劉永昌，龔元明

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

近幾年，隨著公眾保護環(huán)境意識的增強以及國家政策的大力支持，汽車電動化成為當下汽車發(fā)展的趨勢，新能源電動汽車得到蓬勃發(fā)展。電動汽車電池管理技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，預(yù)充電技術(shù)在動力電池管理技術(shù)中起著關(guān)鍵作用。電動汽車一些控制器電路具有電容性，比如電機控制器、制冷制熱空調(diào)控制器、DCDC 等，在電動汽車動力電源接通瞬間，這些容性負載相當于瞬時短路，導(dǎo)致瞬時電流非常大，若沒有相應(yīng)的保護措施，在瞬時高壓大電流沖擊下，一些器件必定損壞[1]。所以，增加相應(yīng)的電池預(yù)充電路，可以降低瞬時高壓大電流對這些部件的沖擊，延長電動汽車零部件的使用壽命。

此外，動力電池主正和主副繼電器都是接觸式導(dǎo)電。電動汽車動力電池電壓高達幾百伏，繼電器導(dǎo)電彈片接觸瞬間必定產(chǎn)生火花，致使繼電器內(nèi)部溫度升高且導(dǎo)電彈片表面氧化嚴重，甚至發(fā)黑、阻斷導(dǎo)電從而導(dǎo)致無法供電。如圖1 所示，在主正繼電器接通之前，預(yù)充使得主正繼電器兩端電勢差大大減小，預(yù)充電可以極大地減少火花電弧對主正繼電器的損傷，降低甚至避免主正繼電器火花現(xiàn)象的發(fā)生，極大地增加主正繼電器的可靠性以及延長其使用壽命，同時避免和減少接觸火花，提高電動汽車動力電池使用的安全性。

圖1 常規(guī)動力電池預(yù)充電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of conventional power battery precharging circuit

1 預(yù)充電路設(shè)計

1.1 預(yù)充電路性能參數(shù)

在動力電池預(yù)充電路中，預(yù)充電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計和預(yù)充電阻的選型起到關(guān)鍵作用。圖2 為并聯(lián)PTC電阻預(yù)充電路設(shè)計示意圖。

圖2 并聯(lián)PTC 電阻預(yù)充電路Fig.2 Parallel PTC resistor precharge circuit

預(yù)充電路結(jié)構(gòu)一般是在高壓線路中串聯(lián)電阻，本文的設(shè)計采用并聯(lián)兩個PTC 電阻的電路。預(yù)充電阻的類型和阻值大小對預(yù)充時間、預(yù)充壓降過程等會產(chǎn)生重要影響。預(yù)充電阻的選型是否合理、預(yù)充工作過程是否可靠，直接關(guān)系到該電動汽車的可靠性。本文提出的并聯(lián)PTC 電阻的預(yù)充設(shè)計方案有如下優(yōu)點：

（1）預(yù)充開始時刻電流非常大，并聯(lián)PTC 電阻分流，降低大電流對單個PTC 電阻的沖擊，減少電阻的老化，延長預(yù)充電路的使用壽命。

（2）預(yù)充繼電器彈片接觸面積比較小，這樣的設(shè)計會大大降低通過預(yù)充繼電器的電流，對預(yù)充繼電器起到保護作用。

（3）PTC 電阻具有隨著溫度升高電阻阻值變大的特性，這樣在溫度升高的情況下預(yù)充電阻阻值會快速升高，極短的時間內(nèi)達到預(yù)充所需電壓。

另外，本文中的預(yù)充電路，動力電池是以18650 為單元的電池總成，電池電壓Up=450 V，選定的電機控制器的容值為500 μF。由于臨近預(yù)充結(jié)束，主正繼電器兩端預(yù)充電壓上升緩慢，所以當預(yù)充電壓Uc的值達到動力電池電壓Up的97%以上時認為預(yù)充完成。預(yù)充電路實為一個RC 電路，預(yù)充時間過長會導(dǎo)致能量消耗大，并且長時間預(yù)充會導(dǎo)致預(yù)充電路特別是預(yù)充電阻過熱，會縮短汽車使用壽命，所以預(yù)充時間的控制至關(guān)重要。根據(jù)經(jīng)驗，本次預(yù)充時間t控制在100～500 ms 為宜[2]。

1.2 預(yù)充電阻類型選擇

本電路設(shè)計采用PTC 電阻，考慮到PTC 電阻受溫度影響大，在電阻發(fā)熱嚴重時動力電池可快速完成預(yù)充動作，降低預(yù)充時間，預(yù)先選用性能如圖3 所示的PTC 電阻（圖3 來自電阻生產(chǎn)廠家）。

圖3 PTC 電阻阻值隨溫度變化曲線Fig.3 PTC resistance value versus temperature curve

1.3 預(yù)充電阻阻值計算

根據(jù)RC 電路的1 階電路零狀態(tài)響應(yīng)方程[3]：

式中：UC——預(yù)充時電容兩端電壓；Umax——動力電池兩端的最大電壓，即450 V；t——預(yù)充時間；τ——時間常數(shù)；R——預(yù)充電阻阻值；C——電機控制器端電容500 μF。

由式（3）得：

當tmin=100 ms 時，計算得預(yù)充電阻Rmin=57 Ω；當tmax=500 ms 時,計算得預(yù)充電阻Rmax=285 Ω。即預(yù)充電阻值R在57～2 855 Ω 均能滿足預(yù)充要求。

1.4 預(yù)充電阻功率計算

在該電路中，預(yù)充電路相當于一個RC 電路，在電容充電過程中電流通過電阻必然導(dǎo)致能量損失[4]。結(jié)合上一小節(jié)預(yù)充電阻阻值的計算和預(yù)充電路的并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計，預(yù)先選用阻值R1、R2為120 Ω的PTC 電阻作為本節(jié)功率計算的電阻。

