電動汽車預充原理及失效案例分析

朱合標 黃祖朋

【摘? 要】電動汽車的預充電路對于整車高壓器件起著重要的保護作用，在電動汽車高壓上電的過程中，預充電路先于主電路啟動，預充成功后才能切換至主電路，使整車進行正常工作。本文對電動汽車預充電路的工作原理進行介紹，并針對電動汽車開發過程中出現的某預充失效故障進行分析，為電動汽車的設計開發提供借鑒。

【關鍵詞】電動汽車;預充原理;預充失效;電壓監測

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）05-0016-03

【Abstract】The pre-charging circuit of electric vehicles plays an important role in protecting the high-voltage components of the vehicle. In the process of high-voltage power-on of electric vehicles，the pre-charging circuit starts before the main circuit，and can be switched to the main circuit only after successful pre-charging，so that the vehicle can work normally. This paper introduces the working principle of EV pre-charging circuit，and analyzes a pre-charging failure in the development process of EV，so as to provide reference for the design and development of EV.

【Key words】electric vehicle;pre-charge principle;pre-charging failure;voltage supervisory

作者簡介

朱合標（1984—），男，工程師，碩士，研究方向為新能源汽車動力電池管理系統;黃祖朋（1989—），男，高級工程師，博士，研究方向為鋰離子動力電池系統、充配電系統、氫燃料電池汽車等（通訊作者）。

電動汽車具有節能高效、駕駛輕松、加速迅猛、充電廉價等優勢，深受用戶喜愛[1-3]。電動汽車（如純電動汽車、插電式混合動力汽車等）以動力電池作為其動力來源，整車電壓達到幾百伏，充放電電流可達幾百安[4-5]，因此對電動汽車的高壓架構進行合理設計和控制，對整車及乘客的安全十分重要。

在電動汽車的高壓母線上，常常會直接連接著電控、充電機、壓縮機等容性負載。在電動汽車高壓上電的過程中，動力電池自身的電阻很小（基本為毫歐級別），如果動力電池的高壓電直接加載在這些負載兩端，則上電瞬間的高壓回路相當于短路，放電電流可高達上千安，這將直接燒毀高壓回路上的零件，導致整車故障[6-8]。因此，在電動汽車上設計預充回路，在整車高壓上電過程中先進行預充，預充結束后再切換至主回路，對于整車的高壓零件保護十分必要。

1? 預充回路工作原理

電動汽車預充回路往往放置于動力電池內部，動力電池的結構原理如圖1所示。動力電池由電芯、電池管理系統（BMS）、熔斷絲（高壓熔斷器）、預充繼電器、預充電阻、主正繼電器和主負繼電器構成。在主正繼電器兩端，由預充電阻和預充繼電器組成的并聯支路即為電動汽車的預充回路。BMS實時采集主正繼電器前后兩端對動力電池負極的電壓，即為動力電池的內壓和外壓，進而對動力電池的預充回路進行控制。

動力電池預充回路的工作原理為：在電動汽車高壓上電時，先閉合主負繼電器和預充繼電器，動力電池給整車容性負載充電，由于預充電阻的存在，其對整車高壓回路起到了限流的作用，從而對高壓回路上的零件進行保護。當BMS檢測到電池外壓接近于電池內壓時，表明整車容性負載已充電完成，此時BMS控制主正繼電器閉合、預充繼電器斷開，完成整車預充及高壓上電過程，動力電池通過主回路對外供電。

2? 整車預充失效案例分析

在電動汽車開發過程中，動力電池預充失效是經常出現的一個故障，與許多因素相關，如繼電器粘連、繼電器開路、整車絕緣不良、零件選型不當等，不同的故障類型其故障誘因也不同，需要根據具體的故障類型進行針對性分析。本文以某純電動汽車開發過程遇到的一個預充失效故障為例，對引起預充失效的原因進行分析。

2.1? 故障描述

某電動汽車開發階段出現多輛車輛預充不成功，車輛無法上電行駛，通過整車檢測發現車輛無問題，動力電池硬件也無異常。通過對動力電池預充過程中的BMS檢測電壓進行分析，動力電池內電壓HV1為101V，并保持不變;外電壓HV2隨著預充時間增加而增加，最大值為95V。預充比例HV2 / HV1=94%，達不到軟件設定預充比例95%的要求。使用萬用表對電池真實內電壓HV0進行檢測，其值是98V。預充過程電壓變化如圖2所示。

確認該故障屬于BMS誤報，真實故障是BMS對動力電池內壓的檢測出現了誤差，檢測值比實際值偏高了5V，導致BMS判斷動力電池內壓比外壓偏高較多，達不到外電壓小于等于內電壓95%的閾值要求，預充條件不滿足，故而不能切換至主回路對車輛進行上電。

2.2? 故障原因機理分析

2.2.1? 電池內壓檢測錯誤原因分析

動力電池BMS對電池內壓HV1進行檢測的硬件電路（圖3）采用的是分壓電路，分別是：主回路限流電阻R1的電阻值選型為1MΩ，分壓電阻R2的電阻值選型為20kΩ。通過測量R2電阻兩端的較低電壓（測量范圍0～3.3V）值V0，可通過分壓公式（1）得到HV1的電壓，HV1的測量范圍0～167V的電壓，精確度達到0.5%，并且預留>50%的硬件設計余量。限流電阻R1和R2選擇為車規級電阻，保證測量精度。

