電動汽車動力電池箱接觸保護原理及試驗研究

周芝萍，蔣懷貞，伍旭剛，任科臣，李 燕

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，其運行的安全性引起廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車最大的特點在于其動力源是電池，而不是燃油，電池安全是電動汽車安全性面臨的新課題，其易燃易爆的特性也使其成為世界汽車產(chǎn)業(yè)面臨的“新難題”。從目前發(fā)生的電動車事故而言，與其儲能系統(tǒng)相關(guān)的事故數(shù)量最多，危害也最大，而動力電池系統(tǒng)的電連接問題是引起儲能電池發(fā)熱、燃燒、甚至爆炸的重要原因之一[1-5]。

電動汽車換電技術(shù)是把動力蓄電池組設(shè)計成多個可以快速更換的動力電池箱[6]，通過專用連接器(圖1)給電動汽車提供動力能源。由于經(jīng)常插拔更換電池箱對連接器的可靠接觸與使用壽命影響很大，特別是在出現(xiàn)機械損傷情況下插拔電池箱時，連接器很容易發(fā)生極柱接觸不良的現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象不易發(fā)現(xiàn)。接觸不良的嚴重后果是在車輛行駛振動環(huán)境下連接器極柱產(chǎn)生電弧，高溫電弧會熔化極柱并引燃周圍材料，引起火災(zāi)，引發(fā)安全事故[7]。

圖1 電池箱連接器Fig.1 Battery box connector

1 接觸不良故障分析

電動汽車的動力系統(tǒng)一般包括動力電池、驅(qū)動電機和主回路斷路器3部分[8]，以采用換電技術(shù)的電動大巴為例，其典型接線如圖2。

圖2 電動汽車動力系統(tǒng)接線Fig.2 Connection diagram of power system of EV

U1，U2，…，U9是各動力電池箱正負極柱間的測量電壓。正常工作情況下，測量電壓應(yīng)與電池箱的額定輸出電壓相一致，當(dāng)連接器出現(xiàn)接觸不良故障時，由于弧光電阻的作用，測量電壓會發(fā)生變化，以1#電池箱為例，其測量電壓變化見圖3。

圖3 接觸不良故障時測量電壓的變化Fig.3 Voltage change when bad connecting

(1)

由式(1)可以看出：發(fā)生接觸不良故障時，U1的值會減小，其減小量為Uf，此值與連接器的物理性質(zhì)、接觸不良的程度及主回路的工作電流有關(guān)，需通過拉弧試驗確定。由于電動汽車主回路的驅(qū)動電流很大(以電動大巴為例，在200 A以上)，弧光電阻Rf上會產(chǎn)生很大功耗，出現(xiàn)發(fā)光發(fā)熱、起火燃燒等物理現(xiàn)象。

2 接觸保護解決方案

實現(xiàn)電池箱接觸保護的原理是：檢測到動力電池箱出現(xiàn)接觸不良故障→以告警信號通知車輛控制單元(VCU)→VCU啟動保護跳閘，切斷主回路，避免事故擴大→停車檢查，確定發(fā)生故障的電池箱并進行修復(fù)；從方案實現(xiàn)的角度講，正確檢測到電池箱接觸不良故障是整套方案的重點和難點。由前述分析可知：動力電池箱連接器接觸不良會導(dǎo)致兩種現(xiàn)象：一種是電氣現(xiàn)象，即電池箱連接器極柱測量電壓降低；另一種是物理現(xiàn)象，即極柱溫度升高，兩種現(xiàn)象均可作為檢測接觸不良的判據(jù)[9]。但是，電氣判據(jù)較物理判據(jù)具有以下優(yōu)點：

1)接觸故障產(chǎn)生時，先有電氣現(xiàn)象，后有物理現(xiàn)象，電氣判據(jù)更加即時。

2)物理判據(jù)易受季節(jié)、天氣、地域等客觀條件的影響，極柱溫度升高值不易界定，而電氣判據(jù)中Uf的值要相對穩(wěn)定，可在實驗室模擬電動汽車動力系統(tǒng)，通過拉弧試驗獲得。

3)電氣判據(jù)只需采樣極柱電壓，而物理判據(jù)需增加溫度傳感器，把溫度信號轉(zhuǎn)化為CPU可接收的電壓信號，不但增加了成本，而且增加了流程的復(fù)雜度。

因此，筆者采用電氣判據(jù)檢測接觸不良故障，判據(jù)邏輯見圖4。

一個物體在內(nèi)河航道漂移，受到水流和風(fēng)力的作用，假設(shè)在一定時間Δt內(nèi)漂移速度相對穩(wěn)定，那么物體的位置從tn時刻到tn+1時刻的更新為

圖4 判據(jù)量電氣邏輯Fig.4 Logic diagram of electric criterion

電氣量判據(jù)邏輯包含兩個判據(jù)，判據(jù)1、判據(jù)2由下面的定義條件來描述：

條件2：T=T1

上述判據(jù)邏輯中，Uf的值需通過拉弧試驗來確定，U′是防誤判的門檻電壓，其值與Uf的最大取值有關(guān)，T1的取值需滿足兩點要求：①不能不動，在出現(xiàn)拉弧事故時必須即時判定，及時處理；②不能誤動，要能夠濾除測量極柱電壓時的電氣干擾。因此，其值不能過大，也不能過小，需通過拉弧試驗綜合考慮，判據(jù)2中的計數(shù)N=1/T1，是對判據(jù)1的補充，主要針對接觸時好時壞的情況。

