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          1. 新聞動態
          2. 電動汽車預充電過程及預充電電阻的選用

            日期:2016-4-26  閱讀924次

             本文以某純電動汽車為例,介紹預充電過程對緩解高壓系統沖擊、提高整車安全性的必要,以及詳細闡述在預充電過程中的參數變化和依據,在此基礎上提出監測電壓升高速率、電流變化速率等參數對預充電過程進行安全管理,預先判斷預充電過程中是否有漏電、絕緣、電阻失效等潛在危險,以提高整車的安全性能,結合實際經驗對規避風險提供參考解決方案,最后通過測試證明方法的可行性。

                能源危機和環境污染與日俱增,在能源消耗和環境污染方面,汽車的影響不容忽視。發展高效、節能、低噪聲、零排放的清潔型電動汽車已成為國內外汽車工業發展的必然趨勢。為了改善電動汽車的動力性和能量利用率,動力蓄電池的電壓越來越高,由原來的幾十伏上升到現在的幾百伏,所以需要配備專門的系統來管理高壓系統的安全。在電動汽車上不但需要配備專門的車載高壓電安全管理系統,而且還應該設計專門的安全測試系統來監測車載高壓電安全管理系統,以進行不定期的安全狀況監測。

             

                根據電動汽車和人體安全標準,在最大交流工作電壓小于660 V,最大直流工作電壓小于1000 VIP以及整車質量小于3 500 kg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35 V,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至少應該大于1000 D/V,最好是能夠確保大于500Ω/V;
            ③對于高于60 V的高壓系統的上電過程至少需要100 ms,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,繼電器斷開時間應該小于20 ms,當高壓系統斷開后is,汽車的任何導電部分和可觸及部分搭鐵電壓的峰值應當小于42.4 V(交流)或60 V(直流),儲存的能量應該小于20J。

             

                根據上述安全要求,預充電管理是新能源汽車中必不可少的重要環節,其中,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火花拉弧,降低沖擊,增加安全性。某逆變器實物圖如圖1所示。

             

                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分別采集車載動力蓄電池的電壓、電機控制器電壓,然后將2個電壓值進行比較,2處電壓趨于相等時,輸出預充完成信號,本文采用此種方式,當電壓值達到動力蓄電池電壓90%時,認為預充電完成;
            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,經過延時后,輸出預充完成信號。由于電流傳感器和電壓電流采樣精度偏差、車載動力電源管理系統一致性、器件穩定性等問題,可能控制器輸出預充完成信號時實際預充電未完成,導致車載動力蓄電池與預充電容直流母線存在電壓差,未消除瞬時大電流沖擊風險,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,導致降低控制率。故而,在預充過程中,監測各參數變化用以判斷預充電完成、故障等尤為重要。

             

            1無預充電分析
                以某兩廂純電動汽車蓄電池、蓄電池管理系統、電機控制器、預充電系統為例,整車動力蓄電池系統由9并102串磷酸鐵鋰電芯串聯組成,電芯規格為36 800 MP (3.2 V 6.5 Ah ),電容容量C=0 000 μF,簡化預充電結構如圖2所示。

             

                如圖2所示,蓄電池所帶的電機控制器負載前端都有較大的電容C,在冷態啟動時,C上無電荷或只有很低的殘留電壓。當無預充電時,主繼電器K+, K_直接與C接通,此時蓄電池電壓姚有326.4 V高壓,而負載電容C上電壓接近0,相當于瞬間短路,負載電阻僅僅是導線和繼電器觸點的電阻,一般遠小于20 mΩ。根據歐姆定律,回路電阻按20 mΩ計算,UB-Uc壓差按326.4 V計算,瞬間電流I=326.4/0.02=16320A。繼電器K+及K_必損壞無疑。

             

