張思寧，　倪永亮，　王雪濤，　戚于飛

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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車用大功率用電設備的配電方案研究

張思寧，倪永亮，王雪濤，戚于飛

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

根據(jù)車用用電設備的負載特性和工作特點，從大功率用電設備入手，對阻性、感性、容性負載的配電方法進行研究，提出了機電混合式配電方案，并進行了試驗測試，測試結果表明，該方案能夠實現(xiàn)帶載切換，具有短路保護、反時限保護等功能，能夠滿足大功率用電設備的配電要求.

車用大功率用電設備；電磁接觸器；固態(tài)開關

在民用汽車技術和電子技術發(fā)展的推動下，國內混合動力電傳動底盤的研究取得了階段性成果.相關單位也研制了一臺混合動力電傳動演示樣車，實現(xiàn)了高壓配電等相關技術在演示樣車上的驗證.

在軍用混合電驅動車輛中，高能武器、高功率密度推進等技術的應用，使得用電功率需求大幅提升，同時供電系統(tǒng)的特點、配電系統(tǒng)的結構以及負載的特征都發(fā)生了變化，為滿足軍用混合驅動車輛大功率用電負載的使用工況，保證電能的安全傳輸及合理分配，需要在高壓大功率配電技術方面展開研究.

1　高壓配電技術方案

根據(jù)軍用混合驅動車輛的技術特點，大功率用電設備用電需求高達幾百千瓦.配電方式可采用機械式開關、全固態(tài)開關和機電混合式開關.機械式開關采用電磁接觸器對負載進行通斷控制，導通損耗低，但關斷過程中存在燃弧問題，降低其工作壽命[1].全固態(tài)開關[2-3]采用功率半導體器件IGBT實現(xiàn)對負載的通斷控制，不存在電磁接觸器燃弧問題，但是導通壓降大，導通損耗較大[2].機電混合式開關[4]采用電磁接觸器與功率半導體器件并聯(lián)的方式，集機械開關與固態(tài)開關的優(yōu)勢，正常導通時工作電流流過電磁接觸器，損耗小，在關斷過程中避免燃弧問題，工作壽命高；在大電流情況下導通不必考慮散熱問題.

因此考慮機電混合式配電方案.機電混合式開關存在兩種方案：1)電磁接觸器和固態(tài)開關并聯(lián)方案；2)電磁接觸器和串限流電阻的固態(tài)開關并聯(lián)方案.

1.1電磁接觸器和固態(tài)開關并聯(lián)方案

該方案的控制器基本工作原理是：控制器開通的時候，固態(tài)開關S先飽和導通，機械式主開關K后閉合，保證機械式主開關K在低電壓閉合，創(chuàng)造無弧開通的條件.如圖1所示，正常接通后，電流從機械式主開關K流過，而K的接通電阻非常小，所以整個控制器導通壓降低、功耗??；控制器關斷的時候，機械式主開關K先斷開，此時斷開電源為固態(tài)開關S的導通電壓，實現(xiàn)斷開機械觸點時無電弧產生，在機械式主開關完全斷開后，固態(tài)開關S再斷開.機械式主開關K總是處于低電壓開、關狀態(tài)，無須專門滅弧裝置.

設其開通時間ton=200 ms，負載電容CLOAD=2 200 μF，則固態(tài)開關S開通過程中的平均功耗為1 750 W，查標準熱阻特性曲線知25 ℃下200 ms開通時熱阻為0.066 ℃/W，此時溫升大于等于115.5℃.可以看出此時的溫升過大，功率管負擔過大，極易使功率管損壞.

使用電磁接觸器和固態(tài)開關并聯(lián)方案，在控制器開通和關斷的過程中，為固態(tài)開關和機械式主開關提供不同的控制時序，可以創(chuàng)造無弧開通和關斷的條件，并且導通損耗極低.但固態(tài)開關在開通過程中負擔較大，抑制電流沖擊過程中功率損耗也比較大，在大功率的場合直接導致配電可靠性的降低和成本的提高.

1.2電磁接觸器與串限流電阻的固態(tài)開關并聯(lián)方案

該方案的控制器開通時刻由限流電阻限制充電電流，分擔固態(tài)開關的開通功耗.如圖2所示.

