電動(dòng)汽車(chē)預(yù)充電過(guò)程研究

李永慶，孟 偉

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)研究院，河北 保定 071000）

能源危機(jī)和環(huán)境污染與日俱增，在能源消耗和環(huán)境污染方面，汽車(chē)的影響不容忽視。發(fā)展高效、節(jié)能、低噪聲、零排放的清潔型電動(dòng)汽車(chē)已成為國(guó)內(nèi)外汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了改善電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性和能量利用率，動(dòng)力蓄電池的電壓越來(lái)越高，由原來(lái)的幾十伏上升到現(xiàn)在的幾百伏，所以需要配備專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)來(lái)管理高壓系統(tǒng)的安全。在電動(dòng)汽車(chē)上不但需要配備專(zhuān)門(mén)的車(chē)載高壓電安全管理系統(tǒng)，而且還應(yīng)該設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的安全測(cè)試系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)車(chē)載高壓電安全管理系統(tǒng)，以進(jìn)行不定期的安全狀況監(jiān)測(cè)。

根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)和人體安全標(biāo)準(zhǔn)，在最大交流工作電壓小于660V，最大直流工作電壓小于1000V，以及整車(chē)質(zhì)量小于3500kg的條件下，電動(dòng)汽車(chē)的高壓安全要求如下：①人體的安全電壓低于35V，觸電電流和持續(xù)時(shí)間乘積的最大值小于30mA·s；②絕緣電阻除以蓄電池的額定電壓至少應(yīng)該大于1000Ω／V，最好是能夠確保大于500 Ω／V；③對(duì)于高于60 V的高壓系統(tǒng)的上電過(guò)程至少需要100ms，在上電過(guò)程中應(yīng)該采用預(yù)充電過(guò)程來(lái)避免高壓沖擊；④在任何情況下，繼電器斷開(kāi)時(shí)間應(yīng)該小于20ms，當(dāng)高壓系統(tǒng)斷開(kāi)后1s，汽車(chē)的任何導(dǎo)電部分和可觸及部分搭鐵電壓的峰值應(yīng)當(dāng)小于42.4 V（交流）或60 V（直流），儲(chǔ)存的能量應(yīng)該小于20J。

根據(jù)上述安全要求，預(yù)充電管理是新能源汽車(chē)中必不可少的重要環(huán)節(jié)，其中，電動(dòng)汽車(chē)預(yù)充電的主要作用是給電機(jī)控制器 （即逆變器）的大電容進(jìn)行充電，以減少接觸器接觸時(shí)火花拉弧，降低沖擊，增加安全性。某逆變器實(shí)物圖如圖1所示。

對(duì)于預(yù)充電完成的判斷，現(xiàn)有技術(shù)的預(yù)充電控制策略研究基本分為3種：①采集電機(jī)控制器直流母線電流，當(dāng)直流母線電流接近0 A時(shí)，輸出預(yù)充完成信號(hào)；②分別采集車(chē)載動(dòng)力蓄電池的電壓、電機(jī)控制器電壓，然后將2個(gè)電壓值進(jìn)行比較，2處電壓趨于相等時(shí)，輸出預(yù)充完成信號(hào)，本文采用此種方式，當(dāng)電壓值達(dá)到動(dòng)力蓄電池電壓90%時(shí)，認(rèn)為預(yù)充電完成；③采集電機(jī)控制器直流母線電壓，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到設(shè)定的欠壓保護(hù)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)延時(shí)后，輸出預(yù)充完成信號(hào)。由于電流傳感器和電壓電流采樣精度偏差、車(chē)載動(dòng)力電源管理系統(tǒng)一致性、器件穩(wěn)定性等問(wèn)題，可能控制器輸出預(yù)充完成信號(hào)時(shí)實(shí)際預(yù)充電未完成，導(dǎo)致車(chē)載動(dòng)力蓄電池與預(yù)充電容直流母線存在電壓差，未消除瞬時(shí)大電流沖擊風(fēng)險(xiǎn)，影響電機(jī)控制器的安全性和可靠性，或者輸出預(yù)充完成信號(hào)時(shí)實(shí)際預(yù)充電早已完成，導(dǎo)致降低控制率。故而，在預(yù)充過(guò)程中，監(jiān)測(cè)各參數(shù)變化用以判斷預(yù)充電完成、故障等尤為重要。

