基于E50純電動汽車高壓上電過程的研究

馮婧

摘 要：以E50純電動汽車為例，研究高壓上電過程的設計思路、控制策略及實施方案。結合實踐經驗探究上電過程對緩解車輛高壓系統沖擊、提高車輛可靠性、高壓安全性的必要性。

關鍵詞：高壓上電；預充電；電動汽車

中圖分類號：U469.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-05-02

Abstract： Taking E50 electric vehicle as an example， the design idea， control strategy and implementation plan of high voltage power-on process are studied. Combining practical experience to explore the necessity of power-on process to alleviate the impact of vehicle high-voltage system， improve vehicle reliability and high-voltage safety.

Keywords： high-voltage power-on； precharge； EV

CLC NO.： U469.7 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-05-02

前言

隨著地球資源的日益枯竭、環境污染的逐漸加劇，世界各國在能源爭奪戰中紛紛表現出了強進的勢頭。全球汽車產業由傳統依賴石化燃料的燃油汽車向新能源汽車轉型亦成為大勢所趨。各大車企紛紛推出了純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車等車型。電動汽車的發展為汽車能源轉型帶來了福音，也帶了高壓安全的隱患。本文以E50為例，分析高壓上電過程的設計思路、控制策略及實施方案。

1 高壓上電電路的設計思路

參照民用建筑設計規范，高壓線路的上電過程一般由斷路器、高壓直流接觸器、熔斷器、漏電保護開關等設備完成。在電動汽車的高壓電路設計中，通過ECU信號控制完成正常上電過程，高壓直流接觸器執行相應信號。根據電動汽車的高壓安全要求：對于高壓60V的高壓系統，上電過程至少需要100ms，上電過程中應采用預充電過程避免高壓沖擊；在任何情況下，繼電器斷開時間應該小于20ms，當高壓系統斷開1s后，汽車的任何導電部分和可觸及部分搭鐵電壓的峰值應當小于AC42.4V或DC60V，儲存的的能量應該小于20J。

參考相應規范及高壓安全要求，純電動汽車高壓上電系統應采用預充電管理。此外，純電動汽車高壓系統設置了變頻器或逆變器。在初上電過程中，變頻器中的大電容進行充電，產生局部短路的效果，進而導致電路中出現大電流，對母線上的繼電器造成巨大沖擊。

預充電管理應采用小電流充電，減緩沖擊，而長期小電流供電則影響車輛的動力性。所以，當充電完成時，電路應恢復常規供電。因此可在原有電路中，并聯一組控制電路。控制電路中應包含有限流電阻。上電電路簡圖如圖1所示。E為高壓蓄電池，RL1、RL3分別為正極接觸器、負極接觸器的開關觸點，RL2為預充管理接觸器的開關觸點，R1為預充限流電阻，C1為變頻器內的大電容，RL4為放電接觸器的開關觸點，R2為放電電阻。

2 高壓上電電路的控制策略及實施方案

預充電管理過程應分為三個階段，冷態啟動自檢階段、預充階段、常規供電階段。

2.1 冷態啟動自檢階段

整車ECU通過CAN網絡讀取BMS的動力電池SOC、動力電池電壓、動力電池溫度、充電控制器狀態、絕緣監測狀態、故障信息等，變頻器的檔位信號狀態、電機工作溫度、IGBT工作狀態、故障信息等。若整車設備滿足正常運行條件，則整車ECU通過CAN網絡發送自檢正常確認信號。BMS讀取該確認信號，并控制開關觸點RL2和RL3閉合，預充管理開始。

2.2 預充階段

當開關觸點RL2、RL3閉合后，動力電池E通過開關觸點RL2、預充電阻R1、大電容C1、開關觸點RL3形成回路，為大電容C1充電。在此階段，預充電阻的大小、開關觸點RL2的斷開時刻、預充階段的持續時間等參數選擇均較大地影響了預充過程的安全性和可靠性。

2.2.1 預充電阻R1的選擇

根據圖1電路簡圖可知， ，則 。其中，UC為大電容的端電壓，UE為動力電池的端電壓，I為預充階段的電路電流。為保障接觸器的安全性和可靠性，預充電流I應小于接觸器開關觸點相應規格的最大沖擊電流。若動力電池額定電壓為297.6V，預充電阻范圍一般為20-100Ω，接觸器開關觸點最大沖擊電流不得超過10A。那么，根據預充電流I最大值計算，R1應大于29.76Ω。

2.2.2 開關觸點RL2斷開時刻的選擇

對大電容充電過程做一階電路零狀態相應等效分析，可得：

由公式可知，UC隨著充電時間的增加而增大，I隨著充電時間的增加而減小。通過檢測電容端電壓UC和電路電流I即可判斷預充管理過程是否順利進行。

一階電路零狀態相應等效分析如圖2所示。其中， 。預充電管理進行時，大電容的端電壓UC越來越高， 越來越小（一般小于UE的10%）。當接通開關觸點RL1和RL3時，電路電流I較小，并且對接觸器觸點無沖擊。若 選定為動力電池端電壓UE的10%，則開關觸點RL2的斷開時刻可選為t1時刻。

2.3 常規供電階段

當預充階段結束后，開關觸點RL1和RL3閉合。動力電池通過開關觸點RL1、用電設備、開關觸點RL3形成回路，為用電設備及外部負載供電。

除了應考慮開關觸點RL2的斷開時刻，還應確定開關觸點RL1的閉合時刻。接觸器的開關觸點閉合與斷開動作會有延時。為了保證預充階段和正常供電階段的順利過渡，RL1的閉合時刻應優先于RL2的斷開時刻。系統電壓Us波形變化如圖3所示。

3 結論

目前，新能源汽車已呈現出蓬勃發展趨勢。純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車的研發技術不斷突破，政策逐年利好，產銷量不斷提高。為了提高能源利用率、優化機械設計、提升車輛動力性、安全性，在高壓設計過程中，加入預充電管理是法規標準和安全設計的必然要求。在設計過程中，合理的控制策略和實施方案不僅能判斷預充電過程是否成功，而且能在車輛起動前對上電的順利進行提供保障，降低了動力電池BMS及整車ECU的管理難度，提升了整車安全性。

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