通過用萬用表對R1和R2進行檢測，發現R1電阻的阻值偏低（低于設計值），從而導致BMS測量內壓HV1偏高。計算過程如下：

由公式（1）和公式（2）化簡，即可得到BMS檢測內電壓HV1和實際內電壓HV0的關系公式（3），當限流電阻實際值R'1小于選型設定值R1（1MΩ）的時候，產生測量值比實際值大的誤差。

故推測可能原因有如下4種。

1）三防漆（一種特殊配方的涂料，在PCB行業廣泛使用，用于保護線路板及其相關設備免受環境的侵蝕）內有異常雜質，等效于給電阻R1并聯了一個電阻，導致總阻值降低。

2）電阻貼片（SMT）焊接異常，導致殘留助焊劑等雜質，給電阻R1并聯了一個電阻，導致總阻值降低。

3）限流電阻R1過壓，承受過浪涌沖擊，導致其電阻偏低。

4）三防漆防潮性能不足，導致電阻受潮，阻抗降低。

2.2.2? 電阻品質問題分析

針對2.2.1小節推測的電阻阻值偏低的4種原因一一進行詳細排查。

1）三防漆有雜質問題分析。對故障BMS的電阻位置進行檢查，三防漆均程透明狀（圖4），無異常雜質，故可以排除三防漆雜質問題導致的內壓測量異常。

2）SMT焊接異常問題分析。通過對故障PCB板焊接進行確認，1MΩ采樣電阻焊點光滑，無常見焊接異常，同時透過三防漆，可以觀察到電阻周圍無助焊劑等殘留，故可以排除SMT焊接異常問題導致的HV1測量異常。

3）限流電阻R1過壓問題分析。通過查詢資料，貼片電阻承受過壓時，確實存在內阻偏低的失效類型，同時若只是輕微過壓，則芯片表面不會呈現出損傷。選型電阻額定電壓200V，可承受最高電壓400V，無法徹底排除生產過程中存在高壓環境對電阻產生損傷，故不可以排除限流電阻過壓問題導致的內壓測量異常。

4）三防漆防潮問題分析。在產品生產過程中，由于生產地點環境濕度較大，生產車間濕度長期處于70%以上，故電池包可能在高濕環境中封箱，由于電池包封箱后的呼吸閥透濕性能較差，所以電池包內零部件將長期處于潮濕環境，這種環境如果三防漆防潮性能無法滿足要求，則很容易使得電路板上的元器件受潮，故無法排除三防漆防潮性能不足導致電阻受潮的問題。

2.3? 故障原因確認

根據以上分析，尚且不能確認內壓檢測錯誤是限流電阻過壓導致的還是三防漆受潮導致，故將故障件進行如下試驗，以進一步追查根本原因。

1）將正常BMS放置在恒溫恒濕箱內，通過長時間在35℃環境、85%濕度環境下進行故障復現。正常控制器經過長期靜置無法復現故障。

2）將故障BMS放置在恒溫恒濕箱內，通過長時間在35℃環境、85%濕度環境下進行故障復現。故障件長期靜置后只有約10%可以復現故障，最大偏高3.5V。

3）將故障控制器在室溫下使用高電壓做10s、100s、1000s的過壓老化，加速復現電阻損傷的故障。約50%的故障件可以再次復現故障，偏高范圍在0.5～5V。

根據以上結果，以上單一工況無法使故障件100%復現故障，故將上述2個測試工況疊加，重新設計故障復現試驗，在35℃環境、85%濕度環境下，給控制器持續施加高電壓。通過長時間檢測，發現所有故障電路板均可以穩定復現故障。

由工況疊加實驗結果可以推測，故障件電阻可能受到高壓損傷，三防漆可以滿足未損傷電阻的防潮性能要求，但是無法對損傷電阻進行足夠的防潮保護。

基于以上推測，對BMS和電池包全生產過程進行排查，檢查是否存在高壓損傷電阻的情況。經過實際排查發現，設備研發工程師在調試動態測試設備時將程序中判定條件“DCDC運行信號=0”直接跳過了，導致測試過程中在電流換向或結束測試時停止DCDC指令和繼電器斷開指令同時生效。因DCDC接收到目標電流指令隨CAN總線負載、DCDC實際調控狀態均有關系，有較小概率出現前序分析在電流未降低到0的情況下，就斷開動態測試設備內的主回路繼電器，但是不避免此情況出現。

對動態測試過程中使用示波器+高壓探頭對動力電池內壓測量位置進行檢測，確認在動態測試中切斷繼電器過程中存在瞬時過壓沖擊（圖5中的CH2-1白色線），最高沖擊電壓2.23kV，脈寬150μs（示波器每格50μs）。

2.4? 故障解決措施

基于上述分析，針對此電動汽車預充失效故障問題，通過優化軟件，在預充判定時引入單體累加和電壓，這樣當使用內壓來判定預充不成功時，引入預充電壓與單體累加和電壓再次判定，若符合預充成功的條件時，也算預充成功，則可以避免因為內壓偏高導致的預充不成功故障。

3? 結語

本文對電動汽車預充的結構及工作原理進行了詳細介紹。針對某電動汽車開發過程中出現的具體預充失效問題，通過深入分析原理，逐步排查潛在誘因，并通過實驗模擬和測試的手段找到了根本原因，通過軟件優化措施解決了該預充失效的問題。

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（編輯? 凌? 波）