動力電池預充設計及溫升特性研究

劉永昌，龔元明

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

近幾年，隨著公眾保護環境意識的增強以及國家政策的大力支持，汽車電動化成為當下汽車發展的趨勢，新能源電動汽車得到蓬勃發展。電動汽車電池管理技術面臨諸多挑戰，預充電技術在動力電池管理技術中起著關鍵作用。電動汽車一些控制器電路具有電容性，比如電機控制器、制冷制熱空調控制器、DCDC 等，在電動汽車動力電源接通瞬間，這些容性負載相當于瞬時短路，導致瞬時電流非常大，若沒有相應的保護措施，在瞬時高壓大電流沖擊下，一些器件必定損壞[1]。所以，增加相應的電池預充電路，可以降低瞬時高壓大電流對這些部件的沖擊，延長電動汽車零部件的使用壽命。

此外，動力電池主正和主副繼電器都是接觸式導電。電動汽車動力電池電壓高達幾百伏，繼電器導電彈片接觸瞬間必定產生火花，致使繼電器內部溫度升高且導電彈片表面氧化嚴重，甚至發黑、阻斷導電從而導致無法供電。如圖1 所示，在主正繼電器接通之前，預充使得主正繼電器兩端電勢差大大減小，預充電可以極大地減少火花電弧對主正繼電器的損傷，降低甚至避免主正繼電器火花現象的發生，極大地增加主正繼電器的可靠性以及延長其使用壽命，同時避免和減少接觸火花，提高電動汽車動力電池使用的安全性。

圖1 常規動力電池預充電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of conventional power battery precharging circuit

1 預充電路設計

1.1 預充電路性能參數

在動力電池預充電路中，預充電路的結構設計和預充電阻的選型起到關鍵作用。圖2 為并聯PTC電阻預充電路設計示意圖。

圖2 并聯PTC 電阻預充電路Fig.2 Parallel PTC resistor precharge circuit

預充電路結構一般是在高壓線路中串聯電阻，本文的設計采用并聯兩個PTC 電阻的電路。預充電阻的類型和阻值大小對預充時間、預充壓降過程等會產生重要影響。預充電阻的選型是否合理、預充工作過程是否可靠，直接關系到該電動汽車的可靠性。本文提出的并聯PTC 電阻的預充設計方案有如下優點：

（1）預充開始時刻電流非常大，并聯PTC 電阻分流，降低大電流對單個PTC 電阻的沖擊，減少電阻的老化，延長預充電路的使用壽命。

（2）預充繼電器彈片接觸面積比較小，這樣的設計會大大降低通過預充繼電器的電流，對預充繼電器起到保護作用。

（3）PTC 電阻具有隨著溫度升高電阻阻值變大的特性，這樣在溫度升高的情況下預充電阻阻值會快速升高，極短的時間內達到預充所需電壓。

另外，本文中的預充電路，動力電池是以18650 為單元的電池總成，電池電壓Up=450 V，選定的電機控制器的容值為500 μF。由于臨近預充結束，主正繼電器兩端預充電壓上升緩慢，所以當預充電壓Uc的值達到動力電池電壓Up的97%以上時認為預充完成。預充電路實為一個RC 電路，預充時間過長會導致能量消耗大，并且長時間預充會導致預充電路特別是預充電阻過熱，會縮短汽車使用壽命，所以預充時間的控制至關重要。根據經驗，本次預充時間t控制在100～500 ms 為宜[2]。

1.2 預充電阻類型選擇

本電路設計采用PTC 電阻，考慮到PTC 電阻受溫度影響大，在電阻發熱嚴重時動力電池可快速完成預充動作，降低預充時間，預先選用性能如圖3 所示的PTC 電阻（圖3 來自電阻生產廠家）。

圖3 PTC 電阻阻值隨溫度變化曲線Fig.3 PTC resistance value versus temperature curve

1.3 預充電阻阻值計算

根據RC 電路的1 階電路零狀態響應方程[3]：

式中：UC——預充時電容兩端電壓；Umax——動力電池兩端的最大電壓，即450 V；t——預充時間；τ——時間常數；R——預充電阻阻值；C——電機控制器端電容500 μF。

由式（3）得：

當tmin=100 ms 時，計算得預充電阻Rmin=57 Ω；當tmax=500 ms 時,計算得預充電阻Rmax=285 Ω。即預充電阻值R在57～2 855 Ω 均能滿足預充要求。

1.4 預充電阻功率計算

在該電路中，預充電路相當于一個RC 電路，在電容充電過程中電流通過電阻必然導致能量損失[4]。結合上一小節預充電阻阻值的計算和預充電路的并聯結構設計，預先選用阻值R1、R2為120 Ω的PTC 電阻作為本節功率計算的電阻。

