電動汽車預充電過程研究

李永慶，孟 偉

（長城汽車股份有限公司技術(shù)研究院，河北 保定 071000）

能源危機和環(huán)境污染與日俱增，在能源消耗和環(huán)境污染方面，汽車的影響不容忽視。發(fā)展高效、節(jié)能、低噪聲、零排放的清潔型電動汽車已成為國內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。為了改善電動汽車的動力性和能量利用率，動力蓄電池的電壓越來越高，由原來的幾十伏上升到現(xiàn)在的幾百伏，所以需要配備專門的系統(tǒng)來管理高壓系統(tǒng)的安全。在電動汽車上不但需要配備專門的車載高壓電安全管理系統(tǒng)，而且還應該設計專門的安全測試系統(tǒng)來監(jiān)測車載高壓電安全管理系統(tǒng)，以進行不定期的安全狀況監(jiān)測。

根據(jù)電動汽車和人體安全標準，在最大交流工作電壓小于660V，最大直流工作電壓小于1000V，以及整車質(zhì)量小于3500kg的條件下，電動汽車的高壓安全要求如下：①人體的安全電壓低于35V，觸電電流和持續(xù)時間乘積的最大值小于30mA·s；②絕緣電阻除以蓄電池的額定電壓至少應該大于1000Ω／V，最好是能夠確保大于500 Ω／V；③對于高于60 V的高壓系統(tǒng)的上電過程至少需要100ms，在上電過程中應該采用預充電過程來避免高壓沖擊；④在任何情況下，繼電器斷開時間應該小于20ms，當高壓系統(tǒng)斷開后1s，汽車的任何導電部分和可觸及部分搭鐵電壓的峰值應當小于42.4 V（交流）或60 V（直流），儲存的能量應該小于20J。

根據(jù)上述安全要求，預充電管理是新能源汽車中必不可少的重要環(huán)節(jié)，其中，電動汽車預充電的主要作用是給電機控制器 （即逆變器）的大電容進行充電，以減少接觸器接觸時火花拉弧，降低沖擊，增加安全性。某逆變器實物圖如圖1所示。

對于預充電完成的判斷，現(xiàn)有技術(shù)的預充電控制策略研究基本分為3種：①采集電機控制器直流母線電流，當直流母線電流接近0 A時，輸出預充完成信號；②分別采集車載動力蓄電池的電壓、電機控制器電壓，然后將2個電壓值進行比較，2處電壓趨于相等時，輸出預充完成信號，本文采用此種方式，當電壓值達到動力蓄電池電壓90%時，認為預充電完成；③采集電機控制器直流母線電壓，當直流母線電壓達到設定的欠壓保護點，經(jīng)過延時后，輸出預充完成信號。由于電流傳感器和電壓電流采樣精度偏差、車載動力電源管理系統(tǒng)一致性、器件穩(wěn)定性等問題，可能控制器輸出預充完成信號時實際預充電未完成，導致車載動力蓄電池與預充電容直流母線存在電壓差，未消除瞬時大電流沖擊風險，影響電機控制器的安全性和可靠性，或者輸出預充完成信號時實際預充電早已完成，導致降低控制率。故而，在預充過程中，監(jiān)測各參數(shù)變化用以判斷預充電完成、故障等尤為重要。

1 無預充電分析

以某兩廂純電動汽車蓄電池、蓄電池管理系統(tǒng)、電機控制器、預充電系統(tǒng)為例，整車動力蓄電池系統(tǒng)由9并102串磷酸鐵鋰電芯串聯(lián)組成，電芯規(guī)格為36800MP（3.2V 6.5Ah），電容容量C=0000μF，簡化預充電結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，蓄電池所帶的電機控制器負載前端都有較大的電容C，在冷態(tài)啟動時，C上無電荷或只有很低的殘留電壓。當無預充電時，主繼電器K+、K－直接與C接通，此時蓄電池電壓UB有326.4 V高壓，而負載電容C上電壓接近0，相當于瞬間短路，負載電阻僅僅是導線和繼電器觸點的電阻，一般遠小于20 mΩ。根據(jù)歐姆定律，回路電阻按20 mΩ計算，UB－UC壓差按326.4 V計算，瞬間電流I=326.4／0.02=16320A。繼電器K+及K－必損壞無疑。

2 參數(shù)匹配分析

圖3為預充電過程波形。加入預充電過程，K+先斷開，使擁有較大阻抗的KP和R構(gòu)成的預充電回路先接通，當預充電電路工作時，負載電容C上的電壓UC越來越高 （預充電電流IP=（UB－UC）／R越來越?。斀咏铍姵仉妷篣B時 （即圖3中的ΔU足夠小，一般小于UB的10%），切斷預充電繼電器KP，接通主繼電器K+，不再有大電流沖擊。因為此時UB－UC很小，所以電流小。

