新能源汽車電氣系統(tǒng)瞬變過(guò)電壓抑制技術(shù)

摘 要：新能源汽車中的設(shè)備在轉(zhuǎn)換電能時(shí)，由于開(kāi)關(guān)器件的快速切換，會(huì)產(chǎn)生高頻的電壓和電流波動(dòng)，從而轉(zhuǎn)變?yōu)樗沧冞^(guò)電壓，其存在高峰值，導(dǎo)致難以迅速響應(yīng)并抑制過(guò)電壓能量。為此，提出新能源汽車電氣系統(tǒng)瞬變過(guò)電壓抑制技術(shù)。分析新能源汽車電氣系統(tǒng)引發(fā)瞬變過(guò)電壓的現(xiàn)象，引入晶閘管，計(jì)算晶閘管整流器直流側(cè)直流電壓，考慮汽車電池和電氣系統(tǒng)之間的電能傳輸，將直流電壓代入絕對(duì)值函數(shù)，并引入粒子群優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車電氣系統(tǒng)瞬變過(guò)電壓的抑制。仿真結(jié)果表明，該方法抑制后瞬變過(guò)電壓最大值下降至 38kV 以下，且電氣系統(tǒng)也達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 電氣系統(tǒng) 瞬變電壓 電壓抑制

0 引言

新能源汽車的電氣系統(tǒng)相比傳統(tǒng)燃油車更為復(fù)雜，包含了電池管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)器件的快速切換，會(huì)產(chǎn)生高頻的電壓和電流波動(dòng)，即瞬變過(guò)電壓，導(dǎo)致電氣系統(tǒng)中的敏感元件（如半導(dǎo)體器件、傳感器等）受損，導(dǎo)致車輛故障或停機(jī)，影響用戶的駕駛體驗(yàn)和車輛的運(yùn)行效率。

文獻(xiàn)[1]提出了采用聯(lián)合調(diào)用法和一致性算法求解控制模型，提高控制的靈活性和適應(yīng)性。利用光伏逆變器無(wú)功回退分配控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓的精細(xì)調(diào)節(jié)。聯(lián)合調(diào)用法會(huì)增加計(jì)算負(fù)擔(dān)，尤其是在大規(guī)模電網(wǎng)中，實(shí)時(shí)計(jì)算的需求會(huì)對(duì)計(jì)算資源和通信網(wǎng)絡(luò)造成壓力。文獻(xiàn)[2]提出了過(guò)電壓抑制策略，采用了雙脈沖測(cè)試來(lái)精確估算主回路中的雜散電感，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)電壓抑制。提出的過(guò)電壓抑制策略基于特定的電路設(shè)計(jì)和參數(shù)假設(shè)，如果實(shí)際系統(tǒng)與假設(shè)條件有較大差異，抑制策略的效果會(huì)受到限制。結(jié)合以上研究方法對(duì)電力系統(tǒng)中過(guò)電壓抑制的研究，提出一種針對(duì)新能源汽車電氣系統(tǒng)的瞬變過(guò)電壓抑制技術(shù)。

1 新能源汽車電氣系統(tǒng)瞬變過(guò)電壓分析

新能源汽車的電氣系統(tǒng)中包含了許多敏感的電子設(shè)備和半導(dǎo)體器件，如電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、車載充電器等。這些設(shè)備在瞬變過(guò)電壓的作用下容易受損，甚至引發(fā)系統(tǒng)故障或安全事故。因此，對(duì)瞬變過(guò)電壓分析和抑制，是確保系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

電氣系統(tǒng)中如電池管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電器等關(guān)鍵組件，在電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)器件的快速切換，會(huì)產(chǎn)生高頻的電壓和電流波動(dòng)[3]。這些波動(dòng)因電池的快速充放電、電機(jī)的磁場(chǎng)繞組突然開(kāi)路，以及功率電子器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作等原因，引發(fā)瞬變過(guò)電壓。

