動(dòng)力電池預(yù)充電電阻選型設(shè)計(jì)

陳培哲， 王薪強(qiáng)

(保定長(zhǎng)安客車制造有限公司， 河北 定州 073000)

在當(dāng)前電動(dòng)汽車的發(fā)展過程中，為了提高電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和能量利用率，動(dòng)力電池的電壓越來越高，已達(dá)到幾百伏，所以需要配備專門的管理系統(tǒng)來負(fù)責(zé)高壓系統(tǒng)的安全。在電動(dòng)汽車上不僅需要高壓電安全管理系統(tǒng)，還應(yīng)設(shè)計(jì)安全測(cè)試系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)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(cè)[1]。

1 預(yù)充電保護(hù)必要性及原理

1.1 動(dòng)力電池系統(tǒng)預(yù)充電保護(hù)必要性

根據(jù)電動(dòng)汽車和人體安全標(biāo)準(zhǔn)[2]，在最大交流工作電壓小于660 V，最大支流工作電壓小于1 000 V，以及整車質(zhì)量小于3 500 kg的條件下，電動(dòng)汽車的高壓安全要求如下：

1) 人體的安全電壓低于36 V，觸電電流和持續(xù)時(shí)間乘積的最大值小于30 mA·s。

2) 絕緣電阻除以蓄電池的額定電壓應(yīng)大于500 Ω/V。

3) 高于60 V的高壓系統(tǒng)的上電過程至少需要100 ms，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(shí)間應(yīng)小于20 ms，當(dāng)高壓系統(tǒng)斷開后的1 s內(nèi)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)小于42.4 VAC或60 VDC。

根據(jù)上述安全要求可知，預(yù)充電保護(hù)管理是電動(dòng)汽車必不可少的重要環(huán)節(jié)。電動(dòng)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(shí)的火花拉弧，降低沖擊，增加安全性。

1.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)預(yù)充電保護(hù)工作原理

以某純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、預(yù)充電系統(tǒng)為例，其預(yù)充電工作原理如圖1所示。

圖1 預(yù)充電電路工作原理圖

圖1中，如果沒有預(yù)充回路，即沒有預(yù)充繼電器和預(yù)充電阻支路，那么由于電動(dòng)汽車動(dòng)力電源回路中存在容性負(fù)載，在接通回路的瞬間，高壓系統(tǒng)繼電器將突然閉合，這時(shí)電容的電量為零，根據(jù)電路的瞬態(tài)特性可知，電容相當(dāng)于短路，并且回路電阻(包括電池內(nèi)阻、高壓線電阻、各接觸點(diǎn)的接觸電阻、熔斷器的內(nèi)阻等)在幾十毫歐左右，所以高壓系統(tǒng)的瞬態(tài)電流就變得很大，從而產(chǎn)生一個(gè)幾千安培的大電流沖擊。如果不采取有效的防護(hù)措施，這種瞬態(tài)沖擊電流不僅會(huì)燒毀主、負(fù)繼電器，也會(huì)對(duì)整個(gè)動(dòng)力電源回路及其他用電設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞，同時(shí)也完全有可能危及到駕乘人員的人身安全。

而在供電回路中加入預(yù)充電回路，當(dāng)動(dòng)力電源上電時(shí)，總負(fù)繼電器、預(yù)充繼電器和預(yù)充電阻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(shí)，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)接近動(dòng)力電池電壓UB時(shí)(即UB和UC的差值△U足夠小，一般小于UB的10%)，接通總正繼電器，再切斷預(yù)充電繼電器，完成預(yù)充，從而減少了接觸器的火花拉弧，緩解高壓系統(tǒng)沖擊，提高了安全性。預(yù)充電過程電壓及電流變化如圖2所示。

圖2 預(yù)充電過程電壓及電流變化

1.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)預(yù)充電完成判斷方法

對(duì)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[3]：

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(shí)，輸出預(yù)充完成信號(hào)。

2) 分別采集車載動(dòng)力電池的電壓、電機(jī)控制器電壓，然后將兩個(gè)電壓值進(jìn)行比較，兩處電壓趨于相等時(shí)，輸出預(yù)充完成信號(hào)。

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)時(shí)，經(jīng)過延時(shí)(一般延時(shí)0.1～0.4 s)后，輸出預(yù)充完成信號(hào)。

由于電流傳感器和電壓電流采樣精度有偏差，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)有一致性、器件穩(wěn)定性等問題，控制器輸出預(yù)充完成信號(hào)時(shí)實(shí)際預(yù)充電可能尚未完成，導(dǎo)致車載動(dòng)力電池與預(yù)充電容直流母線存在電壓差，存在未消除瞬時(shí)大電流沖擊的風(fēng)險(xiǎn)，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(hào)時(shí)實(shí)際預(yù)充電早已完成，導(dǎo)致控制率降低。

