繼電器控制及診斷在電動汽車動力電池包的應用

卜凡濤，劉木林

（東軟睿馳汽車技術(shù) （沈陽）有限公司，遼寧 沈陽 110000）

為保證國家能源安全并有效降低碳排放量，新能源汽車已經(jīng)成為中國“十二五”規(guī)劃中大力培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一［1］。2019年上半年，中國新能源乘用車銷量達到57.7萬輛，同比增長65.9%。相較于前幾年低開高走、后期發(fā)力的趨勢，銷量在今年呈波浪狀上升，體現(xiàn)了市場在后補貼時代對新能源產(chǎn)品的認可。世界范圍看，2019年1～5月，中國新能源乘用車在全球市場份額占比高達53%，是歷史最高水平。新造車勢力如蔚來、威馬小鵬等均在今年實現(xiàn)成規(guī)模的交付，傳統(tǒng)自主車企如比亞迪、吉利北汽等依靠自身產(chǎn)能規(guī)?；图夹g(shù)等既有優(yōu)勢，也取得了不錯的銷量［2］。動力電池是電動汽車的重要動力來源，動力電池的安全性是電動汽車發(fā)展過程中首先要考慮和解決的問題［3］。高壓的安全是保證電池安全的重要因素，在緊急情況下必須斷開繼電器以保證動力電池不會輸出電力。本文主要針對電池包的高壓控制邏輯及診斷策略。

1 繼電器控制邏輯

1.1 電池包內(nèi)繼電器分布

動力電池包內(nèi)一般會有3個繼電器：主正繼電器、預充繼電器和主負繼電器。電池包內(nèi)高壓原理圖見圖1。

動力電池包輸出電力的接口是唯一的，只有當總負繼電器和總正 （或預充）繼電器閉合才能輸出電力到整車。當出現(xiàn)緊急故障時必須切斷所有繼電器，保證動力電池包不再輸出電力，切斷電動汽車的動力。

1.2 繼電器控制邏輯

BMS在控制繼電器閉合時是需要一定的時序的，時序圖見圖2。

為了防止電池包與整車側(cè)負載的壓差導致大電流燒壞繼電器，在預充回路中加入了預充電阻和預充繼電器來減小閉合總負繼電器和預充繼電器后電池包的輸出電流。當預充電壓達到電池包總壓的95%時認為預充成功，閉合總正繼電器，然后斷開預充繼電器，電池包處于可放電狀態(tài)。

當電動汽車下電時，繼電器斷開也是需要一定的時序，時序見圖3。

繼電器下電時，由于整車端存在X電容，整車端的電壓會有一個緩慢下降的過程 （電容泄放），在進行繼電器診斷時，要特別注意待電容泄放完畢后進行診斷。診斷邏輯在下一個章節(jié)中介紹。

圖1 電池包內(nèi)高壓原理圖

2 繼電器診斷策略

繼電器診斷包括驅(qū)動回路診斷、繼電器無法閉合診斷、繼電器黏連診斷。

2.1 驅(qū)動回路診斷

繼電器的控制是由BMS（電池管理系統(tǒng)）輸出高低邊到繼電器的線圈，從而控制了繼電器的斷開和吸合。為了實現(xiàn)繼電器的可靠設(shè)計，由BMS同時控制線圈的高低邊來保證不會出現(xiàn)由于干擾導致的繼電器誤操作。在BMS的硬件電路中，不僅設(shè)計高低邊控制，還需要設(shè)計對驅(qū)動回路的診斷。診斷內(nèi)容包括線圈對搭鐵短路、線圈短電源和線圈開路故障。硬件電路的框圖見圖4。圖4中HSD_AD為高邊電壓信號，LSD_AD為低邊電壓信號，IS_AD為高邊控制回路中的電流，CPSR為繼電器供電電源。

1）當繼電器的控制信號為斷開時，診斷策略見表1。

圖2 繼電器閉合時序

圖3 繼電器斷開時序

表1 控制信號為斷開的診斷策略

圖4 繼電器驅(qū)動回路的硬件設(shè)計電路圖

2）當繼電器的控制信號為閉合時，診斷策略見表2。

表2 控制信號為閉合的診斷策略

2.2 繼電器高壓回路診斷

繼電器高壓回路診斷包括繼電器無法閉合診斷和繼電器黏連診斷。診斷方式是通過采集電池包高壓回路的電壓法來判斷。高壓回路的電壓采樣點見圖5。

圖5中，GND為高壓參考搭鐵，A、B、C為高壓采樣點。

圖5 高壓回路電壓采樣點分布

2.2.1 繼電器無法閉合診斷

1）預充繼電器無法閉合 預充繼電器的控制指令為閉合，且已經(jīng)閉合超過50ms，主負和主正繼電器的控制指令為斷開，此時進行預充繼電器無法閉合診斷。當滿足以下條件且持續(xù)100ms，判斷預充繼電器為無法閉合。

2）主正繼電器無法閉合 當主正繼電器控制指令為閉合，而預充繼電器控制指令為斷開時，進行主正繼電器無法閉合診斷。當滿足以下條件且持續(xù)100ms，判斷主正繼電器為無法閉合。

3）主負繼電器無法閉合 當主正繼電器和主負繼電器控制指令為閉合，且主正繼電器確認沒有無法閉合故障，進行主負繼電器無法閉合診斷。當滿足以下條件且持續(xù)100ms，判斷主負繼電器為無法閉合。

2.2.2 繼電器黏連診斷

1）主正繼電器黏連 當主正繼電器和主負繼電器的控制指令為斷開，且已經(jīng)持續(xù)2s（等待電容泄放時間）以上時進行主正繼電器黏連診斷。當滿足以下條件且持續(xù)100ms，判斷為主正繼電器黏連。

2）預充繼電器黏連 由于主正繼電器和預充繼電器在一個高壓回路中，無法區(qū)別主正繼電器和預充繼電器的黏連。

3）主負繼電器黏連 當主負繼電器控制指令為斷開，且主正繼電器黏連或預充繼電器閉合，進行主負繼電器黏連診斷。當滿足以下條件且持續(xù)100ms，判斷為主負繼電器黏連。

3 總結(jié)

上述介紹了電池包高壓回路的繼電器控制邏輯及診斷策略。通過合理控制繼電器和對繼電器的診斷，保證了高壓安全。上述部分已應用在實車開發(fā)，且效果良好。