新能源汽車(chē)預(yù)充控制原理及故障案例分析

景志敏 周歡

摘要：近年來(lái)，新能源汽車(chē)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，已然成為未來(lái)汽車(chē)的必然趨勢(shì)。2021年，我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量預(yù)計(jì)將達(dá)到340萬(wàn)輛，較上一年翻了約1.5倍。新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)采用高壓電，對(duì)不同使用環(huán)境下的安全性、穩(wěn)定性、可靠性等方面都有著極高的要求。比如新能源汽車(chē)高壓上電時(shí)，都設(shè)計(jì)有預(yù)充控制環(huán)節(jié)來(lái)保護(hù)高壓回路及高壓部件免受大電流損壞。本文主要針對(duì)新能源汽車(chē)預(yù)充控制過(guò)程及原理進(jìn)行分析討論，并結(jié)合實(shí)際故障案例診斷排除過(guò)程，講述預(yù)充故障的檢測(cè)方法。

Abstract： In recent years， the rapid development of new energy vehicles has become an inevitable trend for future automobiles. In 2021， China's new energy vehicle sales are expected to reach 3.4 million units， which is about 1.5 times higher than the previous year. The power system of new energy vehicles uses high-voltage electricity， which has extremely high requirements for safety， stability， and reliability in different use environments. For example， when a new energy vehicle is powered on at a high voltage， a pre-charge control link is designed to protect the high-voltage circuit and high-voltage components from high-current damage. This article mainly analyzes and discusses the pre-charge control process and principle of new energy vehicles，and describes the detection methods of pre-charge faults in combination with the actual fault case diagnosis and elimination process.

關(guān)鍵詞：預(yù)充控制;預(yù)充接觸器;正極接觸器;母線電容

Key words： precharge control;precharge contactor;positive contactor;bus capacitor

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）05-0136-03

1 ?新能源汽車(chē)高壓上電步驟

新能源汽車(chē)啟動(dòng)后，首先是低壓系統(tǒng)的喚醒與自檢。當(dāng)確定系統(tǒng)無(wú)故障后才允許高壓上電。（如圖1所示）

①高壓上電第一步，電池管理系統(tǒng)BMS控制負(fù)極接觸器（K-）和預(yù)充接觸器（Kp）閉合，對(duì)電機(jī)控制器內(nèi)的母線電容C進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)母線電容內(nèi)電壓VC與動(dòng)力電池電壓VB差值達(dá)到規(guī)定值時(shí)，預(yù)充完成。②BMS檢測(cè)到預(yù)充完成后，控制正極接觸器（K+）閉合，正式對(duì)外部負(fù)載輸出高壓電，然后控制預(yù)充接觸器（Kp）斷開(kāi)。此時(shí)，儀表顯示OK燈或READY燈點(diǎn)亮，高壓上電完成。在此期間，BMS會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀況，如發(fā)生絕緣、高壓互鎖等嚴(yán)重故障時(shí)，控制K+和K-斷開(kāi)，停止上高壓電。

2 ?預(yù)充控制分析

新能源汽車(chē)高壓上電時(shí)，都要先進(jìn)行預(yù)充，對(duì)電機(jī)控制內(nèi)的母線電容預(yù)充電。因?yàn)槟妇€電容在高壓回路中與動(dòng)力電池并聯(lián)，當(dāng)動(dòng)力電池輸出高壓電時(shí)，必然會(huì)對(duì)電容進(jìn)行充電，而電容在被充電的瞬間，電阻幾乎為零，相當(dāng)于導(dǎo)通。

如果高壓上電時(shí)，直接閉合負(fù)極接觸器（K-）和正極接觸器（K+），相當(dāng)于直接將動(dòng)力電池正負(fù)極接通，此時(shí)動(dòng)力電池等同于短路，回路中產(chǎn)生瞬時(shí)大電流將損壞高壓回路及高壓部件。

因此高壓上電時(shí)，先閉合負(fù)極接觸器（K-）和預(yù)充接觸器（Kp），高壓電經(jīng)過(guò)預(yù)充回路后再對(duì)母線電容充電。由于預(yù)充回路中串聯(lián)有預(yù)充電阻（R），根據(jù)歐姆定律I=■，預(yù)充過(guò)程中的電流減小到高壓回路可以承受的范圍，利用預(yù)充電阻的限流作用，保護(hù)高壓回路及高壓部件。當(dāng)母線電容電壓VB升高的到與動(dòng)力電池電壓VB之差（ΔV）足夠小，達(dá)到設(shè)定值時(shí)（如圖2所示，有的車(chē)型設(shè)定為ΔV≤50V，有的車(chē)型設(shè)定為ΔV≤VB×10%），BMS判定預(yù)充完成，并控制正極接觸器（K+）閉合，然后控制預(yù)充接觸器（Kp）斷開(kāi)，車(chē)輛正常上高壓。

