車(chē)用動(dòng)力電池的高壓繼電器控制技術(shù)研究

朱楚梅

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車(chē)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

1 引言

近年來(lái)，出于對(duì)能源戰(zhàn)略安全的考慮以及延緩全球環(huán)境持續(xù)的惡化，國(guó)家不斷加碼政策支持新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷量出現(xiàn)了超常規(guī)增長(zhǎng)。由于新能源汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源都有一定比例的電能，尤其是混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)的主流，一般搭載一個(gè)電壓平臺(tái)達(dá)到60V以上甚至幾百伏的動(dòng)力電池，一旦發(fā)生事故，可能造成嚴(yán)重財(cái)產(chǎn)損失，甚至是人員傷亡。

動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)的能量源，主要由電池、高壓配電模塊、MSD（手動(dòng)維修開(kāi)關(guān)）和負(fù)載組成，如圖1所示。高壓配電模塊集成了預(yù)充回路、正/負(fù)極繼電器等元件，且電池是通過(guò)正/負(fù)極繼電器的通斷來(lái)控制整車(chē)電路的工作與否，高壓繼電器的安全合理使用，對(duì)保證車(chē)輛和人員的安全非常重要。

圖1 動(dòng)力電池高壓系統(tǒng)

2 動(dòng)力電池繼電器的控制要求

繼電器的動(dòng)作分?jǐn)嚅_(kāi)和閉合兩種，動(dòng)力電池繼電器動(dòng)作的控制一般是集成在電池管理控制器BMS中，BMS綜合考慮了繼電器的安全使用條件來(lái)控制繼電器的通斷，并合理設(shè)置保護(hù)功能以滿足高壓電的安全使用要求。

1）高壓負(fù)載一般是容性負(fù)載，當(dāng)繼電器閉合時(shí)，瞬態(tài)電流非常大，因此通過(guò)設(shè)置預(yù)充回路來(lái)避免繼電器閉合瞬間時(shí)瞬態(tài)電流對(duì)高壓負(fù)載的損害。

2）高壓系統(tǒng)包括電機(jī)、電空調(diào)、電加熱器等，如果高壓系統(tǒng)中某個(gè)零件出現(xiàn)斷路，將可能造成不可預(yù)估的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此繼電器的控制策略需包含高壓互鎖功能，確保高壓回路電連接的可靠與穩(wěn)定。

3）動(dòng)力電池中每個(gè)單體的電壓存在設(shè)計(jì)允許的電壓區(qū)間，出于安全的原則，繼電器的控制策略需具有高低壓保護(hù)功能，即通過(guò)設(shè)置一定合適的工作電壓范圍，使動(dòng)力電池避免發(fā)生過(guò)充或過(guò)放。

4）由于動(dòng)力電池工作環(huán)境惡劣，振動(dòng)、溫濕度沖擊等工況都可能引起動(dòng)力電池系統(tǒng)絕緣性能的下降，甚至是損傷或者失效，一旦絕緣失效將危及乘客的生命安全，因此需實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力電池系統(tǒng)的絕緣性能，在絕緣失效發(fā)生時(shí)，繼電器需及時(shí)且合理地?cái)嚅_(kāi)。

5）高壓繼電器由于使用次數(shù)或者電流沖擊等因素的影響，繼電器觸點(diǎn)可能會(huì)存在粘連的情況，需增加繼電器觸點(diǎn)的檢測(cè)來(lái)確保動(dòng)力電池的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)使用。

3 動(dòng)力電池繼電器的功能保護(hù)

3.1 預(yù)充電回路

由于動(dòng)力回路存在大量的容性負(fù)載，如果直接閉合繼電器，會(huì)存在大電流瞬態(tài)沖擊，甚至可能燒毀動(dòng)力回路上負(fù)載。動(dòng)力電池接通瞬間的電路模型如圖2所示。

圖2 高壓系統(tǒng)預(yù)充電電路模型

由于動(dòng)力電池內(nèi)阻很小，可以忽略不計(jì)；而且閉合瞬間時(shí)，負(fù)載電阻值很大，可以忽略。對(duì)預(yù)充電電路做一階電路零狀態(tài)響應(yīng)等效分析，可得出電容端電壓為：

式中，——電容端電壓；——?jiǎng)恿﹄姵仉妷?；τ——電路的時(shí)間常數(shù)，τ。

3.2 絕緣監(jiān)測(cè)

依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC/T R2 60479-1，人體沒(méi)有任何感覺(jué)的閾值電流為2mA。即動(dòng)力電池的絕緣電阻必須大于等于最大泄露電流所對(duì)應(yīng)的電阻。在動(dòng)力電池的高壓系統(tǒng)中，電氣設(shè)備（如動(dòng)力電池組）正、負(fù)極接線端子及其連接線束對(duì)電底盤(pán)分別存在絕緣電阻R、R。如果R、R較小，則絕緣失效，危害駕乘人員的生命安全。

