車用動力電池的高壓繼電器控制技術研究

朱楚梅

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司，湖南 長沙 410100）

1 引言

近年來，出于對能源戰略安全的考慮以及延緩全球環境持續的惡化，國家不斷加碼政策支持新能源汽車產業，中國新能源汽車產銷量出現了超常規增長。由于新能源汽車的動力來源都有一定比例的電能，尤其是混合動力汽車和純電動汽車作為新能源汽車的主流，一般搭載一個電壓平臺達到60V以上甚至幾百伏的動力電池，一旦發生事故，可能造成嚴重財產損失，甚至是人員傷亡。

動力電池系統作為電動汽車的能量源，主要由電池、高壓配電模塊、MSD（手動維修開關）和負載組成，如圖1所示。高壓配電模塊集成了預充回路、正/負極繼電器等元件，且電池是通過正/負極繼電器的通斷來控制整車電路的工作與否，高壓繼電器的安全合理使用，對保證車輛和人員的安全非常重要。

圖1 動力電池高壓系統

2 動力電池繼電器的控制要求

繼電器的動作分斷開和閉合兩種，動力電池繼電器動作的控制一般是集成在電池管理控制器BMS中，BMS綜合考慮了繼電器的安全使用條件來控制繼電器的通斷，并合理設置保護功能以滿足高壓電的安全使用要求。

1）高壓負載一般是容性負載，當繼電器閉合時，瞬態電流非常大，因此通過設置預充回路來避免繼電器閉合瞬間時瞬態電流對高壓負載的損害。

2）高壓系統包括電機、電空調、電加熱器等，如果高壓系統中某個零件出現斷路，將可能造成不可預估的安全風險，因此繼電器的控制策略需包含高壓互鎖功能，確保高壓回路電連接的可靠與穩定。

3）動力電池中每個單體的電壓存在設計允許的電壓區間，出于安全的原則，繼電器的控制策略需具有高低壓保護功能，即通過設置一定合適的工作電壓范圍，使動力電池避免發生過充或過放。

4）由于動力電池工作環境惡劣，振動、溫濕度沖擊等工況都可能引起動力電池系統絕緣性能的下降，甚至是損傷或者失效，一旦絕緣失效將危及乘客的生命安全，因此需實時監控動力電池系統的絕緣性能，在絕緣失效發生時，繼電器需及時且合理地斷開。

5）高壓繼電器由于使用次數或者電流沖擊等因素的影響，繼電器觸點可能會存在粘連的情況，需增加繼電器觸點的檢測來確保動力電池的無風險使用。

3 動力電池繼電器的功能保護

3.1 預充電回路

由于動力回路存在大量的容性負載，如果直接閉合繼電器，會存在大電流瞬態沖擊，甚至可能燒毀動力回路上負載。動力電池接通瞬間的電路模型如圖2所示。

圖2 高壓系統預充電電路模型

由于動力電池內阻很小，可以忽略不計；而且閉合瞬間時，負載電阻值很大，可以忽略。對預充電電路做一階電路零狀態響應等效分析，可得出電容端電壓為：

式中，——電容端電壓；——動力電池電壓；τ——電路的時間常數，τ。

3.2 絕緣監測

依據國際標準IEC/T R2 60479-1，人體沒有任何感覺的閾值電流為2mA。即動力電池的絕緣電阻必須大于等于最大泄露電流所對應的電阻。在動力電池的高壓系統中，電氣設備（如動力電池組）正、負極接線端子及其連接線束對電底盤分別存在絕緣電阻R、R。如果R、R較小，則絕緣失效，危害駕乘人員的生命安全。

絕緣電阻的檢測原理多使用無源搭鐵方法，其基本原理是在直流正負母線和車體電底盤間接入一系列電阻，然后通過電子開關或者繼電器切換接入阻值的大小，測量在不同接入電阻情況下正負母線在被測電阻上的分壓，最后通過解方程式計算出正負母線對搭鐵的絕緣電阻。不平衡橋絕緣檢測原理如圖3所示。

圖3 不平衡橋絕緣檢測原理

電阻并聯電子開關，通過開關的斷開和閉合來改變正負母線在電阻和＇上的分壓比。當斷開時，可得到方程式：

當閉合時，可得到方程式：

式中：＇，＇——開關閉合時正負母線在電阻和＇上的壓降。由式 （2）、式 （3）可知絕緣電阻。

3.3 粘連檢測

繼電器作為動力電池的動力輸出開關，一旦繼電器出現故障，尤其是發生粘連時繼續操作，可能損壞高壓回路元器件，甚至威脅成員安全，存在較大的安全風險。因此，對繼電器的狀態進行有效監控，能有效防止在高壓繼電器粘連情況下誤操作損壞高壓回路元器件，對電動汽車的安全、可靠運行有十分重要的作用。粘連檢測如圖4所示。

圖4 粘連檢測

繼電器的狀態檢測有兩種辦法，一種是監測其線圈的得電情況，另一種是對其觸點本身進行監測。前種方法簡單，但是只能間接反映得電狀態，且可靠性偏差。后者通過測量電壓來判斷高壓觸點的閉合狀態，更加可靠。

表1 是動力電池繼電器下電時序時進行故障檢測的舉例，分別斷開繼電器K1和K2，通過各采集點所采集的電壓來判斷繼電器是否粘連。

表1 繼電器粘連狀態舉例

4 動力電池繼電器的控制策略

動力電池繼電器根據工作過程可以分為高壓上電流程管理、高壓下電流程管理和高壓繼電器的狀態監測3個部分。

4.1 高壓上電流程管理

1）點火開關處于啟動位置，整車控制器VCU采集到啟動信號有效時，通知電池管理系統BMS自檢，并將自檢完成信號發送給VCU，VCU收到信號后并判斷整車無強制斷高壓故障，向BMS發送控制命令要求其閉合繼電器。

2）BMS收到“閉合”命令后，先完成預充電，預充完成之后，閉合正極繼電器，斷開預充繼電器，并發送 “上電完成”信號。

4.2 高壓下電流程管理

1）整車VCU收到點火開關閉合信號，VCU控制整車負載閉合，并監控總線電流，當電流小于一定的閾值時，給BMS發送控制命令要求其斷開繼電器。

2）BMS收到信號后，依次斷開正負極繼電器，并發出“高壓斷開”信號。

3）VCU收到BMS的“高壓斷開”反饋后，高壓下電完成。

4.3 高壓繼電器的狀態監測

BMS上電工作后，將不間斷地監控高壓回路的狀態，包括高壓互鎖回路狀態，動力電池電壓狀態，絕緣檢測、繼電器粘連檢測等，一旦檢測到任何一個故障，BMS將盡快限功率行駛甚至是強制斷高壓，各個狀態間的邏輯關系如圖5所示。

圖5 高壓電各邏輯狀態

5 結束語

高壓繼電器是高壓電池系統安全工作的重要組成部分，也是保障電池系統高壓安全運行的關鍵部件。本文根據電池繼電器的控制要求，將繼電器的預充電、繼電器粘連、絕緣檢測監控等保護功能最終集成在高壓上電流程管理、高壓下電流程管理和高壓繼電器的狀態監測過程中，有效保障了繼電器的安全使用。