圖2　電磁接觸器與串限流電阻的固態(tài)開關并聯(lián)方案

設額定電流為40 A，其開通時間ton=200 ms，限流電阻R=500 Ω，負載電容CLOAD=2 200 μF，可計算得串限流電阻的固態(tài)開關S在開通過程中的平均功耗0.39 W，在電磁接觸器與串限流電阻的固態(tài)開關并聯(lián)方案中，固態(tài)開關的開通功耗已降低到非常低的程度，減小了固態(tài)開關的負擔.

當機電混合式配電終端中的固態(tài)開關支路和機械式開關支路發(fā)生換流過程時(無論是開通過程還是關斷過程)，兩個支路的電流iS和iK滿足

iS+iK=iLOAD.

(1)

當配電終端關斷時，假設初始關斷時刻負載電流iLOAD為額定電流iN，則初始時

iS+iK=iN.

(2)

關斷過程中機械式主開關支路的電流要往固態(tài)開關支路轉移，固態(tài)開關保持導通.因此

uK=iSR=(iLOAD-iK)R.

(3)

假設機械式開關的電流iK在典型機械式開關的關斷動作時間(Toff=20 ms)內按照線性規(guī)律下降到零，可以計算出這個過程中機械式開關兩端電壓uK的變化規(guī)律由式(4)確定.

(4)

當負載電容為零或較小時,

(5)

即機械式主開關的電壓與電流成線性關系.

當iK(t)的電流降為額定電流一半時，

(6)

當電流完全轉移時，

(7)

由此可以得出：

1)在純容性負載條件下，由于負載電壓下降速度較慢，所以開關兩端電壓上升速度也比較慢，因此機械式開關關斷時不拉弧的條件相對容易滿足.

2)在阻容性負載條件下，若要完全滿足不拉弧的條件，則應滿足RLOADCLOAD>2.5Toff=50 ms，以保證在換流過程中機械式開關兩端電壓不大于15 V.

3)當負載為電機類負載時，前端通常存在較大電容，正常情況下電機控制器先關斷電機負載，然后由機電混合式功率控制器關斷負載，這時負載相當純容性，關斷過程中不會出現(xiàn)拉弧過程.當出現(xiàn)故障時，必須緊急斷電，無法利用電機控制器先關斷電機負載，這時負載相當為阻感容性負載，可能會出現(xiàn)拉弧過程，需要進一步分析，并合理地設計參數(shù).電磁接觸器和固態(tài)開關并聯(lián)方案、電磁接觸器與串限流電阻的固態(tài)開關并聯(lián)方案的優(yōu)缺點比較如下：

1)電磁接觸器和固態(tài)開關并聯(lián)方案，可以創(chuàng)造無弧開通和關斷的條件，開關導通損耗低，但固態(tài)開關在開通過程中負擔較大，功率損耗也比較大.

2)電磁接觸器與串限流電阻的固態(tài)開關并聯(lián)方案，開通時刻由限流電阻限制充電電流，分擔固態(tài)開關功耗，可使固態(tài)開關的導通壓降小，負擔小，開通功耗小.但負載關斷時會使機械式開關承受一段時間的電壓，且阻性及阻容性負載緊急斷電時可能出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象.

1.3優(yōu)化的機電混合式配電方案

基于上述分析，優(yōu)化的機電混合式配電主功率電路方案見圖3，控制時序為：接通時先斷開放電電路開關K3，后開通固態(tài)開關K2，然后開通固態(tài)開關K1，待固態(tài)開關K1完全導通后接通電磁接觸器，斷開固態(tài)開關K2；斷開時先關斷電磁接觸器T，待電磁接觸器T完全關斷后再關斷固態(tài)開關K1，最后關斷放電回路K3.該電路在開通容性負載時預充電支路先接通，待充電至電源電壓的95%后再接通固態(tài)開關K1.充電支路的接通損耗由限流電阻承擔，保證了固態(tài)開關K1的可靠接通，并降低了接通損耗.電磁接觸器在開通關斷時刻，固態(tài)開關K1都是導通的，導通壓降為2～3 V，低于電磁接觸器的起弧電壓，實現(xiàn)了電磁接觸器的無弧切換，提高了電磁接觸器的工作壽命.

圖3　混合式配電主功率電路方案

優(yōu)化的機電混合式配電模塊由3個基本模塊構成：數(shù)字控制電路、主功率電路和放電回路，其具體的原理框圖如圖4所示.