根據(jù)方案需求開發(fā)了接觸保護終端，其主要功能有：①實時采樣電池箱極柱電壓；②依據(jù)上述判據(jù)邏輯對采樣電壓進行邏輯判斷；③當(dāng)采樣電壓滿足判據(jù)1或判據(jù)2的條件時，判定接觸不良故障，通過CAN總線向VCU發(fā)送告警信息。

3 拉弧試驗

3.1 搭建試驗環(huán)境

模擬實車動力系統(tǒng)，搭建試驗環(huán)境見圖5。

圖5 拉弧試驗環(huán)境Fig.5 The test environment of arcin

圖5中，試驗以分箱充電機模塊ZCD23-12080模擬動力電池系統(tǒng)，ZCD23-12080的最大輸出電流為150 A，而電動大巴的額定工作電流為200 A，滿載加速時的峰值工作電流達300 A，故以兩臺ZCD23-12080并聯(lián)。采用1.6 kW大功率變阻箱模擬驅(qū)動電機，試驗中電壓可調(diào)，電流放開，滿足高負載的試驗需求。為了模擬產(chǎn)生電弧，經(jīng)過特殊處理使電池箱極柱連接頭的母頭與子頭虛接，使之產(chǎn)生拉弧。以接觸保護終端實時采樣充電機的負載電壓，當(dāng)滿足接觸不良判據(jù)時向VCU模擬裝置發(fā)送告警報文，VCU模擬裝置收到告警報文后驅(qū)動接觸器，配合QF斷路器切斷主回路，完成接觸保護功能。試驗中24 V電源板為接觸保護終端和VCU模擬裝置提供工作電源，為接觸器提供驅(qū)動電源。采用雙通道示波器監(jiān)視驅(qū)動電機的負載電壓和接觸器切斷主回路的驅(qū)動信號，以獲得相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。

3.2 第1輪拉弧試驗

調(diào)整充電機的輸出電壓分別為60.0，67.5，75.0，82.5，90.0 V，以產(chǎn)生不同的工作電流，在這4種情況下制造拉弧現(xiàn)象。試驗數(shù)據(jù)見表1。圖6是60 V、200 A條件下捕獲到的Uf波形。

表1 拉弧試驗數(shù)據(jù) Table 1 The trial data of arc discharge

圖6 200 A條件下的Uf波形Fig.6 Waveform of Uf at the condition of 200 A load

由表1試驗數(shù)據(jù)可知：Uf會隨著主回路工作電流的增大而增大，對同樣的極柱連接器而言，由于此值還與連接器接觸不良的程度有關(guān)，故其變化規(guī)律呈現(xiàn)非線性，接觸不良判據(jù)中的Uf應(yīng)小于表1中弧光電壓Uf的最小值，為可靠計，取值10 V。

把判據(jù)參數(shù)Uf= 10 V，U′= 5 V代入圖4的判據(jù)邏輯，同時令T1分別取50，100，150，200 ms，N值取1/T1，在極柱連接器接觸良好的情況下以表1的負載條件做振動測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，T1<200 ms的幾個判據(jù)邏輯均出現(xiàn)誤報現(xiàn)象。取值越小，誤報的次數(shù)越多。故以T1= 200 ms，N= 1/T1= 5做為判據(jù)參數(shù)。

3.3 第2輪拉弧試驗

第2輪試驗的目的是驗證接觸保護終端的保護功能，主要體現(xiàn)在判據(jù)邏輯的正確性和保護告警、開出的及時性。

把第1輪試驗確定的Uf，U′，T1，N等參數(shù)值代入判據(jù)邏輯，按表1的負載條件重做拉弧試驗。結(jié)果顯示：接觸保護終端能夠正確地判定接觸不良故障，保護開出沒有出現(xiàn)拒動或者誤動的情況。用示波器觀察到的保護開出時間見表2。圖7是60 V、200 A條件下保護開出的波形(圖中208.0 ms包括了T1判據(jù)延時，而保護開出時間是指從確定故障到實施保護的時間)。

表2 接觸保護開出時間 Table 2 The operating time of contact protection

圖7 保護開出時間Fig.7 The operating time waveform of protection

由表2可知，保護開出時間與主回路的負載條件沒有必然的聯(lián)系，只與控制裝置的硬件性能和CAN總線的通信負載有關(guān)系。這兩項在控制回路中沒有大的波動，因此保護開出時間比較穩(wěn)定，在8 ms左右。

第2輪試驗結(jié)束后連接頭損毀情況見圖8?？梢钥闯觯B接頭出現(xiàn)輕微受損，證明保護告警、開出相當(dāng)及時，起到避免事故擴大的作用。

圖8 拉弧試驗結(jié)束后的連接頭Fig.8 The connector after the trial of arcing

4 結(jié) 語

研究表明：針對電動大巴的接觸保護解決方案是可行的；檢測接觸不良故障的判據(jù)邏輯是正確的；接觸保護終端的保護功能是有效的。

由于判據(jù)邏輯中的相關(guān)參數(shù)是通過模擬電動大巴動力系統(tǒng)的拉弧試驗獲得，因此，在采用不同連接器，不同負載模式的電動汽車上不一定通用，但實現(xiàn)接觸保護的原理是一樣的，通過拉弧試驗獲取判據(jù)邏輯相關(guān)參數(shù)的方法具有普遍意義。

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