繼電器控制及診斷在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的應(yīng)用

卜凡濤，劉木林

（東軟睿馳汽車技術(shù) （沈陽(yáng)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

為保證國(guó)家能源安全并有效降低碳排放量，新能源汽車已經(jīng)成為中國(guó)“十二五”規(guī)劃中大力培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一［1］。2019年上半年，中國(guó)新能源乘用車銷量達(dá)到57.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)65.9%。相較于前幾年低開(kāi)高走、后期發(fā)力的趨勢(shì)，銷量在今年呈波浪狀上升，體現(xiàn)了市場(chǎng)在后補(bǔ)貼時(shí)代對(duì)新能源產(chǎn)品的認(rèn)可。世界范圍看，2019年1～5月，中國(guó)新能源乘用車在全球市場(chǎng)份額占比高達(dá)53%，是歷史最高水平。新造車勢(shì)力如蔚來(lái)、威馬小鵬等均在今年實(shí)現(xiàn)成規(guī)模的交付，傳統(tǒng)自主車企如比亞迪、吉利北汽等依靠自身產(chǎn)能規(guī)模化和技術(shù)等既有優(yōu)勢(shì)，也取得了不錯(cuò)的銷量［2］。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的重要?jiǎng)恿?lái)源，動(dòng)力電池的安全性是電動(dòng)汽車發(fā)展過(guò)程中首先要考慮和解決的問(wèn)題［3］。高壓的安全是保證電池安全的重要因素，在緊急情況下必須斷開(kāi)繼電器以保證動(dòng)力電池不會(huì)輸出電力。本文主要針對(duì)電池包的高壓控制邏輯及診斷策略。

1 繼電器控制邏輯

1.1 電池包內(nèi)繼電器分布

動(dòng)力電池包內(nèi)一般會(huì)有3個(gè)繼電器：主正繼電器、預(yù)充繼電器和主負(fù)繼電器。電池包內(nèi)高壓原理圖見(jiàn)圖1。

動(dòng)力電池包輸出電力的接口是唯一的，只有當(dāng)總負(fù)繼電器和總正 （或預(yù)充）繼電器閉合才能輸出電力到整車。當(dāng)出現(xiàn)緊急故障時(shí)必須切斷所有繼電器，保證動(dòng)力電池包不再輸出電力，切斷電動(dòng)汽車的動(dòng)力。

1.2 繼電器控制邏輯

BMS在控制繼電器閉合時(shí)是需要一定的時(shí)序的，時(shí)序圖見(jiàn)圖2。

為了防止電池包與整車側(cè)負(fù)載的壓差導(dǎo)致大電流燒壞繼電器，在預(yù)充回路中加入了預(yù)充電阻和預(yù)充繼電器來(lái)減小閉合總負(fù)繼電器和預(yù)充繼電器后電池包的輸出電流。當(dāng)預(yù)充電壓達(dá)到電池包總壓的95%時(shí)認(rèn)為預(yù)充成功，閉合總正繼電器，然后斷開(kāi)預(yù)充繼電器，電池包處于可放電狀態(tài)。

當(dāng)電動(dòng)汽車下電時(shí)，繼電器斷開(kāi)也是需要一定的時(shí)序，時(shí)序見(jiàn)圖3。

繼電器下電時(shí)，由于整車端存在X電容，整車端的電壓會(huì)有一個(gè)緩慢下降的過(guò)程 （電容泄放），在進(jìn)行繼電器診斷時(shí)，要特別注意待電容泄放完畢后進(jìn)行診斷。診斷邏輯在下一個(gè)章節(jié)中介紹。

圖1 電池包內(nèi)高壓原理圖

2 繼電器診斷策略

繼電器診斷包括驅(qū)動(dòng)回路診斷、繼電器無(wú)法閉合診斷、繼電器黏連診斷。

2.1 驅(qū)動(dòng)回路診斷

繼電器的控制是由BMS（電池管理系統(tǒng)）輸出高低邊到繼電器的線圈，從而控制了繼電器的斷開(kāi)和吸合。為了實(shí)現(xiàn)繼電器的可靠設(shè)計(jì)，由BMS同時(shí)控制線圈的高低邊來(lái)保證不會(huì)出現(xiàn)由于干擾導(dǎo)致的繼電器誤操作。在BMS的硬件電路中，不僅設(shè)計(jì)高低邊控制，還需要設(shè)計(jì)對(duì)驅(qū)動(dòng)回路的診斷。診斷內(nèi)容包括線圈對(duì)搭鐵短路、線圈短電源和線圈開(kāi)路故障。硬件電路的框圖見(jiàn)圖4。圖4中HSD_AD為高邊電壓信號(hào)，LSD_AD為低邊電壓信號(hào)，IS_AD為高邊控制回路中的電流，CPSR為繼電器供電電源。

