電動(dòng)汽車高壓回路預(yù)充電阻選型設(shè)計(jì)

【摘 要】高壓預(yù)充是電動(dòng)汽車高壓管理中必不可少的環(huán)節(jié)，以某純電動(dòng)汽車為例，介紹電動(dòng)汽車高壓預(yù)充的原理，并針對(duì)預(yù)充電阻阻值及功率闡述詳細(xì)的計(jì)算過程，提供預(yù)充電阻選型設(shè)計(jì)的思路，提高電動(dòng)汽車高壓回路的安全性，保證整車的安全運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】預(yù)充電阻;高壓回路;選型設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）09-0012-02

Selection and Design of Precharging Resistance for High Voltage Circuit of Electric Vehicles

ZHANG Benxuan，HAN Fuqiang，ZHU Zhiyuan，WU Shasha，DING Shilong，ZHANG Wenyuan

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】The high voltage precharge is an indispensable link in the management of high voltage of electric vehicles. Taking a pure electric vehicle as an example，the introduction of the principle of high voltage precharge of electric vehicles，and the detailed calculation process for the pre-charge resistance value and power，provide the idea of the pre-charge resistance design，The safety of the high-voltage circuit of electric vehicles has been enhanced to ensure safe operation of the whole vehicle.

【Key words】pre-charge resistance;high voltage circuit;optional design

隨著社會(huì)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程、安全性能的需求逐漸升高，相應(yīng)地對(duì)電動(dòng)汽車高壓平臺(tái)的高壓回路設(shè)計(jì)也提出了更高要求。在電動(dòng)汽車高壓回路上，常常會(huì)連接一些容性負(fù)載，比如電機(jī)控制器、空調(diào)壓縮機(jī)、電加熱器等。為了保護(hù)這些容性負(fù)載，同時(shí)也防止高壓回路接通瞬間產(chǎn)生的大電流燒毀繼電器[1]，在電動(dòng)汽車上引入高壓預(yù)充回路進(jìn)行預(yù)充電。

1 高壓預(yù)充原理

以某純電動(dòng)汽車高壓回路為例，如圖1所示，高壓回路由主回路及預(yù)充回路組成，其中主回路包括動(dòng)力電池、主正繼電器K+、主負(fù)繼電器K-、電容C及后端負(fù)載M;預(yù)充回路包括預(yù)充繼電器Kp和預(yù)充電阻R。

如果沒有預(yù)充回路，即沒有預(yù)充繼電器與預(yù)充電阻時(shí)，當(dāng)控制器接收到上高壓指令進(jìn)行高壓上電后，主負(fù)繼電器K-、主正繼電器K+順序閉合，動(dòng)力電池系統(tǒng)直接與電容C兩端連通，由于電容兩端基本無電壓，而此時(shí)動(dòng)力電池系統(tǒng)兩端電壓有500V以上高壓，相當(dāng)于瞬間短路，高壓回路中的負(fù)載電阻阻值也比較小，一般由繼電器的觸點(diǎn)電阻和高壓線束電阻組成，其值小于20mΩ。根據(jù)歐姆定律可計(jì)算出此時(shí)流經(jīng)高壓回路的瞬態(tài)電流I=500/0.02=25000A，而根據(jù)繼電器規(guī)格書可知，一般高壓繼電器在短時(shí)通電時(shí)觸點(diǎn)承受的電流能力大概在幾千安培左右，上述計(jì)算的電流值遠(yuǎn)大于繼電器承受能力。如果不采取有效的防護(hù)措施，那么高壓回路上的主正、主負(fù)繼電器必然會(huì)被燒毀，同時(shí)回路上的其他負(fù)載也會(huì)遭受損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至可能對(duì)車上乘客造成生命危險(xiǎn)[2]。

引入預(yù)充回路以后，當(dāng)控制器接收到高壓上電指令后首先進(jìn)行預(yù)充電，即先閉合主負(fù)繼電器K-，再閉合預(yù)充繼電器Kp，預(yù)充回路接通，此時(shí)流經(jīng)高壓回路的瞬態(tài)電流I=500/100=5A（假設(shè)此時(shí)預(yù)充電阻選取阻值為100Ω），滿足繼電器使用要求。隨著電容進(jìn)行充電，其兩端電壓UC開始逐漸升高，流經(jīng)高壓回路的電流Ip=（U-UC）/R也逐漸減小，當(dāng)電容兩端電壓UC與動(dòng)力電池總電壓U接近時(shí)（一般為總電壓的95%），閉合主正繼電器K+，再斷開預(yù)充繼電器Kp，完成預(yù)充。此時(shí)，電容兩端電壓與動(dòng)力電池電壓的差值較小，這樣在閉合主正繼電器瞬間產(chǎn)生的電流I=500×5%/0.02=1250A，滿足繼電器安全要求，從而避免了大電流沖擊導(dǎo)致繼電器燒毀，提高了安全性。預(yù)充電過程中電容兩端電壓與電流的變化如圖2所示。

根據(jù)電動(dòng)汽車和人體安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高于60V的高壓系統(tǒng)，在上電過程中應(yīng)該采用預(yù)充電過程來避免高壓沖擊[3]。由上文對(duì)高壓預(yù)充的原理分析可以看出，預(yù)充電過程對(duì)于電動(dòng)汽車高壓管理十分重要，預(yù)充電能夠有效減少高壓接觸器閉合瞬間產(chǎn)生的大電流沖擊，保證整車安全。

