基于E50純電動(dòng)汽車高壓上電過程的研究

馮婧

摘 要：以E50純電動(dòng)汽車為例，研究高壓上電過程的設(shè)計(jì)思路、控制策略及實(shí)施方案。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)探究上電過程對緩解車輛高壓系統(tǒng)沖擊、提高車輛可靠性、高壓安全性的必要性。

關(guān)鍵詞：高壓上電；預(yù)充電；電動(dòng)汽車

中圖分類號：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-05-02

Abstract： Taking E50 electric vehicle as an example， the design idea， control strategy and implementation plan of high voltage power-on process are studied. Combining practical experience to explore the necessity of power-on process to alleviate the impact of vehicle high-voltage system， improve vehicle reliability and high-voltage safety.

Keywords： high-voltage power-on； precharge； EV

CLC NO.： U469.7 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-05-02

前言

隨著地球資源的日益枯竭、環(huán)境污染的逐漸加劇，世界各國在能源爭奪戰(zhàn)中紛紛表現(xiàn)出了強(qiáng)進(jìn)的勢頭。全球汽車產(chǎn)業(yè)由傳統(tǒng)依賴石化燃料的燃油汽車向新能源汽車轉(zhuǎn)型亦成為大勢所趨。各大車企紛紛推出了純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車等車型。電動(dòng)汽車的發(fā)展為汽車能源轉(zhuǎn)型帶來了福音，也帶了高壓安全的隱患。本文以E50為例，分析高壓上電過程的設(shè)計(jì)思路、控制策略及實(shí)施方案。

1 高壓上電電路的設(shè)計(jì)思路

參照民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，高壓線路的上電過程一般由斷路器、高壓直流接觸器、熔斷器、漏電保護(hù)開關(guān)等設(shè)備完成。在電動(dòng)汽車的高壓電路設(shè)計(jì)中，通過ECU信號控制完成正常上電過程，高壓直流接觸器執(zhí)行相應(yīng)信號。根據(jù)電動(dòng)汽車的高壓安全要求：對于高壓60V的高壓系統(tǒng)，上電過程至少需要100ms，上電過程中應(yīng)采用預(yù)充電過程避免高壓沖擊；在任何情況下，繼電器斷開時(shí)間應(yīng)該小于20ms，當(dāng)高壓系統(tǒng)斷開1s后，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AC42.4V或DC60V，儲(chǔ)存的的能量應(yīng)該小于20J。

參考相應(yīng)規(guī)范及高壓安全要求，純電動(dòng)汽車高壓上電系統(tǒng)應(yīng)采用預(yù)充電管理。此外，純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)設(shè)置了變頻器或逆變器。在初上電過程中，變頻器中的大電容進(jìn)行充電，產(chǎn)生局部短路的效果，進(jìn)而導(dǎo)致電路中出現(xiàn)大電流，對母線上的繼電器造成巨大沖擊。

預(yù)充電管理應(yīng)采用小電流充電，減緩沖擊，而長期小電流供電則影響車輛的動(dòng)力性。所以，當(dāng)充電完成時(shí)，電路應(yīng)恢復(fù)常規(guī)供電。因此可在原有電路中，并聯(lián)一組控制電路?？刂齐娐分袘?yīng)包含有限流電阻。上電電路簡圖如圖1所示。E為高壓蓄電池，RL1、RL3分別為正極接觸器、負(fù)極接觸器的開關(guān)觸點(diǎn)，RL2為預(yù)充管理接觸器的開關(guān)觸點(diǎn)，R1為預(yù)充限流電阻，C1為變頻器內(nèi)的大電容，RL4為放電接觸器的開關(guān)觸點(diǎn)，R2為放電電阻。

2 高壓上電電路的控制策略及實(shí)施方案

預(yù)充電管理過程應(yīng)分為三個(gè)階段，冷態(tài)啟動(dòng)自檢階段、預(yù)充階段、常規(guī)供電階段。

2.1 冷態(tài)啟動(dòng)自檢階段

整車ECU通過CAN網(wǎng)絡(luò)讀取BMS的動(dòng)力電池SOC、動(dòng)力電池電壓、動(dòng)力電池溫度、充電控制器狀態(tài)、絕緣監(jiān)測狀態(tài)、故障信息等，變頻器的檔位信號狀態(tài)、電機(jī)工作溫度、IGBT工作狀態(tài)、故障信息等。若整車設(shè)備滿足正常運(yùn)行條件，則整車ECU通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送自檢正常確認(rèn)信號。BMS讀取該確認(rèn)信號，并控制開關(guān)觸點(diǎn)RL2和RL3閉合，預(yù)充管理開始。