為準(zhǔn)確判定預(yù)充電狀態(tài)、故障情況，在動(dòng)力電池上電的預(yù)充過程中，電池管理系統(tǒng)(BMS)和電機(jī)控制器(IPU)會(huì)對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)、IPU延時(shí)繼電器的延時(shí)時(shí)間和電流傳感器的電流檢測(cè)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于預(yù)充電阻R對(duì)電流傳感器的檢測(cè)精度和IPU的延時(shí)時(shí)間設(shè)定影響很大，所以預(yù)充電阻的選型設(shè)計(jì)是預(yù)充電回路的關(guān)鍵。

2 預(yù)充電電阻選型設(shè)計(jì)

本文中所涉及到的電阻相關(guān)參數(shù)、曲線均來源于電阻廠家。

2.1 性能要求

以該純電動(dòng)汽車實(shí)際參數(shù)為例，該整車動(dòng)力電池系統(tǒng)由4并36串三元鋰電池組成，整車電壓平臺(tái)為133.2 V，最高電壓U為151.2 V，電芯規(guī)格為3.7 V，37 Ah，電容容量C為7 700 μF。

1) 預(yù)充電電路實(shí)為一個(gè)RC電路，如圖1所示。RC時(shí)間常數(shù)不能太長(zhǎng)，過長(zhǎng)的RC時(shí)間將導(dǎo)致充電電流下降緩慢，從而導(dǎo)致電阻的平均功率較大，產(chǎn)生不必要的損耗和過長(zhǎng)的上電時(shí)間，因此預(yù)充電時(shí)間控制在700 ms以內(nèi)；并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)充時(shí)間≥200 ms為宜。

2) 預(yù)充電電壓達(dá)到電池電壓的95%以上。

3) 電阻值偏大時(shí)，充電電流小，充電時(shí)間長(zhǎng)，功率值偏小。但是阻值過小，易造成溫升和功率損耗。

2.2 預(yù)充電阻阻值計(jì)算

根據(jù)RC電路的一階電路零狀態(tài)響應(yīng)方程[4]可計(jì)算得：

UC=Umax(1-e-t/τ)

式中：UC為預(yù)充時(shí)電容兩端電壓；Umax為動(dòng)力電池兩端的最大電壓，即151.2 V；t為預(yù)充時(shí)間；τ為時(shí)間常數(shù)，τ=RC；R為預(yù)充電阻阻值；C為電機(jī)電容，7 700 μF。

當(dāng)預(yù)充電壓達(dá)到電池最大電壓的95%，即UC=Umax×0.95時(shí)，根據(jù)方程解得：t=3RC。當(dāng)t=700 ms時(shí)，計(jì)算得R=30 Ω；當(dāng)t=200 ms時(shí)，計(jì)算得R=9 Ω。

由上可知，預(yù)充電阻值在9～30 Ω范圍內(nèi)均能滿足要求，根據(jù)實(shí)際的預(yù)充時(shí)間要求，實(shí)際選擇電阻值為20 Ω。

預(yù)充時(shí)間t=3RC=3×20×7 700=462 ms。

即電容兩端的電壓從0上升到動(dòng)力電池兩端電壓的95%時(shí)的時(shí)間為462 ms，符合要求。

2.3 預(yù)充電阻功率計(jì)算

2.3.1 RC電路能量消耗計(jì)算

電動(dòng)汽車的高壓預(yù)充電回路實(shí)為一個(gè)RC回路[5]，因此RC電路接通直流電壓電源時(shí)，電源即通過電阻對(duì)電容進(jìn)行充電。在充電過程中，電源供給的能量一部分轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在電容中，一部分被電阻轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軗p耗[6]，電阻消耗的電能計(jì)算如下：

通過以上公式可知，不論電路中電容C和電阻R的數(shù)值為多少，在充電過程中，電源提供的能量有一半將轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能量?jī)?chǔ)存在電容中，另一半則為電阻所消耗。由此可知，無論電阻值為多少，其消耗的能量為定值，而電阻標(biāo)稱的額定功率只是自身與外界進(jìn)行熱交換的能力，是在電阻長(zhǎng)期工作達(dá)到熱平衡時(shí)的熱交換功率，即散熱功率；而預(yù)充電阻的使用工況不可能讓電阻絲達(dá)到熱平衡，因?yàn)轭A(yù)充電過程中，預(yù)充時(shí)間極短，僅毫秒級(jí)別的預(yù)充時(shí)間，且電阻承受的是脈沖作用，所以關(guān)注電阻本身額定功率是無意義的，在RC回路中我們關(guān)注的是電阻的瞬時(shí)能量的耐受極限，即熱容量。

一般來說，在脈沖作用下，由于瞬時(shí)產(chǎn)生的熱量都集中在電阻體中來不及散出去，電阻體部分的溫度可能瞬時(shí)會(huì)遠(yuǎn)大于周圍絕緣材料、覆膜材料的溫度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)達(dá)到電阻體的熔點(diǎn)或者損壞接觸的覆膜材料。這時(shí)候電阻的過載能力受瞬時(shí)能量(即脈沖能量)的限制[7]。并且當(dāng)功率過載的脈沖持續(xù)時(shí)間在100 ms以上時(shí)，過載功率倍數(shù)因子(標(biāo)稱功率)隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)呈單調(diào)下降趨勢(shì)。如圖3所示。

