電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)電弧故障的建模與仿真

杜新宇，楊 凱*,，汪建波，孟 輝，董毓利，林清懷

電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)電弧故障的建模與仿真

杜新宇1，楊 凱*1,2，汪建波1，孟 輝2，董毓利3，林清懷2

（1.華僑大學(xué) 機(jī)電裝備過(guò)程監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)優(yōu)化福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021；2.廈門產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，福建 廈門 361001；3.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

動(dòng)力電池組在充電過(guò)程中由于高壓線路連接松動(dòng)、繼電器吸合不穩(wěn)、線路絕緣老化破損等常常引發(fā)電弧故障，對(duì)線路的安全性造成極大威脅。目前電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)不能有效檢測(cè)充電過(guò)程中的電弧故障，為研究充電電弧故障，論文建立電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)電弧故障模型。模型包括車載充電機(jī)電路模型、電弧故障模型以及動(dòng)力電池組模型。以三相脈沖寬度調(diào)制（PWM）整流電路和移相全橋變換電路模擬車載充電機(jī)，以Cassie電弧模型作為直流串聯(lián)電弧故障模型，以MATLAB工具箱中的battery模型模擬動(dòng)力電池組。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，得到發(fā)生電弧故障時(shí)，不同電池荷電狀態(tài)下動(dòng)力電池組端電壓、電弧兩端電壓及回路電流的變化規(guī)律，為電動(dòng)汽車充電回路電弧故障識(shí)別提供理論依據(jù)。

電動(dòng)汽車；充電系統(tǒng)；電弧故障；模型與仿真

隨著電動(dòng)汽車保有量的增加，充電導(dǎo)致的火災(zāi)數(shù)量也越來(lái)越多。電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電過(guò)程中，充電線路溫度過(guò)高、電池內(nèi)部出現(xiàn)短路電弧故障等，引發(fā)電動(dòng)汽車充電自燃以及爆炸事故，極大地威脅駕乘人員及路人的安全。因此，充電安全已經(jīng)成為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)推廣進(jìn)程中的重要問題[1-4]。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)電動(dòng)汽車充電過(guò)程安全問題，制定了絕緣、漏電、過(guò)熱等安全保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，并作了大量的相關(guān)研究。電動(dòng)汽車具有高壓線路和低壓線路，整體電路較為復(fù)雜，隨著汽車長(zhǎng)期使用，線路絕緣老化、連接松動(dòng)等往往會(huì)產(chǎn)生直流電弧故障。文獻(xiàn)[5-7]分別針對(duì)電動(dòng)汽車電弧故障提出基于反向傳播（Back Propagation, BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、小波熵算法以及采用高速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）數(shù)字濾波器對(duì)電流進(jìn)行頻譜分析的方法對(duì)汽車直流電弧故障進(jìn)行檢測(cè)。

以上文獻(xiàn)針對(duì)電動(dòng)汽車直流電弧故障檢測(cè)問題進(jìn)行研究，但是都側(cè)重于電動(dòng)汽車上高、低壓用電設(shè)備的電弧故障。動(dòng)力電池組在充電過(guò)程中由于高壓線路連接松動(dòng)、繼電器吸合不穩(wěn)、線路絕緣老化破損等所引發(fā)的電弧故障，對(duì)線路的安全性造成極大威脅。因此，本文針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組充電電弧故障進(jìn)行研究，對(duì)整體充電回路進(jìn)行建模，并在此基礎(chǔ)上加入電弧故障模型，基于MATLAB/Simulink軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真，得到電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組充電過(guò)程中出現(xiàn)電弧故障時(shí)，回路電參數(shù)的變化規(guī)律，為電動(dòng)汽車高壓充電回路電弧故障的判別提供依據(jù)，對(duì)于充電電弧故障的理論研究具有良好的學(xué)術(shù)價(jià)值。

1 充電樁電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

充電樁電路整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括電網(wǎng)及車載充電機(jī)，車載充電機(jī)電路包含濾波電路、雙向交流直流（Alternating Current-Direct Current, AC-DC）變換電路和雙向直流（Direct Current-Direct Current, DC-DC）變換電路[8]。目前主要研究和應(yīng)用的是三相橋式整流電路加高頻DC-DC功率變換裝置構(gòu)成的電動(dòng)汽車車載充電機(jī)[9-10]。

1.1 三相PWM整流電路拓?fù)?/h3>

雙向AC-DC變換電路模塊采用電壓型脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器（Voltage Source Rectifier, VSR）。如圖1所示為三相半橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其交流側(cè)采用三相對(duì)稱的無(wú)中線連接方式，并采用六個(gè)功率開關(guān)管，構(gòu)成三相PWM整流器[11]。

圖1 三相半橋VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 移相全橋變換器電路拓?fù)?/h3>

全橋型雙向DC-DC變換器具有PWM控制和諧振開關(guān)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)，能夠減小開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。本文選擇移相全橋型雙向DC-DC變換器作為電動(dòng)汽車充電回路模型中的DC-DC變換器模塊。如圖2所示為移相全橋DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 移相全橋DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將三相PWM整流器輸出的直流母線電壓與移相全橋DC-DC變換器的輸入端連接，得到充電樁整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 充電樁電路控制策略

