14
10.16638/jki.1671-7988.2021.010.004
电动汽车预充电电路设计研究*
刘金配，黄祖朋，邓海文，罗儒
（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西 柳州 545007）
摘 要：文章以某纯电动汽车为例，介绍预充电过程对缓解高压系统冲击、提高整车安全性的必要。详细阐述在预充高压电路设计、预充电控制策略、电压采集电路设计，同时进行实车验证预充电设计的可行性，并针对可能出现的预充电失效模式进行分析。
关键词：电动汽车；预充电；控制策略；电压采集；失效模式
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)10-14-03
Research and Design of Electric Vehicle Pre-Charging Circuit *
Liu Jinpei, Huang Zupeng, Deng Haiwen, Luo Ru
( Technology Center of SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )
Abstract: Based on a pure electric vehicles as an example, this paper introduces in ease high pressure system of the charging process on the impact, the need to improve vehicle safety, as well as the detail in advance prefi lled high-voltage circuit design, pre-charge control strategy, the voltage acquisition circuit design, at the same time to charge of real vehicle test, the feasibility of the design for possible pre charging failure modes were analyzed.
Keywords: Electric vehicles; Pre-charging; Control strategy; Voltage acquisition; Failure mode CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)10-14-03
前言
在气候变化、能源紧缺，发展低碳经济背景下，新能源电动汽车应运而生。随着充电基础设施相关政策和购置补贴政策实施强度的增加，新能源汽车消费量不断增加，新能源汽车展现一派欣欣向荣的大好景象。相比燃油车，电动汽车以高压电源作为驱动能源，通过电机将电能转化为动能。在高压系统中，电机控制器、车载充电机、DC/DC 变化器、电动空调压缩机等高压用电器多为容性负载，而高压系统回路中阻抗仅为动力电池内阻和高压线束内阻之和，等效RC 电
路图如图1所示。
以国内某Y 车型纯电动车为例，动力电池内阻和高压线束内阻之和R=0.04Ω，动力电池最高电压U=112V ，根据RC 电路充放电特性，将动力电池直接接通容性负载时，接通瞬间电流
，计算值为3200A 。巨大的瞬间冲击电流将损害
系统中的电气元件，且随着动力电池的电压越来越高，冲击电流产生的危害会越来越大。
图1 等效RC 电路图
作者简介：刘金配（1996-），男，就职于上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，新能源高压工程师，研究方向为新能源汽车高压电气架构、高压安全。基金项目：广西创新驱动发展专项资金资助项目（桂科AA18242039）；柳州市科学研究与技术开发计划资助项目（2019AD 10202）。
刘金配 等：电动汽车预充电电路设计研究
15
1 高压预充电电路设计
高压预充电电路是实现电动汽车高压安全的一个重要的措施。预充电是指在接通容性负载与动力电池的主继电器前，先用小电流给容性负载电容充电，当容性负载与动力电池电压差小于某一设定值后，再接通继电器，从而可有效避免继电器闭合瞬间大电流冲击的危害。
如图2所示为Y 车型的高压预充电电路。电池的内总压E=80~112V ，高压系统等效电容值C=9600uF ，电池内阻r 0=30m Ω，高压线缆电阻r 1=10m Ω。
图2 预充电电路高压回路
1.1 预充继电器选定
为提高驾驶员驾驶体验，上电时长一般控制住1s 以内，即预充时间小于1s 。预充继电器主要起到开关作用，不是载流。考虑整车成本，预充继电器应尽可能选择小电流，耐冲击能力好的继电器。目前主流的有5A/450V 、10A/450V 、20A/ 450V 规格的继电器，该项目电压平台不高，选用5A/450V 规格也能满足需求，最终选定5A/450V 规格的继电器作为预充继电器。 1.2 预充电阻选定
考虑预充继电器使用寿命，预充继电器闭合瞬间电流应小于5A ，根据安培定律得式（1）：
（1）
