電動汽車動力電池箱接觸保護原理及試驗研究

周芝萍，蔣懷貞，伍旭剛，任科臣，李 燕

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

隨著電動汽車產業的迅猛發展，其運行的安全性引起廣泛關注。與傳統汽車相比，電動汽車最大的特點在于其動力源是電池，而不是燃油，電池安全是電動汽車安全性面臨的新課題，其易燃易爆的特性也使其成為世界汽車產業面臨的“新難題”。從目前發生的電動車事故而言，與其儲能系統相關的事故數量最多，危害也最大，而動力電池系統的電連接問題是引起儲能電池發熱、燃燒、甚至爆炸的重要原因之一[1-5]。

電動汽車換電技術是把動力蓄電池組設計成多個可以快速更換的動力電池箱[6]，通過專用連接器(圖1)給電動汽車提供動力能源。由于經常插拔更換電池箱對連接器的可靠接觸與使用壽命影響很大，特別是在出現機械損傷情況下插拔電池箱時，連接器很容易發生極柱接觸不良的現象，而且這種現象不易發現。接觸不良的嚴重后果是在車輛行駛振動環境下連接器極柱產生電弧，高溫電弧會熔化極柱并引燃周圍材料，引起火災，引發安全事故[7]。

圖1 電池箱連接器Fig.1 Battery box connector

1 接觸不良故障分析

電動汽車的動力系統一般包括動力電池、驅動電機和主回路斷路器3部分[8]，以采用換電技術的電動大巴為例，其典型接線如圖2。

圖2 電動汽車動力系統接線Fig.2 Connection diagram of power system of EV

U1，U2，…，U9是各動力電池箱正負極柱間的測量電壓。正常工作情況下，測量電壓應與電池箱的額定輸出電壓相一致，當連接器出現接觸不良故障時，由于弧光電阻的作用，測量電壓會發生變化，以1#電池箱為例，其測量電壓變化見圖3。

圖3 接觸不良故障時測量電壓的變化Fig.3 Voltage change when bad connecting

(1)

由式(1)可以看出：發生接觸不良故障時，U1的值會減小，其減小量為Uf，此值與連接器的物理性質、接觸不良的程度及主回路的工作電流有關，需通過拉弧試驗確定。由于電動汽車主回路的驅動電流很大(以電動大巴為例，在200 A以上)，弧光電阻Rf上會產生很大功耗，出現發光發熱、起火燃燒等物理現象。

2 接觸保護解決方案

實現電池箱接觸保護的原理是：檢測到動力電池箱出現接觸不良故障→以告警信號通知車輛控制單元(VCU)→VCU啟動保護跳閘，切斷主回路，避免事故擴大→停車檢查，確定發生故障的電池箱并進行修復；從方案實現的角度講，正確檢測到電池箱接觸不良故障是整套方案的重點和難點。由前述分析可知：動力電池箱連接器接觸不良會導致兩種現象：一種是電氣現象，即電池箱連接器極柱測量電壓降低；另一種是物理現象，即極柱溫度升高，兩種現象均可作為檢測接觸不良的判據[9]。但是，電氣判據較物理判據具有以下優點：

1)接觸故障產生時，先有電氣現象，后有物理現象，電氣判據更加即時。

2)物理判據易受季節、天氣、地域等客觀條件的影響，極柱溫度升高值不易界定，而電氣判據中Uf的值要相對穩定，可在實驗室模擬電動汽車動力系統，通過拉弧試驗獲得。

3)電氣判據只需采樣極柱電壓，而物理判據需增加溫度傳感器，把溫度信號轉化為CPU可接收的電壓信號，不但增加了成本，而且增加了流程的復雜度。

因此，筆者采用電氣判據檢測接觸不良故障，判據邏輯見圖4。

一個物體在內河航道漂移，受到水流和風力的作用，假設在一定時間Δt內漂移速度相對穩定，那么物體的位置從tn時刻到tn+1時刻的更新為

圖4 判據量電氣邏輯Fig.4 Logic diagram of electric criterion

電氣量判據邏輯包含兩個判據，判據1、判據2由下面的定義條件來描述：

條件2：T=T1

上述判據邏輯中，Uf的值需通過拉弧試驗來確定，U′是防誤判的門檻電壓，其值與Uf的最大取值有關，T1的取值需滿足兩點要求：①不能不動，在出現拉弧事故時必須即時判定，及時處理；②不能誤動，要能夠濾除測量極柱電壓時的電氣干擾。因此，其值不能過大，也不能過小，需通過拉弧試驗綜合考慮，判據2中的計數N=1/T1，是對判據1的補充，主要針對接觸時好時壞的情況。

