基于E50纯电动汽车高压上电过程的研究

冯婧

摘 要：以E50纯电动汽车为例，研究高压上电过程的设计思路、控制策略及实施方案。结合实践经验探究上电过程对缓解车辆高压系统冲击、提高车辆可靠性、高压安全性的必要性。

关键词：高压上电；预充电；电动汽车

中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-05-02

Abstract： Taking E50 electric vehicle as an example， the design idea， control strategy and implementation plan of high voltage power-on process are studied. Combining practical experience to explore the necessity of power-on process to alleviate the impact of vehicle high-voltage system， improve vehicle reliability and high-voltage safety.

Keywords： high-voltage power-on； precharge； EV

CLC NO.： U469.7 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-05-02

前言

随着地球资源的日益枯竭、环境污染的逐渐加剧，世界各国在能源争夺战中纷纷表现出了强进的势头。全球汽车产业由传统依赖石化燃料的燃油汽车向新能源汽车转型亦成为大势所趋。各大车企纷纷推出了纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等车型。电动汽车的发展为汽车能源转型带来了福音，也带了高压安全的隐患。本文以E50为例，分析高压上电过程的设计思路、控制策略及实施方案。

1 高壓上电电路的设计思路

参照民用建筑设计规范，高压线路的上电过程一般由断路器、高压直流接触器、熔断器、漏电保护开关等设备完成。在电动汽车的高压电路设计中，通过ECU信号控制完成正常上电过程，高压直流接触器执行相应信号。根据电动汽车的高压安全要求：对于高压60V的高压系统，上电过程至少需要100ms，上电过程中应采用预充电过程避免高压冲击；在任何情况下，继电器断开时间应该小于20ms，当高压系统断开1s后，汽车的任何导电部分和可触及部分搭铁电压的峰值应当小于AC42.4V或DC60V，储存的的能量应该小于20J。

参考相应规范及高压安全要求，纯电动汽车高压上电系统应采用预充电管理。此外，纯电动汽车高压系统设置了变频器或逆变器。在初上电过程中，变频器中的大电容进行充电，产生局部短路的效果，进而导致电路中出现大电流，对母线上的继电器造成巨大冲击。

预充电管理应采用小电流充电，减缓冲击，而长期小电流供电则影响车辆的动力性。所以，当充电完成时，电路应恢复常规供电。因此可在原有电路中，并联一组控制电路。控制电路中应包含有限流电阻。上电电路简图如图1所示。E为高压蓄电池，RL1、RL3分别为正极接触器、负极接触器的开关触点，RL2为预充管理接触器的开关触点，R1为预充限流电阻，C1为变频器内的大电容，RL4为放电接触器的开关触点，R2为放电电阻。

2 高压上电电路的控制策略及实施方案

预充电管理过程应分为三个阶段，冷态启动自检阶段、预充阶段、常规供电阶段。

2.1 冷态启动自检阶段

整车ECU通过CAN网络读取BMS的动力电池SOC、动力电池电压、动力电池温度、充电控制器状态、绝缘监测状态、故障信息等，变频器的档位信号状态、电机工作温度、IGBT工作状态、故障信息等。若整车设备满足正常运行条件，则整车ECU通过CAN网络发送自检正常确认信号。BMS读取该确认信号，并控制开关触点RL2和RL3闭合，预充管理开始。

2.2 预充阶段

当开关触点RL2、RL3闭合后，动力电池E通过开关触点RL2、预充电阻R1、大电容C1、开关触点RL3形成回路，为大电容C1充电。在此阶段，预充电阻的大小、开关触点RL2的断开时刻、预充阶段的持续时间等参数选择均较大地影响了预充过程的安全性和可靠性。

2.2.1 预充电阻R1的选择

根据图1电路简图可知， ，则 。其中，UC为大电容的端电压，UE为动力电池的端电压，I为预充阶段的电路电流。为保障接触器的安全性和可靠性，预充电流I应小于接触器开关触点相应规格的最大冲击电流。若动力电池额定电压为297.6V，预充电阻范围一般为20-100Ω，接触器开关触点最大冲击电流不得超过10A。那么，根据预充电流I最大值计算，R1应大于29.76Ω。

2.2.2 开关触点RL2断开时刻的选择

对大电容充电过程做一阶电路零状态相应等效分析，可得：

由公式可知，UC随着充电时间的增加而增大，I随着充电时间的增加而减小。通过检测电容端电压UC和电路电流I即可判断预充管理过程是否顺利进行。

一阶电路零状态相应等效分析如图2所示。其中， 。预充电管理进行时，大电容的端电压UC越来越高， 越来越小（一般小于UE的10%）。当接通开关触点RL1和RL3时，电路电流I较小，并且对接触器触点无冲击。若 选定为动力电池端电压UE的10%，则开关触点RL2的断开时刻可选为t1时刻。

2.3 常规供电阶段

当预充阶段结束后，开关触点RL1和RL3闭合。动力电池通过开关触点RL1、用电设备、开关触点RL3形成回路，为用电设备及外部负载供电。

除了应考虑开关触点RL2的断开时刻，还应确定开关触点RL1的闭合时刻。接触器的开关触点闭合与断开动作会有延时。为了保证预充阶段和正常供电阶段的顺利过渡，RL1的闭合时刻应优先于RL2的断开时刻。系统电压Us波形变化如图3所示。

3 结论

目前，新能源汽车已呈现出蓬勃发展趋势。纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的研发技术不断突破，政策逐年利好，产销量不断提高。为了提高能源利用率、优化机械设计、提升车辆动力性、安全性，在高压设计过程中，加入预充电管理是法规标准和安全设计的必然要求。在设计过程中，合理的控制策略和实施方案不仅能判断预充电过程是否成功，而且能在车辆起动前对上电的顺利进行提供保障，降低了动力电池BMS及整车ECU的管理难度，提升了整车安全性。

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