電動(dòng)汽車預(yù)充原理及失效案例分析

朱合標(biāo) 黃祖朋

【摘? 要】電動(dòng)汽車的預(yù)充電路對(duì)于整車高壓器件起著重要的保護(hù)作用，在電動(dòng)汽車高壓上電的過程中，預(yù)充電路先于主電路啟動(dòng)，預(yù)充成功后才能切換至主電路，使整車進(jìn)行正常工作。本文對(duì)電動(dòng)汽車預(yù)充電路的工作原理進(jìn)行介紹，并針對(duì)電動(dòng)汽車開發(fā)過程中出現(xiàn)的某預(yù)充失效故障進(jìn)行分析，為電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車;預(yù)充原理;預(yù)充失效;電壓監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U469.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）05-0016-03

【Abstract】The pre-charging circuit of electric vehicles plays an important role in protecting the high-voltage components of the vehicle. In the process of high-voltage power-on of electric vehicles，the pre-charging circuit starts before the main circuit，and can be switched to the main circuit only after successful pre-charging，so that the vehicle can work normally. This paper introduces the working principle of EV pre-charging circuit，and analyzes a pre-charging failure in the development process of EV，so as to provide reference for the design and development of EV.

【Key words】electric vehicle;pre-charge principle;pre-charging failure;voltage supervisory

作者簡(jiǎn)介

朱合標(biāo)（1984—），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌噭?dòng)力電池管理系統(tǒng);黃祖朋（1989—），男，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)殇囯x子動(dòng)力電池系統(tǒng)、充配電系統(tǒng)、氫燃料電池汽車等（通訊作者）。

電動(dòng)汽車具有節(jié)能高效、駕駛輕松、加速迅猛、充電廉價(jià)等優(yōu)勢(shì)，深受用戶喜愛[1-3]。電動(dòng)汽車（如純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車等）以動(dòng)力電池作為其動(dòng)力來源，整車電壓達(dá)到幾百伏，充放電電流可達(dá)幾百安[4-5]，因此對(duì)電動(dòng)汽車的高壓架構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和控制，對(duì)整車及乘客的安全十分重要。

在電動(dòng)汽車的高壓母線上，常常會(huì)直接連接著電控、充電機(jī)、壓縮機(jī)等容性負(fù)載。在電動(dòng)汽車高壓上電的過程中，動(dòng)力電池自身的電阻很?。ɑ緸楹翚W級(jí)別），如果動(dòng)力電池的高壓電直接加載在這些負(fù)載兩端，則上電瞬間的高壓回路相當(dāng)于短路，放電電流可高達(dá)上千安，這將直接燒毀高壓回路上的零件，導(dǎo)致整車故障[6-8]。因此，在電動(dòng)汽車上設(shè)計(jì)預(yù)充回路，在整車高壓上電過程中先進(jìn)行預(yù)充，預(yù)充結(jié)束后再切換至主回路，對(duì)于整車的高壓零件保護(hù)十分必要。

1? 預(yù)充回路工作原理

電動(dòng)汽車預(yù)充回路往往放置于動(dòng)力電池內(nèi)部，動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。動(dòng)力電池由電芯、電池管理系統(tǒng)（BMS）、熔斷絲（高壓熔斷器）、預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻、主正繼電器和主負(fù)繼電器構(gòu)成。在主正繼電器兩端，由預(yù)充電阻和預(yù)充繼電器組成的并聯(lián)支路即為電動(dòng)汽車的預(yù)充回路。BMS實(shí)時(shí)采集主正繼電器前后兩端對(duì)動(dòng)力電池負(fù)極的電壓，即為動(dòng)力電池的內(nèi)壓和外壓，進(jìn)而對(duì)動(dòng)力電池的預(yù)充回路進(jìn)行控制。

