動力電池預充電路及自加熱電路相互影響研究

邵 波，孟 成，萬 欣

（北汽集團越野車有限公司，北京 100331）

1 引言

動力電池系統是混合動力和電動汽車的重要能量源系統，為油電混合車輛和電動車輛在行駛過程中提供電能，并回收車輛制動過程中的能量，以滿足日益嚴苛的油耗和排放要求。由于動力電池系統電壓相對車輛為高壓，為防止在整車高壓上電過程中由于容性負載引起的電流沖擊導致高壓系統回路中相關繼電器／接觸器觸點粘連及高壓器件損壞，需要對容性負載進行預充電［1］。

動力電池系統在低溫條件下放電能力差，充電接受能力弱，0℃以下充電安全性差，為滿足車輛能在低溫條件使用，在電池的熱管理系統中會增加電池加熱功能。動力電池加熱方式可通過冷卻液加熱、電芯內部自加熱和加熱膜加熱等方式，其中加熱膜加熱利用動力電池高壓電能加熱，具有簡單易行、成本較低的特點，應用廣泛。

預充電路與加熱膜電路相互之間存在影響，均由動力電池管理系統進行控制，如何保證動力電池系統預充電正常完成及動力電池加熱正常進行，避免預充回路器件損壞，動力電池管理系統的控制邏輯尤為重要。

2 故障現象及系統分析、仿真

公司某型混合動力車直接采用高壓系統起動，在-35℃低溫環境車輛起動調試過程中，經過多次起動操作后，出現動力電池系統高壓預充超時，車輛高壓上電失敗的故障，打開電池箱檢查，發現預充電阻燒毀導致預充電路失效，預充超時。鑒于該車在常溫環境測試時多次起動并未出現預充超時的故障，故障僅在低溫環境測試過程中出現，為避免后續繼續出現該故障，保障車輛調試順利進行，針對動力電池系統的預充電路［2］和自加熱電路及控制邏輯進行分析。

2.1 預充電路及自加熱電路分析

圖1為車輛動力電池高壓預充電路及自加熱回路。預充回路由預充繼電器、預充電阻組成。當整車進入高壓上電流程時，閉合主負繼電器、預充繼電器，開始進行預充電，預充完成后，主正繼電器閉合，高壓上電完成。如果預充電阻過大或預充電流過小，電池輸出母線電壓未在設定的預充時間內達到設定的預充電壓，動力電池管理系統將會報出預充超時的故障。預充控制邏輯如圖2所示。

圖1 高壓預充電路及自加熱回路

圖2 預充控制邏輯

自加熱回路由加熱膜、預熱繼電器、預熱熔斷絲及自加熱控制開關組成。整車低壓系統上電，動力電池管理系統ECU采集到電芯溫度低于設定溫度值，輸出高電平電壓給預熱繼電器線圈，按下自加熱控制開關，接通預熱繼電器回路，預熱繼電器閉合，自加熱回路通過自主正繼電器87端形成回路。自加熱控制開關斷開，自加熱回路斷開，避免在環境溫度較高時自加熱開啟，電芯溫度過高。自加熱控制邏輯如圖3所示。

預熱繼電器30端子與預充電阻輸出端、電機控制器電容共接在主正繼電器87端子。

預充電回路與自加熱回路電器元件參數見表1，預充參數設置：動力電池電壓642V，預充時間≤300ms，預充超時時間0.5s，預充電壓95%Ubat。

表1 電器元件參數

圖3 自加熱控制邏輯

2.2 模型建立

根據系統電路建立仿真模型 （圖4），分別計算預充電阻電壓降、電流、功率、能量、理論溫升，相關參數設定按照表1中數據，仿真時間0.5s。

圖4 預充電路及加熱電路仿真模型

自加熱控制開關未接通，仿真結果如圖5；自加熱控制開關接通，仿真結果如圖6。

2.3 仿真結果分析［3］

1）未接通自加熱回路時，預充回路在預充繼電器閉合后237ms達到預充設定電壓，預充成功；預充電阻上累積產生的能量Eres=960J，電阻溫升ΔTres=7.38K，電阻溫升低，能夠承受多次啟動沖擊。

2）接通自加熱回路后，500ms時預充電壓因加熱膜電阻分壓的原因，測量點電壓為420.9V，且趨于穩態，達不到預充設定電壓值，預充不成功，超時；預充電阻上累計產生的能量Eres=2328J，電阻溫升ΔTres=17.9K，電阻溫升快，多次啟動沖擊后電阻會因溫度過高導致燒毀。

圖5 自加熱控制開關未接通

圖6 自加熱控制開關接通

根據仿真結果，咨詢現場操作人員操作詳細過程，反饋在故障出現前自加熱開關處于接通狀態，并保持接通狀態情況下，短時間內多次反復上電操作。更換狀態良好的預充電阻，在確保自加熱開關斷開狀態的條件下進行上電操作，高壓上電成功，預充電阻溫升較小，確定前面描述的故障是由于自加熱回路工作后多次上電操作導致預充電阻燒毀。

為徹底避免人為操作原因導致預充電阻過熱導致燒毀的故障，針對自加熱回路控制邏輯進行優化，自加熱控制邏輯如圖7所示。

同時，為避免過多頻繁反復進行上電預充導致預充電阻過熱［4］出現燒毀現象，動力電池管理系統預充管理在3min內反復上電10次后，持續5min停止響應上電指令。

更新動力電池管理系統軟件后，反復多次上電測試，預充電阻溫升正常，最高溫度均在80℃以下，系統工作正常。

3 結論

圖7 自加熱控制邏輯

動力電池系統在上電預充過程中，為避免預充失敗和預充電阻燒毀，在其管理系統控制策略中應避免其它高壓負載工作，減少預充干擾。動力電池系統自加熱功能應在預充完成后才能啟動。