并聯(lián)電阻計算公式：

功率計算公式[5]：

在電容充電開始瞬間，電容兩端相當于短路，電阻兩端壓差最大U（t）max為電池電壓，由此可知此時預(yù)充電阻有最大瞬時功率Pmax為3 375 W。當預(yù)充電壓達到電源電壓的97%時認為預(yù)充完成，此時預(yù)充電阻兩端壓差近似為0。

1.5 預(yù)充電阻能量計算

電阻能量消耗計算公式[6]：

電容儲能計算公式[7-8]：

由式（8）可以看出，電源對整個預(yù)充電路充電，但是能量只被電容消耗一半，另一半被預(yù)充電阻消耗了。不論電阻為多少，總有與電容儲能相等的能量被損失掉[3],預(yù)充阻值大小與預(yù)充過程消耗的能量多少無關(guān)。

2 預(yù)充電路溫升檢測

預(yù)充PTC 電阻受溫度影響大，預(yù)充時內(nèi)部產(chǎn)生巨大熱量，該設(shè)計采用的PTC 電阻受溫度影響大，所以測試有必要考慮高溫條件。根據(jù)選型、計算以及考慮汽車工作環(huán)境，設(shè)計了如下試驗，測試25 ℃和85 ℃兩種環(huán)境條件下預(yù)充電阻溫升數(shù)據(jù)以及預(yù)充壓降、預(yù)充電流、預(yù)充時間。

2.1 試驗過程

本次實驗完全還原動力電池預(yù)充的整個過程，模仿汽車啟動前高壓電路的準備工作，在此過程中監(jiān)測電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)。動力電池電壓范圍為300～800 VDC，本次測試電壓選定為450 V。圖4 為檢測電路搭建示意圖。

圖4 檢測電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of detection circuit

溫升測試使用C-Thermo K10 熱電偶測量模塊進行溫度測量，將4 個溫度貼片貼在每個預(yù)充電阻兩側(cè)，保證完全貼合，溫度測量準確。

啟動數(shù)據(jù)采集設(shè)備后，開啟溫箱，定值運行25 ℃，待溫箱溫度恒定后，模擬預(yù)充狀態(tài)的工作過程，對電容進行充電。測試、記錄并保存被測回路的電流、電壓、溫度數(shù)據(jù)波形。模擬預(yù)充測試結(jié)束后，待溫升測試結(jié)束，PTC 溫度值不再變化，對電容進行放電，以便進入下一次充電狀態(tài)。同樣，待設(shè)備冷卻后，開啟溫箱，定值運行85 ℃，重復(fù)上述實驗，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果及分析

如圖5、圖6 所示，在25 ℃環(huán)境溫度下，預(yù)充電時間為134.4 ms，小于400 ms 符合預(yù)充時間要求，預(yù)充峰值電流為13.49 A。測試前溫度為28℃，測試后溫度為35 ℃，圖中明顯看出預(yù)充開始后溫度大幅上升，測試溫升Δt=7℃。

圖5 環(huán)境溫度25 ℃預(yù)充電壓和電流曲線Fig.5 Precharge voltage and current curve at ambient temperature of 25 ℃

圖6 環(huán)境溫度25℃預(yù)充電阻溫升曲線Fig.6 Temperature rise curve of precharge resistance at ambient temperature of 25 ℃

如圖7、圖8 所示，在85 ℃環(huán)境溫度下，預(yù)充時間為152.8 s，預(yù)充電流峰值電流為10.4 A，高溫環(huán)境下對預(yù)充電阻阻值有影響，導(dǎo)致預(yù)充電流下降。溫升Δt=8℃，預(yù)充阻值變大，導(dǎo)致預(yù)充電流減小，進而預(yù)充時間變長，所以預(yù)充溫升相比25 ℃環(huán)境溫度時要高。

圖8 環(huán)境溫度85℃預(yù)充電阻溫升曲線Fig.8 Temperature rise curve of precharge resistance at ambient temperature of 85 ℃

綜上，對比2 種溫度環(huán)境下的測試結(jié)果可得：85 ℃環(huán)境溫度下預(yù)充時間t有所延長，但是預(yù)充時間都在理論有效范圍內(nèi)；85 ℃環(huán)境溫度下的預(yù)充峰值電流比25 ℃溫度下預(yù)充峰值電流減小3 A；動力電池在25 ℃和85 ℃下預(yù)充，預(yù)充電阻的溫升Δt≈7.5 ℃，溫度相差不大。預(yù)充電路中并聯(lián)兩個PTC電阻，各個電阻表面的溫升差值在1 ℃之內(nèi)，預(yù)充電路設(shè)計與理論設(shè)計吻合，完全達到預(yù)充電氣參數(shù)要求。

4 結(jié)語

本文提出的并聯(lián)PTC 電阻的預(yù)充電路設(shè)計方案可有效完成電動汽車動力電池預(yù)充過程，在不耗損太多能量的前提下，有效保護主正繼電器，并且能快速完成預(yù)充過程。多預(yù)充電阻設(shè)計可以有效保護預(yù)充電路，減緩老化程度，提高預(yù)充電路的穩(wěn)定性。當然，預(yù)充電阻工作環(huán)境溫度高，環(huán)境相對比較惡劣，老化相對其他零部件嚴重，使用次數(shù)相對較少。當下電動汽車技術(shù)飛速發(fā)展，當人們使用汽車時，能有效斷開和連接動力電池還需要更先進的技術(shù)，才能延長電動汽車使用壽命。