            本文以某純電動汽車為例,介紹預充電過程對緩解高壓系統沖擊、提高整車安全性的必要,以及詳細闡述在預充電過程中的參數變化和依據,在此基礎上提出監測電壓升高速率、電流變化速率等參數對預充電過程進行安全管理,預先判斷預充電過程中是否有漏電、絕緣、電阻失2參數匹配分析
                圖3為預充電過程波形。加入預充電過程,K+先斷開,使擁有較大阻抗的KP和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。,當接近蓄電池電壓姚時(即圖3中的△U足夠小,一般小于玩的10%),切斷預充電繼電器KP,接通主繼電器K+,不再有大電流沖擊。因為此時UB-Uc很小,所以電流小。

             

                通常選擇預充電電阻范圍為20- 100Ω ,此項目選用R=25Ω。Ub與認壓差仍然按326.4V計算,在接通一瞬間,流過預充電回路進入電容C的最大電流Ip=326.4/25=13.056 A。此時,選擇預充繼電器容量15A,預充電回路安全,同時能保證K+閉合時沒有沖擊電流存在。

             

                將上述電路做一階電路零狀態響應等效分析,可得到Uc、Ip如下

             

                式中:τ ------RC電路的時間常數,τ=RC。
                由理論公式知道,Uc 、IP在預充電過程中應符合一定的變化規律、特點,同時,預充電又由蓄電池及外部負載共同作用,兩者狀況會影響預充電進程,因此,通過監測預充過程中Uc、IP的變化檢測預充過程是否成功,是否有故障發生以及故障類型。

             

                1)電壓Uc增長速度慢于預期Uc 、IP增長速度大于預期I

             

                故障1:絕緣故障。負載因故障有短路或較小阻性負載,如電容被擊穿等,會導致預充電過程中Uc始終上不去(電壓始終降在預充電電阻R上)。此時電流過大,預充電電阻放熱量增大,普通的預充電電阻就會燒毀,具有PTC效應的就會發揮保護作用,達到高阻狀態,從而限制電流,保護設備;同時導致預充電過程失敗,主繼電器不能接通,后續無法工作。此時,預充回路電流會流入整車低壓電氣網絡,存在與乘員直接接觸的隱患,故而在已確定故障情況下,應迅速斷開預充電回路,并在專業人員維修檢測之前禁止整車上電行駛。自保護可以有效避免這一情況,當故障有短路或較小阻性負載,預充電電阻保護性能就會發揮左右,預充電電阻就會變成高阻態,把電流限制在幾毫安的水平從而保護后面的整車低壓電氣網絡。

             

                故障2: RC變大。在設計或安裝過程中,失誤會造成匹配不當;在使用中,因時間、環境等因素造成電容的電極腐蝕、電介質電老化與熱老化、自愈效應等失效,影響C的參數變化;線與線及線與電極的接觸電阻增大會造成R值變化。

             

                2)電壓增長速度快于預期、盡長速度大于預期I或等于0
                故障1:斷路、開路。負載開路導致假預充電完成,可能的原因有負載未接線或者電容因故障斷路,如引出線與電極接觸表面氧化、接觸不良,造成低電平開路;液體電解質干涸或凍結等。此時,BMS通過輸出口檢測到的Uc不是真正負載電容上的電壓,而是蓄電池組的開路電壓(OCV),馬上得到虛假的Uc=UB的信息,可能導致預充電結束,直接接通主繼電器,但因為輸出開路,并無危險。但是,如果此時負載突然加上,因為預充電已結束,沒有預充電路的電阻R限制電流,將會產生超大電流,損害線路或繼電器。因此,在一般的預充電策略中,一上電就完成的可以判為故障,后續禁止進行。此種情況下可通過查詢預充電回路導通情況確定問題。

             

                故障2 ; RC變小。在設計或安裝過程中,失誤會造成匹配不當;電容在使用過程中隨著銀離子遷移、電介質分子結構改變、在高濕度或低氣壓環境中極間飛弧等原因造成C的參數值變小,影響預充結果。

             

                為避免預充電失效情況發生,在各元件選取時,應首先選用汽車級產品,工業級產品不適用;某些易絕緣失效、易碰觸部位應在已有絕緣保護的前提下,添加額外保護措施,減少磨損以及人為原因對電路造成的損害,降低故障發生率。
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