圖3 預(yù)充電阻功率過載曲線

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般繞線電阻在脈沖持續(xù)時(shí)間為5 s以內(nèi)時(shí)，可以承受標(biāo)稱功率5～10倍的瞬時(shí)功率；1 s以下的脈沖瞬時(shí)功率承受能力可達(dá)標(biāo)稱功率的20倍，甚至更多。

2.3.2 RC回路即預(yù)充回路的瞬時(shí)功率計(jì)算

瞬時(shí)功率[8]：P(t)=U2(t)/R

(1)

式中：P(t)為某一時(shí)刻通過預(yù)充電阻的功率；U(t)為同一時(shí)刻預(yù)充電阻兩端的電壓值；R為預(yù)充電阻阻值。

由式(1)可知，當(dāng)U(t)最大時(shí)，P(t)最大。預(yù)充繼電器剛剛閉合瞬間，電容相當(dāng)于短路，預(yù)充電阻兩端電壓最大，等于電池兩端電壓，即最高電壓Umax=151.2 V，瞬時(shí)功率值為：

根據(jù)圖3，預(yù)充電阻功率以瞬時(shí)功率不超過20倍計(jì)算，則：

P0=P/20=1 143/20≈57 W

為了確保安全和使用要求[9]，選擇預(yù)充電阻的功率為100 W。

2.3.3 電阻熱容量分析

1) 充電過程中電阻功耗計(jì)算。根據(jù)2.3.1中電阻的能量消耗公式可知，在實(shí)際電路中：W3=0.5·C·U2=0.5×7 700×151.22≈88 J。

當(dāng)電容電壓達(dá)到電源電壓的95%時(shí)，系統(tǒng)即認(rèn)為預(yù)充完成，為了安全起見，計(jì)算此處電阻的能量消耗時(shí)，電壓按照電源電壓計(jì)算。

2) 電阻熱容量分析。根據(jù)電阻廠家給出的脈沖能量-阻值曲線圖(圖4)和2.3.3 1)中計(jì)算出的預(yù)充電阻在預(yù)充回路中的實(shí)際功耗，驗(yàn)證電阻是否滿足要求。

圖4 電阻脈沖能量-阻值曲線

由曲線可知，100 W、20 Ω的電阻脈沖能量承受值約為300 J[10-11]，其值大于電阻的實(shí)際功耗88 J，符合要求。

根據(jù)以上計(jì)算，整車高壓上電時(shí)預(yù)充電阻選型結(jié)果為20 Ω，100 W。

3 結(jié) 論

為了提升系統(tǒng)的動(dòng)力性、提高能源利用率，現(xiàn)階段的動(dòng)力電池系統(tǒng)大部分為高壓，然而高壓電對(duì)人體存在著安全隱患，因此，在高壓設(shè)計(jì)過程中，加入動(dòng)力電池預(yù)充電管理是法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和安全設(shè)計(jì)的必然要求。在高壓設(shè)計(jì)過程中，合理的預(yù)充電檢測(cè)方法與策略一方面能夠判斷預(yù)充電過程是否成功，另一方面還能在車輛啟動(dòng)前對(duì)預(yù)充電失敗進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，識(shí)別故障可能發(fā)生的類型和部位，這不僅可以降低動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的危險(xiǎn)性，提高其安全性，提升整車安全性，還能促進(jìn)電動(dòng)汽車行業(yè)快速推廣。

[1] 陳清泉,孫逢春，祝嘉光，等.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2002：238.

[2] 李永慶,孟偉.電動(dòng)汽車預(yù)充電過程研究[J].汽車電器,2013，54(5)：8-10.

[3] 王芳,夏軍,等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社,2016：89.

[4] 葉挺秀,張伯堯.電工電子學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社,2014：83.

[5] 李志文.RC回路中的能量轉(zhuǎn)換[J].河北民主師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005，26(2)：49-50.

[6] 田志良.RC電路充電過程中的能量轉(zhuǎn)化與守恒[J].河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2004，15(2)：19-21.

[7] 張俊杰,張文學(xué).大功率電源上電沖擊電流限制電阻的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006,29(9)：140-141.

[8] 邱關(guān)源.電路[M].5版.北京：高等教育出版社,2006：15.

[9] 趙春明，王懷國(guó)，陳熙，等.基于試驗(yàn)及仿真的電動(dòng)汽車高壓動(dòng)力線路關(guān)鍵部件選型分析[J]. 汽車技術(shù),2004，35(6)：14-19.

[10] 羌嘉曦,楊林,朱建新，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池高壓測(cè)試系統(tǒng)的研究[J].電源技術(shù),2007,31(8):655-658.

[11] 盤朝奉，李桂權(quán)，陳龍，等.城市循環(huán)工況下純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包溫度場(chǎng)分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，30(8)：6-12.