3 ?母線電容分析

通過(guò)上述分析可知，新能源汽車(chē)高壓上電時(shí)的預(yù)充主要是針對(duì)電機(jī)控制器內(nèi)的母線電容，通過(guò)預(yù)充保護(hù)高壓回路及高壓部件。電機(jī)控制器里為什么設(shè)置母線電容呢？

新能源汽車(chē)高壓回路上有很多高壓用電設(shè)備，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是最主要的用電系統(tǒng)，電機(jī)控制器將高壓直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。而電機(jī)控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制需要根據(jù)車(chē)輛的實(shí)際行駛需求實(shí)時(shí)調(diào)整，因此不同的行駛工況下，電機(jī)控制器消耗的電能是不同的，隨時(shí)都在變化。這就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池母線電壓出現(xiàn)較大的波動(dòng)，影響各高壓用電設(shè)備的工作穩(wěn)定性，進(jìn)而影響新能源汽車(chē)工作狀態(tài)和駕乘體驗(yàn)。因此在電機(jī)控制器中設(shè)置母線電容，最主要的作用就是平衡母線電壓波動(dòng)。當(dāng)用電量激增時(shí)，電容對(duì)外放電輔助供電;當(dāng)用電量減少時(shí)，吸收母線電壓儲(chǔ)備電能。

但是有了母線電容也會(huì)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)車(chē)輛下電后，BMS控制正極接觸器（K+）和負(fù)極接觸器（K-）斷開(kāi)，停止對(duì)外輸出高壓電，但母線電容內(nèi)仍然存在與動(dòng)力電池幾乎相同的高壓電。這就會(huì)對(duì)新能源汽車(chē)的維修帶來(lái)安全隱患，一般會(huì)采用高壓系統(tǒng)余電放電回路（如圖3所示）在車(chē)輛下電后迅速釋放掉母線電容里的高壓電，保證高壓安全。這個(gè)過(guò)程也叫做主動(dòng)泄放，若主動(dòng)泄放回路故障則通過(guò)被動(dòng)泄放回路來(lái)放電。

因此，車(chē)輛再次上電時(shí)，母線電容內(nèi)是沒(méi)有電的，為保護(hù)高壓回路及高壓部件免受大電流損壞，就需要先進(jìn)行預(yù)充。

4 ?接觸器結(jié)構(gòu)原理分析

新能源汽車(chē)上的接觸器本質(zhì)上是一種帶有保護(hù)性質(zhì)的電路控制開(kāi)關(guān)，用于控制動(dòng)力電池充放電回路的通斷，是新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的核心元件。如圖4所示為接觸器結(jié)構(gòu)示意圖，為避免高壓電路在通斷時(shí)產(chǎn)生的電弧燒蝕觸點(diǎn)，一般為全密封結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)腔充注隋性氣體。

接觸器的的工作原理與普通繼電器基本一致。如圖5所示，初始狀態(tài)下高壓觸點(diǎn)常開(kāi)，高壓回路斷開(kāi);線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)吸合連接片，觸點(diǎn)連通，高壓回路接通。這樣即可通過(guò)線圈內(nèi)12V低壓電控制高壓觸電回路中的高壓電。

接觸器控制方式一般有兩種，即搭鐵控制和拉低控制。比如在長(zhǎng)安CS15純電動(dòng)汽車(chē)上，BMS給接觸器線圈一端提供12V工作電源，通過(guò)控制另一端搭鐵來(lái)控制線圈電流的通斷，進(jìn)而控制接觸器的通斷。而在比亞迪E5純電動(dòng)汽車(chē)上，BMS同時(shí)給接觸器線圈的電源端和控制端提供12V電壓，此時(shí)線圈兩端電壓相等，無(wú)電流流過(guò)，觸點(diǎn)斷開(kāi);當(dāng)需要該接觸器工作時(shí)，BMS將線圈控制端電壓拉低至1V以下，此時(shí)線圈內(nèi)電流從電源端流到控制端，產(chǎn)生磁場(chǎng)吸合連接片，觸點(diǎn)連通。

5 ?預(yù)充故障案例分析

5.1 故障現(xiàn)象

一輛比亞迪E2純電動(dòng)汽車(chē)，踩下制動(dòng)踏板、按下啟動(dòng)按鈕，儀表顯示“EV功能受限”，主告警燈點(diǎn)亮、動(dòng)力系統(tǒng)故障指示燈點(diǎn)亮、OK燈不亮（如圖6所示）。

5.2 故障診斷儀檢測(cè)