1 無(wú)預(yù)充電分析

以某兩廂純電動(dòng)汽車(chē)蓄電池、蓄電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、預(yù)充電系統(tǒng)為例，整車(chē)動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)由9并102串磷酸鐵鋰電芯串聯(lián)組成，電芯規(guī)格為36800MP（3.2V 6.5Ah），電容容量C=0000μF，簡(jiǎn)化預(yù)充電結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，蓄電池所帶的電機(jī)控制器負(fù)載前端都有較大的電容C，在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，C上無(wú)電荷或只有很低的殘留電壓。當(dāng)無(wú)預(yù)充電時(shí)，主繼電器K+、K－直接與C接通，此時(shí)蓄電池電壓UB有326.4 V高壓，而負(fù)載電容C上電壓接近0，相當(dāng)于瞬間短路，負(fù)載電阻僅僅是導(dǎo)線和繼電器觸點(diǎn)的電阻，一般遠(yuǎn)小于20 mΩ。根據(jù)歐姆定律，回路電阻按20 mΩ計(jì)算，UB－UC壓差按326.4 V計(jì)算，瞬間電流I=326.4／0.02=16320A。繼電器K+及K－必?fù)p壞無(wú)疑。

2 參數(shù)匹配分析

圖3為預(yù)充電過(guò)程波形。加入預(yù)充電過(guò)程，K+先斷開(kāi)，使擁有較大阻抗的KP和R構(gòu)成的預(yù)充電回路先接通，當(dāng)預(yù)充電電路工作時(shí)，負(fù)載電容C上的電壓UC越來(lái)越高 （預(yù)充電電流IP=（UB－UC）／R越來(lái)越小），當(dāng)接近蓄電池電壓UB時(shí) （即圖3中的ΔU足夠小，一般小于UB的10%），切斷預(yù)充電繼電器KP，接通主繼電器K+，不再有大電流沖擊。因?yàn)榇藭r(shí)UB－UC很小，所以電流小。

通常選擇預(yù)充電電阻范圍為20～100 Ω，此項(xiàng)目選用R=25Ω。UB與UC壓差仍然按326.4V計(jì)算，在接通一瞬間，流過(guò)預(yù)充電回路進(jìn)入電容C的最大電流IP=326.4／25= 13.056A。此時(shí)，選擇預(yù)充繼電器容量15A，預(yù)充電回路安全，同時(shí)能保證K+閉合時(shí)沒(méi)有沖擊電流存在。

將上述電路做一階電路零狀態(tài)響應(yīng)等效分析，可得到UC、IP如下

式中：τ——RC電路的時(shí)間常數(shù)，τ=RC。

由理論公式知道，UC、IP在預(yù)充電過(guò)程中應(yīng)符合一定的變化規(guī)律、特點(diǎn)，同時(shí)，預(yù)充電又由蓄電池及外部負(fù)載共同作用，兩者狀況會(huì)影響預(yù)充電進(jìn)程，因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)充過(guò)程中UC、IP的變化檢測(cè)預(yù)充過(guò)程是否成功，是否有故障發(fā)生以及故障類(lèi)型。

1）電壓UC增長(zhǎng)速度慢于預(yù)期UC、IP增長(zhǎng)速度大于預(yù)期I

故障1：絕緣故障。負(fù)載因故障有短路或較小阻性負(fù)載，如電容被擊穿等，會(huì)導(dǎo)致預(yù)充電過(guò)程中UC始終上不去 （電壓始終降在預(yù)充電電阻R上）。此時(shí)電流過(guò)大，預(yù)充電電阻放熱量增大，燒毀電阻，同時(shí)導(dǎo)致預(yù)充電過(guò)程失敗，主繼電器不能接通，后續(xù)無(wú)法工作。此時(shí)，預(yù)充回路電流會(huì)流入整車(chē)低壓電氣網(wǎng)絡(luò)，存在與乘員直接接觸的隱患，故而在已確定故障情況下，應(yīng)迅速斷開(kāi)預(yù)充電回路，并在專(zhuān)業(yè)人員維修檢測(cè)之前禁止整車(chē)上電行駛。

