交流工作電壓小于660V,最大支流工作電壓小于1000V,以及整車質量小于3500kg的條件下,電動汽車的高壓安全要求如下:
        1)人體的安全電壓低于36V,觸電電流和持續時間乘積的最大值小于30mA·s。
        2)絕緣電阻除以蓄電池的額定電壓應大于500Ω/V。
        3)高于60V的高壓系統的上電過程至少需要100ms,在上電過程中應該采用預充電過程來避免高壓沖擊。
        4)在任何情況下,繼電器斷開時間應小于20ms,當高壓系統斷開后的1s內汽車的任何導電部分和可觸及部分搭鐵電壓的峰值應小于42.4VAC或60VDC。
        根據上述安全要求可知,預充電保護管理是電動汽車必不可少的重要環節。電動汽車預充電的主要作用是給電機控制器(即逆變器)的大電容進行充電,以減少接觸器接觸時的火花拉弧,降低沖擊,增加安全性。
        1.2 動力電池系統預充電保護工作原理
        如果沒有預充回路,即沒有預充繼電器和預充電阻支路,那么由于電動汽車動力電源回路中存在容性負載,在接通回路的瞬間,高壓系統繼電器將突然閉合,這時電容的電量為零,根據電路的瞬態特性可知,電容相當于短路,并且回路電阻(包括電池內阻、高壓線電阻、各接觸點的接觸電阻、熔斷器的內阻等)在幾十毫歐左右,所以高壓系統的瞬態電流就變得很大,從而產生一個幾千安培的大電流沖擊。如果不采取有效的防護措施,這種瞬態沖擊電流不僅會燒毀主、負繼電器,也會對整個動力電源回路及其他用電設備造成嚴重的損壞,同時也完全有可能危及到駕乘人員的人身安全。
        而在供電回路中加入預充電回路,當動力電源上電時,總負繼電器、預充繼電器和預充電阻R構成的預充電回路先接通。當預充電電路工作時,負載電容C上的電壓UC越來越高(預充電電流IP=(UB-UC)/R越來越小),當接近動力電池電壓UB時(即UB和UC的差值△U足夠小,一般小于UB的10%),接通總正繼電器,再切斷預充電繼電器,完成預充,從而減少了接觸器的火花拉弧,緩解高壓系統沖擊,提高了安全性。預充電過程電壓及電流變化,
        1.3 動力電池系統預充電完成判斷方法
        對于預充電完成的判斷,現有技術的預充電控制策略研究基本分為3種:
        1)采集電機控制器直流母線電流,當直流母線電流接近0A時,輸出預充完成信號。
        2)分別采集車載動力電池的電壓、電機控制器電壓,然后將兩個電壓值進行比較,兩處電壓趨于相等時,輸出預充完成信號。
        3)采集電機控制器直流母線電壓,當直流母線電壓達到設定的欠壓保護點時,經過延時(一般延時0.1~0.4s)后,輸出預充完成信號。由于電流傳感器和電壓電流采樣精度有偏差,動力電池管理系統有一致性、器件穩定性等問題,控制器輸出預充完成信號時實際預充電可能尚未完成,導致車載動力電池與預充電容直流母線存在電壓差,存在未消除瞬時大電流沖擊的風險,影響電機控制器的安全性和可靠性;或者輸出預充完成信號時實際預充電早已完成,導致控制率降低。
        為準確判定預充電狀態、故障情況,在動力電池上電的預充過程中,電池管理系統(BMS)和電機控制器(IPU)會對AD采樣數據、IPU延時繼電器的延時時間和電流傳感器的電流檢測等參數進行監測。由于RXG24預充電阻R對電流傳感器的檢測精度和IPU的延時時間設定影響很大,所以預充電阻的選型設計是預充電回路的關鍵。
        2、預充電電阻選型設計
        本文中所涉及到的電阻相關參數、曲線均來源于電阻廠家。
        2.1 性能要求
        以該純電動汽車實際參數為例,該整車動力電池系統由4并36串三元鋰電池組成,整車電壓平臺為133.2V,最高電壓U為151.2V,電芯規格為3.7V,37Ah,電容容量C為7700μF。
        1)預充電電路實為一個RC電路,如圖1所示。RC時間常數不能太長,過長的RC時間將導致充電電流下降緩慢,從而導致電阻的平均功率較大,產生不必要的損耗和過長的上電時間,因此預充電時間控制在700ms以內;并且根據經驗,預充時間≥200ms為宜。
        2)預充電電壓達到電池電壓的95%以上。
        3)電阻值偏大時,充電電流小,充電時間長,功率值偏小。但是阻值過小,易造成溫升和功率損耗。