2.1 三相電壓型PWM整流器的控制

三相PWM整流電路采用瞬時(shí)無(wú)功功率的解耦整流控制策略，調(diào)制方式采用空間矢量PWM調(diào)制。

瞬時(shí)無(wú)功功率的解耦整流控制策略的步驟：

1）坐標(biāo)變換。將三相電流變換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量，規(guī)定軸方向?yàn)殡妱?dòng)勢(shì)方向，控制整流器工作于整流模式，功率因數(shù)為1。

2）電流內(nèi)環(huán)控制設(shè)計(jì)。三相VSR的軸電流分量ii相互耦合，引入前饋解耦控制，采用比例-積分（Proportion Integration, PI）調(diào)節(jié)電流環(huán)。中頻寬的取值為5，選擇按照典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，最終得到電流內(nèi)環(huán)的PI控制參數(shù)公式為

式中，iP為電流環(huán)比例調(diào)節(jié)增益，iL為電流環(huán)積分調(diào)節(jié)增益，S=為電路開關(guān)管的開關(guān)周期，PWM為三相VSR的等效增益。

3）電壓外環(huán)控制設(shè)計(jì)。電壓環(huán)作為電流環(huán)的外環(huán)，穩(wěn)定三相VSR直流輸出電壓。選擇典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，采用典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器，令頻寬v=5，可得電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)為[13]

式中，vP為電壓環(huán)比例調(diào)節(jié)增益，vI為電壓環(huán)積分調(diào)節(jié)增益。

2.2 雙向DC-DC變換器的控制

在充電模式中，DC-DC變換器的后級(jí)功率開關(guān)管無(wú)需驅(qū)動(dòng)信號(hào)，僅需要反并聯(lián)的二極管實(shí)現(xiàn)全橋整流即可。

移相全橋DC-DC變換器采用移相控制方式。斜對(duì)角的功率開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，先導(dǎo)通的功率開關(guān)管稱為超前橋臂，后導(dǎo)通的功率開關(guān)管稱為滯后橋臂，超前橋臂和滯后橋臂導(dǎo)通時(shí)間上相差的相位角稱為移相角，調(diào)節(jié)移相角的大小即可調(diào)節(jié)輸出電壓的脈寬，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。移相全橋變換器采用恒壓閉環(huán)控制策略，控制器為比例積分控制[14]。

3 電弧故障仿真模塊

Mayr模型和Cassie模型作為典型的黑盒模型，描述了電弧的外部特性。Mayr模型能夠表示高電阻情況下的電弧特性并且只能用于小電流時(shí)開斷，而Cassie模型對(duì)低電阻大電流的情況更為適合且準(zhǔn)確性較高。由于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組內(nèi)阻較小，充電時(shí)的額定電流較大，故本文選取Cassie模型作為電動(dòng)汽車充電回路的電弧故障仿真模型。

使用Simulink中的元件建立Cassie電弧仿真模型，主要組成部分有微分方程編輯器、電壓控制電流源、定制檢測(cè)以及階躍信號(hào)等。Cassie電弧模型的微分方程式為

式中，為電弧電導(dǎo)；為瞬時(shí)電弧電壓；c為電弧電壓常數(shù)；為電弧時(shí)間常數(shù)。

4 模型仿真

4.1 仿真參數(shù)選取及模型建立

使用MATLAB/Simulink軟件建立電路模型，選用battery電池模塊作為電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰離子電池模型，仿真模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4.2 仿真結(jié)果與分析

對(duì)建立好的模型進(jìn)行仿真，三相交流電經(jīng)過(guò)三相PWM整流電路AC-DC轉(zhuǎn)換后，輸出穩(wěn)定的直流母線電壓。三相VSR輸入功率因數(shù)趨近于1，網(wǎng)側(cè)電壓電流同相位，三相VSR工作于整流狀態(tài)。

直流母線電壓作為移相全橋變換器的輸入電壓，經(jīng)過(guò)DC-DC變換后輸出電壓為402 V的可供電動(dòng)汽車鋰離子電池組充電的直流電，移相全橋變換器輸出電壓波形如圖4所示。設(shè)置電池模塊類型為鋰離子，電池額定容量為153 Ah，荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）為90 %。圖5為電池SOC曲線，正常充電時(shí)鋰離子電池SOC線性增大。

圖3 仿真模型結(jié)構(gòu)圖

圖4 輸出電壓波形圖

圖5 電池電荷狀態(tài)SOC

在充電樁與動(dòng)力鋰離子電池的充電回路中，串聯(lián)電弧故障模型。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)、產(chǎn)品參數(shù)以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，設(shè)置Cassie電弧模型的時(shí)間常數(shù)=1.368×10-4s，電壓常數(shù)c=3 000 V，電弧電導(dǎo)=1×104，觸頭分?jǐn)鄷r(shí)間為0.7 s。設(shè)置battery模塊的SOC值從10%～90%分別進(jìn)行仿真，在同一坐標(biāo)系中繪制電池電流、電池電壓、電弧兩端電壓的曲線，如圖6—圖9所示。

