电动汽车动力电池箱接触保护原理及试验研究

周芝萍，蒋怀贞，伍旭刚，任科臣，李 燕

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

随着电动汽车产业的迅猛发展，其运行的安全性引起广泛关注。与传统汽车相比，电动汽车最大的特点在于其动力源是电池，而不是燃油，电池安全是电动汽车安全性面临的新课题，其易燃易爆的特性也使其成为世界汽车产业面临的“新难题”。从目前发生的电动车事故而言，与其储能系统相关的事故数量最多，危害也最大，而动力电池系统的电连接问题是引起储能电池发热、燃烧、甚至爆炸的重要原因之一[1-5]。

电动汽车换电技术是把动力蓄电池组设计成多个可以快速更换的动力电池箱[6]，通过专用连接器(图1)给电动汽车提供动力能源。由于经常插拔更换电池箱对连接器的可靠接触与使用寿命影响很大，特别是在出现机械损伤情况下插拔电池箱时，连接器很容易发生极柱接触不良的现象，而且这种现象不易发现。接触不良的严重后果是在车辆行驶振动环境下连接器极柱产生电弧，高温电弧会熔化极柱并引燃周围材料，引起火灾，引发安全事故[7]。

图1 电池箱连接器Fig.1 Battery box connector

1 接触不良故障分析

电动汽车的动力系统一般包括动力电池、驱动电机和主回路断路器3部分[8]，以采用换电技术的电动大巴为例，其典型接线如图2。

图2 电动汽车动力系统接线Fig.2 Connection diagram of power system of EV

U1，U2，…，U9是各动力电池箱正负极柱间的测量电压。正常工作情况下，测量电压应与电池箱的额定输出电压相一致，当连接器出现接触不良故障时，由于弧光电阻的作用，测量电压会发生变化，以1#电池箱为例，其测量电压变化见图3。

图3 接触不良故障时测量电压的变化Fig.3 Voltage change when bad connecting

(1)

由式(1)可以看出：发生接触不良故障时，U1的值会减小，其减小量为Uf，此值与连接器的物理性质、接触不良的程度及主回路的工作电流有关，需通过拉弧试验确定。由于电动汽车主回路的驱动电流很大(以电动大巴为例，在200 A以上)，弧光电阻Rf上会产生很大功耗，出现发光发热、起火燃烧等物理现象。

2 接触保护解决方案

实现电池箱接触保护的原理是：检测到动力电池箱出现接触不良故障→以告警信号通知车辆控制单元(VCU)→VCU启动保护跳闸，切断主回路，避免事故扩大→停车检查，确定发生故障的电池箱并进行修复；从方案实现的角度讲，正确检测到电池箱接触不良故障是整套方案的重点和难点。由前述分析可知：动力电池箱连接器接触不良会导致两种现象：一种是电气现象，即电池箱连接器极柱测量电压降低；另一种是物理现象，即极柱温度升高，两种现象均可作为检测接触不良的判据[9]。但是，电气判据较物理判据具有以下优点：

1)接触故障产生时，先有电气现象，后有物理现象，电气判据更加即时。

2)物理判据易受季节、天气、地域等客观条件的影响，极柱温度升高值不易界定，而电气判据中Uf的值要相对稳定，可在实验室模拟电动汽车动力系统，通过拉弧试验获得。

3)电气判据只需采样极柱电压，而物理判据需增加温度传感器，把温度信号转化为CPU可接收的电压信号，不但增加了成本，而且增加了流程的复杂度。

因此，笔者采用电气判据检测接触不良故障，判据逻辑见图4。

一个物体在内河航道漂移，受到水流和风力的作用，假设在一定时间Δt内漂移速度相对稳定，那么物体的位置从tn时刻到tn+1时刻的更新为

图4 判据量电气逻辑Fig.4 Logic diagram of electric criterion

电气量判据逻辑包含两个判据，判据1、判据2由下面的定义条件来描述：

条件2：T=T1

上述判据逻辑中，Uf的值需通过拉弧试验来确定，U′是防误判的门槛电压，其值与Uf的最大取值有关，T1的取值需满足两点要求：①不能不动，在出现拉弧事故时必须即时判定，及时处理；②不能误动，要能够滤除测量极柱电压时的电气干扰。因此，其值不能过大，也不能过小，需通过拉弧试验综合考虑，判据2中的计数N=1/T1，是对判据1的补充，主要针对接触时好时坏的情况。

