电动汽车预充电保护设计

姚子欣

（江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院，江苏 常州 213000）

上电防瞬态冲击设计在电动汽车动力电池系统高压安全设计中属于重要的一部分，涉及高压供电、负载运行及主正负接触器安全运行[1]。由于电动汽车存在大量的高压电设备，例如驱动电机、电机控制器、DC/DC 转换器、空调压缩机等，高压电气设备在工作过程中都要有预充电过程，防止高电压瞬间上电击穿设备内部元器件，因此在其内部往往设置有较大的预充电容，将初上电电流限制在较小的范围内[2]。

1 预充电保护原理

由上文可知，电动汽车高压设备回路中设置有预充电容，下面以动力电池与电机控制器之间的高压回路为例进行说明。将其高压系统简化为由单个电阻和电容组成的模型，如图1 所示。

图1 高压系统简化模型

由图1 可以看出，当主正负接触器闭合瞬间，由于回路存在预充电容，一般电容电量可视为零。根据电路的瞬态特性可知，电容被短路，回路中产生可达上千安培的大电流，致使接触器被冲击损毁，也可能危害乘员的安全[3]。

所以综合考虑，必须在原有的回路中设计有预充电回路，如图2 所示，对预充电容进行预充电，避免出现瞬态冲击电流，以保证电机控制器安全上电，如图3 所示。

图2 高压预充电路

图3 电池系统高压上电过程

2 预充电保护系统设计

目前，电动汽车高压预充电回路控制有方式1、方式2、方式3 三种方式，如表1 所示。一般广泛采用的控制方式为方式1、方式2[4]。

表1 高压预充电回路控制方式

2.1 预充电回路硬件设计

高压电上电开始，高压回路上预充接触器和主负接触器首先闭合，预充电流从电池正极流经预充电阻回到负极构成回路，预充电流小于阈值。当Cp的电压Uc接近Ub时，Kp断开，K+闭合，预充电完成，高压上电成功。

以SCII 直流接触器EVL250 为例，使用寿命与容阻抗性的关系如表2 所示。EVL250 接触器吸合特性曲线如图4所示。考虑到电动汽车实际运行电流，结合图4，将（Ub－Uc）/Ub≤10%作为预充电完成的标志。

表2 EVL250 通断次数与容阻抗性的关系

图4 EVL250 接触器吸合特性曲线

2.2 预充电策略设计

当VCU 接受KeyOn 钥匙信号后，发送报文至BMS，BMS 完成自检后进入上电流程。以表1 的第三种控制方式即延时预充时间t后，以主正接触器闭合方式为例进行说明。延时预充时间为t，取决于如下公式：

式（1）～（4）中：Uc为预充电容电压；Ub为电池总电压；t为预充完成时间；τ为一阶RC时间常数；Ip为预充电流。当Kp、K＋、K－未正常接通/断开时，BMS 发送预充电故障报文至VCU，VCU 禁止整车上电。一般BMS 执行2～3 次预充电动作[5]，预充电均失败后判定预充电故障。预充故障有两种类型，如表3 所示。

表3 预充电故障类型

3 总结

本文通过分析预充电过程原理，对动力电池端与电机控制器端回路进行了预充电设计，并分析了预充电过程可能存在的故障及其原因。通常电动汽车的使用周期为5～8 年，为降低预充电失效故障发生率，应首先选用汽车级产品，工业级产品不太适用。