1）當(dāng)繼電器的控制信號(hào)為斷開(kāi)時(shí)，診斷策略見(jiàn)表1。

圖2 繼電器閉合時(shí)序

圖3 繼電器斷開(kāi)時(shí)序

表1 控制信號(hào)為斷開(kāi)的診斷策略

圖4 繼電器驅(qū)動(dòng)回路的硬件設(shè)計(jì)電路圖

2）當(dāng)繼電器的控制信號(hào)為閉合時(shí)，診斷策略見(jiàn)表2。

表2 控制信號(hào)為閉合的診斷策略

2.2 繼電器高壓回路診斷

繼電器高壓回路診斷包括繼電器無(wú)法閉合診斷和繼電器黏連診斷。診斷方式是通過(guò)采集電池包高壓回路的電壓法來(lái)判斷。高壓回路的電壓采樣點(diǎn)見(jiàn)圖5。

圖5中，GND為高壓參考搭鐵，A、B、C為高壓采樣點(diǎn)。

圖5 高壓回路電壓采樣點(diǎn)分布

2.2.1 繼電器無(wú)法閉合診斷

1）預(yù)充繼電器無(wú)法閉合 預(yù)充繼電器的控制指令為閉合，且已經(jīng)閉合超過(guò)50ms，主負(fù)和主正繼電器的控制指令為斷開(kāi)，此時(shí)進(jìn)行預(yù)充繼電器無(wú)法閉合診斷。當(dāng)滿足以下條件且持續(xù)100ms，判斷預(yù)充繼電器為無(wú)法閉合。

2）主正繼電器無(wú)法閉合 當(dāng)主正繼電器控制指令為閉合，而預(yù)充繼電器控制指令為斷開(kāi)時(shí)，進(jìn)行主正繼電器無(wú)法閉合診斷。當(dāng)滿足以下條件且持續(xù)100ms，判斷主正繼電器為無(wú)法閉合。

3）主負(fù)繼電器無(wú)法閉合 當(dāng)主正繼電器和主負(fù)繼電器控制指令為閉合，且主正繼電器確認(rèn)沒(méi)有無(wú)法閉合故障，進(jìn)行主負(fù)繼電器無(wú)法閉合診斷。當(dāng)滿足以下條件且持續(xù)100ms，判斷主負(fù)繼電器為無(wú)法閉合。

2.2.2 繼電器黏連診斷

1）主正繼電器黏連 當(dāng)主正繼電器和主負(fù)繼電器的控制指令為斷開(kāi)，且已經(jīng)持續(xù)2s（等待電容泄放時(shí)間）以上時(shí)進(jìn)行主正繼電器黏連診斷。當(dāng)滿足以下條件且持續(xù)100ms，判斷為主正繼電器黏連。

2）預(yù)充繼電器黏連 由于主正繼電器和預(yù)充繼電器在一個(gè)高壓回路中，無(wú)法區(qū)別主正繼電器和預(yù)充繼電器的黏連。

3）主負(fù)繼電器黏連 當(dāng)主負(fù)繼電器控制指令為斷開(kāi)，且主正繼電器黏連或預(yù)充繼電器閉合，進(jìn)行主負(fù)繼電器黏連診斷。當(dāng)滿足以下條件且持續(xù)100ms，判斷為主負(fù)繼電器黏連。

3 總結(jié)

上述介紹了電池包高壓回路的繼電器控制邏輯及診斷策略。通過(guò)合理控制繼電器和對(duì)繼電器的診斷，保證了高壓安全。上述部分已應(yīng)用在實(shí)車開(kāi)發(fā)，且效果良好。