2.2 預(yù)充階段

當(dāng)開關(guān)觸點(diǎn)RL2、RL3閉合后，動(dòng)力電池E通過開關(guān)觸點(diǎn)RL2、預(yù)充電阻R1、大電容C1、開關(guān)觸點(diǎn)RL3形成回路，為大電容C1充電。在此階段，預(yù)充電阻的大小、開關(guān)觸點(diǎn)RL2的斷開時(shí)刻、預(yù)充階段的持續(xù)時(shí)間等參數(shù)選擇均較大地影響了預(yù)充過程的安全性和可靠性。

2.2.1 預(yù)充電阻R1的選擇

根據(jù)圖1電路簡圖可知， ，則 。其中，UC為大電容的端電壓，UE為動(dòng)力電池的端電壓，I為預(yù)充階段的電路電流。為保障接觸器的安全性和可靠性，預(yù)充電流I應(yīng)小于接觸器開關(guān)觸點(diǎn)相應(yīng)規(guī)格的最大沖擊電流。若動(dòng)力電池額定電壓為297.6V，預(yù)充電阻范圍一般為20-100Ω，接觸器開關(guān)觸點(diǎn)最大沖擊電流不得超過10A。那么，根據(jù)預(yù)充電流I最大值計(jì)算，R1應(yīng)大于29.76Ω。

2.2.2 開關(guān)觸點(diǎn)RL2斷開時(shí)刻的選擇

對大電容充電過程做一階電路零狀態(tài)相應(yīng)等效分析，可得：

由公式可知，UC隨著充電時(shí)間的增加而增大，I隨著充電時(shí)間的增加而減小。通過檢測電容端電壓UC和電路電流I即可判斷預(yù)充管理過程是否順利進(jìn)行。

一階電路零狀態(tài)相應(yīng)等效分析如圖2所示。其中， 。預(yù)充電管理進(jìn)行時(shí)，大電容的端電壓UC越來越高， 越來越?。ㄒ话阈∮赨E的10%）。當(dāng)接通開關(guān)觸點(diǎn)RL1和RL3時(shí)，電路電流I較小，并且對接觸器觸點(diǎn)無沖擊。若 選定為動(dòng)力電池端電壓UE的10%，則開關(guān)觸點(diǎn)RL2的斷開時(shí)刻可選為t1時(shí)刻。

2.3 常規(guī)供電階段

當(dāng)預(yù)充階段結(jié)束后，開關(guān)觸點(diǎn)RL1和RL3閉合。動(dòng)力電池通過開關(guān)觸點(diǎn)RL1、用電設(shè)備、開關(guān)觸點(diǎn)RL3形成回路，為用電設(shè)備及外部負(fù)載供電。

除了應(yīng)考慮開關(guān)觸點(diǎn)RL2的斷開時(shí)刻，還應(yīng)確定開關(guān)觸點(diǎn)RL1的閉合時(shí)刻。接觸器的開關(guān)觸點(diǎn)閉合與斷開動(dòng)作會(huì)有延時(shí)。為了保證預(yù)充階段和正常供電階段的順利過渡，RL1的閉合時(shí)刻應(yīng)優(yōu)先于RL2的斷開時(shí)刻。系統(tǒng)電壓Us波形變化如圖3所示。

3 結(jié)論

目前，新能源汽車已呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展趨勢。純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車的研發(fā)技術(shù)不斷突破，政策逐年利好，產(chǎn)銷量不斷提高。為了提高能源利用率、優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)、提升車輛動(dòng)力性、安全性，在高壓設(shè)計(jì)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(jì)的必然要求。在設(shè)計(jì)過程中，合理的控制策略和實(shí)施方案不僅能判斷預(yù)充電過程是否成功，而且能在車輛起動(dòng)前對上電的順利進(jìn)行提供保障，降低了動(dòng)力電池BMS及整車ECU的管理難度，提升了整車安全性。

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