電動汽車高壓回路預充電阻選型設計

【摘 要】高壓預充是電動汽車高壓管理中必不可少的環節，以某純電動汽車為例，介紹電動汽車高壓預充的原理，并針對預充電阻阻值及功率闡述詳細的計算過程，提供預充電阻選型設計的思路，提高電動汽車高壓回路的安全性，保證整車的安全運行。

【關鍵詞】預充電阻;高壓回路;選型設計

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）09-0012-02

Selection and Design of Precharging Resistance for High Voltage Circuit of Electric Vehicles

ZHANG Benxuan，HAN Fuqiang，ZHU Zhiyuan，WU Shasha，DING Shilong，ZHANG Wenyuan

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】The high voltage precharge is an indispensable link in the management of high voltage of electric vehicles. Taking a pure electric vehicle as an example，the introduction of the principle of high voltage precharge of electric vehicles，and the detailed calculation process for the pre-charge resistance value and power，provide the idea of the pre-charge resistance design，The safety of the high-voltage circuit of electric vehicles has been enhanced to ensure safe operation of the whole vehicle.

【Key words】pre-charge resistance;high voltage circuit;optional design

隨著社會的發展，消費者對電動汽車續航里程、安全性能的需求逐漸升高，相應地對電動汽車高壓平臺的高壓回路設計也提出了更高要求。在電動汽車高壓回路上，常常會連接一些容性負載，比如電機控制器、空調壓縮機、電加熱器等。為了保護這些容性負載，同時也防止高壓回路接通瞬間產生的大電流燒毀繼電器[1]，在電動汽車上引入高壓預充回路進行預充電。

1 高壓預充原理

以某純電動汽車高壓回路為例，如圖1所示，高壓回路由主回路及預充回路組成，其中主回路包括動力電池、主正繼電器K+、主負繼電器K-、電容C及后端負載M;預充回路包括預充繼電器Kp和預充電阻R。

如果沒有預充回路，即沒有預充繼電器與預充電阻時，當控制器接收到上高壓指令進行高壓上電后，主負繼電器K-、主正繼電器K+順序閉合，動力電池系統直接與電容C兩端連通，由于電容兩端基本無電壓，而此時動力電池系統兩端電壓有500V以上高壓，相當于瞬間短路，高壓回路中的負載電阻阻值也比較小，一般由繼電器的觸點電阻和高壓線束電阻組成，其值小于20mΩ。根據歐姆定律可計算出此時流經高壓回路的瞬態電流I=500/0.02=25000A，而根據繼電器規格書可知，一般高壓繼電器在短時通電時觸點承受的電流能力大概在幾千安培左右，上述計算的電流值遠大于繼電器承受能力。如果不采取有效的防護措施，那么高壓回路上的主正、主負繼電器必然會被燒毀，同時回路上的其他負載也會遭受損壞，嚴重時甚至可能對車上乘客造成生命危險[2]。

引入預充回路以后，當控制器接收到高壓上電指令后首先進行預充電，即先閉合主負繼電器K-，再閉合預充繼電器Kp，預充回路接通，此時流經高壓回路的瞬態電流I=500/100=5A（假設此時預充電阻選取阻值為100Ω），滿足繼電器使用要求。隨著電容進行充電，其兩端電壓UC開始逐漸升高，流經高壓回路的電流Ip=（U-UC）/R也逐漸減小，當電容兩端電壓UC與動力電池總電壓U接近時（一般為總電壓的95%），閉合主正繼電器K+，再斷開預充繼電器Kp，完成預充。此時，電容兩端電壓與動力電池電壓的差值較小，這樣在閉合主正繼電器瞬間產生的電流I=500×5%/0.02=1250A，滿足繼電器安全要求，從而避免了大電流沖擊導致繼電器燒毀，提高了安全性。預充電過程中電容兩端電壓與電流的變化如圖2所示。

