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(jī)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(yīng)該設(shè)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)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(yīng)該采用預(yù)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(yīng)該小于20ms，當(dāng)高壓系統(tǒng)斷開后1s，汽車的任何導(dǎo)電部分和可觸及部分搭鐵電壓的峰值應(yīng)當(dāng)小于42.4 V（交流）或60 V（直流），儲存的能量應(yīng)該小于20J。

根據(jù)上述安全要求，預(yù)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(yù)充電的主要作用是給電機(jī)控制器 （即逆變器）的大電容進(jìn)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(shí)物圖如圖1所示。

對于預(yù)充電完成的判斷，現(xiàn)有技術(shù)的預(yù)充電控制策略研究基本分為3種：①采集電機(jī)控制器直流母線電流，當(dāng)直流母線電流接近0 A時，輸出預(yù)充完成信號；②分別采集車載動力蓄電池的電壓、電機(jī)控制器電壓，然后將2個電壓值進(jìn)行比較，2處電壓趨于相等時，輸出預(yù)充完成信號，本文采用此種方式，當(dāng)電壓值達(dá)到動力蓄電池電壓90%時，認(rèn)為預(yù)充電完成；③采集電機(jī)控制器直流母線電壓，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到設(shè)定的欠壓保護(hù)點(diǎn)，經(jīng)過延時后，輸出預(yù)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(yù)充完成信號時實(shí)際預(yù)充電未完成，導(dǎo)致車載動力蓄電池與預(yù)充電容直流母線存在電壓差，未消除瞬時大電流沖擊風(fēng)險，影響電機(jī)控制器的安全性和可靠性，或者輸出預(yù)充完成信號時實(shí)際預(yù)充電早已完成，導(dǎo)致降低控制率。故而，在預(yù)充過程中，監(jiān)測各參數(shù)變化用以判斷預(yù)充電完成、故障等尤為重要。

1 無預(yù)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(jī)控制器、預(yù)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(yù)充電結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，蓄電池所帶的電機(jī)控制器負(fù)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(dāng)無預(yù)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(fù)載電容C上電壓接近0，相當(dāng)于瞬間短路，負(fù)載電阻僅僅是導(dǎo)線和繼電器觸點(diǎn)的電阻，一般遠(yuǎn)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?fù)p壞無疑。

2 參數(shù)匹配分析

圖3為預(yù)充電過程波形。加入預(yù)充電過程，K+先斷開，使擁有較大阻抗的KP和R構(gòu)成的預(yù)充電回路先接通，當(dāng)預(yù)充電電路工作時，負(fù)載電容C上的電壓UC越來越高 （預(yù)充電電流IP=（UB－UC）／R越來越小），當(dāng)接近蓄電池電壓UB時 （即圖3中的ΔU足夠小，一般小于UB的10%），切斷預(yù)充電繼電器KP，接通主繼電器K+，不再有大電流沖擊。因?yàn)榇藭rUB－UC很小，所以電流小。

通常選擇預(yù)充電電阻范圍為20～100 Ω，此項(xiàng)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(yù)充電回路進(jìn)入電容C的最大電流IP=326.4／25= 13.056A。此時，選擇預(yù)充繼電器容量15A，預(yù)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(yīng)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(yù)充電過程中應(yīng)符合一定的變化規(guī)律、特點(diǎn)，同時，預(yù)充電又由蓄電池及外部負(fù)載共同作用，兩者狀況會影響預(yù)充電進(jìn)程，因此，通過監(jiān)測預(yù)充過程中UC、IP的變化檢測預(yù)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(yù)期UC、IP增長速度大于預(yù)期I

故障1：絕緣故障。負(fù)載因故障有短路或較小阻性負(fù)載，如電容被擊穿等，會導(dǎo)致預(yù)充電過程中UC始終上不去 （電壓始終降在預(yù)充電電阻R上）。此時電流過大，預(yù)充電電阻放熱量增大，燒毀電阻，同時導(dǎo)致預(yù)充電過程失敗，主繼電器不能接通，后續(xù)無法工作。此時，預(yù)充回路電流會流入整車低壓電氣網(wǎng)絡(luò)，存在與乘員直接接觸的隱患，故而在已確定故障情況下，應(yīng)迅速斷開預(yù)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(shè)計或安裝過程中，失誤會造成匹配不當(dāng)；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(yīng)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(yù)期、IP增長速度大于預(yù)期I或等于0

故障1：斷路、開路。負(fù)載開路導(dǎo)致假預(yù)充電完成，可能的原因有負(fù)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(fù)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(dǎo)致預(yù)充電結(jié)束，直接接通主繼電器，但因?yàn)檩敵鲩_路，并無危險。但是，如果此時負(fù)載突然加上，因?yàn)轭A(yù)充電已結(jié)束，沒有預(yù)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(yù)充電策略中，一上電就完成的可以判為故障，后續(xù)禁止進(jìn)行。此種情況下可通過查詢預(yù)充電回路導(dǎo)通情況確定問題。

故障2：RC變小。在設(shè)計或安裝過程中，失誤會造成匹配不當(dāng)；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(yù)充結(jié)果。

為避免預(yù)充電失效情況發(fā)生，在各元件選取時，應(yīng)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(yīng)在已有絕緣保護(hù)的前提下，添加額外保護(hù)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(yàn)性能

圖4為電壓檢測模塊電路。由圖4可以推導(dǎo)出以下公式

式中：U0——單片機(jī)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(yàn)車上做驗(yàn)證，改變RC值和絕緣特性，試驗(yàn)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(shè)計過程中，加入預(yù)充電管理是法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和安全設(shè)計的必然要求。在設(shè)計過程中，合理的檢測方式和策略不僅能判斷預(yù)充電過程是否成功，而且能在車輛起動前對充電失敗進(jìn)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(jìn)新能源汽車行業(yè)盡快推廣。

［1］羌嘉曦，楊林，朱建新.電動汽車動力電池高壓電測試系統(tǒng)的研究［J］.電源技術(shù)，2007（8）：655-658.

［2］SAE（Society of automobile engineering）.SAE J 2234：1998 Guide—lines for electric vehicle safety［S］.US：SAE，1998.

［3］林德杰.電氣測試技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［4］宋炳雨，高松，郎華，等.純電動汽車高壓電故障診斷與安全策略研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2010（5）：142-145，169.

［5］陳清泉，孫逢春.現(xiàn)代電動車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)，2002.

［6］陳思忠，林程，謝強(qiáng)，等.電動汽車開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)及前景［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［7］V H John，M D Zolot，A Apesaran.Development and Validation ofaTemperature—dependentResistanee／Capaeitanee Battery Model for a DVISOR，In：D Naunin，H.Kahlen，Evsls［C］.Berlin German：Electric Vehicle Association of the America，2001.

［8］潘磊，姜久春，李景新，等.電動汽車智能無源接地檢測裝置的研制［J］.電氣傳動自動化，2003（4）：47-48，50.

［9］黎林.純電動汽車用鋰電池管理系統(tǒng)的研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2009.

［10］Qiang Jiaxi，Ao Guoqiang，Yang Lin.HIGH VOLTAGE SAFETY MANAGEMENT SYSTEM OF ELECTRIC VEHICLE［J］.機(jī)械工程學(xué)報 （英文版），2008（6）：67-72.