式中R 为预充电阻。根据常见预充电阻列表，选定预充电阻值R=25Ω。
由
得式（2）
：
（2）
式中U 1为电容最终能到电压值，U 1=E ；U 0为t=0时电容电压；U t 为t 时刻电容电压。该车型设定的预充条件为电池内总压E 与电容电压U t 差值小于等于4V ，即U t =E-4；由U 0=0，计算得预充完成所需时间t=0.8s 。
由于预充电过程预充电阻通过电流，会在短时间产生大量热量，如果不能及时发散，会导致预充电阻烧损，严重时可能导致动力电池起火，因此预充电阻的散热功率需要与预充时预充电阻发热功率匹配。预充电阻在预充时产生的能量
，电阻在t 时间内平均功率
得
式（3）：
（3）
经计算，当t 取值（0，0.8）时，P max =103W 。 本文选用的预充电阻为黄金铝壳电阻RXG24，其常见额定功率见表1。
表1 黄金铝壳常见型号
黄金铝壳电阻散热性好，由持续过载曲线看出，黄金铝壳电阻短时间持续过载能力很强。由于该车型单次预充时间新能源汽车起火
t=0.8s ，考虑多次预充情况，选型时按3个预充时间周期的过载能力。在2.4s 时间内，RXG24持续热过载达到额定功率的9倍。从安全角度考虑，预充电阻选型时需留有一定余量，最终选定黄金铝壳预充电阻RXG24 25Ω/20W 。
图3 RXG24持续过载曲线
2 预充电策略分析
该车型采用的预充电控制策略如图4 所示。电池管理系统（BMS ）接收整车控制器（VCU ）“允许闭合高压”指令后，BMS 先闭合预充继电器K 3，然后闭合主负继电器K2（如图2所示）；此时因主正继电器K 1断开，预充电阻接入回路，动力电池会持续以小于5A 的电流给负载电容充电。在充电过程中，BMS 会持续采集动力电池内外总压，同时接受MCU 发出的母线电压，并比较“U 内与U 外”“U 内与U 母”差值。在一个预充时间周期（0.8s ）内，若判断电压差值满足“U 内-U 外≤4”且“U 内-U 母≤4”，则BMS 发送预充正常，并闭合主正继电器，然后断开预充继电器。当第一次充电时间超过一个预充时间周期，判断电压差值仍然无法满足要求，本策略会允许进入下一个预充时间周期，继续进行正常预充电流程，只有当第二个预充时间周期结束后，仍然无法满足预充判定条件，BMS 才会发送“预充失败”故障，同时断开主负继电器和预充继电器[1]。该车型策略具备以下几个优点：
汽车实用技术
16（1）采集动力电池外压的同时，接受MCU发出的母线
电压，并同时用于判定条件。减少因单点电压采集精度不准导致预充失效的风险；
（2）两个判定条件“U内-U外≤4”和“U内-U母≤4”采用“与”的关系，可避免BMS或MCU电压采集漂移时，采集电压飘高，导致误判预充完成，在预充不充分下，提前闭合主正继电器产生的大电流危害；
（3）第二个预充时间周期后，仍然无法满足判定条件，则退出预充流程。既可以避免因采集不准或指令延时的问题导致误判预充失效问题，又可以避免预充失败后，不退出预充流程导致预充电阻持续产生热量而过热烧损的风险。
图4 预充电流程图
3 实车测试验证
通过实车进行上电预充测试，得到图5所示整车高压预充电曲线，其中通道1为电流曲线，通道2为电压曲线。从图中可以看出，预充、主负继电器闭合后，预充电流5A，并逐渐减小；MCU母线电压从0V开始逐渐上升，且上升速率逐渐变缓。预充时间周期为750ms左右，系统就已完成预充电，闭合主正继电器时，电池内外压差小于4V，瞬间冲击电流小于40A。因此，经过验证本文预充电电路满足设计和使用要求[2]。
图5 预充电曲线图4 常见预充失效模式分析
在实际应用过程中，经常出现预充失败故障，以下列举几个常见预充失效模式：
（1）外部负载短路
外部负载短路是最常见预充失效模式。如图6所示，由于电动汽车有多个容性负载，这些负载经常通过并联方式连接。当某个负载因电容击穿、二极管击穿等原因出现短路故障时，预充电过程中，预充电流会通过短路负载形成回路，导致电容两端电压无法上升而预充失败。
图6 负载短路示意图
（2）外部负载存在漏电放电情况
通过上述实车验证，可以看到预充电过程中，预充电流会逐渐减小，到末期电流只有零点几安培。如果在预充过程中，外部负载有轻微漏电、泄放电的现象，会导致压差始终卡在4V以上，导致预充失效[3]。
（3）动力电池正负极接反
电动汽车容性负载为保护自身，在设计阶段往往会增加放反接功能，当生产管控出现问题导致动力电池B+、B-接反时，预充过程中反向电动势不会破坏负载，但预充电容两端电压也不会上升，表现出预充失败现象。
5 结论
从国家政策、市场反应可以看出，电动汽车的发展已是必然趋势。预充电设计是电动汽车高压安全设计、管理中不可或缺的重要环节。在设计过程中，控制策略的合理性、检测电路的稳定性和准确性、电路验证的充分性，都是动力电池管理系统及整车安全性的重要保障，有利于促进新能源汽车行业尽快推广。
参考文献
[1] 申彩英，孟瑞，李兴全，韩孟霖.纯电动汽车高压预充电研究[J].现代
车用动力,2016(03):16-17+27.
[2] 张楷翼，黄河，刘进程，牛满岗，龙宇舟.电动汽车预充电路优化设计
与仿真[J].客车技术,2019(06):39-41+45.
[3] 贺朋，金学明，张谦.一种高精度电压检测电路的设计方法[J].中国
集成电路,2020,29(Z1):42-44+58.
发布评论