謝兆康，蘇圣超，沈 劍

FSEC賽車預(yù)充電回路設(shè)計與仿真

謝兆康1，蘇圣超2，沈 劍1

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，上海 201600；2.上海工程技術(shù)大學(xué)工程實訓(xùn)中心，上海 201600）

為保證FSEC賽事的公平性與安全性，大賽制定了嚴(yán)格的規(guī)定，其中，安全回路是保證賽車電氣系統(tǒng)安全的最重要環(huán)節(jié)，在整車高壓部分設(shè)置預(yù)充電回路，可以有效緩解在賽車上高壓過程中產(chǎn)生的巨大壓升，進而保證動力電池與整車電氣安全。論文根據(jù)電路基礎(chǔ)理論知識計算得出預(yù)充電阻與預(yù)充繼電器的具體參數(shù)，利用Simulink軟件仿真賽車高壓上電過程，設(shè)計預(yù)充電回路的布置方案，對比設(shè)置預(yù)充電回路與未設(shè)置預(yù)充電回路的上高壓過程的不同，驗證設(shè)計效果。最終，將設(shè)計成果運用于實車，展現(xiàn)出了良好的準(zhǔn)確性與魯棒性。

方程式賽車；預(yù)充電回路；放電回路；Simulink仿真

前言

隨著機動車保有量的持續(xù)增長，石油等能源消耗量急劇增加，能源緊缺和環(huán)境保護已然成為全球迫切需要解決的重大問題。近幾年，為了平衡能源與環(huán)保問題，大力發(fā)展節(jié)能與新能源汽車成為共識。這直接促使國內(nèi)新能源汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展突飛猛進，純電動汽車自然是新能源汽車的發(fā)展代表之一，電動方程式賽車即屬于純電動汽車[1]。

FSEC賽車的動力來源為動力電池，由于賽車比賽工況較為嚴(yán)苛，使得動力電池的電壓高達400 V，外圍電機控制器中存在大小為320 μF的電容，如果沒有預(yù)充電過程，高壓接入的瞬間，將產(chǎn)生上萬安培的電流，一次性即可造成專用高壓繼電器觸點的粘連，從而導(dǎo)致整個高壓回路的失效[2]。

本文首先通過理論計算確定預(yù)充電阻與預(yù)充繼電器型號，通過Matlab-Simulink建立賽車整車高壓系統(tǒng)模型，模擬仿真上高壓的過程，驗證預(yù)充回路的工作原理可行性。

1 預(yù)充電原理及電路設(shè)計

1.1 預(yù)充電原理及電路設(shè)計

預(yù)充電回路設(shè)定主要是避免當(dāng)動力電池箱高壓繼電器閉合時由于有很大的壓升出現(xiàn)上萬安培的電流，造成安全事故的發(fā)生[3]。對于預(yù)充電回路，大賽有著十分嚴(yán)格的規(guī)定，具體為：需要設(shè)計電路保證在閉合第二個電池箱絕緣繼電器之前，中間回路電容的電壓值達到了電池箱電壓的95％。根據(jù)賽規(guī)要求，結(jié)合車隊實際情況，設(shè)計如圖1所示的電路。

圖1 預(yù)充電回路原理圖

整個預(yù)充電回路中包括：電池管理系統(tǒng)（BMS）、主正繼電器、主負(fù)繼電器、預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻以及電機控制器（MCU，其中含有電容）。設(shè)置預(yù)充電回路之后的動力電池箱上電過程為：當(dāng)安全回路全部導(dǎo)通即安全回路輸入端初存在12 V的電壓時，經(jīng)BMS控制，主負(fù)繼電器與預(yù)充電繼電器同時閉合進行預(yù)充電過程，當(dāng)BMS檢測到預(yù)充電阻電壓值達到電池箱總電壓的95%時，斷開預(yù)充繼電器，同時閉合主正繼電器，完成上電過程[4]。整個上電過程動作時序圖如圖2所示。

圖2 上電過程動作時序圖

1.2 預(yù)充電回路零部件選型計算

整個預(yù)充電回路中，預(yù)充電繼電器以及預(yù)充電阻應(yīng)當(dāng)依據(jù)需求進行計算確定具體選型。預(yù)充電的計算理論為RC電路的一階電路零狀態(tài)響應(yīng)方程：

其中，U為預(yù)充過程中電容兩端的電壓；max為動力電池兩端的最大電壓；為預(yù)充時間；為預(yù)充電阻阻值；為電機控制器電容。

本文所涉及的動力系統(tǒng)部分參數(shù)見表1。

表1 動力總成部分參數(shù)

名稱數(shù)值 動力電池箱最大電壓Umax/V453.6 電機控制器電容C/μF320 預(yù)充電時間t/s≤0.5

根據(jù)賽規(guī)規(guī)定，在預(yù)充過程中電機控制器電容兩端電壓達到電池箱總電壓的95%視為預(yù)充電完成，故：

U=max×0.95=430.92 V （2）

將此結(jié)果與表1各項數(shù)據(jù)帶入公式（1）中，計算得預(yù)充電阻=521.58 Ω。

由于預(yù)充電過程中，預(yù)充電阻運行在比較高的電壓區(qū)間內(nèi)，故其不僅要保證額定電壓大于電池箱最高電壓453.6 V，且要保證其額定功率大于其運行過程中所產(chǎn)生的最大的功率，該功率計算公式如下：