動(dòng)力電池預(yù)充回路的工作原理為：在電動(dòng)汽車高壓上電時(shí)，先閉合主負(fù)繼電器和預(yù)充繼電器，動(dòng)力電池給整車容性負(fù)載充電，由于預(yù)充電阻的存在，其對(duì)整車高壓回路起到了限流的作用，從而對(duì)高壓回路上的零件進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)BMS檢測(cè)到電池外壓接近于電池內(nèi)壓時(shí)，表明整車容性負(fù)載已充電完成，此時(shí)BMS控制主正繼電器閉合、預(yù)充繼電器斷開，完成整車預(yù)充及高壓上電過程，動(dòng)力電池通過主回路對(duì)外供電。

2? 整車預(yù)充失效案例分析

在電動(dòng)汽車開發(fā)過程中，動(dòng)力電池預(yù)充失效是經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)故障，與許多因素相關(guān)，如繼電器粘連、繼電器開路、整車絕緣不良、零件選型不當(dāng)?shù)?，不同的故障類型其故障誘因也不同，需要根據(jù)具體的故障類型進(jìn)行針對(duì)性分析。本文以某純電動(dòng)汽車開發(fā)過程遇到的一個(gè)預(yù)充失效故障為例，對(duì)引起預(yù)充失效的原因進(jìn)行分析。

2.1? 故障描述

某電動(dòng)汽車開發(fā)階段出現(xiàn)多輛車輛預(yù)充不成功，車輛無(wú)法上電行駛，通過整車檢測(cè)發(fā)現(xiàn)車輛無(wú)問題，動(dòng)力電池硬件也無(wú)異常。通過對(duì)動(dòng)力電池預(yù)充過程中的BMS檢測(cè)電壓進(jìn)行分析，動(dòng)力電池內(nèi)電壓HV1為101V，并保持不變;外電壓HV2隨著預(yù)充時(shí)間增加而增加，最大值為95V。預(yù)充比例HV2 / HV1=94%，達(dá)不到軟件設(shè)定預(yù)充比例95%的要求。使用萬(wàn)用表對(duì)電池真實(shí)內(nèi)電壓HV0進(jìn)行檢測(cè)，其值是98V。預(yù)充過程電壓變化如圖2所示。

確認(rèn)該故障屬于BMS誤報(bào)，真實(shí)故障是BMS對(duì)動(dòng)力電池內(nèi)壓的檢測(cè)出現(xiàn)了誤差，檢測(cè)值比實(shí)際值偏高了5V，導(dǎo)致BMS判斷動(dòng)力電池內(nèi)壓比外壓偏高較多，達(dá)不到外電壓小于等于內(nèi)電壓95%的閾值要求，預(yù)充條件不滿足，故而不能切換至主回路對(duì)車輛進(jìn)行上電。

2.2? 故障原因機(jī)理分析

2.2.1? 電池內(nèi)壓檢測(cè)錯(cuò)誤原因分析

動(dòng)力電池BMS對(duì)電池內(nèi)壓HV1進(jìn)行檢測(cè)的硬件電路（圖3）采用的是分壓電路，分別是：主回路限流電阻R1的電阻值選型為1MΩ，分壓電阻R2的電阻值選型為20kΩ。通過測(cè)量R2電阻兩端的較低電壓（測(cè)量范圍0～3.3V）值V0，可通過分壓公式（1）得到HV1的電壓，HV1的測(cè)量范圍0～167V的電壓，精確度達(dá)到0.5%，并且預(yù)留>50%的硬件設(shè)計(jì)余量。限流電阻R1和R2選擇為車規(guī)級(jí)電阻，保證測(cè)量精度。

通過用萬(wàn)用表對(duì)R1和R2進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)R1電阻的阻值偏低（低于設(shè)計(jì)值），從而導(dǎo)致BMS測(cè)量?jī)?nèi)壓HV1偏高。計(jì)算過程如下：

由公式（1）和公式（2）化簡(jiǎn)，即可得到BMS檢測(cè)內(nèi)電壓HV1和實(shí)際內(nèi)電壓HV0的關(guān)系公式（3），當(dāng)限流電阻實(shí)際值R'1小于選型設(shè)定值R1（1MΩ）的時(shí)候，產(chǎn)生測(cè)量值比實(shí)際值大的誤差。

