电动汽车充电系统电弧故障的建模与仿真

杜新宇，杨 凯*,，汪建波，孟 辉，董毓利，林清怀

电动汽车充电系统电弧故障的建模与仿真

杜新宇1，杨 凯*1,2，汪建波1，孟 辉2，董毓利3，林清怀2

（1.华侨大学 机电装备过程监测及系统优化福建省高校重点实验室，福建 厦门 361021；2.厦门产业技术研究院，福建 厦门 361001；3.华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021）

动力电池组在充电过程中由于高压线路连接松动、继电器吸合不稳、线路绝缘老化破损等常常引发电弧故障，对线路的安全性造成极大威胁。目前电动汽车充电系统不能有效检测充电过程中的电弧故障，为研究充电电弧故障，论文建立电动汽车充电系统电弧故障模型。模型包括车载充电机电路模型、电弧故障模型以及动力电池组模型。以三相脉冲宽度调制（PWM）整流电路和移相全桥变换电路模拟车载充电机，以Cassie电弧模型作为直流串联电弧故障模型，以MATLAB工具箱中的battery模型模拟动力电池组。经过计算机仿真，得到发生电弧故障时，不同电池荷电状态下动力电池组端电压、电弧两端电压及回路电流的变化规律，为电动汽车充电回路电弧故障识别提供理论依据。

电动汽车；充电系统；电弧故障；模型与仿真

随着电动汽车保有量的增加，充电导致的火灾数量也越来越多。电动汽车传导充电过程中，充电线路温度过高、电池内部出现短路电弧故障等，引发电动汽车充电自燃以及爆炸事故，极大地威胁驾乘人员及路人的安全。因此，充电安全已经成为电动汽车产业推广进程中的重要问题[1-4]。

国内外的学者针对电动汽车充电过程安全问题，制定了绝缘、漏电、过热等安全保护标准，并作了大量的相关研究。电动汽车具有高压线路和低压线路，整体电路较为复杂，随着汽车长期使用，线路绝缘老化、连接松动等往往会产生直流电弧故障。文献[5-7]分别针对电动汽车电弧故障提出基于反向传播（Back Propagation, BP）神经网络算法、小波熵算法以及采用高速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）数字滤波器对电流进行频谱分析的方法对汽车直流电弧故障进行检测。

以上文献针对电动汽车直流电弧故障检测问题进行研究，但是都侧重于电动汽车上高、低压用电设备的电弧故障。动力电池组在充电过程中由于高压线路连接松动、继电器吸合不稳、线路绝缘老化破损等所引发的电弧故障，对线路的安全性造成极大威胁。因此，本文针对电动汽车动力电池组充电电弧故障进行研究，对整体充电回路进行建模，并在此基础上加入电弧故障模型，基于MATLAB/Simulink软件对模型进行仿真，得到电动汽车动力电池组充电过程中出现电弧故障时，回路电参数的变化规律，为电动汽车高压充电回路电弧故障的判别提供依据，对于充电电弧故障的理论研究具有良好的学术价值。

1 充电桩电路拓扑结构

充电桩电路整体拓扑结构包括电网及车载充电机，车载充电机电路包含滤波电路、双向交流直流（Alternating Current-Direct Current, AC-DC）变换电路和双向直流（Direct Current-Direct Current, DC-DC）变换电路[8]。目前主要研究和应用的是三相桥式整流电路加高频DC-DC功率变换装置构成的电动汽车车载充电机[9-10]。

1.1 三相PWM整流电路拓扑

双向AC-DC变换电路模块采用电压型脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器（Voltage Source Rectifier, VSR）。如图1所示为三相半桥VSR拓扑结构，其交流侧采用三相对称的无中线连接方式，并采用六个功率开关管，构成三相PWM整流器[11]。

图1 三相半桥VSR拓扑结构

1.2 移相全桥变换器电路拓扑

全桥型双向DC-DC变换器具有PWM控制和谐振开关的特点，实现了零电压开关，能够减小开关损耗，提高系统的稳定性[12]。本文选择移相全桥型双向DC-DC变换器作为电动汽车充电回路模型中的DC-DC变换器模块。如图2所示为移相全桥DC-DC变换器拓扑结构。

图2 移相全桥DC-DC变换器拓扑结构

将三相PWM整流器输出的直流母线电压与移相全桥DC-DC变换器的输入端连接，得到充电桩整体拓扑结构。

2 充电桩电路控制策略

2.1 三相电压型PWM整流器的控制

三相PWM整流电路采用瞬时无功功率的解耦整流控制策略，调制方式采用空间矢量PWM调制。

瞬时无功功率的解耦整流控制策略的步骤：

1）坐标变换。将三相电流变换为两相旋转坐标系下的直流量，规定轴方向为电动势方向，控制整流器工作于整流模式，功率因数为1。

2）电流内环控制设计。三相VSR的轴电流分量ii相互耦合，引入前馈解耦控制，采用比例-积分（Proportion Integration, PI）调节电流环。中频宽的取值为5，选择按照典型II型系统设计电流内环调节器，最终得到电流内环的PI控制参数公式为

