電動(dòng)汽車預(yù)充電電路設(shè)計(jì)研究＊

劉金配，黃祖朋，鄧海文，羅儒

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

前言

在氣候變化、能源緊缺，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)背景下，新能源電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生。隨著充電基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)政策和購(gòu)置補(bǔ)貼政策實(shí)施強(qiáng)度的增加，新能源汽車消費(fèi)量不斷增加，新能源汽車展現(xiàn)一派欣欣向榮的大好景象。相比燃油車，電動(dòng)汽車以高壓電源作為驅(qū)動(dòng)能源，通過電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。在高壓系統(tǒng)中，電機(jī)控制器、車載充電機(jī)、DC/DC變化器、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)等高壓用電器多為容性負(fù)載，而高壓系統(tǒng)回路中阻抗僅為動(dòng)力電池內(nèi)阻和高壓線束內(nèi)阻之和，等效RC電路圖如圖1所示。

以國(guó)內(nèi)某Y車型純電動(dòng)車為例，動(dòng)力電池內(nèi)阻和高壓線束內(nèi)阻之和R=0.04Ω，動(dòng)力電池最高電壓U=112V，根據(jù)RC電路充放電特性，將動(dòng)力電池直接接通容性負(fù)載時(shí)，接通瞬間電流，計(jì)算值為3200A。巨大的瞬間沖擊電流將損害系統(tǒng)中的電氣元件，且隨著動(dòng)力電池的電壓越來越高，沖擊電流產(chǎn)生的危害會(huì)越來越大。

圖1 等效RC電路圖

1 高壓預(yù)充電電路設(shè)計(jì)

高壓預(yù)充電電路是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車高壓安全的一個(gè)重要的措施。預(yù)充電是指在接通容性負(fù)載與動(dòng)力電池的主繼電器前，先用小電流給容性負(fù)載電容充電，當(dāng)容性負(fù)載與動(dòng)力電池電壓差小于某一設(shè)定值后，再接通繼電器，從而可有效避免繼電器閉合瞬間大電流沖擊的危害。

如圖2所示為Y車型的高壓預(yù)充電電路。電池的內(nèi)總壓E=80～112V，高壓系統(tǒng)等效電容值 C=9600uF，電池內(nèi)阻r0=30mΩ，高壓線纜電阻r1=10mΩ。

圖2 預(yù)充電電路高壓回路

1.1 預(yù)充繼電器選定

為提高駕駛員駕駛體驗(yàn)，上電時(shí)長(zhǎng)一般控制住1s以內(nèi)，即預(yù)充時(shí)間小于1s。預(yù)充繼電器主要起到開關(guān)作用，不是載流。考慮整車成本，預(yù)充繼電器應(yīng)盡可能選擇小電流，耐沖擊能力好的繼電器。目前主流的有5A/450V、10A/450V、20A/450V規(guī)格的繼電器，該項(xiàng)目電壓平臺(tái)不高，選用 5A/450V規(guī)格也能滿足需求，最終選定5A/450V規(guī)格的繼電器作為預(yù)充繼電器。

1.2 預(yù)充電阻選定

考慮預(yù)充繼電器使用壽命，預(yù)充繼電器閉合瞬間電流應(yīng)小于5A，根據(jù)安培定律得式（1）：

式中R為預(yù)充電阻。根據(jù)常見預(yù)充電阻列表，選定預(yù)充電阻值R=25Ω。

式中U1為電容最終能到電壓值，U1=E；U0為t=0時(shí)電容電壓；Ut為t時(shí)刻電容電壓。該車型設(shè)定的預(yù)充條件為電池內(nèi)總壓E與電容電壓Ut差值小于等于4V，即Ut=E-4；由U0=0，計(jì)算得預(yù)充完成所需時(shí)間t=0.8s。

由于預(yù)充電過程預(yù)充電阻通過電流，會(huì)在短時(shí)間產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時(shí)發(fā)散，會(huì)導(dǎo)致預(yù)充電阻燒損，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致動(dòng)力電池起火，因此預(yù)充電阻的散熱功率需要與預(yù)充時(shí)預(yù)充電阻發(fā)熱功率匹配。預(yù)充電阻在預(yù)充時(shí)產(chǎn)生的能量，電阻在t時(shí)間內(nèi)平均功率得式（3）：

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)t取值（0，0.8）時(shí)，Pmax=103W。

本文選用的預(yù)充電阻為黃金鋁殼電阻RXG24，其常見額定功率見表1。

表1 黃金鋁殼常見型號(hào)

黃金鋁殼電阻散熱性好，由持續(xù)過載曲線看出，黃金鋁殼電阻短時(shí)間持續(xù)過載能力很強(qiáng)。由于該車型單次預(yù)充時(shí)間t=0.8s，考慮多次預(yù)充情況，選型時(shí)按3個(gè)預(yù)充時(shí)間周期的過載能力。在2.4s時(shí)間內(nèi)，RXG24持續(xù)熱過載達(dá)到額定功率的9倍。從安全角度考慮，預(yù)充電阻選型時(shí)需留有一定余量，最終選定黃金鋁殼預(yù)充電阻RXG24 25Ω/20W。

