新能源汽車預充控制原理及故障案例分析

景志敏 周歡

摘要：近年來，新能源汽車發展勢頭迅猛，已然成為未來汽車的必然趨勢。2021年，我國新能源汽車銷量預計將達到340萬輛，較上一年翻了約1.5倍。新能源汽車動力系統采用高壓電，對不同使用環境下的安全性、穩定性、可靠性等方面都有著極高的要求。比如新能源汽車高壓上電時，都設計有預充控制環節來保護高壓回路及高壓部件免受大電流損壞。本文主要針對新能源汽車預充控制過程及原理進行分析討論，并結合實際故障案例診斷排除過程，講述預充故障的檢測方法。

Abstract： In recent years， the rapid development of new energy vehicles has become an inevitable trend for future automobiles. In 2021， China's new energy vehicle sales are expected to reach 3.4 million units， which is about 1.5 times higher than the previous year. The power system of new energy vehicles uses high-voltage electricity， which has extremely high requirements for safety， stability， and reliability in different use environments. For example， when a new energy vehicle is powered on at a high voltage， a pre-charge control link is designed to protect the high-voltage circuit and high-voltage components from high-current damage. This article mainly analyzes and discusses the pre-charge control process and principle of new energy vehicles，and describes the detection methods of pre-charge faults in combination with the actual fault case diagnosis and elimination process.

關鍵詞：預充控制;預充接觸器;正極接觸器;母線電容

Key words： precharge control;precharge contactor;positive contactor;bus capacitor

中圖分類號：U463.99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0136-03

1 ?新能源汽車高壓上電步驟

新能源汽車啟動后，首先是低壓系統的喚醒與自檢。當確定系統無故障后才允許高壓上電。（如圖1所示）

①高壓上電第一步，電池管理系統BMS控制負極接觸器（K-）和預充接觸器（Kp）閉合，對電機控制器內的母線電容C進行預充電。當母線電容內電壓VC與動力電池電壓VB差值達到規定值時，預充完成。②BMS檢測到預充完成后，控制正極接觸器（K+）閉合，正式對外部負載輸出高壓電，然后控制預充接觸器（Kp）斷開。此時，儀表顯示OK燈或READY燈點亮，高壓上電完成。在此期間，BMS會實時監測系統狀況，如發生絕緣、高壓互鎖等嚴重故障時，控制K+和K-斷開，停止上高壓電。

2 ?預充控制分析

新能源汽車高壓上電時，都要先進行預充，對電機控制內的母線電容預充電。因為母線電容在高壓回路中與動力電池并聯，當動力電池輸出高壓電時，必然會對電容進行充電，而電容在被充電的瞬間，電阻幾乎為零，相當于導通。

如果高壓上電時，直接閉合負極接觸器（K-）和正極接觸器（K+），相當于直接將動力電池正負極接通，此時動力電池等同于短路，回路中產生瞬時大電流將損壞高壓回路及高壓部件。

因此高壓上電時，先閉合負極接觸器（K-）和預充接觸器（Kp），高壓電經過預充回路后再對母線電容充電。由于預充回路中串聯有預充電阻（R），根據歐姆定律I=■，預充過程中的電流減小到高壓回路可以承受的范圍，利用預充電阻的限流作用，保護高壓回路及高壓部件。當母線電容電壓VB升高的到與動力電池電壓VB之差（ΔV）足夠小，達到設定值時（如圖2所示，有的車型設定為ΔV≤50V，有的車型設定為ΔV≤VB×10%），BMS判定預充完成，并控制正極接觸器（K+）閉合，然后控制預充接觸器（Kp）斷開，車輛正常上高壓。

3 ?母線電容分析

通過上述分析可知，新能源汽車高壓上電時的預充主要是針對電機控制器內的母線電容，通過預充保護高壓回路及高壓部件。電機控制器里為什么設置母線電容呢？

新能源汽車高壓回路上有很多高壓用電設備，其中電機驅動系統是最主要的用電系統，電機控制器將高壓直流電轉換為三相交流電控制驅動電機運轉。而電機控制器對驅動電機的控制需要根據車輛的實際行駛需求實時調整，因此不同的行駛工況下，電機控制器消耗的電能是不同的，隨時都在變化。這就會導致動力電池母線電壓出現較大的波動，影響各高壓用電設備的工作穩定性，進而影響新能源汽車工作狀態和駕乘體驗。因此在電機控制器中設置母線電容，最主要的作用就是平衡母線電壓波動。當用電量激增時，電容對外放電輔助供電;當用電量減少時，吸收母線電壓儲備電能。

但是有了母線電容也會帶來另一個問題：當車輛下電后，BMS控制正極接觸器（K+）和負極接觸器（K-）斷開，停止對外輸出高壓電，但母線電容內仍然存在與動力電池幾乎相同的高壓電。這就會對新能源汽車的維修帶來安全隱患，一般會采用高壓系統余電放電回路（如圖3所示）在車輛下電后迅速釋放掉母線電容里的高壓電，保證高壓安全。這個過程也叫做主動泄放，若主動泄放回路故障則通過被動泄放回路來放電。