圖6 不同SOC電池充電電流曲線

仿真模型在觸頭分?jǐn)嗲?，充電樁電路模型?duì)鋰離子電池模塊正常充電，在0.7 s時(shí)刻，電弧模型的觸頭開始分?jǐn)?，線路發(fā)生電弧故障。由圖6可知，在0.7 s發(fā)生電弧故障后，經(jīng)過(guò)2.4×10-3s，電流變?yōu)? A。在不同SOC下對(duì)鋰電池模型充電時(shí)，SOC越大，充電電流絕對(duì)值越小。發(fā)生電弧故障時(shí)，不同SOC下電池充電電流變?yōu)榱愕乃俾什煌?，SOC越小時(shí)，速率越大。

圖7 不同SOC電池充電電壓曲線

圖8 SOC50%～SOC90%電池充電電壓曲線

圖9 不同SOC電弧兩端電壓曲線

由圖7可知，發(fā)生電弧故障前，電池電壓上升曲線為battery模型的充電曲線，發(fā)生電弧故障后，電池電壓數(shù)值減小至指數(shù)區(qū)默認(rèn)設(shè)定的電壓值，減小曲線為鋰離子電池放電曲線。由于SOC不同時(shí)，電池充電電壓相差較大，在同一坐標(biāo)系下繪圖所得特征不容易觀測(cè)，因此，將SOC= 50%～90%時(shí)電池充電電壓曲線繪制在同一坐標(biāo)系中，如圖8所示。根據(jù)圖像斜率計(jì)算，在不同SOC下，電池電壓的下降速率不同，SOC越大，電池電壓下降速率越大。

如圖9所示，在0.7 s發(fā)生電弧故障后，延遲2 ms后，電弧兩端電壓從零開始上升，隨后電弧兩端電壓趨向于充電樁回路輸出電壓與鋰電池額定電壓之間的壓差值。不同SOC下，其壓差值不同。

5 結(jié)論

本文建立三相PWM整流電路和移相全橋DC-DC變換電路的車載充電機(jī)模型對(duì)動(dòng)力電池組模型充電，采用Cassie電弧模型對(duì)充電過(guò)程中高壓直流線路的電弧進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：

1）本文所建立的充電樁電路模型能夠在理想情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池模塊充電，充電控制策略邏輯得以驗(yàn)證；

2）以Cassie電弧模型作為充電回路高壓直流電弧故障仿真模型，能夠表征高電壓動(dòng)力鋰離子電池組充電回路產(chǎn)生電弧的電壓電流特性；

3）在不同SOC下發(fā)生電弧故障時(shí)，所得到的電壓電流特征不同。SOC越小，發(fā)生電弧故障時(shí)電流的變化率越大，電池組端電壓的變化率越小。

電動(dòng)汽車充電回路的電弧故障仿真研究，能夠得到電弧故障電壓電流規(guī)律，對(duì)于識(shí)別電動(dòng)汽車充電電弧故障、防范電動(dòng)汽車火災(zāi)的發(fā)生以及保障駕乘人員和路人的安全具有重要意義。仿真結(jié)果提供多種SOC下的結(jié)果，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，對(duì)于電動(dòng)汽車充電回路電弧故障的識(shí)別研究提供理論依據(jù)。

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Modeling and Simulation of Arc Fault in the Charging System of Electric Vehicles

DU Xinyu1, YANG Kai*1,2, WANG Jianbo1, MENG Hui2, DONG Yuli3, LIN Qinghuai2

( 1.Key Laboratory of Mechanical and Electrical Equipment Process Monitoring and System Optimization,Huaqiao University, Xiamen 361021, China; 2.Xiamen Industrial Technology Research Institute,Xiamen 361001, China; 3.College of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China )

Due to the loose connection of high-voltage line, unstable suction of relay, aging damage of line insulation and other reasons, arc fault is often caused, which poses a great threat to the safety of the circuit.The current electric vehicle charging system can not effectively detects the arc fault in the charging process. This paper establishes an arc fault model of charging system.The model includes vehicle charging circuit model, arc fault model and pack model.The three phase pulse width modulation (PWM)rectifier circuit and phase shift full bridge transform circuit are used to simulate the vehicle-mounted charger, the Cassie arc model is used as the direct current series arc fault model, and the battery model in MATLAB toolbox is used to simulate the battery. Through computer simulation, the changes of terminal voltage of power battery pack, voltage at both ends of arc and circuit current under different state of charge are obtained, which provides a theoretical basis for electric vehicle charging circuit arc fault identification.

Electric vehicles; Charging system; Arc fault; Model and simulation

TM714

A

1671-7988(2023)10-01-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.001

杜新宇（1996—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充電系統(tǒng)故障診斷，E-mail:1040300884@qq.com。

楊凱（1985—），男，博士，講師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)車、動(dòng)力電池系統(tǒng)電氣故障診斷，E-mail:yangkai1@hqu.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52175508）；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2021M691861）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（ZQN-1001）。