動(dòng)力電池預(yù)充設(shè)計(jì)及溫升特性研究

劉永昌，龔元明

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院）

0 引言

近幾年，隨著公眾保護(hù)環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)以及國(guó)家政策的大力支持，汽車(chē)電動(dòng)化成為當(dāng)下汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)，新能源電動(dòng)汽車(chē)得到蓬勃發(fā)展。電動(dòng)汽車(chē)電池管理技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，預(yù)充電技術(shù)在動(dòng)力電池管理技術(shù)中起著關(guān)鍵作用。電動(dòng)汽車(chē)一些控制器電路具有電容性，比如電機(jī)控制器、制冷制熱空調(diào)控制器、DCDC 等，在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電源接通瞬間，這些容性負(fù)載相當(dāng)于瞬時(shí)短路，導(dǎo)致瞬時(shí)電流非常大，若沒(méi)有相應(yīng)的保護(hù)措施，在瞬時(shí)高壓大電流沖擊下，一些器件必定損壞[1]。所以，增加相應(yīng)的電池預(yù)充電路，可以降低瞬時(shí)高壓大電流對(duì)這些部件的沖擊，延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)零部件的使用壽命。

此外，動(dòng)力電池主正和主副繼電器都是接觸式導(dǎo)電。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池電壓高達(dá)幾百伏，繼電器導(dǎo)電彈片接觸瞬間必定產(chǎn)生火花，致使繼電器內(nèi)部溫度升高且導(dǎo)電彈片表面氧化嚴(yán)重，甚至發(fā)黑、阻斷導(dǎo)電從而導(dǎo)致無(wú)法供電。如圖1 所示，在主正繼電器接通之前，預(yù)充使得主正繼電器兩端電勢(shì)差大大減小，預(yù)充電可以極大地減少火花電弧對(duì)主正繼電器的損傷，降低甚至避免主正繼電器火花現(xiàn)象的發(fā)生，極大地增加主正繼電器的可靠性以及延長(zhǎng)其使用壽命，同時(shí)避免和減少接觸火花，提高電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池使用的安全性。

圖1 常規(guī)動(dòng)力電池預(yù)充電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of conventional power battery precharging circuit

1 預(yù)充電路設(shè)計(jì)

1.1 預(yù)充電路性能參數(shù)

在動(dòng)力電池預(yù)充電路中，預(yù)充電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和預(yù)充電阻的選型起到關(guān)鍵作用。圖2 為并聯(lián)PTC電阻預(yù)充電路設(shè)計(jì)示意圖。

圖2 并聯(lián)PTC 電阻預(yù)充電路Fig.2 Parallel PTC resistor precharge circuit

預(yù)充電路結(jié)構(gòu)一般是在高壓線(xiàn)路中串聯(lián)電阻，本文的設(shè)計(jì)采用并聯(lián)兩個(gè)PTC 電阻的電路。預(yù)充電阻的類(lèi)型和阻值大小對(duì)預(yù)充時(shí)間、預(yù)充壓降過(guò)程等會(huì)產(chǎn)生重要影響。預(yù)充電阻的選型是否合理、預(yù)充工作過(guò)程是否可靠，直接關(guān)系到該電動(dòng)汽車(chē)的可靠性。本文提出的并聯(lián)PTC 電阻的預(yù)充設(shè)計(jì)方案有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）預(yù)充開(kāi)始時(shí)刻電流非常大，并聯(lián)PTC 電阻分流，降低大電流對(duì)單個(gè)PTC 電阻的沖擊，減少電阻的老化，延長(zhǎng)預(yù)充電路的使用壽命。

（2）預(yù)充繼電器彈片接觸面積比較小，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)大大降低通過(guò)預(yù)充繼電器的電流，對(duì)預(yù)充繼電器起到保護(hù)作用。

（3）PTC 電阻具有隨著溫度升高電阻阻值變大的特性，這樣在溫度升高的情況下預(yù)充電阻阻值會(huì)快速升高，極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)充所需電壓。