因此，車輛再次上電時，母線電容內是沒有電的，為保護高壓回路及高壓部件免受大電流損壞，就需要先進行預充。

4 ?接觸器結構原理分析

新能源汽車上的接觸器本質上是一種帶有保護性質的電路控制開關，用于控制動力電池充放電回路的通斷，是新能源汽車動力系統的核心元件。如圖4所示為接觸器結構示意圖，為避免高壓電路在通斷時產生的電弧燒蝕觸點，一般為全密封結構，并在內腔充注隋性氣體。

接觸器的的工作原理與普通繼電器基本一致。如圖5所示，初始狀態下高壓觸點常開，高壓回路斷開;線圈通電后產生磁場吸合連接片，觸點連通，高壓回路接通。這樣即可通過線圈內12V低壓電控制高壓觸電回路中的高壓電。

接觸器控制方式一般有兩種，即搭鐵控制和拉低控制。比如在長安CS15純電動汽車上，BMS給接觸器線圈一端提供12V工作電源，通過控制另一端搭鐵來控制線圈電流的通斷，進而控制接觸器的通斷。而在比亞迪E5純電動汽車上，BMS同時給接觸器線圈的電源端和控制端提供12V電壓，此時線圈兩端電壓相等，無電流流過，觸點斷開;當需要該接觸器工作時，BMS將線圈控制端電壓拉低至1V以下，此時線圈內電流從電源端流到控制端，產生磁場吸合連接片，觸點連通。

5 ?預充故障案例分析

5.1 故障現象

一輛比亞迪E2純電動汽車，踩下制動踏板、按下啟動按鈕，儀表顯示“EV功能受限”，主告警燈點亮、動力系統故障指示燈點亮、OK燈不亮（如圖6所示）。

5.2 故障診斷儀檢測

連接故障診斷儀，進入電池管理模塊讀取故障碼，顯示故障碼為：P13AF00，預充接觸器回檢故障;進一步讀取動態數據流，選擇“預充狀態”顯示為“預充失敗”。

5.3 故障分析

根據故障診斷儀檢測結果，判斷故障原因為預充故障，導致該故障的具體原因可能有：

①預充接觸器電源故障;

②預充接觸器控制信號故障;

③預充接觸器本身損壞。

因此，接下來應對預充接觸器電源信號和控制信號進行檢測，如果兩者都正常則可判斷為接觸器本身故障。

5.4 萬用表檢測

查閱維修資料，找到電池管理系統預充接觸器電源及控制線路，如圖7所示。

①萬用表選擇直流電壓20V檔位，紅筆連接電池管理模塊BK45A口7號線，黑筆搭鐵，啟動車輛，測量預充接觸器電源端電壓為0V，正常值應為12V。

②萬用表選擇直流電壓20V檔位，紅筆連接電池管理模塊BK45A口21號線，黑筆搭鐵，啟動車輛瞬間，測量預充接觸器控制端電壓為0V，正常值應為12V→0V。

根據檢測結果可判斷，該車預充接觸器電源故障，導致預充接觸器無法工作，動力電池不能完成預充，所以無法上高壓電。

進一步查閱維修資料可知，預充接觸器電源來自保險絲F1/9提供的IG3電（如圖8所示），為準確找到故障點，接下來需檢測電池管理模塊IG3供電電路。

①萬用表選擇直流電壓20V檔位，紅筆先后連接保險絲F1/9前、后端，黑筆搭鐵，啟動車輛，分別檢測F1/9前、后端電壓為12.3V和12.2V，結果正常，說明IG3供電正常;

②萬用表選擇直流電壓20V檔位，紅筆連接電池管理模塊BK45B口8號線，黑筆搭鐵，啟動車輛，檢測BK45B口8號線電壓為0V，正常值應為12V;

③車輛下電，斷開蓄電池負極，萬用表選擇電阻200Ω檔位，紅筆連接F1/9后端，黑筆連接BK45B口8號線，測量電阻為無窮大，正常值應小于1Ω。

根據檢測結果可知，保險絲F1/9至電池管理模塊BK45B口8號線連接線路斷路，修復后故障排除，車輛正常上高壓、系統正常。

5.5 故障結果分析

由于保險絲F1/9至電池管理模塊BK45B口8號線連接線路斷路，導致電池管理模塊IG3供電故障，使得預充接觸器線圈供電異常而無法工作，最終導致動力電池預充失敗、車輛無法上高壓電。

6 ?總結

新能源汽車高壓系統中，由于電機控制器內母線電容的存在，高壓上電時為避免瞬間大電流損壞高壓回路及高壓部件，專門設計了預充控制。即：先閉合預充接觸器（Kp），利用預充電阻的限流作用，在完成對母線電容的預充電后再閉合正極接觸器，對外輸出高壓電。兩個環節存在邏輯先后關系，如果預充沒有完成或預充失敗，BMS將不會閉合正極接觸器（K+），新能源汽車不能上高壓電，儀表OK燈或READY燈將不會點亮。因此在新能源汽車不能正常上高壓電的故障診斷中，要特別關注預充狀態動態數據流，若數據顯示“未預充”或是“預充失敗”，則需要對預充接觸器線圈的供電電源、控制信號等進行相應檢測，最終確認并排除故障。

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