連接故障診斷儀，進(jìn)入電池管理模塊讀取故障碼，顯示故障碼為：P13AF00，預(yù)充接觸器回檢故障;進(jìn)一步讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流，選擇“預(yù)充狀態(tài)”顯示為“預(yù)充失敗”。

5.3 故障分析

根據(jù)故障診斷儀檢測(cè)結(jié)果，判斷故障原因?yàn)轭A(yù)充故障，導(dǎo)致該故障的具體原因可能有：

①預(yù)充接觸器電源故障;

②預(yù)充接觸器控制信號(hào)故障;

③預(yù)充接觸器本身?yè)p壞。

因此，接下來(lái)應(yīng)對(duì)預(yù)充接觸器電源信號(hào)和控制信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如果兩者都正常則可判斷為接觸器本身故障。

5.4 萬(wàn)用表檢測(cè)

查閱維修資料，找到電池管理系統(tǒng)預(yù)充接觸器電源及控制線路，如圖7所示。

①萬(wàn)用表選擇直流電壓20V檔位，紅筆連接電池管理模塊BK45A口7號(hào)線，黑筆搭鐵，啟動(dòng)車(chē)輛，測(cè)量預(yù)充接觸器電源端電壓為0V，正常值應(yīng)為12V。

②萬(wàn)用表選擇直流電壓20V檔位，紅筆連接電池管理模塊BK45A口21號(hào)線，黑筆搭鐵，啟動(dòng)車(chē)輛瞬間，測(cè)量預(yù)充接觸器控制端電壓為0V，正常值應(yīng)為12V→0V。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可判斷，該車(chē)預(yù)充接觸器電源故障，導(dǎo)致預(yù)充接觸器無(wú)法工作，動(dòng)力電池不能完成預(yù)充，所以無(wú)法上高壓電。

進(jìn)一步查閱維修資料可知，預(yù)充接觸器電源來(lái)自保險(xiǎn)絲F1/9提供的IG3電（如圖8所示），為準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)，接下來(lái)需檢測(cè)電池管理模塊IG3供電電路。

①萬(wàn)用表選擇直流電壓20V檔位，紅筆先后連接保險(xiǎn)絲F1/9前、后端，黑筆搭鐵，啟動(dòng)車(chē)輛，分別檢測(cè)F1/9前、后端電壓為12.3V和12.2V，結(jié)果正常，說(shuō)明IG3供電正常;

②萬(wàn)用表選擇直流電壓20V檔位，紅筆連接電池管理模塊BK45B口8號(hào)線，黑筆搭鐵，啟動(dòng)車(chē)輛，檢測(cè)BK45B口8號(hào)線電壓為0V，正常值應(yīng)為12V;

③車(chē)輛下電，斷開(kāi)蓄電池負(fù)極，萬(wàn)用表選擇電阻200Ω檔位，紅筆連接F1/9后端，黑筆連接BK45B口8號(hào)線，測(cè)量電阻為無(wú)窮大，正常值應(yīng)小于1Ω。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，保險(xiǎn)絲F1/9至電池管理模塊BK45B口8號(hào)線連接線路斷路，修復(fù)后故障排除，車(chē)輛正常上高壓、系統(tǒng)正常。

5.5 故障結(jié)果分析

由于保險(xiǎn)絲F1/9至電池管理模塊BK45B口8號(hào)線連接線路斷路，導(dǎo)致電池管理模塊IG3供電故障，使得預(yù)充接觸器線圈供電異常而無(wú)法工作，最終導(dǎo)致動(dòng)力電池預(yù)充失敗、車(chē)輛無(wú)法上高壓電。

6 ?總結(jié)

新能源汽車(chē)高壓系統(tǒng)中，由于電機(jī)控制器內(nèi)母線電容的存在，高壓上電時(shí)為避免瞬間大電流損壞高壓回路及高壓部件，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了預(yù)充控制。即：先閉合預(yù)充接觸器（Kp），利用預(yù)充電阻的限流作用，在完成對(duì)母線電容的預(yù)充電后再閉合正極接觸器，對(duì)外輸出高壓電。兩個(gè)環(huán)節(jié)存在邏輯先后關(guān)系，如果預(yù)充沒(méi)有完成或預(yù)充失敗，BMS將不會(huì)閉合正極接觸器（K+），新能源汽車(chē)不能上高壓電，儀表OK燈或READY燈將不會(huì)點(diǎn)亮。因此在新能源汽車(chē)不能正常上高壓電的故障診斷中，要特別關(guān)注預(yù)充狀態(tài)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流，若數(shù)據(jù)顯示“未預(yù)充”或是“預(yù)充失敗”，則需要對(duì)預(yù)充接觸器線圈的供電電源、控制信號(hào)等進(jìn)行相應(yīng)檢測(cè)，最終確認(rèn)并排除故障。

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