電動汽車分級預(yù)充電回路及預(yù)充電阻選型匹配方法研究

婁丙民， 李可敬， 尹 良， 王維振

（濰柴新能源研究院整車整機(jī)平臺部， 山東 濰坊 261061）

隨著國家政策的積極引導(dǎo)及能源消耗和環(huán)境污染等方面的問題，使得高效節(jié)能的新能源汽車成為汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。目前新能源汽車在人們的日常生活中已經(jīng)非常普遍，了解新能源汽車預(yù)充電過程對動力系統(tǒng)部件的選型及整車安全可靠性研究有至關(guān)重要的影響。

根據(jù)電動汽車和人體安全標(biāo)準(zhǔn)，電動汽車的高壓安全中有一條要求如下：對于高于60V的高壓系統(tǒng)的上電過程至少需要100ms，在系統(tǒng)上高壓過程中應(yīng)該設(shè)置預(yù)充電回路來避免高壓大電流的沖擊，從而保護(hù)高壓接觸器及電機(jī)控制器等高壓部件，提高系統(tǒng)安全。因此，預(yù)充電回路設(shè)計及預(yù)充上電流程的管理是新能源汽車中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

1 傳統(tǒng)預(yù)充電路

如圖1所示，電機(jī)控制器作為新能源汽車主要部件，將動力電池高壓直流電轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機(jī)所用的三相交流電，內(nèi)部有較大的電容C。在停車狀態(tài)啟動時，電容C上基本沒有殘存電壓，若高壓直流電輸入到電機(jī)控制器電路中，當(dāng)無預(yù)充電回路時，主正接觸器K+、主負(fù)接觸器K-直接與C接通，此時動力電池VB有360V以上直流高壓，而電機(jī)控制器內(nèi)部電容C沒有電量，通電瞬間電容兩端電壓為0V。由于整個回路沒有負(fù)載，所施加的電壓全部加在高壓線和接觸器觸點上，導(dǎo)線及接觸器觸點電阻一般遠(yuǎn)小于20mΩ。按照歐姆定律，若回路電阻以20mΩ計算，VB和VC之間的電壓差以300V 計算，整個回路瞬時電流可達(dá)到I=300V/0.02Ω=15000A。主正接觸器K+及主負(fù)接觸器K-瞬時會被燒結(jié)。

圖1 傳統(tǒng)單級預(yù)充電路

按照正常電路設(shè)計原理，針對有電容器負(fù)載部件回路，需要增加預(yù)充電過程。以電機(jī)控制器預(yù)充回路為例，主正接觸器K+先斷開，讓阻抗較大的Kp和預(yù)充電阻R構(gòu)成的預(yù)充電回路先接通，依靠預(yù)充電阻降低回路電流，在電容器預(yù)充電壓到達(dá)目標(biāo)電壓的90%以上時，再選擇閉合主正接觸器K+回路，此時電池兩端與電機(jī)控制器兩端壓差較小，不會存在大電流情況，整個電路及用電器件就會比較安全。舉例如下：假設(shè)選用150Ω預(yù)充電阻，VB與VC壓差仍然按300V計算。在接通一瞬間，流過預(yù)充電回路進(jìn)入電容C的最大電流Ip=300V/150Ω=2A。而預(yù)充接觸器所能承受電流是10A，所以預(yù)充回路安全。上下電順序見圖2。

圖2 接觸器上下電時序圖

2 分級預(yù)充電路

如圖1所示預(yù)充電路工作時，負(fù)載M插接件松動導(dǎo)致開路，實際上電容C只是預(yù)充了一部分，此時負(fù)載斷開，導(dǎo)致第1級假預(yù)充電完成，主正接觸器K+結(jié)合，如果此時后端負(fù)載又突然加上，由于預(yù)充電過程已經(jīng)結(jié)束，VB和VC之間還是存在較大壓差，按照上述分析，將會產(chǎn)生大電流，燒結(jié)預(yù)充電線路或接觸器。同時考慮到車輛帶載工作過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)燒預(yù)充電阻現(xiàn)象，為保證車輛能夠正常完成本次工作，此處設(shè)計一套分級預(yù)充電電路，實現(xiàn)預(yù)充電冗余設(shè)計，保證車輛工作的可靠性。如圖3所示。

圖3 分級預(yù)充電回路

正常情況下，動力電池電壓VB上電，負(fù)載繼電器斷開，因后端負(fù)載M開路，動力電池端在極短時間內(nèi)就完成一次假預(yù)充。此時VCU或BMS可判斷為正常而接通K+，讓負(fù)載端預(yù)充電路（KMp+RM） 達(dá)到相同預(yù)充效果。

