動力電池預(yù)充電路及自加熱電路相互影響研究

邵 波，孟 成，萬 欣

（北汽集團(tuán)越野車有限公司，北京 100331）

1 引言

動力電池系統(tǒng)是混合動力和電動汽車的重要能量源系統(tǒng)，為油電混合車輛和電動車輛在行駛過程中提供電能，并回收車輛制動過程中的能量，以滿足日益嚴(yán)苛的油耗和排放要求。由于動力電池系統(tǒng)電壓相對車輛為高壓，為防止在整車高壓上電過程中由于容性負(fù)載引起的電流沖擊導(dǎo)致高壓系統(tǒng)回路中相關(guān)繼電器／接觸器觸點(diǎn)粘連及高壓器件損壞，需要對容性負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電［1］。

動力電池系統(tǒng)在低溫條件下放電能力差，充電接受能力弱，0℃以下充電安全性差，為滿足車輛能在低溫條件使用，在電池的熱管理系統(tǒng)中會增加電池加熱功能。動力電池加熱方式可通過冷卻液加熱、電芯內(nèi)部自加熱和加熱膜加熱等方式，其中加熱膜加熱利用動力電池高壓電能加熱，具有簡單易行、成本較低的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

預(yù)充電路與加熱膜電路相互之間存在影響，均由動力電池管理系統(tǒng)進(jìn)行控制，如何保證動力電池系統(tǒng)預(yù)充電正常完成及動力電池加熱正常進(jìn)行，避免預(yù)充回路器件損壞，動力電池管理系統(tǒng)的控制邏輯尤為重要。

2 故障現(xiàn)象及系統(tǒng)分析、仿真

公司某型混合動力車直接采用高壓系統(tǒng)起動，在-35℃低溫環(huán)境車輛起動調(diào)試過程中，經(jīng)過多次起動操作后，出現(xiàn)動力電池系統(tǒng)高壓預(yù)充超時(shí)，車輛高壓上電失敗的故障，打開電池箱檢查，發(fā)現(xiàn)預(yù)充電阻燒毀導(dǎo)致預(yù)充電路失效，預(yù)充超時(shí)。鑒于該車在常溫環(huán)境測試時(shí)多次起動并未出現(xiàn)預(yù)充超時(shí)的故障，故障僅在低溫環(huán)境測試過程中出現(xiàn)，為避免后續(xù)繼續(xù)出現(xiàn)該故障，保障車輛調(diào)試順利進(jìn)行，針對動力電池系統(tǒng)的預(yù)充電路［2］和自加熱電路及控制邏輯進(jìn)行分析。

2.1 預(yù)充電路及自加熱電路分析

圖1為車輛動力電池高壓預(yù)充電路及自加熱回路。預(yù)充回路由預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻組成。當(dāng)整車進(jìn)入高壓上電流程時(shí)，閉合主負(fù)繼電器、預(yù)充繼電器，開始進(jìn)行預(yù)充電，預(yù)充完成后，主正繼電器閉合，高壓上電完成。如果預(yù)充電阻過大或預(yù)充電流過小，電池輸出母線電壓未在設(shè)定的預(yù)充時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定的預(yù)充電壓，動力電池管理系統(tǒng)將會報(bào)出預(yù)充超時(shí)的故障。預(yù)充控制邏輯如圖2所示。

圖1 高壓預(yù)充電路及自加熱回路

圖2 預(yù)充控制邏輯

自加熱回路由加熱膜、預(yù)熱繼電器、預(yù)熱熔斷絲及自加熱控制開關(guān)組成。整車低壓系統(tǒng)上電，動力電池管理系統(tǒng)ECU采集到電芯溫度低于設(shè)定溫度值，輸出高電平電壓給預(yù)熱繼電器線圈，按下自加熱控制開關(guān)，接通預(yù)熱繼電器回路，預(yù)熱繼電器閉合，自加熱回路通過自主正繼電器87端形成回路。自加熱控制開關(guān)斷開，自加熱回路斷開，避免在環(huán)境溫度較高時(shí)自加熱開啟，電芯溫度過高。自加熱控制邏輯如圖3所示。

