電動汽車分級預充電回路及預充電阻選型匹配方法研究

婁丙民， 李可敬， 尹 良， 王維振

（濰柴新能源研究院整車整機平臺部， 山東 濰坊 261061）

隨著國家政策的積極引導及能源消耗和環境污染等方面的問題，使得高效節能的新能源汽車成為汽車領域的發展趨勢。目前新能源汽車在人們的日常生活中已經非常普遍，了解新能源汽車預充電過程對動力系統部件的選型及整車安全可靠性研究有至關重要的影響。

根據電動汽車和人體安全標準，電動汽車的高壓安全中有一條要求如下：對于高于60V的高壓系統的上電過程至少需要100ms，在系統上高壓過程中應該設置預充電回路來避免高壓大電流的沖擊，從而保護高壓接觸器及電機控制器等高壓部件，提高系統安全。因此，預充電回路設計及預充上電流程的管理是新能源汽車中必不可少的重要環節。

1 傳統預充電路

如圖1所示，電機控制器作為新能源汽車主要部件，將動力電池高壓直流電轉化為驅動電機所用的三相交流電，內部有較大的電容C。在停車狀態啟動時，電容C上基本沒有殘存電壓，若高壓直流電輸入到電機控制器電路中，當無預充電回路時，主正接觸器K+、主負接觸器K-直接與C接通，此時動力電池VB有360V以上直流高壓，而電機控制器內部電容C沒有電量，通電瞬間電容兩端電壓為0V。由于整個回路沒有負載，所施加的電壓全部加在高壓線和接觸器觸點上，導線及接觸器觸點電阻一般遠小于20mΩ。按照歐姆定律，若回路電阻以20mΩ計算，VB和VC之間的電壓差以300V 計算，整個回路瞬時電流可達到I=300V/0.02Ω=15000A。主正接觸器K+及主負接觸器K-瞬時會被燒結。

圖1 傳統單級預充電路

按照正常電路設計原理，針對有電容器負載部件回路，需要增加預充電過程。以電機控制器預充回路為例，主正接觸器K+先斷開，讓阻抗較大的Kp和預充電阻R構成的預充電回路先接通，依靠預充電阻降低回路電流，在電容器預充電壓到達目標電壓的90%以上時，再選擇閉合主正接觸器K+回路，此時電池兩端與電機控制器兩端壓差較小，不會存在大電流情況，整個電路及用電器件就會比較安全。舉例如下：假設選用150Ω預充電阻，VB與VC壓差仍然按300V計算。在接通一瞬間，流過預充電回路進入電容C的最大電流Ip=300V/150Ω=2A。而預充接觸器所能承受電流是10A，所以預充回路安全。上下電順序見圖2。

圖2 接觸器上下電時序圖

2 分級預充電路

如圖1所示預充電路工作時，負載M插接件松動導致開路，實際上電容C只是預充了一部分，此時負載斷開，導致第1級假預充電完成，主正接觸器K+結合，如果此時后端負載又突然加上，由于預充電過程已經結束，VB和VC之間還是存在較大壓差，按照上述分析，將會產生大電流，燒結預充電線路或接觸器。同時考慮到車輛帶載工作過程中，經常會出現燒預充電阻現象，為保證車輛能夠正常完成本次工作，此處設計一套分級預充電電路，實現預充電冗余設計，保證車輛工作的可靠性。如圖3所示。

圖3 分級預充電回路

正常情況下，動力電池電壓VB上電，負載繼電器斷開，因后端負載M開路，動力電池端在極短時間內就完成一次假預充。此時VCU或BMS可判斷為正常而接通K+，讓負載端預充電路（KMp+RM） 達到相同預充效果。

通過電阻檢測裝置1時刻監測電池端預充電路狀態，當監測到電池端預充線路故障時，可采用動力電池通過K+先上電，負載繼電器后上電，避過電池端預充線路故障，利用負載級預充線路完成預充過程。

若通過電阻檢測裝置2監測到負載級預充線路故障，可通過先閉合負載繼電器，KM+很快接通，然后再控制動力電池上電，利用電池端預充線路完成預充過程的情況。

3 電動汽車預充電阻參數選型匹配

預充電阻選型與電動汽車的充電過程息息相關，為安全性能和成本效益很好地結合，在選型的過程中要充分了解電動汽車的電壓、電容等要求，此外在選擇預充電阻時還要注意與之相匹配的高壓接觸器的型號規格。盡量選擇功率負荷大、絕緣性高、抗震性好、熱性能好等優點的接觸器。

由圖1可知，預充電路就是RC電路，根據電動汽車安全標準要求，高于60V的高壓系統預充時間要大于100ms，但RC時間常數不宜過長，太長的RC時間將導致充電電流下降緩慢，從而導致預充電阻的平均功率較大，產生不必要的損耗和過長的上電時間，一般按照90%～95%的額定母線電壓所需的時間計算RC時間常數。

預充電時間計算公式：

式中：V0——電容上的初始電壓值；Vc——電容充滿終止電壓值；Vt——任意時刻t電容上的電壓值。

則：如果電壓為E的電池通過電阻R向初值為0的電容C充電，V0=0，充電極限Vc=E，故，任意時刻t電容上的電壓為：

式中：exp（）——以e為底的指數；Ln（）——以e為底的對數。

如果已知某時刻電容上的電壓Vt，根據常數可以計算出時間t。

公式涵義：完全充滿，Vt接近E，時間無窮大。

當t=RC時，電容電壓=0.63E；當t=2RC時，電容電壓=0.86E；當t=3RC時，電容電壓=0.95E；當t=4RC時，電容電壓=0.98E；當t=5RC時，電容電壓=0.99E；由此可見，經過3～5個RC后，充電過程基本結束。

例如：某純電動車輛額定母線電壓UBatt=360V，預充電容660μF，RC預充到母線電壓95%，預充時間建議大于100ms，小于500ms。充電回路內阻1Ω。根據預充計算公式（3），計算得到預充電阻范圍為：

根據市場現有主流預充電阻產品成本，在考慮性價比前提下，選用150Ω電阻，根據公式 （3），可確定預充時間：tpre=RCLn［UBatt/（UBatt-Vt）］≈0.3s。

預充時，電壓電流變化情況見圖4、圖5。

預充過程中消耗在電阻上的能量為：

預充電阻消耗的峰值功率為：

圖4 預充過程電容電壓變化

圖5 預充過程接觸器瞬時電流變化

預充電阻消耗的平均功率為：

因此，預充電阻功率選型要大于消耗的平均功率，建議選擇150Ω，150W。通過上述計算公式可以看出預充電阻消耗的功率取決于動力電池系統電壓與預充電阻值，若現有預充電阻沒有合適規格的，可建議在預充時間滿足整車上電需求的情況下，適當增大預充電阻，從而可以有效減小散熱功率。

4 結論

電動汽車預充電過程控制及預充電阻參數選型直接影響電動汽車高壓電氣系統的安全性能，本文在傳統預充回路基礎上提出一種分級式預充電路，通過合理優化控制，解決了因負載開路、短路或較小阻性負載等因素導致假預充電問題，提高了預充電過程冗余性及系統安全可靠性。討論了預充電阻參數選型技術條件及計算方法，本文可為電動汽車預充電阻參數設計、匹配和選型提供具體指導，對提升電動汽車的安全性能和可靠性提供幫助，為新能源汽車及相關行業工程師提供參考。