车用动力电池的高压继电器控制技术研究

朱楚梅

（广汽菲亚特克莱斯勒汽车有限公司，湖南 长沙 410100）

1 引言

近年来，出于对能源战略安全的考虑以及延缓全球环境持续的恶化，国家不断加码政策支持新能源汽车产业，中国新能源汽车产销量出现了超常规增长。由于新能源汽车的动力来源都有一定比例的电能，尤其是混合动力汽车和纯电动汽车作为新能源汽车的主流，一般搭载一个电压平台达到60V以上甚至几百伏的动力电池，一旦发生事故，可能造成严重财产损失，甚至是人员伤亡。

动力电池系统作为电动汽车的能量源，主要由电池、高压配电模块、MSD（手动维修开关）和负载组成，如图1所示。高压配电模块集成了预充回路、正/负极继电器等元件，且电池是通过正/负极继电器的通断来控制整车电路的工作与否，高压继电器的安全合理使用，对保证车辆和人员的安全非常重要。

图1 动力电池高压系统

2 动力电池继电器的控制要求

继电器的动作分断开和闭合两种，动力电池继电器动作的控制一般是集成在电池管理控制器BMS中，BMS综合考虑了继电器的安全使用条件来控制继电器的通断，并合理设置保护功能以满足高压电的安全使用要求。

1）高压负载一般是容性负载，当继电器闭合时，瞬态电流非常大，因此通过设置预充回路来避免继电器闭合瞬间时瞬态电流对高压负载的损害。

2）高压系统包括电机、电空调、电加热器等，如果高压系统中某个零件出现断路，将可能造成不可预估的安全风险，因此继电器的控制策略需包含高压互锁功能，确保高压回路电连接的可靠与稳定。

3）动力电池中每个单体的电压存在设计允许的电压区间，出于安全的原则，继电器的控制策略需具有高低压保护功能，即通过设置一定合适的工作电压范围，使动力电池避免发生过充或过放。

4）由于动力电池工作环境恶劣，振动、温湿度冲击等工况都可能引起动力电池系统绝缘性能的下降，甚至是损伤或者失效，一旦绝缘失效将危及乘客的生命安全，因此需实时监控动力电池系统的绝缘性能，在绝缘失效发生时，继电器需及时且合理地断开。

5）高压继电器由于使用次数或者电流冲击等因素的影响，继电器触点可能会存在粘连的情况，需增加继电器触点的检测来确保动力电池的无风险使用。

3 动力电池继电器的功能保护

3.1 预充电回路

由于动力回路存在大量的容性负载，如果直接闭合继电器，会存在大电流瞬态冲击，甚至可能烧毁动力回路上负载。动力电池接通瞬间的电路模型如图2所示。

图2 高压系统预充电电路模型

由于动力电池内阻很小，可以忽略不计；而且闭合瞬间时，负载电阻值很大，可以忽略。对预充电电路做一阶电路零状态响应等效分析，可得出电容端电压为：

式中，——电容端电压；——动力电池电压；τ——电路的时间常数，τ。

3.2 绝缘监测

依据国际标准IEC/T R2 60479-1，人体没有任何感觉的阈值电流为2mA。即动力电池的绝缘电阻必须大于等于最大泄露电流所对应的电阻。在动力电池的高压系统中，电气设备（如动力电池组）正、负极接线端子及其连接线束对电底盘分别存在绝缘电阻R、R。如果R、R较小，则绝缘失效，危害驾乘人员的生命安全。

绝缘电阻的检测原理多使用无源搭铁方法，其基本原理是在直流正负母线和车体电底盘间接入一系列电阻，然后通过电子开关或者继电器切换接入阻值的大小，测量在不同接入电阻情况下正负母线在被测电阻上的分压，最后通过解方程式计算出正负母线对搭铁的绝缘电阻。不平衡桥绝缘检测原理如图3所示。

图3 不平衡桥绝缘检测原理

电阻并联电子开关，通过开关的断开和闭合来改变正负母线在电阻和＇上的分压比。当断开时，可得到方程式：

当闭合时，可得到方程式：

式中：＇，＇——开关闭合时正负母线在电阻和＇上的压降。由式 （2）、式 （3）可知绝缘电阻。

3.3 粘连检测

继电器作为动力电池的动力输出开关，一旦继电器出现故障，尤其是发生粘连时继续操作，可能损坏高压回路元器件，甚至威胁成员安全，存在较大的安全风险。因此，对继电器的状态进行有效监控，能有效防止在高压继电器粘连情况下误操作损坏高压回路元器件，对电动汽车的安全、可靠运行有十分重要的作用。粘连检测如图4所示。

图4 粘连检测

继电器的状态检测有两种办法，一种是监测其线圈的得电情况，另一种是对其触点本身进行监测。前种方法简单，但是只能间接反映得电状态，且可靠性偏差。后者通过测量电压来判断高压触点的闭合状态，更加可靠。

表1 是动力电池继电器下电时序时进行故障检测的举例，分别断开继电器K1和K2，通过各采集点所采集的电压来判断继电器是否粘连。

表1 继电器粘连状态举例

4 动力电池继电器的控制策略

动力电池继电器根据工作过程可以分为高压上电流程管理、高压下电流程管理和高压继电器的状态监测3个部分。

4.1 高压上电流程管理

1）点火开关处于启动位置，整车控制器VCU采集到启动信号有效时，通知电池管理系统BMS自检，并将自检完成信号发送给VCU，VCU收到信号后并判断整车无强制断高压故障，向BMS发送控制命令要求其闭合继电器。

2）BMS收到“闭合”命令后，先完成预充电，预充完成之后，闭合正极继电器，断开预充继电器，并发送 “上电完成”信号。

4.2 高压下电流程管理

1）整车VCU收到点火开关闭合信号，VCU控制整车负载闭合，并监控总线电流，当电流小于一定的阈值时，给BMS发送控制命令要求其断开继电器。

2）BMS收到信号后，依次断开正负极继电器，并发出“高压断开”信号。

3）VCU收到BMS的“高压断开”反馈后，高压下电完成。

4.3 高压继电器的状态监测

BMS上电工作后，将不间断地监控高压回路的状态，包括高压互锁回路状态，动力电池电压状态，绝缘检测、继电器粘连检测等，一旦检测到任何一个故障，BMS将尽快限功率行驶甚至是强制断高压，各个状态间的逻辑关系如图5所示。

图5 高压电各逻辑状态

5 结束语

高压继电器是高压电池系统安全工作的重要组成部分，也是保障电池系统高压安全运行的关键部件。本文根据电池继电器的控制要求，将继电器的预充电、继电器粘连、绝缘检测监控等保护功能最终集成在高压上电流程管理、高压下电流程管理和高压继电器的状态监测过程中，有效保障了继电器的安全使用。