干貨:預充電路與預充電阻選型
功率電阻是用于承受和消耗大量的功率,它們由具有高導熱性的材料制成,可實現高效冷卻。它們通常設計為與散熱器耦合,以便能夠消耗大量功率。
對于預充電阻器,常見的類型如下圖中的兩種,都是常見的金屬鋁殼電阻;這兩種電阻屬于功率電阻中的線繞電阻。
繞線電阻通常是在棒狀陶瓷絕緣基體或其他絕緣基體上面繞制電阻絲,電阻絲為鎳鉻或錳銅等合金材料,電阻絲的兩端連接固定引腳,電阻絲通常涂有非導電涂料,外圍使用不同的封裝材料封裝(例如鋁殼封裝)。鋁殼封裝的繞線電阻目前很普遍,其散熱能力很強,所以一般適用于大功率應用的場合。還有一種大家熟悉的陶瓷封裝的繞線電阻,我們更習慣稱之為水泥電阻,不過沒有前者頻繁用做預充電阻。
在預充電阻選型前,我們首先要清楚地了解使用工況及參數要求,歸納如下:
1、高壓電池電源輸出電壓
2、繼電器的額定電流
3、母線電容容值
4、啟動時可能的最高環境溫度
5、電阻的溫升要求
6、電容預充所需達到的電壓
7、達到充電電壓時所需的時間
8、單次脈沖還是連續脈沖?
9、如果是連續脈沖,電阻能抵抗連續脈沖的次數和脈沖的間隔時間分別是?
10、電池被濫用時,要求電阻保持正常工作狀態持續的時間
11、電阻的安裝結構和接線方式
12、絕緣電壓的要求
在了解以上參數后就需要做一些基本的計算。通常情況下預充電被要求在300ms到500ms內完成,在這么短的時間內,電流通過電阻絲或電阻體所產生的高熱量來不及被電阻的骨架吸收,電阻絲或電阻體本身將不得不承擔絕大部分脈沖的能量。所以我們要先計算啟動時的脈沖能量,然后再選擇合適的電阻方案。
如果是單個脈沖, 能量計算如下:
如果是連續脈沖,當脈沖的間隔時間很短(比如小于1s)時,實際應用中耗散能量的比例很小,我們一般可以用線性累積來計算總的脈沖能量。
總能量=單個脈沖能量x連續脈沖數量
然后再確定一下預充電阻的阻值:
T = R*C * Ln[(Us - U0)/( Us - Ut)]
其中:
T=預充電時間
R=預充電阻
C=負載端電容
Us=電池包電壓
U0=負載端閉合高壓前的電壓(可表示為0)
Ut=預充結束時負載端電壓
一般來說,Ut選擇為總電壓Us的90%或者95%,這里認為是90%,所以公式可以表示如下:
T = R*C * Ln10
則R = T / (C * Ln10)
接下來舉一個預沖電阻具體的例子:假設整車中,電池的電壓為Us=400V,負載電容C=1000uF,要求的充電時間為500ms,即在500ms后,電容充電到90%*Us,即Ut=360V,那么據此來計算預充電阻R的阻值。
根據前面講到的公式,可以直接得到R=0.5/(0.001*ln10)=217Ω。
然后再把電阻上面的電壓波形轉換成矩形波,其中上電瞬間電容相當于短路,所以Vp=400V;那么預充電阻的峰值功率=Vp*Vp/R=400*400/217=737W,如果按照0.5倍來降額的話,則需要的電阻單脈沖峰值功率為737*2=1474W。
接著計算矩形波的時間,通過下式,因為電阻與電容兩端的電壓之和等于Us,所以電容兩端的電壓為Ut=(1-0.37)Us=0.63*Us,所以τ=217*0.001*ln(2.7)=0.216s,矩形脈寬t1=0.108s。
最后,根據得到的脈寬與單脈沖峰值功率,對比廠家的曲線,即可判斷出選型是否合理。
預充電路在使用中需要從整個系統的角度去考慮各個部件的上電時序,在母線的電容未完成預充時,不能打開總線負載(如下圖,例如DC,需要BMS完成預充后,再去開啟DC),否則會造成預充電阻流過持續的電流,加重發熱,甚至燒毀。
另外,有的廠家是把預充電阻放在負極的,需要我們自己去思考一下彼此的區別。
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