預(yù)熱繼電器30端子與預(yù)充電阻輸出端、電機(jī)控制器電容共接在主正繼電器87端子。

預(yù)充電回路與自加熱回路電器元件參數(shù)見表1，預(yù)充參數(shù)設(shè)置：動力電池電壓642V，預(yù)充時(shí)間≤300ms，預(yù)充超時(shí)時(shí)間0.5s，預(yù)充電壓95%Ubat。

表1 電器元件參數(shù)

圖3 自加熱控制邏輯

2.2 模型建立

根據(jù)系統(tǒng)電路建立仿真模型 （圖4），分別計(jì)算預(yù)充電阻電壓降、電流、功率、能量、理論溫升，相關(guān)參數(shù)設(shè)定按照表1中數(shù)據(jù)，仿真時(shí)間0.5s。

圖4 預(yù)充電路及加熱電路仿真模型

自加熱控制開關(guān)未接通，仿真結(jié)果如圖5；自加熱控制開關(guān)接通，仿真結(jié)果如圖6。

2.3 仿真結(jié)果分析［3］

1）未接通自加熱回路時(shí)，預(yù)充回路在預(yù)充繼電器閉合后237ms達(dá)到預(yù)充設(shè)定電壓，預(yù)充成功；預(yù)充電阻上累積產(chǎn)生的能量Eres=960J，電阻溫升ΔTres=7.38K，電阻溫升低，能夠承受多次啟動沖擊。

2）接通自加熱回路后，500ms時(shí)預(yù)充電壓因加熱膜電阻分壓的原因，測量點(diǎn)電壓為420.9V，且趨于穩(wěn)態(tài)，達(dá)不到預(yù)充設(shè)定電壓值，預(yù)充不成功，超時(shí)；預(yù)充電阻上累計(jì)產(chǎn)生的能量Eres=2328J，電阻溫升ΔTres=17.9K，電阻溫升快，多次啟動沖擊后電阻會因溫度過高導(dǎo)致燒毀。

圖5 自加熱控制開關(guān)未接通

圖6 自加熱控制開關(guān)接通

根據(jù)仿真結(jié)果，咨詢現(xiàn)場操作人員操作詳細(xì)過程，反饋在故障出現(xiàn)前自加熱開關(guān)處于接通狀態(tài)，并保持接通狀態(tài)情況下，短時(shí)間內(nèi)多次反復(fù)上電操作。更換狀態(tài)良好的預(yù)充電阻，在確保自加熱開關(guān)斷開狀態(tài)的條件下進(jìn)行上電操作，高壓上電成功，預(yù)充電阻溫升較小，確定前面描述的故障是由于自加熱回路工作后多次上電操作導(dǎo)致預(yù)充電阻燒毀。

為徹底避免人為操作原因?qū)е骂A(yù)充電阻過熱導(dǎo)致燒毀的故障，針對自加熱回路控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，自加熱控制邏輯如圖7所示。

同時(shí)，為避免過多頻繁反復(fù)進(jìn)行上電預(yù)充導(dǎo)致預(yù)充電阻過熱［4］出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象，動力電池管理系統(tǒng)預(yù)充管理在3min內(nèi)反復(fù)上電10次后，持續(xù)5min停止響應(yīng)上電指令。

更新動力電池管理系統(tǒng)軟件后，反復(fù)多次上電測試，預(yù)充電阻溫升正常，最高溫度均在80℃以下，系統(tǒng)工作正常。

3 結(jié)論

圖7 自加熱控制邏輯

動力電池系統(tǒng)在上電預(yù)充過程中，為避免預(yù)充失敗和預(yù)充電阻燒毀，在其管理系統(tǒng)控制策略中應(yīng)避免其它高壓負(fù)載工作，減少預(yù)充干擾。動力電池系統(tǒng)自加熱功能應(yīng)在預(yù)充完成后才能啟動。