圖4　混合式配電模塊原理框圖

優(yōu)化的機電混合式配電方案適用于額定電流在100～500 A范圍內，在此電流范圍內導通壓降小于100 mV，不需要冷卻裝置，體積小、重量輕，工作壽命高(大于10 000次)；在額定電流小于100 A時可考慮采用全固態(tài)開關方案，此時導通損耗不高，散熱容易，體積重量成本優(yōu)勢突出，工作壽命高.

2　配電模塊測試

2.1阻感性負載測試

對功率輸入端電壓為直流900 V，配電支路為33 Ω與1.6 mH串聯(lián)的阻感性負載，進行測試.單支路配電模塊接通波形如圖5所示.接通和關斷波形與理論波形基本一致.圖中縱坐標分別表示負載電壓(每格為400 V)、IGBT電流(每格為20 A)、接觸器電流(每格為20 A)、充電開關電流(每格為3 A)、接觸器控制信號電壓(每格為5 A)，橫坐標表示時間(每格25 mm).

2.2容性負載測試

對功率輸入端電壓為直流900 V、配電支路為2 600 uF的容性負載進行測試.單支路配電模塊接通和關斷波形如圖6所示.能夠實現(xiàn)對容性負載的預充電，接通電容電流最大值為4.5 A，充電時間小于1.5 s，有效地抑制了容性負載上電過程中大電流沖擊.圖中縱坐標分別表示：負載電壓(每格為40 A)、IGBT電流(每格為12 A)、充電開關電流和放電開關電流(每格為2 A)、接觸器電流(每格為24 A)、放電開關控制信號CMD_K3、接觸器控制信號電壓CMD_T(每格為5 V)，橫坐標表示時間(每格為500 ms).

圖5　接通和關斷阻感性負載波形

圖6　接通和關斷容性負載波形

2.3反時限保護測試

進行測試時，負載電壓為300 V，負載額定電流為20 A.在額定電流工作時通過切換開關將負載電流切換至額定電流以上.測試結果如表1所示.在不同過載倍數(shù)下，基本能夠按理論保護時間完成過流保護，相對誤差不大于3.5%.

2.4測試結果分析

通過阻感性負載測試、容性負載測試和反時限

表1　測試結果

保護測試，配電模塊主要的電氣性能指標滿足設計要求，測試數(shù)據(jù)見表2.

表2　主要性能參數(shù)測試數(shù)據(jù)表

3　結束語

針對混合驅動車輛大功率用電負載直接上電、帶載分斷會造成配電模塊和用電設備嚴重損壞的情況，通過對不同配電開關方案的對比分析，提出了優(yōu)化的機電混合式配電方案，該方案能夠可靠地接通和斷開大功率負載，具有反時限保護、無弧切斷等功能，提高了電磁接觸器的工作壽命.對優(yōu)化的機電混合式電模塊進行了阻感性負載、容性負載和反時限保護等測試，測試結果表明該方案能夠滿足設計要求.

[1]王鑫. 內燃機車接觸器故障及改進方向探討[J]. 鐵道機車與動車，2014，480(2)：22-24.

[2]王志強. 單通道固態(tài)功率控制器的研究[D]. 南京：南京航空航天大學學位論文，2005.

[3]趙建偉，王莉. 直流固態(tài)功率控制器的建模與仿真分析[J]. 電力電子技術，2009，43(9)：74-75.

[4]楊善水，王莉，馬雙偉. 一種新型結構機電混合式功率控制器技術研究[J]. 航空學報，2007，28(5) ：1195-1199.

Research on Electricity Distribute Project for in-vehicleBig Power Electricity Equipments

ZHANG Si-ning，NI Yong-liang，WANG Xue-tao，QI Yu-fei

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072 , China)

According to the load and work characteristics of the in-vehicle electrical equipments, from the perspective of the high-power electrical equipment, researches on the power distribution methods of the resistance, perceptual, capacitive load were conducted,and then a power distribution scheme of the electromechanical hybrid is put forwarded and tested. The test results show that the project can carry out to take to carry to cut over and have short-circuit proof, anti-time limit protection and other functions,and it also meets the requirements of the power distribution of the high-power electrical equipments.

in-vehicle high-power electrical equipments；electormagnetic contactor；solid-state switch

1009-4687(2016)01-0055-05

2015-11-09.

張思寧(1979-),女,高級工程師，研究方向為電氣總體技術.

U463.61;TM561

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