根據方案需求開發了接觸保護終端，其主要功能有：①實時采樣電池箱極柱電壓；②依據上述判據邏輯對采樣電壓進行邏輯判斷；③當采樣電壓滿足判據1或判據2的條件時，判定接觸不良故障，通過CAN總線向VCU發送告警信息。

3 拉弧試驗

3.1 搭建試驗環境

模擬實車動力系統，搭建試驗環境見圖5。

圖5 拉弧試驗環境Fig.5 The test environment of arcin

圖5中，試驗以分箱充電機模塊ZCD23-12080模擬動力電池系統，ZCD23-12080的最大輸出電流為150 A，而電動大巴的額定工作電流為200 A，滿載加速時的峰值工作電流達300 A，故以兩臺ZCD23-12080并聯。采用1.6 kW大功率變阻箱模擬驅動電機，試驗中電壓可調，電流放開，滿足高負載的試驗需求。為了模擬產生電弧，經過特殊處理使電池箱極柱連接頭的母頭與子頭虛接，使之產生拉弧。以接觸保護終端實時采樣充電機的負載電壓，當滿足接觸不良判據時向VCU模擬裝置發送告警報文，VCU模擬裝置收到告警報文后驅動接觸器，配合QF斷路器切斷主回路，完成接觸保護功能。試驗中24 V電源板為接觸保護終端和VCU模擬裝置提供工作電源，為接觸器提供驅動電源。采用雙通道示波器監視驅動電機的負載電壓和接觸器切斷主回路的驅動信號，以獲得相關試驗數據。

3.2 第1輪拉弧試驗

調整充電機的輸出電壓分別為60.0，67.5，75.0，82.5，90.0 V，以產生不同的工作電流，在這4種情況下制造拉弧現象。試驗數據見表1。圖6是60 V、200 A條件下捕獲到的Uf波形。

表1 拉弧試驗數據 Table 1 The trial data of arc discharge

圖6 200 A條件下的Uf波形Fig.6 Waveform of Uf at the condition of 200 A load

由表1試驗數據可知：Uf會隨著主回路工作電流的增大而增大，對同樣的極柱連接器而言，由于此值還與連接器接觸不良的程度有關，故其變化規律呈現非線性，接觸不良判據中的Uf應小于表1中弧光電壓Uf的最小值，為可靠計，取值10 V。

把判據參數Uf= 10 V，U′= 5 V代入圖4的判據邏輯，同時令T1分別取50，100，150，200 ms，N值取1/T1，在極柱連接器接觸良好的情況下以表1的負載條件做振動測試。結果發現，T1<200 ms的幾個判據邏輯均出現誤報現象。取值越小，誤報的次數越多。故以T1= 200 ms，N= 1/T1= 5做為判據參數。

3.3 第2輪拉弧試驗

第2輪試驗的目的是驗證接觸保護終端的保護功能，主要體現在判據邏輯的正確性和保護告警、開出的及時性。

把第1輪試驗確定的Uf，U′，T1，N等參數值代入判據邏輯，按表1的負載條件重做拉弧試驗。結果顯示：接觸保護終端能夠正確地判定接觸不良故障，保護開出沒有出現拒動或者誤動的情況。用示波器觀察到的保護開出時間見表2。圖7是60 V、200 A條件下保護開出的波形(圖中208.0 ms包括了T1判據延時，而保護開出時間是指從確定故障到實施保護的時間)。

表2 接觸保護開出時間 Table 2 The operating time of contact protection

圖7 保護開出時間Fig.7 The operating time waveform of protection

由表2可知，保護開出時間與主回路的負載條件沒有必然的聯系，只與控制裝置的硬件性能和CAN總線的通信負載有關系。這兩項在控制回路中沒有大的波動，因此保護開出時間比較穩定，在8 ms左右。

第2輪試驗結束后連接頭損毀情況見圖8。可以看出，連接頭出現輕微受損，證明保護告警、開出相當及時，起到避免事故擴大的作用。

圖8 拉弧試驗結束后的連接頭Fig.8 The connector after the trial of arcing

4 結 語

研究表明：針對電動大巴的接觸保護解決方案是可行的；檢測接觸不良故障的判據邏輯是正確的；接觸保護終端的保護功能是有效的。

由于判據邏輯中的相關參數是通過模擬電動大巴動力系統的拉弧試驗獲得，因此，在采用不同連接器，不同負載模式的電動汽車上不一定通用，但實現接觸保護的原理是一樣的，通過拉弧試驗獲取判據邏輯相關參數的方法具有普遍意義。

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