絕緣電阻的檢測(cè)原理多使用無(wú)源搭鐵方法，其基本原理是在直流正負(fù)母線和車(chē)體電底盤(pán)間接入一系列電阻，然后通過(guò)電子開(kāi)關(guān)或者繼電器切換接入阻值的大小，測(cè)量在不同接入電阻情況下正負(fù)母線在被測(cè)電阻上的分壓，最后通過(guò)解方程式計(jì)算出正負(fù)母線對(duì)搭鐵的絕緣電阻。不平衡橋絕緣檢測(cè)原理如圖3所示。

圖3 不平衡橋絕緣檢測(cè)原理

電阻并聯(lián)電子開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合來(lái)改變正負(fù)母線在電阻和＇上的分壓比。當(dāng)斷開(kāi)時(shí)，可得到方程式：

當(dāng)閉合時(shí)，可得到方程式：

式中：＇，＇——開(kāi)關(guān)閉合時(shí)正負(fù)母線在電阻和＇上的壓降。由式 （2）、式 （3）可知絕緣電阻。

3.3 粘連檢測(cè)

繼電器作為動(dòng)力電池的動(dòng)力輸出開(kāi)關(guān)，一旦繼電器出現(xiàn)故障，尤其是發(fā)生粘連時(shí)繼續(xù)操作，可能損壞高壓回路元器件，甚至威脅成員安全，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)繼電器的狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控，能有效防止在高壓繼電器粘連情況下誤操作損壞高壓回路元器件，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的安全、可靠運(yùn)行有十分重要的作用。粘連檢測(cè)如圖4所示。

圖4 粘連檢測(cè)

繼電器的狀態(tài)檢測(cè)有兩種辦法，一種是監(jiān)測(cè)其線圈的得電情況，另一種是對(duì)其觸點(diǎn)本身進(jìn)行監(jiān)測(cè)。前種方法簡(jiǎn)單，但是只能間接反映得電狀態(tài)，且可靠性偏差。后者通過(guò)測(cè)量電壓來(lái)判斷高壓觸點(diǎn)的閉合狀態(tài)，更加可靠。

表1 是動(dòng)力電池繼電器下電時(shí)序時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)的舉例，分別斷開(kāi)繼電器K1和K2，通過(guò)各采集點(diǎn)所采集的電壓來(lái)判斷繼電器是否粘連。

表1 繼電器粘連狀態(tài)舉例

4 動(dòng)力電池繼電器的控制策略

動(dòng)力電池繼電器根據(jù)工作過(guò)程可以分為高壓上電流程管理、高壓下電流程管理和高壓繼電器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)3個(gè)部分。

4.1 高壓上電流程管理

1）點(diǎn)火開(kāi)關(guān)處于啟動(dòng)位置，整車(chē)控制器VCU采集到啟動(dòng)信號(hào)有效時(shí)，通知電池管理系統(tǒng)BMS自檢，并將自檢完成信號(hào)發(fā)送給VCU，VCU收到信號(hào)后并判斷整車(chē)無(wú)強(qiáng)制斷高壓故障，向BMS發(fā)送控制命令要求其閉合繼電器。

2）BMS收到“閉合”命令后，先完成預(yù)充電，預(yù)充完成之后，閉合正極繼電器，斷開(kāi)預(yù)充繼電器，并發(fā)送 “上電完成”信號(hào)。

4.2 高壓下電流程管理

1）整車(chē)VCU收到點(diǎn)火開(kāi)關(guān)閉合信號(hào)，VCU控制整車(chē)負(fù)載閉合，并監(jiān)控總線電流，當(dāng)電流小于一定的閾值時(shí)，給BMS發(fā)送控制命令要求其斷開(kāi)繼電器。

2）BMS收到信號(hào)后，依次斷開(kāi)正負(fù)極繼電器，并發(fā)出“高壓斷開(kāi)”信號(hào)。

3）VCU收到BMS的“高壓斷開(kāi)”反饋后，高壓下電完成。

4.3 高壓繼電器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

BMS上電工作后，將不間斷地監(jiān)控高壓回路的狀態(tài)，包括高壓互鎖回路狀態(tài)，動(dòng)力電池電壓狀態(tài)，絕緣檢測(cè)、繼電器粘連檢測(cè)等，一旦檢測(cè)到任何一個(gè)故障，BMS將盡快限功率行駛甚至是強(qiáng)制斷高壓，各個(gè)狀態(tài)間的邏輯關(guān)系如圖5所示。

圖5 高壓電各邏輯狀態(tài)

5 結(jié)束語(yǔ)

高壓繼電器是高壓電池系統(tǒng)安全工作的重要組成部分，也是保障電池系統(tǒng)高壓安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件。本文根據(jù)電池繼電器的控制要求，將繼電器的預(yù)充電、繼電器粘連、絕緣檢測(cè)監(jiān)控等保護(hù)功能最終集成在高壓上電流程管理、高壓下電流程管理和高壓繼電器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，有效保障了繼電器的安全使用。