式中，iP为电流环比例调节增益，iL为电流环积分调节增益，S=为电路开关管的开关周期，PWM为三相VSR的等效增益。

3）电压外环控制设计。电压环作为电流环的外环，稳定三相VSR直流输出电压。选择典型II型系统设计PI调节器，采用典型II型系统设计系统控制器，令频宽v=5，可得电压环的PI调节参数为[13]

式中，vP为电压环比例调节增益，vI为电压环积分调节增益。

2.2 双向DC-DC变换器的控制

在充电模式中，DC-DC变换器的后级功率开关管无需驱动信号，仅需要反并联的二极管实现全桥整流即可。

移相全桥DC-DC变换器采用移相控制方式。斜对角的功率开关管同时导通和关断，先导通的功率开关管称为超前桥臂，后导通的功率开关管称为滞后桥臂，超前桥臂和滞后桥臂导通时间上相差的相位角称为移相角，调节移相角的大小即可调节输出电压的脉宽，达到调节输出电压的目的。移相全桥变换器采用恒压闭环控制策略，控制器为比例积分控制[14]。

3 电弧故障仿真模块

Mayr模型和Cassie模型作为典型的黑盒模型，描述了电弧的外部特性。Mayr模型能够表示高电阻情况下的电弧特性并且只能用于小电流时开断，而Cassie模型对低电阻大电流的情况更为适合且准确性较高。由于电动汽车动力电池组内阻较小，充电时的额定电流较大，故本文选取Cassie模型作为电动汽车充电回路的电弧故障仿真模型。

使用Simulink中的元件建立Cassie电弧仿真模型，主要组成部分有微分方程编辑器、电压控制电流源、定制检测以及阶跃信号等。Cassie电弧模型的微分方程式为

式中，为电弧电导；为瞬时电弧电压；c为电弧电压常数；为电弧时间常数。

4 模型仿真

4.1 仿真参数选取及模型建立

使用MATLAB/Simulink软件建立电路模型，选用battery电池模块作为电动汽车动力锂离子电池模型，仿真模型结构图如图3所示。

4.2 仿真结果与分析

对建立好的模型进行仿真，三相交流电经过三相PWM整流电路AC-DC转换后，输出稳定的直流母线电压。三相VSR输入功率因数趋近于1，网侧电压电流同相位，三相VSR工作于整流状态。

直流母线电压作为移相全桥变换器的输入电压，经过DC-DC变换后输出电压为402 V的可供电动汽车锂离子电池组充电的直流电，移相全桥变换器输出电压波形如图4所示。设置电池模块类型为锂离子，电池额定容量为153 Ah，荷电状态（State Of Charge, SOC）为90 %。图5为电池SOC曲线，正常充电时锂离子电池SOC线性增大。

图3 仿真模型结构图

图4 输出电压波形图

图5 电池电荷状态SOC

在充电桩与动力锂离子电池的充电回路中，串联电弧故障模型。通过查阅相关文献、产品参数以及实际实验数据的计算，设置Cassie电弧模型的时间常数=1.368×10-4s，电压常数c=3 000 V，电弧电导=1×104，触头分断时间为0.7 s。设置battery模块的SOC值从10%～90%分别进行仿真，在同一坐标系中绘制电池电流、电池电压、电弧两端电压的曲线，如图6—图9所示。

图6 不同SOC电池充电电流曲线

仿真模型在触头分断前，充电桩电路模型对锂离子电池模块正常充电，在0.7 s时刻，电弧模型的触头开始分断，线路发生电弧故障。由图6可知，在0.7 s发生电弧故障后，经过2.4×10-3s，电流变为0 A。在不同SOC下对锂电池模型充电时，SOC越大，充电电流绝对值越小。发生电弧故障时，不同SOC下电池充电电流变为零的速率不同，SOC越小时，速率越大。

图7 不同SOC电池充电电压曲线

图8 SOC50%～SOC90%电池充电电压曲线

图9 不同SOC电弧两端电压曲线

由图7可知，发生电弧故障前，电池电压上升曲线为battery模型的充电曲线，发生电弧故障后，电池电压数值减小至指数区默认设定的电压值，减小曲线为锂离子电池放电曲线。由于SOC不同时，电池充电电压相差较大，在同一坐标系下绘图所得特征不容易观测，因此，将SOC= 50%～90%时电池充电电压曲线绘制在同一坐标系中，如图8所示。根据图像斜率计算，在不同SOC下，电池电压的下降速率不同，SOC越大，电池电压下降速率越大。

如图9所示，在0.7 s发生电弧故障后，延迟2 ms后，电弧两端电压从零开始上升，随后电弧两端电压趋向于充电桩回路输出电压与锂电池额定电压之间的压差值。不同SOC下，其压差值不同。

