電動汽車預充電保護設計

姚子欣

（江蘇聯合職業技術學院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213000）

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

1 預充電保護原理

由上文可知，電動汽車高壓設備回路中設置有預充電容，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 高壓系統簡化模型

由圖1 可以看出，當主正負接觸器閉合瞬間，由于回路存在預充電容，一般電容電量可視為零。根據電路的瞬態特性可知，電容被短路，回路中產生可達上千安培的大電流，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計有預充電回路，如圖2 所示，對預充電容進行預充電，避免出現瞬態沖擊電流，以保證電機控制器安全上電，如圖3 所示。

圖2 高壓預充電路

圖3 電池系統高壓上電過程

2 預充電保護系統設計

目前，電動汽車高壓預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 高壓預充電回路控制方式

2.1 預充電回路硬件設計

高壓電上電開始，高壓回路上預充接觸器和主負接觸器首先閉合，預充電流從電池正極流經預充電阻回到負極構成回路，預充電流小于閾值。當Cp的電壓Uc接近Ub時，Kp斷開，K+閉合，預充電完成，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系如表2 所示。EVL250 接觸器吸合特性曲線如圖4所示。考慮到電動汽車實際運行電流，結合圖4，將（Ub－Uc）/Ub≤10%作為預充電完成的標志。

表2 EVL250 通斷次數與容阻抗性的關系

圖4 EVL250 接觸器吸合特性曲線

2.2 預充電策略設計

當VCU 接受KeyOn 鑰匙信號后，發送報文至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充時間t后，以主正接觸器閉合方式為例進行說明。延時預充時間為t，取決于如下公式：

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

表3 預充電故障類型

3 總結

本文通過分析預充電過程原理，對動力電池端與電機控制器端回路進行了預充電設計，并分析了預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，為降低預充電失效故障發生率，應首先選用汽車級產品，工業級產品不太適用。