并聯電阻計算公式：

功率計算公式[5]：

在電容充電開始瞬間，電容兩端相當于短路，電阻兩端壓差最大U（t）max為電池電壓，由此可知此時預充電阻有最大瞬時功率Pmax為3 375 W。當預充電壓達到電源電壓的97%時認為預充完成，此時預充電阻兩端壓差近似為0。

1.5 預充電阻能量計算

電阻能量消耗計算公式[6]：

電容儲能計算公式[7-8]：

由式（8）可以看出，電源對整個預充電路充電，但是能量只被電容消耗一半，另一半被預充電阻消耗了。不論電阻為多少，總有與電容儲能相等的能量被損失掉[3],預充阻值大小與預充過程消耗的能量多少無關。

2 預充電路溫升檢測

預充PTC 電阻受溫度影響大，預充時內部產生巨大熱量，該設計采用的PTC 電阻受溫度影響大，所以測試有必要考慮高溫條件。根據選型、計算以及考慮汽車工作環境，設計了如下試驗，測試25 ℃和85 ℃兩種環境條件下預充電阻溫升數據以及預充壓降、預充電流、預充時間。

2.1 試驗過程

本次實驗完全還原動力電池預充的整個過程，模仿汽車啟動前高壓電路的準備工作，在此過程中監測電壓、電流和溫度等數據。動力電池電壓范圍為300～800 VDC，本次測試電壓選定為450 V。圖4 為檢測電路搭建示意圖。

圖4 檢測電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of detection circuit

溫升測試使用C-Thermo K10 熱電偶測量模塊進行溫度測量，將4 個溫度貼片貼在每個預充電阻兩側，保證完全貼合，溫度測量準確。

啟動數據采集設備后，開啟溫箱，定值運行25 ℃，待溫箱溫度恒定后，模擬預充狀態的工作過程，對電容進行充電。測試、記錄并保存被測回路的電流、電壓、溫度數據波形。模擬預充測試結束后，待溫升測試結束，PTC 溫度值不再變化，對電容進行放電，以便進入下一次充電狀態。同樣，待設備冷卻后，開啟溫箱，定值運行85 ℃，重復上述實驗，記錄相關數據。

3 結果及分析

如圖5、圖6 所示，在25 ℃環境溫度下，預充電時間為134.4 ms，小于400 ms 符合預充時間要求，預充峰值電流為13.49 A。測試前溫度為28℃，測試后溫度為35 ℃，圖中明顯看出預充開始后溫度大幅上升，測試溫升Δt=7℃。

圖5 環境溫度25 ℃預充電壓和電流曲線Fig.5 Precharge voltage and current curve at ambient temperature of 25 ℃

圖6 環境溫度25℃預充電阻溫升曲線Fig.6 Temperature rise curve of precharge resistance at ambient temperature of 25 ℃

如圖7、圖8 所示，在85 ℃環境溫度下，預充時間為152.8 s，預充電流峰值電流為10.4 A，高溫環境下對預充電阻阻值有影響，導致預充電流下降。溫升Δt=8℃，預充阻值變大，導致預充電流減小，進而預充時間變長，所以預充溫升相比25 ℃環境溫度時要高。

圖8 環境溫度85℃預充電阻溫升曲線Fig.8 Temperature rise curve of precharge resistance at ambient temperature of 85 ℃

綜上，對比2 種溫度環境下的測試結果可得：85 ℃環境溫度下預充時間t有所延長，但是預充時間都在理論有效范圍內；85 ℃環境溫度下的預充峰值電流比25 ℃溫度下預充峰值電流減小3 A；動力電池在25 ℃和85 ℃下預充，預充電阻的溫升Δt≈7.5 ℃，溫度相差不大。預充電路中并聯兩個PTC電阻，各個電阻表面的溫升差值在1 ℃之內，預充電路設計與理論設計吻合，完全達到預充電氣參數要求。

4 結語

本文提出的并聯PTC 電阻的預充電路設計方案可有效完成電動汽車動力電池預充過程，在不耗損太多能量的前提下，有效保護主正繼電器，并且能快速完成預充過程。多預充電阻設計可以有效保護預充電路，減緩老化程度，提高預充電路的穩定性。當然，預充電阻工作環境溫度高，環境相對比較惡劣，老化相對其他零部件嚴重，使用次數相對較少。當下電動汽車技術飛速發展，當人們使用汽車時，能有效斷開和連接動力電池還需要更先進的技術，才能延長電動汽車使用壽命。