电动汽车预充电电路设计研究＊

刘金配，黄祖朋，邓海文，罗儒

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西 柳州 545007）

前言

在气候变化、能源紧缺，发展低碳经济背景下，新能源电动汽车应运而生。随着充电基础设施相关政策和购置补贴政策实施强度的增加，新能源汽车消费量不断增加，新能源汽车展现一派欣欣向荣的大好景象。相比燃油车，电动汽车以高压电源作为驱动能源，通过电机将电能转化为动能。在高压系统中，电机控制器、车载充电机、DC/DC变化器、电动空调压缩机等高压用电器多为容性负载，而高压系统回路中阻抗仅为动力电池内阻和高压线束内阻之和，等效RC电路图如图1所示。

以国内某Y车型纯电动车为例，动力电池内阻和高压线束内阻之和R=0.04Ω，动力电池最高电压U=112V，根据RC电路充放电特性，将动力电池直接接通容性负载时，接通瞬间电流，计算值为3200A。巨大的瞬间冲击电流将损害系统中的电气元件，且随着动力电池的电压越来越高，冲击电流产生的危害会越来越大。

图1 等效RC电路图

1 高压预充电电路设计

高压预充电电路是实现电动汽车高压安全的一个重要的措施。预充电是指在接通容性负载与动力电池的主继电器前，先用小电流给容性负载电容充电，当容性负载与动力电池电压差小于某一设定值后，再接通继电器，从而可有效避免继电器闭合瞬间大电流冲击的危害。

如图2所示为Y车型的高压预充电电路。电池的内总压E=80～112V，高压系统等效电容值 C=9600uF，电池内阻r0=30mΩ，高压线缆电阻r1=10mΩ。

图2 预充电电路高压回路

1.1 预充继电器选定

为提高驾驶员驾驶体验，上电时长一般控制住1s以内，即预充时间小于1s。预充继电器主要起到开关作用，不是载流。考虑整车成本，预充继电器应尽可能选择小电流，耐冲击能力好的继电器。目前主流的有5A/450V、10A/450V、20A/450V规格的继电器，该项目电压平台不高，选用 5A/450V规格也能满足需求，最终选定5A/450V规格的继电器作为预充继电器。

1.2 预充电阻选定

考虑预充继电器使用寿命，预充继电器闭合瞬间电流应小于5A，根据安培定律得式（1）：

式中R为预充电阻。根据常见预充电阻列表，选定预充电阻值R=25Ω。

式中U1为电容最终能到电压值，U1=E；U0为t=0时电容电压；Ut为t时刻电容电压。该车型设定的预充条件为电池内总压E与电容电压Ut差值小于等于4V，即Ut=E-4；由U0=0，计算得预充完成所需时间t=0.8s。

由于预充电过程预充电阻通过电流，会在短时间产生大量热量，如果不能及时发散，会导致预充电阻烧损，严重时可能导致动力电池起火，因此预充电阻的散热功率需要与预充时预充电阻发热功率匹配。预充电阻在预充时产生的能量，电阻在t时间内平均功率得式（3）：

经计算，当t取值（0，0.8）时，Pmax=103W。

本文选用的预充电阻为黄金铝壳电阻RXG24，其常见额定功率见表1。

表1 黄金铝壳常见型号

黄金铝壳电阻散热性好，由持续过载曲线看出，黄金铝壳电阻短时间持续过载能力很强。由于该车型单次预充时间t=0.8s，考虑多次预充情况，选型时按3个预充时间周期的过载能力。在2.4s时间内，RXG24持续热过载达到额定功率的9倍。从安全角度考虑，预充电阻选型时需留有一定余量，最终选定黄金铝壳预充电阻RXG24 25Ω/20W。

图3 RXG24持续过载曲线

2 预充电策略分析

该车型采用的预充电控制策略如图4 所示。电池管理系统（BMS）接收整车控制器（VCU）“允许闭合高压”指令后，BMS先闭合预充继电器K3，然后闭合主负继电器K2（如图2所示）；此时因主正继电器K1断开，预充电阻接入回路，动力电池会持续以小于5A的电流给负载电容充电。在充电过程中，BMS会持续采集动力电池内外总压，同时接受MCU发出的母线电压，并比较“U内与U外”“U内与U母”差值。在一个预充时间周期（0.8s）内，若判断电压差值满足“U内-U外≤4”且“U内-U母≤4”，则BMS发送预充正常，并闭合主正继电器，然后断开预充继电器。当第一次充电时间超过一个预充时间周期，判断电压差值仍然无法满足要求，本策略会允许进入下一个预充时间周期，继续进行正常预充电流程，只有当第二个预充时间周期结束后，仍然无法满足预充判定条件，BMS才会发送“预充失败”故障，同时断开主负继电器和预充继电器[1]。该车型策略具备以下几个优点：

（1）采集动力电池外压的同时，接受MCU发出的母线电压，并同时用于判定条件。减少因单点电压采集精度不准导致预充失效的风险；

（2）两个判定条件“U内-U外≤4”和“U内-U母≤4”采用“与”的关系，可避免BMS或MCU电压采集漂移时，采集电压飘高，导致误判预充完成，在预充不充分下，提前闭合主正继电器产生的大电流危害；

（3）第二个预充时间周期后，仍然无法满足判定条件，则退出预充流程。既可以避免因采集不准或指令延时的问题导致误判预充失效问题，又可以避免预充失败后，不退出预充流程导致预充电阻持续产生热量而过热烧损的风险。

图4 预充电流程图

3 实车测试验证

通过实车进行上电预充测试，得到图5所示整车高压预充电曲线，其中通道1为电流曲线，通道2为电压曲线。从图中可以看出，预充、主负继电器闭合后，预充电流5A，并逐渐减小；MCU母线电压从0V开始逐渐上升，且上升速率逐渐变缓。预充时间周期为750ms左右，系统就已完成预充电，闭合主正继电器时，电池内外压差小于4V，瞬间冲击电流小于40A。因此，经过验证本文预充电电路满足设计和使用要求[2]。

图5 预充电曲线图

4 常见预充失效模式分析

在实际应用过程中，经常出现预充失败故障，以下列举几个常见预充失效模式：

（1）外部负载短路

外部负载短路是最常见预充失效模式。如图6所示，由于电动汽车有多个容性负载，这些负载经常通过并联方式连接。当某个负载因电容击穿、二极管击穿等原因出现短路故障时，预充电过程中，预充电流会通过短路负载形成回路，导致电容两端电压无法上升而预充失败。

图6 负载短路示意图

（2）外部负载存在漏电放电情况

通过上述实车验证，可以看到预充电过程中，预充电流会逐渐减小，到末期电流只有零点几安培。如果在预充过程中，外部负载有轻微漏电、泄放电的现象，会导致压差始终卡在4V以上，导致预充失效[3]。

（3）动力电池正负极接反

电动汽车容性负载为保护自身，在设计阶段往往会增加放反接功能，当生产管控出现问题导致动力电池B+、B-接反时，预充过程中反向电动势不会破坏负载，但预充电容两端电压也不会上升，表现出预充失败现象。

5 结论

从国家政策、市场反应可以看出，电动汽车的发展已是必然趋势。预充电设计是电动汽车高压安全设计、管理中不可或缺的重要环节。在设计过程中，控制策略的合理性、检测电路的稳定性和准确性、电路验证的充分性，都是动力电池管理系统及整车安全性的重要保障，有利于促进新能源汽车行业尽快推广。