通過電阻檢測裝置1時刻監(jiān)測電池端預(yù)充電路狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測到電池端預(yù)充線路故障時，可采用動力電池通過K+先上電，負(fù)載繼電器后上電，避過電池端預(yù)充線路故障，利用負(fù)載級預(yù)充線路完成預(yù)充過程。

若通過電阻檢測裝置2監(jiān)測到負(fù)載級預(yù)充線路故障，可通過先閉合負(fù)載繼電器，KM+很快接通，然后再控制動力電池上電，利用電池端預(yù)充線路完成預(yù)充過程的情況。

3 電動汽車預(yù)充電阻參數(shù)選型匹配

預(yù)充電阻選型與電動汽車的充電過程息息相關(guān)，為安全性能和成本效益很好地結(jié)合，在選型的過程中要充分了解電動汽車的電壓、電容等要求，此外在選擇預(yù)充電阻時還要注意與之相匹配的高壓接觸器的型號規(guī)格。盡量選擇功率負(fù)荷大、絕緣性高、抗震性好、熱性能好等優(yōu)點的接觸器。

由圖1可知，預(yù)充電路就是RC電路，根據(jù)電動汽車安全標(biāo)準(zhǔn)要求，高于60V的高壓系統(tǒng)預(yù)充時間要大于100ms，但RC時間常數(shù)不宜過長，太長的RC時間將導(dǎo)致充電電流下降緩慢，從而導(dǎo)致預(yù)充電阻的平均功率較大，產(chǎn)生不必要的損耗和過長的上電時間，一般按照90%～95%的額定母線電壓所需的時間計算RC時間常數(shù)。

預(yù)充電時間計算公式：

式中：V0——電容上的初始電壓值；Vc——電容充滿終止電壓值；Vt——任意時刻t電容上的電壓值。

則：如果電壓為E的電池通過電阻R向初值為0的電容C充電，V0=0，充電極限Vc=E，故，任意時刻t電容上的電壓為：

式中：exp（）——以e為底的指數(shù)；Ln（）——以e為底的對數(shù)。

如果已知某時刻電容上的電壓Vt，根據(jù)常數(shù)可以計算出時間t。

公式涵義：完全充滿，Vt接近E，時間無窮大。

當(dāng)t=RC時，電容電壓=0.63E；當(dāng)t=2RC時，電容電壓=0.86E；當(dāng)t=3RC時，電容電壓=0.95E；當(dāng)t=4RC時，電容電壓=0.98E；當(dāng)t=5RC時，電容電壓=0.99E；由此可見，經(jīng)過3～5個RC后，充電過程基本結(jié)束。

例如：某純電動車輛額定母線電壓UBatt=360V，預(yù)充電容660μF，RC預(yù)充到母線電壓95%，預(yù)充時間建議大于100ms，小于500ms。充電回路內(nèi)阻1Ω。根據(jù)預(yù)充計算公式（3），計算得到預(yù)充電阻范圍為：

根據(jù)市場現(xiàn)有主流預(yù)充電阻產(chǎn)品成本，在考慮性價比前提下，選用150Ω電阻，根據(jù)公式 （3），可確定預(yù)充時間：tpre=RCLn［UBatt/（UBatt-Vt）］≈0.3s。

預(yù)充時，電壓電流變化情況見圖4、圖5。

預(yù)充過程中消耗在電阻上的能量為：

預(yù)充電阻消耗的峰值功率為：

圖4 預(yù)充過程電容電壓變化

圖5 預(yù)充過程接觸器瞬時電流變化

預(yù)充電阻消耗的平均功率為：

因此，預(yù)充電阻功率選型要大于消耗的平均功率，建議選擇150Ω，150W。通過上述計算公式可以看出預(yù)充電阻消耗的功率取決于動力電池系統(tǒng)電壓與預(yù)充電阻值，若現(xiàn)有預(yù)充電阻沒有合適規(guī)格的，可建議在預(yù)充時間滿足整車上電需求的情況下，適當(dāng)增大預(yù)充電阻，從而可以有效減小散熱功率。

4 結(jié)論

電動汽車預(yù)充電過程控制及預(yù)充電阻參數(shù)選型直接影響電動汽車高壓電氣系統(tǒng)的安全性能，本文在傳統(tǒng)預(yù)充回路基礎(chǔ)上提出一種分級式預(yù)充電路，通過合理優(yōu)化控制，解決了因負(fù)載開路、短路或較小阻性負(fù)載等因素導(dǎo)致假預(yù)充電問題，提高了預(yù)充電過程冗余性及系統(tǒng)安全可靠性。討論了預(yù)充電阻參數(shù)選型技術(shù)條件及計算方法，本文可為電動汽車預(yù)充電阻參數(shù)設(shè)計、匹配和選型提供具體指導(dǎo)，對提升電動汽車的安全性能和可靠性提供幫助，為新能源汽車及相關(guān)行業(yè)工程師提供參考。