5 结论

本文建立三相PWM整流电路和移相全桥DC-DC变换电路的车载充电机模型对动力电池组模型充电，采用Cassie电弧模型对充电过程中高压直流线路的电弧进行仿真，仿真结果表明：

1）本文所建立的充电桩电路模型能够在理想情况下实现对锂电池模块充电，充电控制策略逻辑得以验证；

2）以Cassie电弧模型作为充电回路高压直流电弧故障仿真模型，能够表征高电压动力锂离子电池组充电回路产生电弧的电压电流特性；

3）在不同SOC下发生电弧故障时，所得到的电压电流特征不同。SOC越小，发生电弧故障时电流的变化率越大，电池组端电压的变化率越小。

电动汽车充电回路的电弧故障仿真研究，能够得到电弧故障电压电流规律，对于识别电动汽车充电电弧故障、防范电动汽车火灾的发生以及保障驾乘人员和路人的安全具有重要意义。仿真结果提供多种SOC下的结果，节约了实验成本，对于电动汽车充电回路电弧故障的识别研究提供理论依据。

[1] 应急管理部消防救援局.2020年全国火灾情况[EB/ OL].(2021-02-01) [2022-12-13].https://www. 119.gov. cn/article/41kpo4CAQyv/.

[2] 于东民,杨超,蒋林洳,等.电动汽车充电安全防护研究综述[J].中国电机工程学报,2022,42(6):2145-2164.

[3] 冯汝广,许璇,焦南,等.电动客车充电安全保护系统的设计[J].现代制造技术与装备,2019(4):104-105.

[4] 何志静,刘卯.电动汽车充电安全分析与解决方案研究[J].山东工业技术,2017(13):47.

[5] XIA K,GUO H,HE S,et al.Binary Classification Model Based on Machine Learning Algorithm for the DC Serial Arc Detection in Electric Vehicle Battery System [J].IET Power Electronics,2019,12(1):112-119.

[6] 曾庆文.汽车电弧故障检测方法研究[D].厦门:华侨大学,2016.

[7] 冯相如,鲍伟.用于电动汽车的故障电弧检测装置: CN103869226A[P].2014-06-18.

[8] 高涵.级联型高效6.6kW电动汽车车载充电机研制[D].厦门:厦门大学,2020.

[9] 彭飞帆,李晓倩,曹铭.基于dSPACE的电动汽车通信协议的研究与仿真[J].电源技术,2021,45(5):641-644.

[10] 周念成,王佳佳,王强钢,等.电动汽车三相不控整流充电机频域谐波模型[J].电工技术学报,2016,31(8): 156-162.

[11] 李灿,刘国旺,龙玉莲,等.三相高功率PWM整流变换器的设计与开发[J].电力电子技术,2021,55(1):104- 107.

[12] 张纯江,李旭明,刘明,等.三电平双向全桥多谐振DC/DC变换器研究[J/OL].电源学报:1-9.(2022-07-28) [2022-12-27].http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.TM.20220728.1459.002.html

[13] 赵振民,王铮.三相电压型PWM整流器的双闭环控制研究[J].电子测试,2022,36(7):43-46,51.

[14] 王颖.3kW电动汽车车载充电机的设计与实现[D].武汉:武汉理工大学,2019.

Modeling and Simulation of Arc Fault in the Charging System of Electric Vehicles

DU Xinyu1, YANG Kai*1,2, WANG Jianbo1, MENG Hui2, DONG Yuli3, LIN Qinghuai2

( 1.Key Laboratory of Mechanical and Electrical Equipment Process Monitoring and System Optimization,Huaqiao University, Xiamen 361021, China; 2.Xiamen Industrial Technology Research Institute,Xiamen 361001, China; 3.College of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China )

Due to the loose connection of high-voltage line, unstable suction of relay, aging damage of line insulation and other reasons, arc fault is often caused, which poses a great threat to the safety of the circuit.The current electric vehicle charging system can not effectively detects the arc fault in the charging process. This paper establishes an arc fault model of charging system.The model includes vehicle charging circuit model, arc fault model and pack model.The three phase pulse width modulation (PWM)rectifier circuit and phase shift full bridge transform circuit are used to simulate the vehicle-mounted charger, the Cassie arc model is used as the direct current series arc fault model, and the battery model in MATLAB toolbox is used to simulate the battery. Through computer simulation, the changes of terminal voltage of power battery pack, voltage at both ends of arc and circuit current under different state of charge are obtained, which provides a theoretical basis for electric vehicle charging circuit arc fault identification.

Electric vehicles; Charging system; Arc fault; Model and simulation

TM714

A

1671-7988(2023)10-01-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.001

杜新宇（1996—），男，硕士研究生，研究方向为电动汽车充电系统故障诊断，E-mail:1040300884@qq.com。

杨凯（1985—），男，博士，讲师，研究方向为电动车、动力电池系统电气故障诊断，E-mail:yangkai1@hqu.edu.cn。

国家自然科学基金面上项目（52175508）；中国博士后科学基金资助项目（2021M691861）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（ZQN-1001）。