        2.2 預充電阻阻值計算
        根據RC電路的一階電路零狀態響應方程可計算得:
        UC=Umax(1-e-t/τ)
        式中:UC為預充時電容兩端電壓;Umax為動力電池兩端的最大電壓,即151.2V;t為預充時間;τ為時間常數,τ=RC;R為預充電阻阻值;C為電機電容,7700μF。
        當預充電壓達到電池最大電壓的95%,即UC=Umax×0.95時,根據方程解得:t=3RC。當t=700ms時,計算得R=30Ω;當t=200ms時,計算得R=9Ω。
        由上可知,預充電阻值在9~30Ω范圍內均能滿足要求,根據實際的預充時間要求,實際選擇電阻值為20Ω。
        預充時間t=3RC=3×20×7700=462ms。
        即電容兩端的電壓從0上升到動力電池兩端電壓的95%時的時間為462ms,符合要求。
        2.3 預充電阻功率計算
        2.3.1 RC電路能量消耗計算
        電動汽車的高壓預充電回路實為一個RC回路,因此RC電路接通直流電壓電源時,電源即通過電阻對電容進行充電。在充電過程中,電源供給的能量一部分轉換成電場能量儲存在電容中,一部分被電阻轉變為熱能損耗[6],電阻消耗的電能計算如下:
        設定電容容值為C,直流電源為電壓源且電壓為U,充電過程中電路中的電流I是時間t的函數。則當電容達到穩定狀態時,直流電源提供的總能量W1=∫U·I(t)·dt=C·U2=7700×151.22=176J;且電容儲存的能量W2=0.5·C·U2=0.5×7700×151.22=88J;電阻消耗的能量W3=W1-W2=88J。
        通過以上公式可知,不論電路中電容C和電阻R的數值為多少,在充電過程中,電源提供的能量有一半將轉變為電場能量儲存在電容中,另一半則為電阻所消耗。由此可知,無論電阻值為多少,其消耗的能量為定值,而電阻標稱的額定功率只是自身與外界進行熱交換的能力,是在電阻長期工作達到熱平衡時的熱交換功率,即散熱功率;而預充電阻的使用工況不可能讓電阻絲達到熱平衡,因為預充電過程中,預充時間極短,僅毫秒級別的預充時間,且電阻承受的是脈沖作用,所以關注電阻本身額定功率是無意義的,在RC回路中我們關注的是電阻的瞬時能量的耐受極限,即熱容量。
        一般來說,在脈沖作用下,由于瞬時產生的熱量都集中在電阻體中來不及散出去,電阻體部分的溫度可能瞬時會遠大于周圍絕緣材料、覆膜材料的溫度,嚴重時會達到電阻體的熔點或者損壞接觸的覆膜材料。這時候電阻的過載能力受瞬時能量(即脈沖能量)的限制[7]。并且當功率過載的脈沖持續時間在100ms以上時,過載功率倍數因子(標稱功率)隨著脈沖持續時間的增長呈單調下降趨勢。
        根據經驗,一般繞線電阻在脈沖持續時間為5s以內時,可以承受標稱功率5~10倍的瞬時功率;1s以下的脈沖瞬時功率承受能力可達標稱功率的20倍,甚至更多。
        2.3.2 RC回路即預充回路的瞬時功率計算
        瞬時功率:P(t)=U2(t)/R
        P(t)為某一時刻通過預充電阻的功率;U(t)為同一時刻預充電阻兩端的電壓值;R為預充電阻阻值。
        當U(t)最大時,P(t)最大。預充繼電器剛剛閉合瞬間,電容相當于短路,預充電阻兩端電壓最大,等于電池兩端電壓,即最高電壓Umax=151.2V,瞬時功率值為:P=U2max/R=151.22/20=1143W
        預充電阻功率以瞬時功率不超過20倍計算,則:P0=P/20=1143/20≈57W為了確保安全和使用要求,選擇預充電阻的功率為100W。
        2.3.3 電阻熱容量分析
        1)充電過程中電阻功耗計算。根據2.3.1中電阻的能量消耗公式可知,在實際電路中:W3=0.5·C·U2=0.5×7700×151.22≈88J。當電容電壓達到電源電壓的95%時,系統即認為預充完成,為了安全起見,計算此處電阻的能量消耗時,電壓按照電源電壓計算。
        2)電阻熱容量分析。根據電阻廠家給出的脈沖能量-中計算出的預充電阻在預充回路中的實際功耗,驗證電阻是否滿足要求。

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