另外，本文中的預(yù)充電路，動(dòng)力電池是以18650 為單元的電池總成，電池電壓Up=450 V，選定的電機(jī)控制器的容值為500 μF。由于臨近預(yù)充結(jié)束，主正繼電器兩端預(yù)充電壓上升緩慢，所以當(dāng)預(yù)充電壓Uc的值達(dá)到動(dòng)力電池電壓Up的97%以上時(shí)認(rèn)為預(yù)充完成。預(yù)充電路實(shí)為一個(gè)RC 電路，預(yù)充時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致能量消耗大，并且長(zhǎng)時(shí)間預(yù)充會(huì)導(dǎo)致預(yù)充電路特別是預(yù)充電阻過(guò)熱，會(huì)縮短汽車(chē)使用壽命，所以預(yù)充時(shí)間的控制至關(guān)重要。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本次預(yù)充時(shí)間t控制在100～500 ms 為宜[2]。

1.2 預(yù)充電阻類(lèi)型選擇

本電路設(shè)計(jì)采用PTC 電阻，考慮到PTC 電阻受溫度影響大，在電阻發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)動(dòng)力電池可快速完成預(yù)充動(dòng)作，降低預(yù)充時(shí)間，預(yù)先選用性能如圖3 所示的PTC 電阻（圖3 來(lái)自電阻生產(chǎn)廠(chǎng)家）。

圖3 PTC 電阻阻值隨溫度變化曲線(xiàn)Fig.3 PTC resistance value versus temperature curve

1.3 預(yù)充電阻阻值計(jì)算

根據(jù)RC 電路的1 階電路零狀態(tài)響應(yīng)方程[3]：

式中：UC——預(yù)充時(shí)電容兩端電壓；Umax——?jiǎng)恿﹄姵貎啥说淖畲箅妷?，?50 V；t——預(yù)充時(shí)間；τ——時(shí)間常數(shù)；R——預(yù)充電阻阻值；C——電機(jī)控制器端電容500 μF。

由式（3）得：

當(dāng)tmin=100 ms 時(shí)，計(jì)算得預(yù)充電阻Rmin=57 Ω；當(dāng)tmax=500 ms 時(shí),計(jì)算得預(yù)充電阻Rmax=285 Ω。即預(yù)充電阻值R在57～2 855 Ω 均能滿(mǎn)足預(yù)充要求。

1.4 預(yù)充電阻功率計(jì)算

在該電路中，預(yù)充電路相當(dāng)于一個(gè)RC 電路，在電容充電過(guò)程中電流通過(guò)電阻必然導(dǎo)致能量損失[4]。結(jié)合上一小節(jié)預(yù)充電阻阻值的計(jì)算和預(yù)充電路的并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，預(yù)先選用阻值R1、R2為120 Ω的PTC 電阻作為本節(jié)功率計(jì)算的電阻。

并聯(lián)電阻計(jì)算公式：

功率計(jì)算公式[5]：

在電容充電開(kāi)始瞬間，電容兩端相當(dāng)于短路，電阻兩端壓差最大U（t）max為電池電壓，由此可知此時(shí)預(yù)充電阻有最大瞬時(shí)功率Pmax為3 375 W。當(dāng)預(yù)充電壓達(dá)到電源電壓的97%時(shí)認(rèn)為預(yù)充完成，此時(shí)預(yù)充電阻兩端壓差近似為0。

1.5 預(yù)充電阻能量計(jì)算

電阻能量消耗計(jì)算公式[6]：

電容儲(chǔ)能計(jì)算公式[7-8]：

由式（8）可以看出，電源對(duì)整個(gè)預(yù)充電路充電，但是能量只被電容消耗一半，另一半被預(yù)充電阻消耗了。不論電阻為多少，總有與電容儲(chǔ)能相等的能量被損失掉[3],預(yù)充阻值大小與預(yù)充過(guò)程消耗的能量多少無(wú)關(guān)。

2 預(yù)充電路溫升檢測(cè)

預(yù)充PTC 電阻受溫度影響大，預(yù)充時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生巨大熱量，該設(shè)計(jì)采用的PTC 電阻受溫度影響大，所以測(cè)試有必要考慮高溫條件。根據(jù)選型、計(jì)算以及考慮汽車(chē)工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)，測(cè)試25 ℃和85 ℃兩種環(huán)境條件下預(yù)充電阻溫升數(shù)據(jù)以及預(yù)充壓降、預(yù)充電流、預(yù)充時(shí)間。

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)完全還原動(dòng)力電池預(yù)充的整個(gè)過(guò)程，模仿汽車(chē)啟動(dòng)前高壓電路的準(zhǔn)備工作，在此過(guò)程中監(jiān)測(cè)電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)。動(dòng)力電池電壓范圍為300～800 VDC，本次測(cè)試電壓選定為450 V。圖4 為檢測(cè)電路搭建示意圖。