根據電動汽車和人體安全標準，對高于60V的高壓系統，在上電過程中應該采用預充電過程來避免高壓沖擊[3]。由上文對高壓預充的原理分析可以看出，預充電過程對于電動汽車高壓管理十分重要，預充電能夠有效減少高壓接觸器閉合瞬間產生的大電流沖擊，保證整車安全。

2 預充電阻選型設計

預充電阻的選型主要考慮3個參數：預充電阻阻值、預充電阻瞬時功率和預充電阻平均功率。

2.1 預充電阻阻值計算

以某純電動車實際參數為例，該車動力電池系統由1并160串磷酸鐵鋰電池單體組成，整車標稱電壓值為515.2V，最高電壓為592V，負載電容容量為650μF。

根據RC電路的一階電路零狀態響應方程[4]可得：

式中：Uc——電容C兩端電壓;U0——預充開始時電容兩端的初始電壓;U——電池包兩端電壓;t——預充時間;R——預充電阻阻值;C——電容容值。

由上文可知，U0=0。因此，式1可進一步簡化為：

求解電阻：

（3）

當電容兩端電壓達到電池總電壓的95%時，即UC=0.95U時，認為預充完成，根據方程得：t=3RC。該純電動車要求在500ms內完成高壓預充，當t=500ms時，計算得R=257Ω。

2.2 預充電阻功率計算

預充電阻功率的選取十分重要，很多常見的預充電阻燒毀故障就是因為預充電阻功率選擇不合適導致的。

2.2.1 瞬時功率計算

高壓預充電是瞬態充電的過程，整個過程在幾百毫秒內就完成了，而在這么短的時間內，電阻骨架來不及吸收電流通過電阻絲所產生的熱量，熱量全部聚集在電阻絲上。對預充電阻的瞬時功率進行計算，如下：

式中：Pt——某一時刻通過預充電阻的功率。

由上式可知，當UC最大時，Pt最大，即預充繼電器剛閉合瞬間，電容短路，預充電阻兩端電壓值最大，等于電池包兩端電壓，此時，瞬時功率最大值為：

一般鋁殼繞線電阻在1s內可承受的最大負載功率可達額定功率的20倍。因此，根據預充電阻功率以不超過瞬時功率的20倍來計算，P=1364/20≈68W。

2.2.2 平均功率計算

預充繼電器閉合后，動力電池便通過預充電阻對電容進行充電。在預充電過程中，動力電池釋放的能量，一部分轉化為電荷能量儲存在電容中，一部分被預充電阻以熱能的方式消耗掉[5]。

動力電池提供的總能量：

（6）

電容儲存的能量：

那么電阻消耗的能量：

（8）

電阻的平均功率：

根據上述計算，預充電阻功率選型應按照的原則為：額定功率>平均功率>瞬時功率，即額定功率應大于228W。考慮到安全和使用要求，最終該純電動車預充電阻選型結果為300Ω，250W。

3 結論

為了避免上高壓過程中繼電器閉合瞬間產生的大電流燒毀繼電器，同時也為了保護高壓回路上的負載，因此引入了高壓預充電。預充電阻的合理選型是保證高壓預充順利完成的關鍵。本文從預充電阻的阻值和功率兩個方面對預充電阻的選型提出基本思路，通過合理的選型設計提高電動汽車高壓回路安全性，保證整車安全運行。

參考文獻：

[1] 劉衛東，彭玉環，吳方義，等. 混合動力汽車高壓上下電控制策略[J]. 汽車電器，2020（11）：9-11.

[2] 辛瑜，徐峰，趙巖. 新能源車輛高壓安全設計[J]. 重型汽車，2020（5）：18-19.

[3] 李永慶，孟偉. 電動汽車預充電過程研究[J]. 汽車電器，2013（5）：8-10.

[4] 葉挺秀，張伯堯. 電工電子學（第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2014.

[5] 田志良. RC電路充電過程中的能量轉化與守恒[J]. 河北工程技術高等專科學校學報，2004，15（2）：19-21.

（編 輯 楊凱麟）

作者簡介張本軒（1996—），男，碩士，主要從事企業電池軟件測試工作。