2 預(yù)充電阻選型設(shè)計(jì)

預(yù)充電阻的選型主要考慮3個(gè)參數(shù)：預(yù)充電阻阻值、預(yù)充電阻瞬時(shí)功率和預(yù)充電阻平均功率。

2.1 預(yù)充電阻阻值計(jì)算

以某純電動(dòng)車實(shí)際參數(shù)為例，該車動(dòng)力電池系統(tǒng)由1并160串磷酸鐵鋰電池單體組成，整車標(biāo)稱電壓值為515.2V，最高電壓為592V，負(fù)載電容容量為650μF。

根據(jù)RC電路的一階電路零狀態(tài)響應(yīng)方程[4]可得：

式中：Uc——電容C兩端電壓;U0——預(yù)充開始時(shí)電容兩端的初始電壓;U——電池包兩端電壓;t——預(yù)充時(shí)間;R——預(yù)充電阻阻值;C——電容容值。

由上文可知，U0=0。因此，式1可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

求解電阻：

（3）

當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到電池總電壓的95%時(shí)，即UC=0.95U時(shí)，認(rèn)為預(yù)充完成，根據(jù)方程得：t=3RC。該純電動(dòng)車要求在500ms內(nèi)完成高壓預(yù)充，當(dāng)t=500ms時(shí)，計(jì)算得R=257Ω。

2.2 預(yù)充電阻功率計(jì)算

預(yù)充電阻功率的選取十分重要，很多常見的預(yù)充電阻燒毀故障就是因?yàn)轭A(yù)充電阻功率選擇不合適導(dǎo)致的。

2.2.1 瞬時(shí)功率計(jì)算

高壓預(yù)充電是瞬態(tài)充電的過程，整個(gè)過程在幾百毫秒內(nèi)就完成了，而在這么短的時(shí)間內(nèi)，電阻骨架來不及吸收電流通過電阻絲所產(chǎn)生的熱量，熱量全部聚集在電阻絲上。對(duì)預(yù)充電阻的瞬時(shí)功率進(jìn)行計(jì)算，如下：

式中：Pt——某一時(shí)刻通過預(yù)充電阻的功率。

由上式可知，當(dāng)UC最大時(shí)，Pt最大，即預(yù)充繼電器剛閉合瞬間，電容短路，預(yù)充電阻兩端電壓值最大，等于電池包兩端電壓，此時(shí)，瞬時(shí)功率最大值為：

一般鋁殼繞線電阻在1s內(nèi)可承受的最大負(fù)載功率可達(dá)額定功率的20倍。因此，根據(jù)預(yù)充電阻功率以不超過瞬時(shí)功率的20倍來計(jì)算，P=1364/20≈68W。

2.2.2 平均功率計(jì)算

預(yù)充繼電器閉合后，動(dòng)力電池便通過預(yù)充電阻對(duì)電容進(jìn)行充電。在預(yù)充電過程中，動(dòng)力電池釋放的能量，一部分轉(zhuǎn)化為電荷能量?jī)?chǔ)存在電容中，一部分被預(yù)充電阻以熱能的方式消耗掉[5]。

動(dòng)力電池提供的總能量：

（6）

電容儲(chǔ)存的能量：

那么電阻消耗的能量：

（8）

電阻的平均功率：

根據(jù)上述計(jì)算，預(yù)充電阻功率選型應(yīng)按照的原則為：額定功率>平均功率>瞬時(shí)功率，即額定功率應(yīng)大于228W?？紤]到安全和使用要求，最終該純電動(dòng)車預(yù)充電阻選型結(jié)果為300Ω，250W。

3 結(jié)論

為了避免上高壓過程中繼電器閉合瞬間產(chǎn)生的大電流燒毀繼電器，同時(shí)也為了保護(hù)高壓回路上的負(fù)載，因此引入了高壓預(yù)充電。預(yù)充電阻的合理選型是保證高壓預(yù)充順利完成的關(guān)鍵。本文從預(yù)充電阻的阻值和功率兩個(gè)方面對(duì)預(yù)充電阻的選型提出基本思路，通過合理的選型設(shè)計(jì)提高電動(dòng)汽車高壓回路安全性，保證整車安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉衛(wèi)東，彭玉環(huán)，吳方義，等. 混合動(dòng)力汽車高壓上下電控制策略[J]. 汽車電器，2020（11）：9-11.

[2] 辛瑜，徐峰，趙巖. 新能源車輛高壓安全設(shè)計(jì)[J]. 重型汽車，2020（5）：18-19.

[3] 李永慶，孟偉. 電動(dòng)汽車預(yù)充電過程研究[J]. 汽車電器，2013（5）：8-10.

[4] 葉挺秀，張伯堯. 電工電子學(xué)（第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2014.

[5] 田志良. RC電路充電過程中的能量轉(zhuǎn)化與守恒[J]. 河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2004，15（2）：19-21.

（編 輯 楊凱麟）

作者簡(jiǎn)介張本軒（1996—），男，碩士，主要從事企業(yè)電池軟件測(cè)試工作。