設(shè)定新能源汽車電氣系統(tǒng)中存在個(gè)節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)表示為新能源汽車電氣系統(tǒng)中的一個(gè)連接點(diǎn)，是電路中功率電子器件的輸出端。由于新能源汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高功率密度，開(kāi)關(guān)器件的快速切換會(huì)產(chǎn)生高頻的電壓和電流波動(dòng)。因此，計(jì)算節(jié)點(diǎn)i+1的電壓有助于分析這些高頻波動(dòng)的特性，為抑制技術(shù)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。節(jié)點(diǎn)i+1的電壓計(jì)算為：

公式中：Ui表示新能源汽車電氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)i電壓，Xi為電機(jī)負(fù)載節(jié)點(diǎn)電流；ri為電源到節(jié)點(diǎn)的線路阻抗；Qi為節(jié)點(diǎn)濾波器參數(shù)；Pi為系統(tǒng)內(nèi)部的有功功率。

電氣系統(tǒng)的高頻波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致瞬變過(guò)電壓，其峰值遠(yuǎn)超過(guò)正常工作電壓。相鄰節(jié)點(diǎn)間的壓降可以幫助識(shí)別系統(tǒng)中可能出現(xiàn)瞬變過(guò)電壓的區(qū)域。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)間的壓降異常大，表明該區(qū)域存在較高的過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)。節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)i+1的壓降為：

當(dāng)新能源汽車未接入外部充電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的電壓通常由電池組維持，其流向和電壓水平主要受車輛內(nèi)部負(fù)載的影響。然而，當(dāng)新能源汽車接入充電站進(jìn)行快速充電時(shí)，由于充電功率的瞬時(shí)性和不確定性，以及車輛內(nèi)部負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的異常波動(dòng)。特別是在充電功率遠(yuǎn)超車輛內(nèi)部負(fù)載消耗時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的有功功率流向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，即Pi＜0。新能源汽車電氣系統(tǒng)的線路阻抗特性，由于有功功率的逆向流動(dòng)對(duì)電壓的影響尤為顯著，可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓超過(guò)設(shè)定的安全閾值，從而引發(fā)瞬變過(guò)電壓現(xiàn)象。

2 電氣系統(tǒng)瞬變過(guò)電壓抑制

將新能源汽車電氣系統(tǒng)瞬變過(guò)電壓分析結(jié)果作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣系統(tǒng)瞬變過(guò)電壓抑制。通過(guò)分析新能源汽車電氣系統(tǒng)中的瞬變過(guò)電壓特性，可以設(shè)計(jì)出更有針對(duì)性的抑制策略，減少能量在瞬變過(guò)電壓中的損耗。

新能源汽車中的設(shè)備在轉(zhuǎn)換電能時(shí)，由于開(kāi)關(guān)器件的快速切換，會(huì)產(chǎn)生高頻的電壓和電流波動(dòng)，使得瞬變過(guò)電壓多次發(fā)生[4]。具有自動(dòng)復(fù)位功能的晶閘管過(guò)電壓抑制電路可以在每次過(guò)電壓事件后自動(dòng)恢復(fù)到待機(jī)狀態(tài)，持續(xù)提供保護(hù)。在過(guò)電壓事件發(fā)生時(shí)，晶閘管可以迅速導(dǎo)通，限制電壓的上升，防止過(guò)電壓對(duì)新能源汽車電氣系統(tǒng)造成損害。晶閘管抑制電路圖如圖1所示。

該電路由晶閘管S1、晶體管T1、穩(wěn)壓管DW及若干電阻電容元件構(gòu)成，觸發(fā)電壓設(shè)定為20V。當(dāng)系統(tǒng)電壓瞬時(shí)超過(guò)時(shí)，DW和T1相繼導(dǎo)通，觸發(fā)晶閘管S1，吸收外部瞬變過(guò)電壓。晶閘管導(dǎo)通后，繼電器J線圈通電，吸合觸點(diǎn)。隨后，晶閘管因短路而關(guān)閉，繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。

