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)濟背景下，新能源電動汽車應運而生。隨著充電基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)政策和購置補貼政策實施強度的增加，新能源汽車消費量不斷增加，新能源汽車展現(xiàn)一派欣欣向榮的大好景象。相比燃油車，電動汽車以高壓電源作為驅(qū)動能源，通過電機將電能轉(zhuǎn)化為動能。在高壓系統(tǒng)中，電機控制器、車載充電機、DC/DC變化器、電動空調(diào)壓縮機等高壓用電器多為容性負載，而高壓系統(tǒng)回路中阻抗僅為動力電池內(nèi)阻和高壓線束內(nèi)阻之和，等效RC電路圖如圖1所示。

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

圖1 等效RC電路圖

1 高壓預充電電路設(shè)計

高壓預充電電路是實現(xiàn)電動汽車高壓安全的一個重要的措施。預充電是指在接通容性負載與動力電池的主繼電器前，先用小電流給容性負載電容充電，當容性負載與動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 預充電電路高壓回路

1.1 預充繼電器選定

為提高駕駛員駕駛體驗，上電時長一般控制住1s以內(nèi)，即預充時間小于1s。預充繼電器主要起到開關(guān)作用，不是載流?？紤]整車成本，預充繼電器應盡可能選擇小電流，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，該項目電壓平臺不高，選用 5A/450V規(guī)格也能滿足需求，最終選定5A/450V規(guī)格的繼電器作為預充繼電器。

1.2 預充電阻選定

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

式中R為預充電阻。根據(jù)常見預充電阻列表，選定預充電阻值R=25Ω。

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

由于預充電過程預充電阻通過電流，會在短時間產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時發(fā)散，會導致預充電阻燒損，嚴重時可能導致動力電池起火，因此預充電阻的散熱功率需要與預充時預充電阻發(fā)熱功率匹配。預充電阻在預充時產(chǎn)生的能量，電阻在t時間內(nèi)平均功率得式（3）：

經(jīng)計算，當t取值（0，0.8）時，Pmax=103W。

本文選用的預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

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

圖3 RXG24持續(xù)過載曲線

2 預充電策略分析

該車型采用的預充電控制策略如圖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先閉合預充繼電器K3，然后閉合主負繼電器K2（如圖2所示）；此時因主正繼電器K1斷開，預充電阻接入回路，動力電池會持續(xù)以小于5A的電流給負載電容充電。在充電過程中，BMS會持續(xù)采集動力電池內(nèi)外總壓，同時接受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。在一個預充時間周期（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)送預充正常，并閉合主正繼電器，然后斷開預充繼電器。當?shù)谝淮纬潆姇r間超過一個預充時間周期，判斷電壓差值仍然無法滿足要求，本策略會允許進入下一個預充時間周期，繼續(xù)進行正常預充電流程，只有當?shù)诙€預充時間周期結(jié)束后，仍然無法滿足預充判定條件，BMS才會發(fā)送“預充失敗”故障，同時斷開主負繼電器和預充繼電器[1]。該車型策略具備以下幾個優(yōu)點：

（1）采集動力電池外壓的同時，接受MCU發(fā)出的母線電壓，并同時用于判定條件。減少因單點電壓采集精度不準導致預充失效的風險；

（2）兩個判定條件“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，采集電壓飄高，導致誤判預充完成，在預充不充分下，提前閉合主正繼電器產(chǎn)生的大電流危害；

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

圖4 預充電流程圖

3 實車測試驗證

通過實車進行上電預充測試，得到圖5所示整車高壓預充電曲線，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，預充、主負繼電器閉合后，預充電流5A，并逐漸減小；MCU母線電壓從0V開始逐漸上升，且上升速率逐漸變緩。預充時間周期為750ms左右，系統(tǒng)就已完成預充電，閉合主正繼電器時，電池內(nèi)外壓差小于4V，瞬間沖擊電流小于40A。因此，經(jīng)過驗證本文預充電電路滿足設(shè)計和使用要求[2]。

圖5 預充電曲線圖

4 常見預充失效模式分析

在實際應用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)預充失敗故障，以下列舉幾個常見預充失效模式：

（1）外部負載短路

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

圖6 負載短路示意圖

（2）外部負載存在漏電放電情況

通過上述實車驗證，可以看到預充電過程中，預充電流會逐漸減小，到末期電流只有零點幾安培。如果在預充過程中，外部負載有輕微漏電、泄放電的現(xiàn)象，會導致壓差始終卡在4V以上，導致預充失效[3]。

（3）動力電池正負極接反

電動汽車容性負載為保護自身，在設(shè)計階段往往會增加放反接功能，當生產(chǎn)管控出現(xiàn)問題導致動力電池B+、B-接反時，預充過程中反向電動勢不會破壞負載，但預充電容兩端電壓也不會上升，表現(xiàn)出預充失敗現(xiàn)象。

5 結(jié)論

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