圖4 檢測(cè)電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of detection circuit

溫升測(cè)試使用C-Thermo K10 熱電偶測(cè)量模塊進(jìn)行溫度測(cè)量，將4 個(gè)溫度貼片貼在每個(gè)預(yù)充電阻兩側(cè)，保證完全貼合，溫度測(cè)量準(zhǔn)確。

啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備后，開(kāi)啟溫箱，定值運(yùn)行25 ℃，待溫箱溫度恒定后，模擬預(yù)充狀態(tài)的工作過(guò)程，對(duì)電容進(jìn)行充電。測(cè)試、記錄并保存被測(cè)回路的電流、電壓、溫度數(shù)據(jù)波形。模擬預(yù)充測(cè)試結(jié)束后，待溫升測(cè)試結(jié)束，PTC 溫度值不再變化，對(duì)電容進(jìn)行放電，以便進(jìn)入下一次充電狀態(tài)。同樣，待設(shè)備冷卻后，開(kāi)啟溫箱，定值運(yùn)行85 ℃，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果及分析

如圖5、圖6 所示，在25 ℃環(huán)境溫度下，預(yù)充電時(shí)間為134.4 ms，小于400 ms 符合預(yù)充時(shí)間要求，預(yù)充峰值電流為13.49 A。測(cè)試前溫度為28℃，測(cè)試后溫度為35 ℃，圖中明顯看出預(yù)充開(kāi)始后溫度大幅上升，測(cè)試溫升Δt=7℃。

圖5 環(huán)境溫度25 ℃預(yù)充電壓和電流曲線(xiàn)Fig.5 Precharge voltage and current curve at ambient temperature of 25 ℃

圖6 環(huán)境溫度25℃預(yù)充電阻溫升曲線(xiàn)Fig.6 Temperature rise curve of precharge resistance at ambient temperature of 25 ℃

如圖7、圖8 所示，在85 ℃環(huán)境溫度下，預(yù)充時(shí)間為152.8 s，預(yù)充電流峰值電流為10.4 A，高溫環(huán)境下對(duì)預(yù)充電阻阻值有影響，導(dǎo)致預(yù)充電流下降。溫升Δt=8℃，預(yù)充阻值變大，導(dǎo)致預(yù)充電流減小，進(jìn)而預(yù)充時(shí)間變長(zhǎng)，所以預(yù)充溫升相比25 ℃環(huán)境溫度時(shí)要高。

圖8 環(huán)境溫度85℃預(yù)充電阻溫升曲線(xiàn)Fig.8 Temperature rise curve of precharge resistance at ambient temperature of 85 ℃

綜上，對(duì)比2 種溫度環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果可得：85 ℃環(huán)境溫度下預(yù)充時(shí)間t有所延長(zhǎng)，但是預(yù)充時(shí)間都在理論有效范圍內(nèi)；85 ℃環(huán)境溫度下的預(yù)充峰值電流比25 ℃溫度下預(yù)充峰值電流減小3 A；動(dòng)力電池在25 ℃和85 ℃下預(yù)充，預(yù)充電阻的溫升Δt≈7.5 ℃，溫度相差不大。預(yù)充電路中并聯(lián)兩個(gè)PTC電阻，各個(gè)電阻表面的溫升差值在1 ℃之內(nèi)，預(yù)充電路設(shè)計(jì)與理論設(shè)計(jì)吻合，完全達(dá)到預(yù)充電氣參數(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的并聯(lián)PTC 電阻的預(yù)充電路設(shè)計(jì)方案可有效完成電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池預(yù)充過(guò)程，在不耗損太多能量的前提下，有效保護(hù)主正繼電器，并且能快速完成預(yù)充過(guò)程。多預(yù)充電阻設(shè)計(jì)可以有效保護(hù)預(yù)充電路，減緩老化程度，提高預(yù)充電路的穩(wěn)定性。當(dāng)然，預(yù)充電阻工作環(huán)境溫度高，環(huán)境相對(duì)比較惡劣，老化相對(duì)其他零部件嚴(yán)重，使用次數(shù)相對(duì)較少。當(dāng)下電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)飛速發(fā)展，當(dāng)人們使用汽車(chē)時(shí)，能有效斷開(kāi)和連接動(dòng)力電池還需要更先進(jìn)的技術(shù)，才能延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)使用壽命。