故推測(cè)可能原因有如下4種。

1）三防漆（一種特殊配方的涂料，在PCB行業(yè)廣泛使用，用于保護(hù)線路板及其相關(guān)設(shè)備免受環(huán)境的侵蝕）內(nèi)有異常雜質(zhì)，等效于給電阻R1并聯(lián)了一個(gè)電阻，導(dǎo)致總阻值降低。

2）電阻貼片（SMT）焊接異常，導(dǎo)致殘留助焊劑等雜質(zhì)，給電阻R1并聯(lián)了一個(gè)電阻，導(dǎo)致總阻值降低。

3）限流電阻R1過壓，承受過浪涌沖擊，導(dǎo)致其電阻偏低。

4）三防漆防潮性能不足，導(dǎo)致電阻受潮，阻抗降低。

2.2.2? 電阻品質(zhì)問題分析

針對(duì)2.2.1小節(jié)推測(cè)的電阻阻值偏低的4種原因一一進(jìn)行詳細(xì)排查。

1）三防漆有雜質(zhì)問題分析。對(duì)故障BMS的電阻位置進(jìn)行檢查，三防漆均程透明狀（圖4），無(wú)異常雜質(zhì)，故可以排除三防漆雜質(zhì)問題導(dǎo)致的內(nèi)壓測(cè)量異常。

2）SMT焊接異常問題分析。通過對(duì)故障PCB板焊接進(jìn)行確認(rèn)，1MΩ采樣電阻焊點(diǎn)光滑，無(wú)常見焊接異常，同時(shí)透過三防漆，可以觀察到電阻周圍無(wú)助焊劑等殘留，故可以排除SMT焊接異常問題導(dǎo)致的HV1測(cè)量異常。

3）限流電阻R1過壓?jiǎn)栴}分析。通過查詢資料，貼片電阻承受過壓時(shí)，確實(shí)存在內(nèi)阻偏低的失效類型，同時(shí)若只是輕微過壓，則芯片表面不會(huì)呈現(xiàn)出損傷。選型電阻額定電壓200V，可承受最高電壓400V，無(wú)法徹底排除生產(chǎn)過程中存在高壓環(huán)境對(duì)電阻產(chǎn)生損傷，故不可以排除限流電阻過壓?jiǎn)栴}導(dǎo)致的內(nèi)壓測(cè)量異常。

4）三防漆防潮問題分析。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)地點(diǎn)環(huán)境濕度較大，生產(chǎn)車間濕度長(zhǎng)期處于70%以上，故電池包可能在高濕環(huán)境中封箱，由于電池包封箱后的呼吸閥透濕性能較差，所以電池包內(nèi)零部件將長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境，這種環(huán)境如果三防漆防潮性能無(wú)法滿足要求，則很容易使得電路板上的元器件受潮，故無(wú)法排除三防漆防潮性能不足導(dǎo)致電阻受潮的問題。

2.3? 故障原因確認(rèn)

根據(jù)以上分析，尚且不能確認(rèn)內(nèi)壓檢測(cè)錯(cuò)誤是限流電阻過壓導(dǎo)致的還是三防漆受潮導(dǎo)致，故將故障件進(jìn)行如下試驗(yàn)，以進(jìn)一步追查根本原因。

1）將正常BMS放置在恒溫恒濕箱內(nèi)，通過長(zhǎng)時(shí)間在35℃環(huán)境、85%濕度環(huán)境下進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)。正?？刂破鹘?jīng)過長(zhǎng)期靜置無(wú)法復(fù)現(xiàn)故障。

2）將故障BMS放置在恒溫恒濕箱內(nèi)，通過長(zhǎng)時(shí)間在35℃環(huán)境、85%濕度環(huán)境下進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)。故障件長(zhǎng)期靜置后只有約10%可以復(fù)現(xiàn)故障，最大偏高3.5V。

3）將故障控制器在室溫下使用高電壓做10s、100s、1000s的過壓老化，加速?gòu)?fù)現(xiàn)電阻損傷的故障。約50%的故障件可以再次復(fù)現(xiàn)故障，偏高范圍在0.5～5V。