代入數(shù)據(jù)得，最大功率=394.48 W。

根據(jù)理論計算結(jié)果，綜合考慮車隊各項因素，篩選出如表2所示規(guī)格的預(yù)充電阻。

表2 預(yù)充電阻參數(shù)表

序號名稱數(shù)值 1電阻阻值/Ω680 2電阻持續(xù)功率/W50 3電阻最大功率/W500 4電阻額定電壓/V1 250

圖3為預(yù)充電阻實物圖。

圖3 預(yù)充電阻實物圖

同理，利用以上相類似的規(guī)則，篩選出如表3所示規(guī)格的預(yù)充電繼電器。

表3 預(yù)充繼電器參數(shù)表

序號名稱數(shù)值 1預(yù)充繼電器額定電壓/V450 2預(yù)充繼電器額定電流/A50 3預(yù)充繼電器線圈功率/W5.5

圖4為預(yù)充繼電器實物圖。

圖4 預(yù)充繼電器實物圖

2 預(yù)充電回路仿真

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)或離散時間的系統(tǒng)。它具有良好的用戶界面，只需要從模塊庫中調(diào)用相應(yīng)的模塊進行搭建，然后修改其參數(shù)就可以完成建模[5-6]。

根據(jù)實際原理，在Simulink中建立如圖5所示的模型。

圖5 預(yù)充電回路仿真模型

該模型中采用的模塊有：直流電源（DC Voltage Source）、電阻（Series RLC Branch）、電容（Series RLC Branch）、電流檢測模塊（Current Measurement）、電壓檢測模塊（Voltage Measurement）以及兩個示波器（Scope）。對其中的電阻模塊進行設(shè)置，輸入電阻=680 Ω；同理對電容模塊進行設(shè)置，輸入電容=0.000 32 F。兩個示波器模塊分別檢測回路中的電流與電容段電壓，通過示波器所反映出來的函數(shù)曲線，判斷該電路運行狀態(tài)是否安全可靠。

圖6為按照以上參數(shù)設(shè)置的電容兩端電壓值的仿真結(jié)果，可以清晰地看出，當(dāng)預(yù)充繼電器閉合的瞬間，電壓隨時間緩慢上升，0.5 s左右時，電壓值達到動力電池箱總電壓的95%；1 s左右時，電壓值接近動力電池箱總電壓，說明該電路運行接近理論計算結(jié)果，符合預(yù)期要求。

圖6 電容兩端電壓仿真結(jié)果示意圖

圖7為設(shè)置的對比試驗的仿真結(jié)果示意圖，對比試驗為未設(shè)置預(yù)充電回路，即上電開始后直接同時閉合主正繼電器與主負(fù)繼電器。從圖中曲線可看出，此種情況下，上電瞬間電壓值立即達到動力電池箱最大電壓，很有可能擊穿電容，導(dǎo)致高壓電路直接短路，發(fā)生不必要的危險。

圖7 對比試驗中電容兩端電壓仿真結(jié)果示意圖

3 結(jié)論

本文以中國大學(xué)生電動方程式汽車大賽賽規(guī)為基礎(chǔ)，結(jié)合車隊實際以及乘用車高壓電池箱使用規(guī)則，設(shè)計并設(shè)置預(yù)充電回路。利用MatlabSimulink仿真軟件，建立仿真模型，并設(shè)置對比試驗，驗證預(yù)充電回路的可靠性與有效性。

將本文實驗結(jié)論運用于賽車之中，為其在條件嚴(yán)苛的比賽中能夠完賽奠定了堅實基礎(chǔ)，保證了賽車高壓部分的安全性以及整車運行的穩(wěn)定性，達到了預(yù)期的設(shè)計目的。

[1] 謝兆康,蘇圣超,周大煒.FSEC賽車安全回路設(shè)計探索[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2020,19(19):59-61.

[2] 周泉,儲愛華,張彤.高壓動力電池預(yù)充電參數(shù)匹配與應(yīng)用[J].電池工業(yè),2018,22(04):212-215.

[3] 陳培哲,王薪強.動力電池預(yù)充電電阻選型設(shè)計[J].客車技術(shù)與研究,2018,40(01):30-33.

[4] 張楷翼,黃河,劉進程,等.電動汽車預(yù)充電路優(yōu)化設(shè)計與仿真[J].客車技術(shù),2019(06):39-41+45.

[5] 姜點雙,趙久志,王曉鵬.基于MATLAB的電動汽車預(yù)充電路仿真[J].汽車實用技術(shù),2017(07):7-8+15.

[6] 肖林海,韓福強.電動汽車高壓預(yù)充回路保護控制研究與仿真[J].汽車電器,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

謝兆康（1999—），男，上海工程技術(shù)大學(xué)在讀本科生，研究方向為車輛工程。

國家級大學(xué)生創(chuàng)新項目，編號：202010856。