故障2：RC變大。在設(shè)計(jì)或安裝過(guò)程中，失誤會(huì)造成匹配不當(dāng)；在使用中，因時(shí)間、環(huán)境等因素造成電容的電極腐蝕、電介質(zhì)電老化與熱老化、自愈效應(yīng)等失效，影響C的參數(shù)變化；線與線及線與電極的接觸電阻增大會(huì)造成R值變化。

2）電壓增長(zhǎng)速度快于預(yù)期、IP增長(zhǎng)速度大于預(yù)期I或等于0

故障1：斷路、開(kāi)路。負(fù)載開(kāi)路導(dǎo)致假預(yù)充電完成，可能的原因有負(fù)載未接線或者電容因故障斷路，如引出線與電極接觸表面氧化、接觸不良，造成低電平開(kāi)路；液體電解質(zhì)干涸或凍結(jié)等。此時(shí)，BMS通過(guò)輸出口檢測(cè)到的UC不是真正負(fù)載電容上的電壓，而是蓄電池組的開(kāi)路電壓 （OCV），馬上得到虛假的UC=UB的信息，可能導(dǎo)致預(yù)充電結(jié)束，直接接通主繼電器，但因?yàn)檩敵鲩_(kāi)路，并無(wú)危險(xiǎn)。但是，如果此時(shí)負(fù)載突然加上，因?yàn)轭A(yù)充電已結(jié)束，沒(méi)有預(yù)充電路的電阻R限制電流，將會(huì)產(chǎn)生超大電流，損害線路或繼電器。因此，在一般的預(yù)充電策略中，一上電就完成的可以判為故障，后續(xù)禁止進(jìn)行。此種情況下可通過(guò)查詢預(yù)充電回路導(dǎo)通情況確定問(wèn)題。

故障2：RC變小。在設(shè)計(jì)或安裝過(guò)程中，失誤會(huì)造成匹配不當(dāng)；電容在使用過(guò)程中隨著銀離子遷移、電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)改變、在高濕度或低氣壓環(huán)境中極間飛弧等原因造成C的參數(shù)值變小，影響預(yù)充結(jié)果。

為避免預(yù)充電失效情況發(fā)生，在各元件選取時(shí)，應(yīng)首先選用汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品，工業(yè)級(jí)產(chǎn)品不適用；某些易絕緣失效、易碰觸部位應(yīng)在已有絕緣保護(hù)的前提下，添加額外保護(hù)措施，減少磨損以及人為原因?qū)﹄娐吩斐傻膿p害，降低故障發(fā)生率。

3 試驗(yàn)性能

圖4為電壓檢測(cè)模塊電路。由圖4可以推導(dǎo)出以下公式

式中：U0——單片機(jī)采集到的電壓值；UZ——蓄電池包總電壓值，R20、R21、R22、R23、R24——分壓電阻——放大倍數(shù)。

在上述試驗(yàn)車(chē)上做驗(yàn)證，改變RC值和絕緣特性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 電氣測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展已是必然趨勢(shì)，但為了提高能源利用率、提升系統(tǒng)動(dòng)力性，致使現(xiàn)階段動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)大部分為高壓，對(duì)駕駛員、乘客安全存在著隱患，因此，在高壓設(shè)計(jì)過(guò)程中，加入預(yù)充電管理是法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和安全設(shè)計(jì)的必然要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理的檢測(cè)方式和策略不僅能判斷預(yù)充電過(guò)程是否成功，而且能在車(chē)輛起動(dòng)前對(duì)充電失敗進(jìn)行判斷，識(shí)別故障可能發(fā)生的類(lèi)型及部位，降低了蓄電池管理系統(tǒng)及整車(chē)控制器的安全管理壓力，提升整車(chē)安全性，促進(jìn)新能源汽車(chē)行業(yè)盡快推廣。

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