根據(jù)以上結(jié)果，以上單一工況無(wú)法使故障件100%復(fù)現(xiàn)故障，故將上述2個(gè)測(cè)試工況疊加，重新設(shè)計(jì)故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，在35℃環(huán)境、85%濕度環(huán)境下，給控制器持續(xù)施加高電壓。通過長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)所有故障電路板均可以穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)故障。

由工況疊加實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推測(cè)，故障件電阻可能受到高壓損傷，三防漆可以滿足未損傷電阻的防潮性能要求，但是無(wú)法對(duì)損傷電阻進(jìn)行足夠的防潮保護(hù)。

基于以上推測(cè)，對(duì)BMS和電池包全生產(chǎn)過程進(jìn)行排查，檢查是否存在高壓損傷電阻的情況。經(jīng)過實(shí)際排查發(fā)現(xiàn)，設(shè)備研發(fā)工程師在調(diào)試動(dòng)態(tài)測(cè)試設(shè)備時(shí)將程序中判定條件“DCDC運(yùn)行信號(hào)=0”直接跳過了，導(dǎo)致測(cè)試過程中在電流換向或結(jié)束測(cè)試時(shí)停止DCDC指令和繼電器斷開指令同時(shí)生效。因DCDC接收到目標(biāo)電流指令隨CAN總線負(fù)載、DCDC實(shí)際調(diào)控狀態(tài)均有關(guān)系，有較小概率出現(xiàn)前序分析在電流未降低到0的情況下，就斷開動(dòng)態(tài)測(cè)試設(shè)備內(nèi)的主回路繼電器，但是不避免此情況出現(xiàn)。

對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試過程中使用示波器+高壓探頭對(duì)動(dòng)力電池內(nèi)壓測(cè)量位置進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)在動(dòng)態(tài)測(cè)試中切斷繼電器過程中存在瞬時(shí)過壓沖擊（圖5中的CH2-1白色線），最高沖擊電壓2.23kV，脈寬150μs（示波器每格50μs）。

2.4? 故障解決措施

基于上述分析，針對(duì)此電動(dòng)汽車預(yù)充失效故障問題，通過優(yōu)化軟件，在預(yù)充判定時(shí)引入單體累加和電壓，這樣當(dāng)使用內(nèi)壓來判定預(yù)充不成功時(shí)，引入預(yù)充電壓與單體累加和電壓再次判定，若符合預(yù)充成功的條件時(shí)，也算預(yù)充成功，則可以避免因?yàn)閮?nèi)壓偏高導(dǎo)致的預(yù)充不成功故障。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電動(dòng)汽車預(yù)充的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹。針對(duì)某電動(dòng)汽車開發(fā)過程中出現(xiàn)的具體預(yù)充失效問題，通過深入分析原理，逐步排查潛在誘因，并通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M和測(cè)試的手段找到了根本原因，通過軟件優(yōu)化措施解決了該預(yù)充失效的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉瑾，崔國(guó)強(qiáng). 全面推進(jìn)新能源汽車電動(dòng)化轉(zhuǎn)型[N]. 經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)，2022-08-30（006）.

[2] 劉凱，翟亞男. 新能源車主：再買車不考慮燃油車[N]. 華夏時(shí)報(bào)，2022-08-29（014）.

[3] 徐佩玉. 中國(guó)新能源汽車駛向全球[N]. 人民日?qǐng)?bào)海外版，2022-08-23（006）.

[4] 鄧金華. 新能源汽車維修安全防護(hù)及性能測(cè)試[J]. 專用汽車，2022（7）：95-97.

[5] 蔡德明，汪德強(qiáng)，伍孟春，等. 電動(dòng)汽車高壓電安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（14）：13-14.

[6] 劉金配，黃祖朋，鄧海文，等. 電動(dòng)汽車預(yù)充電電路設(shè)計(jì)研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2021，46（10）：14-16.

[7] 景志敏，周歡. 新能源汽車預(yù)充控制原理及故障案例分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2022（5）：136-138.

[8] 姚子欣. 電動(dòng)汽車預(yù)充電保護(hù)設(shè)計(jì)[J]. 科技與創(chuàng)新，2021（19）：81-82.

（編輯? 凌? 波）