220v的电容为什么会烧掉 为什么给电容充电的电阻经常烧

暗示我的爱 2023-04-13 06:06:26

为什么给电容充电的电阻经常烧？原因让你想不到，教你永不烧坏的方法

引理

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。

一阶电容电阻充电电路分析

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。

应用KVL，列写回路电流方程

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。

先求齐次方程的通解：设齐次方程的通解为Ae^(at)，则：

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：

当t=0时，Uc=0，可求出A=-Ub。最终获得Uc公式：

根据电容的特性方程，求出电阻R流过的电流公式：

电阻R流过的电流在t=0时刻最大，由电流公式可知，电流最大值为：

电阻电流经过3个时间常数RC后，衰减为Imax*5%。

下面计算给电容充电的过程中，电阻消耗的能量：

电容C储存的能量：

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。

实例计算

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。

提高电容充电效率的方法

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？

假设第一次给电容充电控制电容电压为Ub/N,则电阻上消耗的能量为：

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：

当t=0时，Uc=Ub/N，可知，A=-Ub/N。所以电容电压值为：

计算电阻R在第二次电容充电时消耗的能量：

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

如果反复给电容充电N次，则电容电压到达Ub，此时电容总消耗的能量为：

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。

结论

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。

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