圖3 RXG24持續(xù)過載曲線

2 預(yù)充電策略分析

該車型采用的預(yù)充電控制策略如圖4 所示。電池管理系統(tǒng)（BMS）接收整車控制器（VCU）“允許閉合高壓”指令后，BMS先閉合預(yù)充繼電器K3，然后閉合主負(fù)繼電器K2（如圖2所示）；此時(shí)因主正繼電器K1斷開，預(yù)充電阻接入回路，動(dòng)力電池會(huì)持續(xù)以小于5A的電流給負(fù)載電容充電。在充電過程中，BMS會(huì)持續(xù)采集動(dòng)力電池內(nèi)外總壓，同時(shí)接受MCU發(fā)出的母線電壓，并比較“U內(nèi)與U外”“U內(nèi)與U母”差值。在一個(gè)預(yù)充時(shí)間周期（0.8s）內(nèi)，若判斷電壓差值滿足“U內(nèi)-U外≤4”且“U內(nèi)-U母≤4”，則BMS發(fā)送預(yù)充正常，并閉合主正繼電器，然后斷開預(yù)充繼電器。當(dāng)?shù)谝淮纬潆姇r(shí)間超過一個(gè)預(yù)充時(shí)間周期，判斷電壓差值仍然無法滿足要求，本策略會(huì)允許進(jìn)入下一個(gè)預(yù)充時(shí)間周期，繼續(xù)進(jìn)行正常預(yù)充電流程，只有當(dāng)?shù)诙€(gè)預(yù)充時(shí)間周期結(jié)束后，仍然無法滿足預(yù)充判定條件，BMS才會(huì)發(fā)送“預(yù)充失敗”故障，同時(shí)斷開主負(fù)繼電器和預(yù)充繼電器[1]。該車型策略具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）采集動(dòng)力電池外壓的同時(shí)，接受MCU發(fā)出的母線電壓，并同時(shí)用于判定條件。減少因單點(diǎn)電壓采集精度不準(zhǔn)導(dǎo)致預(yù)充失效的風(fēng)險(xiǎn)；

（2）兩個(gè)判定條件“U內(nèi)-U外≤4”和“U內(nèi)-U母≤4”采用“與”的關(guān)系，可避免BMS或MCU電壓采集漂移時(shí)，采集電壓飄高，導(dǎo)致誤判預(yù)充完成，在預(yù)充不充分下，提前閉合主正繼電器產(chǎn)生的大電流危害；

（3）第二個(gè)預(yù)充時(shí)間周期后，仍然無法滿足判定條件，則退出預(yù)充流程。既可以避免因采集不準(zhǔn)或指令延時(shí)的問題導(dǎo)致誤判預(yù)充失效問題，又可以避免預(yù)充失敗后，不退出預(yù)充流程導(dǎo)致預(yù)充電阻持續(xù)產(chǎn)生熱量而過熱燒損的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 預(yù)充電流程圖

3 實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證

通過實(shí)車進(jìn)行上電預(yù)充測(cè)試，得到圖5所示整車高壓預(yù)充電曲線，其中通道1為電流曲線，通道2為電壓曲線。從圖中可以看出，預(yù)充、主負(fù)繼電器閉合后，預(yù)充電流5A，并逐漸減??；MCU母線電壓從0V開始逐漸上升，且上升速率逐漸變緩。預(yù)充時(shí)間周期為750ms左右，系統(tǒng)就已完成預(yù)充電，閉合主正繼電器時(shí)，電池內(nèi)外壓差小于4V，瞬間沖擊電流小于40A。因此，經(jīng)過驗(yàn)證本文預(yù)充電電路滿足設(shè)計(jì)和使用要求[2]。

圖5 預(yù)充電曲線圖

4 常見預(yù)充失效模式分析

在實(shí)際應(yīng)用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)充失敗故障，以下列舉幾個(gè)常見預(yù)充失效模式：

（1）外部負(fù)載短路

外部負(fù)載短路是最常見預(yù)充失效模式。如圖6所示，由于電動(dòng)汽車有多個(gè)容性負(fù)載，這些負(fù)載經(jīng)常通過并聯(lián)方式連接。當(dāng)某個(gè)負(fù)載因電容擊穿、二極管擊穿等原因出現(xiàn)短路故障時(shí)，預(yù)充電過程中，預(yù)充電流會(huì)通過短路負(fù)載形成回路，導(dǎo)致電容兩端電壓無法上升而預(yù)充失敗。

圖6 負(fù)載短路示意圖

（2）外部負(fù)載存在漏電放電情況

通過上述實(shí)車驗(yàn)證，可以看到預(yù)充電過程中，預(yù)充電流會(huì)逐漸減小，到末期電流只有零點(diǎn)幾安培。如果在預(yù)充過程中，外部負(fù)載有輕微漏電、泄放電的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致壓差始終卡在4V以上，導(dǎo)致預(yù)充失效[3]。

（3）動(dòng)力電池正負(fù)極接反

電動(dòng)汽車容性負(fù)載為保護(hù)自身，在設(shè)計(jì)階段往往會(huì)增加放反接功能，當(dāng)生產(chǎn)管控出現(xiàn)問題導(dǎo)致動(dòng)力電池B+、B-接反時(shí)，預(yù)充過程中反向電動(dòng)勢(shì)不會(huì)破壞負(fù)載，但預(yù)充電容兩端電壓也不會(huì)上升，表現(xiàn)出預(yù)充失敗現(xiàn)象。

5 結(jié)論

從國(guó)家政策、市場(chǎng)反應(yīng)可以看出，電動(dòng)汽車的發(fā)展已是必然趨勢(shì)。預(yù)充電設(shè)計(jì)是電動(dòng)汽車高壓安全設(shè)計(jì)、管理中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)過程中，控制策略的合理性、檢測(cè)電路的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性、電路驗(yàn)證的充分性，都是動(dòng)力電池管理系統(tǒng)及整車安全性的重要保障，有利于促進(jìn)新能源汽車行業(yè)盡快推廣。