根据方案需求开发了接触保护终端，其主要功能有：①实时采样电池箱极柱电压；②依据上述判据逻辑对采样电压进行逻辑判断；③当采样电压满足判据1或判据2的条件时，判定接触不良故障，通过CAN总线向VCU发送告警信息。

3 拉弧试验

3.1 搭建试验环境

模拟实车动力系统，搭建试验环境见图5。

图5 拉弧试验环境Fig.5 The test environment of arcin

图5中，试验以分箱充电机模块ZCD23-12080模拟动力电池系统，ZCD23-12080的最大输出电流为150 A，而电动大巴的额定工作电流为200 A，满载加速时的峰值工作电流达300 A，故以两台ZCD23-12080并联。采用1.6 kW大功率变阻箱模拟驱动电机，试验中电压可调，电流放开，满足高负载的试验需求。为了模拟产生电弧，经过特殊处理使电池箱极柱连接头的母头与子头虚接，使之产生拉弧。以接触保护终端实时采样充电机的负载电压，当满足接触不良判据时向VCU模拟装置发送告警报文，VCU模拟装置收到告警报文后驱动接触器，配合QF断路器切断主回路，完成接触保护功能。试验中24 V电源板为接触保护终端和VCU模拟装置提供工作电源，为接触器提供驱动电源。采用双通道示波器监视驱动电机的负载电压和接触器切断主回路的驱动信号，以获得相关试验数据。

3.2 第1轮拉弧试验

调整充电机的输出电压分别为60.0，67.5，75.0，82.5，90.0 V，以产生不同的工作电流，在这4种情况下制造拉弧现象。试验数据见表1。图6是60 V、200 A条件下捕获到的Uf波形。

表1 拉弧试验数据 Table 1 The trial data of arc discharge

图6 200 A条件下的Uf波形Fig.6 Waveform of Uf at the condition of 200 A load

由表1试验数据可知：Uf会随着主回路工作电流的增大而增大，对同样的极柱连接器而言，由于此值还与连接器接触不良的程度有关，故其变化规律呈现非线性，接触不良判据中的Uf应小于表1中弧光电压Uf的最小值，为可靠计，取值10 V。

把判据参数Uf= 10 V，U′= 5 V代入图4的判据逻辑，同时令T1分别取50，100，150，200 ms，N值取1/T1，在极柱连接器接触良好的情况下以表1的负载条件做振动测试。结果发现，T1<200 ms的几个判据逻辑均出现误报现象。取值越小，误报的次数越多。故以T1= 200 ms，N= 1/T1= 5做为判据参数。

3.3 第2轮拉弧试验

第2轮试验的目的是验证接触保护终端的保护功能，主要体现在判据逻辑的正确性和保护告警、开出的及时性。

把第1轮试验确定的Uf，U′，T1，N等参数值代入判据逻辑，按表1的负载条件重做拉弧试验。结果显示：接触保护终端能够正确地判定接触不良故障，保护开出没有出现拒动或者误动的情况。用示波器观察到的保护开出时间见表2。图7是60 V、200 A条件下保护开出的波形(图中208.0 ms包括了T1判据延时，而保护开出时间是指从确定故障到实施保护的时间)。

表2 接触保护开出时间 Table 2 The operating time of contact protection

图7 保护开出时间Fig.7 The operating time waveform of protection

由表2可知，保护开出时间与主回路的负载条件没有必然的联系，只与控制装置的硬件性能和CAN总线的通信负载有关系。这两项在控制回路中没有大的波动，因此保护开出时间比较稳定，在8 ms左右。

第2轮试验结束后连接头损毁情况见图8。可以看出，连接头出现轻微受损，证明保护告警、开出相当及时，起到避免事故扩大的作用。

图8 拉弧试验结束后的连接头Fig.8 The connector after the trial of arcing

4 结 语

研究表明：针对电动大巴的接触保护解决方案是可行的；检测接触不良故障的判据逻辑是正确的；接触保护终端的保护功能是有效的。

由于判据逻辑中的相关参数是通过模拟电动大巴动力系统的拉弧试验获得，因此，在采用不同连接器，不同负载模式的电动汽车上不一定通用，但实现接触保护的原理是一样的，通过拉弧试验获取判据逻辑相关参数的方法具有普遍意义。

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