為了有效抑制瞬變過(guò)電壓，確保電能從動(dòng)力電池傳輸至電動(dòng)機(jī)或其他電力負(fù)載，需要滿足以下條件：

（1）系統(tǒng)直流電流Id方向保持正向流動(dòng)，從動(dòng)力電池流向電動(dòng)機(jī)或其他電力負(fù)載，確保能量的有效傳輸和利用。

（2）電壓源端口的電壓Udm小于電流源端口的電壓Edr，確保了在電能傳輸過(guò)程中，電壓源（如動(dòng)力電池）的電壓始終低于電流源（如電動(dòng)機(jī)或其他電力負(fù)載）的電壓，保護(hù)電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

晶閘管的控制電壓應(yīng)精確匹配系統(tǒng)的工作電壓，以確保在瞬變過(guò)電壓發(fā)生時(shí)，晶閘管能夠迅速響應(yīng)，通過(guò)調(diào)整其導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)吸收或釋放能量，從而有效抑制過(guò)電壓。晶閘管整流器直流側(cè)直流電壓Edr具體計(jì)算式如下：

公式中：Er表示晶閘管交流線電壓有效值；Lr為換流變壓器每一相的換相電感；表示晶閘管觸發(fā)角。

在新能源汽車中，動(dòng)力電池和電動(dòng)機(jī)之間的電能傳輸依賴于高效的電力電子轉(zhuǎn)換器。這些換流器能夠?qū)㈦姵氐闹绷麟妷恨D(zhuǎn)換為適合電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電壓和電流。通過(guò)計(jì)算直流電流Id，可以監(jiān)控和調(diào)節(jié)電能的流動(dòng)，確保在各種工況下都能維持適當(dāng)?shù)碾妷核?，從而防止瞬變過(guò)電壓對(duì)電氣系統(tǒng)造成損害。直流電流Id為：

晶閘管通過(guò)對(duì)的調(diào)節(jié)來(lái)穩(wěn)定Id，實(shí)現(xiàn)新能源汽車電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著晶閘管整流器直流側(cè)直流電壓Edr的逐漸增減，直流電流Id會(huì)相應(yīng)地逐漸減小。

當(dāng)晶閘管端口出現(xiàn)直流過(guò)電壓UdMF＞Edr時(shí)，二極管會(huì)自然關(guān)斷，此時(shí)能量將全部集中在晶閘管站內(nèi)，且能量無(wú)法向直流側(cè)泄放。為了優(yōu)化這一過(guò)程，引入絕對(duì)值函數(shù)，建立代價(jià)函數(shù)，以此來(lái)評(píng)估新能源汽車電氣系統(tǒng)的能量管理策略。通過(guò)最小化代價(jià)函數(shù)，可以找到最佳的控制策略，使得在電容電壓上升時(shí)，直流電流的減小速度與電容充電速度相匹配，從而抑制過(guò)電壓現(xiàn)象。引入絕對(duì)值函數(shù)，建立代價(jià)函數(shù)為：

公式中：表示權(quán)重系數(shù)，值越大，過(guò)電壓平衡抑制性能越好。

引入粒子群優(yōu)化（Particle Swarm Optimization， PSO）算法展開(kāi)權(quán)重系數(shù)的尋優(yōu)過(guò)程，以找到最優(yōu)的權(quán)重系數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)最佳的過(guò)電壓平衡抑制效果[5]。

利用反射阻抗法確定粒子位置的上、下限。反射阻抗法是一種分析電氣系統(tǒng)中阻抗匹配和反射現(xiàn)象的方法，可以幫助理解汽車電氣系統(tǒng)中不同組件之間的能量傳輸特性。利用反射阻抗法來(lái)得到粒子位置的上、下限，即權(quán)重系數(shù)的上下限為：

公式中：表示電量轉(zhuǎn)換效率；RLmin、RLmax表示等效輸出負(fù)載電阻；RPVmin、RPVmax表示電氣系統(tǒng)的反射阻抗。根據(jù)PSO算法尋優(yōu)獲得的權(quán)重系數(shù)，將其代入至代價(jià)函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車電氣系統(tǒng)瞬變過(guò)電壓的抑制。

