電動汽車預(yù)充電保護設(shè)計

姚子欣

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213000）

上電防瞬態(tài)沖擊設(shè)計在電動汽車動力電池系統(tǒng)高壓安全設(shè)計中屬于重要的一部分，涉及高壓供電、負(fù)載運行及主正負(fù)接觸器安全運行[1]。由于電動汽車存在大量的高壓電設(shè)備，例如驅(qū)動電機、電機控制器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、空調(diào)壓縮機等，高壓電氣設(shè)備在工作過程中都要有預(yù)充電過程，防止高電壓瞬間上電擊穿設(shè)備內(nèi)部元器件，因此在其內(nèi)部往往設(shè)置有較大的預(yù)充電容，將初上電電流限制在較小的范圍內(nèi)[2]。

1 預(yù)充電保護原理

由上文可知，電動汽車高壓設(shè)備回路中設(shè)置有預(yù)充電容，下面以動力電池與電機控制器之間的高壓回路為例進行說明。將其高壓系統(tǒng)簡化為由單個電阻和電容組成的模型，如圖1 所示。

圖1 高壓系統(tǒng)簡化模型

由圖1 可以看出，當(dāng)主正負(fù)接觸器閉合瞬間，由于回路存在預(yù)充電容，一般電容電量可視為零。根據(jù)電路的瞬態(tài)特性可知，電容被短路，回路中產(chǎn)生可達(dá)上千安培的大電流，致使接觸器被沖擊損毀，也可能危害乘員的安全[3]。

所以綜合考慮，必須在原有的回路中設(shè)計有預(yù)充電回路，如圖2 所示，對預(yù)充電容進行預(yù)充電，避免出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流，以保證電機控制器安全上電，如圖3 所示。

圖2 高壓預(yù)充電路

圖3 電池系統(tǒng)高壓上電過程

2 預(yù)充電保護系統(tǒng)設(shè)計

目前，電動汽車高壓預(yù)充電回路控制有方式1、方式2、方式3 三種方式，如表1 所示。一般廣泛采用的控制方式為方式1、方式2[4]。

表1 高壓預(yù)充電回路控制方式

2.1 預(yù)充電回路硬件設(shè)計

高壓電上電開始，高壓回路上預(yù)充接觸器和主負(fù)接觸器首先閉合，預(yù)充電流從電池正極流經(jīng)預(yù)充電阻回到負(fù)極構(gòu)成回路，預(yù)充電流小于閾值。當(dāng)Cp的電壓Uc接近Ub時，Kp斷開，K+閉合，預(yù)充電完成，高壓上電成功。

以SCII 直流接觸器EVL250 為例，使用壽命與容阻抗性的關(guān)系如表2 所示。EVL250 接觸器吸合特性曲線如圖4所示?？紤]到電動汽車實際運行電流，結(jié)合圖4，將（Ub－Uc）/Ub≤10%作為預(yù)充電完成的標(biāo)志。

表2 EVL250 通斷次數(shù)與容阻抗性的關(guān)系

圖4 EVL250 接觸器吸合特性曲線

2.2 預(yù)充電策略設(shè)計

當(dāng)VCU 接受KeyOn 鑰匙信號后，發(fā)送報文至BMS，BMS 完成自檢后進入上電流程。以表1 的第三種控制方式即延時預(yù)充時間t后，以主正接觸器閉合方式為例進行說明。延時預(yù)充時間為t，取決于如下公式：

式（1）～（4）中：Uc為預(yù)充電容電壓；Ub為電池總電壓；t為預(yù)充完成時間；τ為一階RC時間常數(shù)；Ip為預(yù)充電流。當(dāng)Kp、K＋、K－未正常接通/斷開時，BMS 發(fā)送預(yù)充電故障報文至VCU，VCU 禁止整車上電。一般BMS 執(zhí)行2～3 次預(yù)充電動作[5]，預(yù)充電均失敗后判定預(yù)充電故障。預(yù)充故障有兩種類型，如表3 所示。

表3 預(yù)充電故障類型

3 總結(jié)

本文通過分析預(yù)充電過程原理，對動力電池端與電機控制器端回路進行了預(yù)充電設(shè)計，并分析了預(yù)充電過程可能存在的故障及其原因。通常電動汽車的使用周期為5～8 年，為降低預(yù)充電失效故障發(fā)生率，應(yīng)首先選用汽車級產(chǎn)品，工業(yè)級產(chǎn)品不太適用。