谈谈EV中的主动放电

EV中的主动放电功能一般都用于给电驱系统的DC link电容放电。

DC link电容的电压很高(400V或800V)并且容值较大(mf级别),所以需要在EV驻车或发生碰撞事故时,尽快把存储在电容内的能量释放掉,以避免对人造成危害。

大致的电路如下,pyro-fuse的触发信号或者车辆的驻车信号发送给SCR,使SCR导通形成主动放电回路。涉及的元器件就是DC link cap、放电电阻R、放电开关SCR这三个。

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我们把SCR导通后看作是短路,那么放电时间的长短就只取决于R、C的大小。根据电容充放电的公式:

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V(t):t时刻电容两端的电压(取人体的安全电压48V)

V(0):电容的初始电压(以400V为例)

t:放电时间(需要求的参数)

R:放电电阻的阻值(取100ohm)

C:电容的容值(取1000uf,电驱中的DC link电容一般都比较大)

OK,用excel表格来算一下放电时间 t = 0.212s

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借用一下某大厂的资料,在ISO 6469 Part 4的标准中,要求高压需要在车辆熄火后5s内降低到60V以下的安全电压以下。原文如下:

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因此,我们计算得到的放电时间t=0.212s << 5s, 可以满足要求。

当然,这只是车辆熄火时的要求。在车辆发生碰撞事故时,我们会希望放电时间t尽可能的短,以保证安全。假设我们以t=1ms为设计目标再计算一下,我们就需要把放电电阻的阻值减小到0.5ohm。

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同时我们还可以计算得到一些SCR选型时需要关注的参数:

Ip=800A(放电时的峰值电流)

I^2t=136A^2s(放电电流所产生的脉冲能量)

di/dt=1.6A/us(放电电流的电流变化率)

Littelfuse的SJxx40xxA Series SCR是一款非常适用于EV主动放电应用的SCR,让我们来对比一下参数。

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*电容放电波形是指数波形,SCR规格书中的测试波形是正弦波,所以需要乘以校正系数K=0.503,然后再和规格书中的值做比较。

可以看出上述关键参数都能满足选型要求附上规格书供参考

littelfuse-thyristor-SJxx40xxA-datasheet.pdf

OK,最后跑个LTspice看看仿真的结果。

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t=1.27ms;Ip=658A;  I^2t=133A^2s。

可以看到,仿真的结果和计算的结果还是比较接近的。造成差异的原因,可能是电容的ESR、SCR的导通压降等参数在计算中都被忽略了。

最后再补充说几点:

1. 主动放电不仅会作用于DC Link电容,还有可能会作用于电机中所存储能量的释放,就像前文ISO 6469 Part4标准的那张图中的蓝色部分,指的就是电机能量的释放。所以,对于SCR的I^2t的选择需要留有足够大的余量。

2. 其实本质上SCR就是起一个开关的作用,需要放电时导通一下;不需要时一直是截止状态。所以MOSFET、IGBT、SiC都是可以选择的器件。

3. 选择SCR主要有2个好处

(1)SCR是半控器件,只需要给G端一个开启信号,放电过程结束后SCR可自行关断。控制非常简单。

(2)相对来说SCR的抗浪涌电流能力(I^2t)要比MOSFET、IGBT等更强,在电容放电的应用场景会更适用。

4. 既然有主动放电,那相对的也有被动放电。即通过电机和回路自身的阻抗来放电,在电压比较低电容容量比较小的场景,这也是一种可行的方案。

5. 800V系统的主动放电需要用1200V的SCR,目前市面上1200V的SCR相对较少。Littelfuse的CLA50E1200HB有很高的浪涌电流耐受能力,从参数上看可以满足要求,目前正在进行AEC-Q101的认证。附上规格书供参考littelfuse-discrete-thyristor-CLA50E1200HB-datasheet.pdf

文章来源:Littelfuse