通常選擇預充電電阻范圍為20～100 Ω，此項目選用R=25Ω。UB與UC壓差仍然按326.4V計算，在接通一瞬間，流過預充電回路進入電容C的最大電流IP=326.4／25= 13.056A。此時，選擇預充繼電器容量15A，預充電回路安全，同時能保證K+閉合時沒有沖擊電流存在。

將上述電路做一階電路零狀態(tài)響應等效分析，可得到UC、IP如下

式中：τ——RC電路的時間常數(shù)，τ=RC。

由理論公式知道，UC、IP在預充電過程中應符合一定的變化規(guī)律、特點，同時，預充電又由蓄電池及外部負載共同作用，兩者狀況會影響預充電進程，因此，通過監(jiān)測預充過程中UC、IP的變化檢測預充過程是否成功，是否有故障發(fā)生以及故障類型。

1）電壓UC增長速度慢于預期UC、IP增長速度大于預期I

故障1：絕緣故障。負載因故障有短路或較小阻性負載，如電容被擊穿等，會導致預充電過程中UC始終上不去 （電壓始終降在預充電電阻R上）。此時電流過大，預充電電阻放熱量增大，燒毀電阻，同時導致預充電過程失敗，主繼電器不能接通，后續(xù)無法工作。此時，預充回路電流會流入整車低壓電氣網(wǎng)絡，存在與乘員直接接觸的隱患，故而在已確定故障情況下，應迅速斷開預充電回路，并在專業(yè)人員維修檢測之前禁止整車上電行駛。

故障2：RC變大。在設計或安裝過程中，失誤會造成匹配不當；在使用中，因時間、環(huán)境等因素造成電容的電極腐蝕、電介質(zhì)電老化與熱老化、自愈效應等失效，影響C的參數(shù)變化；線與線及線與電極的接觸電阻增大會造成R值變化。

2）電壓增長速度快于預期、IP增長速度大于預期I或等于0

故障1：斷路、開路。負載開路導致假預充電完成，可能的原因有負載未接線或者電容因故障斷路，如引出線與電極接觸表面氧化、接觸不良，造成低電平開路；液體電解質(zhì)干涸或凍結(jié)等。此時，BMS通過輸出口檢測到的UC不是真正負載電容上的電壓，而是蓄電池組的開路電壓 （OCV），馬上得到虛假的UC=UB的信息，可能導致預充電結(jié)束，直接接通主繼電器，但因為輸出開路，并無危險。但是，如果此時負載突然加上，因為預充電已結(jié)束，沒有預充電路的電阻R限制電流，將會產(chǎn)生超大電流，損害線路或繼電器。因此，在一般的預充電策略中，一上電就完成的可以判為故障，后續(xù)禁止進行。此種情況下可通過查詢預充電回路導通情況確定問題。

故障2：RC變小。在設計或安裝過程中，失誤會造成匹配不當；電容在使用過程中隨著銀離子遷移、電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)改變、在高濕度或低氣壓環(huán)境中極間飛弧等原因造成C的參數(shù)值變小，影響預充結(jié)果。

為避免預充電失效情況發(fā)生，在各元件選取時，應首先選用汽車級產(chǎn)品，工業(yè)級產(chǎn)品不適用；某些易絕緣失效、易碰觸部位應在已有絕緣保護的前提下，添加額外保護措施，減少磨損以及人為原因?qū)﹄娐吩斐傻膿p害，降低故障發(fā)生率。

3 試驗性能

圖4為電壓檢測模塊電路。由圖4可以推導出以下公式

式中：U0——單片機采集到的電壓值；UZ——蓄電池包總電壓值，R20、R21、R22、R23、R24——分壓電阻——放大倍數(shù)。

在上述試驗車上做驗證，改變RC值和絕緣特性，試驗結(jié)果見表1。

表1 電氣測試結(jié)果

4 結(jié)論

電動汽車、混合動力汽車的發(fā)展已是必然趨勢，但為了提高能源利用率、提升系統(tǒng)動力性，致使現(xiàn)階段動力蓄電池系統(tǒng)大部分為高壓，對駕駛員、乘客安全存在著隱患，因此，在高壓設計過程中，加入預充電管理是法規(guī)標準和安全設計的必然要求。在設計過程中，合理的檢測方式和策略不僅能判斷預充電過程是否成功，而且能在車輛起動前對充電失敗進行判斷，識別故障可能發(fā)生的類型及部位，降低了蓄電池管理系統(tǒng)及整車控制器的安全管理壓力，提升整車安全性，促進新能源汽車行業(yè)盡快推廣。

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