3 仿真分析

為了評(píng)估所提出的過(guò)電壓抑制策略的有效性，在 MATLAB/Simulink 環(huán)境中設(shè)計(jì)了一系列對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。在這些實(shí)驗(yàn)中，關(guān)注過(guò)電壓較為顯著的場(chǎng)景，例如在電流峰值時(shí)刻進(jìn)行開(kāi)關(guān)分閘操作，以及在新能源汽車電氣系統(tǒng)輸出高功率時(shí)的過(guò)電壓現(xiàn)象。

在新能源汽車電氣系統(tǒng)的主動(dòng)抑制控制策略中，將權(quán)重系數(shù)設(shè)定為 0.8。在沒(méi)有應(yīng)用任何抑制措施的情況下，新能源汽車電氣系統(tǒng)電壓的最大值達(dá)到了 306.9kV，如圖2（a）所示，突顯了采取有效過(guò)電壓抑制措施的必要性。因此，采用所述方法對(duì)瞬變過(guò)電壓現(xiàn)象展開(kāi)抑制，所得結(jié)果如圖2（b）所示。

通過(guò)仿真試驗(yàn)，電壓的最大值顯著下降至 38kV 以下，驗(yàn)證了所提出的過(guò)電壓抑制方法的有效性。

為了體現(xiàn)所提方法的有效性，利用所提方法和文獻(xiàn)1方法、文獻(xiàn)2方法展開(kāi)電壓抑制效果測(cè)試，選取平衡度作為對(duì)比指標(biāo)，該值越高，說(shuō)明方法抑制瞬變過(guò)電壓的性能越好，即為最優(yōu)電壓協(xié)調(diào)控制方法。不同方法控制下電壓平衡度如圖3所示。

從圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，所提方法的抑制結(jié)果平衡度最高，接近于原始的最高電壓平衡狀態(tài)，使電氣系統(tǒng)也udjG+ecnEXVkzb92jlicZDoyWd7N5Q01hyy9rSQqdeE=同時(shí)達(dá)到一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。而文獻(xiàn)1方法與文獻(xiàn)2方法控制后的配電網(wǎng)平衡度一直較差，控制結(jié)果也相對(duì)不太理想。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于晶閘管的新能源汽車電氣系統(tǒng)瞬變過(guò)電壓抑制技術(shù)。晶閘管能夠在高電壓和大電流環(huán)境下工作。在新能源汽車電氣系統(tǒng)中使用晶閘管整流器，可以有效地控制電能的傳輸，減少瞬變過(guò)電壓的發(fā)生。通過(guò)計(jì)算晶閘管整流器的直流側(cè)直流電壓，可以更精確地了解電氣系統(tǒng)中的電壓狀態(tài)，為過(guò)電壓的抑制提供數(shù)據(jù)支持。在新能源汽車電氣系統(tǒng)中，PSO算法可以用來(lái)優(yōu)化晶閘管的控制策略，以實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬變過(guò)電壓的有效抑制。

參考文獻(xiàn)：

[1]王蒙，張文朝，汪瑩，等.高比例光伏接入的電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓控制策略[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2023，44（10）：148-155.

[2]田安民，孫光淼，盧文兵，等.大容量變流器中IGBT關(guān)斷過(guò)電壓抑制技術(shù)研究[J].電力電子技術(shù)，2023，57（10）：13-16+38.

[3]劉淇偉，曾江，馮健磊，等.基于鏡像虛擬電阻技術(shù)的三相光伏逆變器直流電壓波動(dòng)抑制策略[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2024，45（03）：555-564.

[4]陳黃鸝，王紅梅，程炯，等.特大功率晶閘管結(jié)終端技術(shù)對(duì)阻斷電壓的影響[J].電力電子技術(shù)，2022，56（03）：130-132.

[5]高波，彭程，路文梅，等.基于改進(jìn)粒子群算法的電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功電壓控制[J].計(jì)算機(jī)仿真，2022，39（09）：86-90.