为什么给电容充电的电阻经常烧?教你永不烧坏

 新闻资讯     |      2019-12-17 20:09

  当前,新能源电动汽车产业非常蓬勃,很多企业开始进军电控、电机控制器行业,可以说我国目前的新能源控制器细节上做的还是不好,大毛病没有,小毛病不断,要想把汽车电控做好,还是需要在细节上下功夫。

  新能源汽车的动力电池通常为320V左右直流电压,它经过一个预充电电路,给控制器的直流电容供电,市场上,有些客户反映这个预充电电路的充电电阻经常被烧断,本文将围绕着电容器充电这一主题,从理论上计算用电阻给电容充电的充电功率,分析为什么电阻器会被烧断,最后给出结论,保护电阻器能够安全完成充电的方法。

  通常在控制器上电前,控制器内直流电容的电压为零,因此,电池对直流电容的充电过程可以用一阶电路的零状态响应分析。

  如图所示,设在t=0时刻,K1合闸,K2断开,此时电池直流电压Ub通过K1,电阻R给电容C充电,当电容C充电电压达到电池电压的95%,吸合开关K2,把电阻R旁路,完成电容充电过程。

  在开关K1吸合前电路处于零初始状态,Uc(0)=0,在t=0时刻,开关K1闭合,电池电压Ub接入,开始通过电阻R给电容C充电。

  这是一个一阶线性非齐次微分方程,方程的解由两部分组成,非齐次方程特解和齐次方程的通解。

  可确定通解中变量a=-1/RC。当t趋于无穷大时,电容C电压Uc=Ub,可获得Uc的特解为Ub。因此:

  可见,最终,电阻消耗的能量与电容储存的能量相等,与电阻R的大小无关,并不是说电阻R选择大了,电阻R消耗的能量就小了。

  电阻R消耗的实际能量决定了电阻R在电容充电的过程中产生的热量。在进行电阻元件选型时,是否需要考虑这个热量对元器件的影响?

  通常,电池电压为320V,电容C的容值为1000uF,(这里按这个容值进行计算,电容值与控制器的功率有关)。可计算出电阻R消耗的能量:

  设电阻R=1K,则在3个RC时间范围内平均功率为Pa=51/3=17W.因此,按照电阻的功率选型,选择1K的充电电阻需要选择电阻功率至少17W以上型号。

  在电阻型号选好后,还要考虑电阻消耗的热能是否能在充电时间内不烧坏,或者存在短时间反复的充电,即电阻的散热条件是否满足,必要情况下,需要增加散热片。

  前面已经计算了电阻R消耗的能量和电容C吸收储存的能量相等,也就是说,电池给电容充电的效率时50%,大量的能量被电阻R消耗了,并产生了热量散发。

  如果通过控制方式,使得充电效率提高,电阻R消耗的能量减小,即节省了能量也方便了电阻R的选型和避免了烧毁的风险。下面就介绍一种可以提高充电效率的算法。

  由于电阻R消耗的能量与充电电压的平方成正比,如果每次给电容充电的幅度控制在Ub/N,是否可以降低电阻R消耗的能量?

  第二次给电容充电的幅度与第一次充电幅度相等,即,让电容电压增加到2Ub/N.此时,电容电压初值为Ub/N,因此,需要计算电容电压初值不等于零情况下电容电压值。

  电容电压第二次充电,当电容电压稳定后,电容电压值为Uc=2Ub/N,这是电容电压的特解,而电容电压的通解为:Ae^(-t/RC),因此,获得电容电压在非零初始状态下的解为:

  可见,给电容两次充电,充电电压幅度相同,两次电阻R消耗的能量相等,即WR1=WR2

  这样,通过N次的电容充电,电容电压到达Ub值,而电阻R消耗的能量WRN仅为一次充电到Ub值时消耗能量WR的1/N被。

  本文对新能源动力电池对控制器预充电的情况进行了分析和计算,对预充电电阻R消耗的能量进行了精确计算,结论是电阻R消耗的能量与电容C吸收的能量相等。给出了减小电阻R消耗能量的方法,对电容C进行分段充电,分段数量越多,充电后电阻R消耗的能量越小。

  分段充电的方法虽然减小了电阻R消耗的能量,充电电路前级需要增加一个电压阶梯控制器,这个控制器类似于一个DC/DC变换器,电池电压Ub经过变换后,每次控制电压输出幅度为Ub/N,把这个电压加到RC充电电路上。

  可见,如果需要精细化控制电容电压充电,需要多增加一个设备,如果想简单的处理电容充电电路,需要增加电阻R的消耗能量,任何事物都是一个矛盾结合体,如果电阻R在实际中经常损耗,那么电阻R消耗能量的矛盾就比较突出,此时应该舍弃盾,来重点解决这个问题。