1、預(yù)充電保護(hù)必要性及原理

1.1、動(dòng)力電池系統(tǒng)預(yù)充電保護(hù)必要性
根據(jù)電動(dòng)汽車和人體安全標(biāo)準(zhǔn)，在最大交流工作電壓小于660V，最大支流工作電壓小于1000V，以及整車質(zhì)量小于3500kg的條件下，電動(dòng)汽車的高壓安全要求如下:
1)人體的安全電壓低于36V，觸電電流和持續(xù)時(shí)間乘積的最大值小于30mA·s。
2)絕緣電阻除以蓄電池的額定電壓應(yīng)大于500Ω/V。
3)高于60V的高壓系統(tǒng)的上電過程至少需要100ms，在上電過程中應(yīng)該采用預(yù)充電過程來避免高壓沖擊。
4)在任何情況下，繼電器斷開時(shí)間應(yīng)小于20ms，當(dāng)高壓系統(tǒng)斷開后的1s內(nèi)汽車的任何導(dǎo)電部分和可觸及部分搭鐵電壓的峰值應(yīng)小于42.4VAC或60VDC。
根據(jù)上述安全要求可知，預(yù)充電保護(hù)管理是電動(dòng)汽車必不可少的重要環(huán)節(jié)。電動(dòng)汽車預(yù)充電的主要作用是給電機(jī)控制器(即逆變器)的大電容進(jìn)行充電，以減少接觸器接觸時(shí)的火花拉弧，降低沖擊，增加安全性。

1.2、動(dòng)力電池系統(tǒng)預(yù)充電保護(hù)工作原理
以某純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、預(yù)充電系統(tǒng)為例，其預(yù)充電工作原理如圖1所示。

圖1中，如果沒有預(yù)充回路，即沒有預(yù)充繼電器和預(yù)充電阻支路，那么由于電動(dòng)汽車動(dòng)力電源回路中存在容性負(fù)載，在接通回路的瞬間，高壓系統(tǒng)繼電器將突然閉合，這時(shí)電容的電量為零，根據(jù)電路的瞬態(tài)特性可知，電容相當(dāng)于短路，并且回路電阻(包括電池內(nèi)阻、高壓線電阻、各接觸點(diǎn)的接觸電阻、熔斷器的內(nèi)阻等)在幾十毫歐左右，所以高壓系統(tǒng)的瞬態(tài)電流就變得很大，從而產(chǎn)生一個(gè)幾千安培的大電流沖擊。如果不采取有效的防護(hù)措施，這種瞬態(tài)沖擊電流不僅會(huì)燒毀主、負(fù)繼電器，也會(huì)對(duì)整個(gè)動(dòng)力電源回路及其他用電設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞，同時(shí)也完全有可能危及到駕乘人員的人身安全。
而在供電回路中加入預(yù)充電回路，當(dāng)動(dòng)力電源上電時(shí)，總負(fù)繼電器、預(yù)充繼電器和預(yù)充電阻Ｒ構(gòu)成的預(yù)充電回路先接通。當(dāng)預(yù)充電電路工作時(shí)，負(fù)載電容C上的電壓UC越來越高(預(yù)充電電流IP=(UB－UC)/Ｒ越來越小)，當(dāng)接近動(dòng)力電池電壓UB時(shí)(即UB和UC的差值△U足夠小，一般小于UB的10%)，接通總正繼電器，再切斷預(yù)充電繼電器，完成預(yù)充，從而減少了接觸器的火花拉弧，緩解高壓系統(tǒng)沖擊，提高了安全性。預(yù)充電過程電壓及電流變化如圖2所示。

1.3、動(dòng)力電池系統(tǒng)預(yù)充電完成判斷方法
對(duì)于預(yù)充電完成的判斷，現(xiàn)有技術(shù)的預(yù)充電控制策略研究基本分為3種：
1)采集電機(jī)控制器直流母線電流，當(dāng)直流母線電流接近0A時(shí)，輸出預(yù)充完成信號(hào)。
2)分別采集車載動(dòng)力電池的電壓、電機(jī)控制器電壓，然后將兩個(gè)電壓值進(jìn)行比較，兩處電壓趨于相等時(shí)，輸出預(yù)充完成信號(hào)。
3)采集電機(jī)控制器直流母線電壓，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到設(shè)定的欠壓保護(hù)點(diǎn)時(shí)，經(jīng)過延時(shí)(一般延時(shí)0.1～0.4s)后，輸出預(yù)充完成信號(hào)。由于電流傳感器和電壓電流采樣精度有偏差，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)有一致性、器件穩(wěn)定性等問題，控制器輸出預(yù)充完成信號(hào)時(shí)實(shí)際預(yù)充電可能尚未完成，導(dǎo)致車載動(dòng)力電池與預(yù)充電容直流母線存在電壓差，存在未消除瞬時(shí)大電流沖擊的風(fēng)險(xiǎn)，影響電機(jī)控制器的安全性和可靠性;或者輸出預(yù)充完成信號(hào)時(shí)實(shí)際預(yù)充電早已完成，導(dǎo)致控制率降低。
為準(zhǔn)確判定預(yù)充電狀態(tài)、故障情況，在動(dòng)力電池上電的預(yù)充過程中，電池管理系統(tǒng)(BMS)和電機(jī)控制器(IPU)會(huì)對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)、IPU延時(shí)繼電器的延時(shí)時(shí)間和電流傳感器的電流檢測(cè)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于預(yù)充電阻Ｒ對(duì)電流傳感器的檢測(cè)精度和IPU的延時(shí)時(shí)間設(shè)定影響很大，所以預(yù)充電阻的選型設(shè)計(jì)是預(yù)充電回路的關(guān)鍵。

2、預(yù)充電電阻選型設(shè)計(jì)

2.1、性能要求
以該純電動(dòng)汽車實(shí)際參數(shù)為例，該整車動(dòng)力電池系統(tǒng)由4并36串三元鋰電池組成，整車電壓平臺(tái)為133.2V，最高電壓U為151.2V，電芯規(guī)格為3.7V，37Ah，電容容量C為7700μF。
1)預(yù)充電電路實(shí)為一個(gè)ＲC電路，如圖1所示。ＲC時(shí)間常數(shù)不能太長，過長的ＲC時(shí)間將導(dǎo)致充電電流下降緩慢，從而導(dǎo)致電阻的平均功率較大，產(chǎn)生不必要的損耗和過長的上電時(shí)間，因此預(yù)充電時(shí)間控制在700ms以內(nèi);并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)充時(shí)間≥200ms為宜。
2)預(yù)充電電壓達(dá)到電池電壓的95%以上。
3)電阻值偏大時(shí)，充電電流小，充電時(shí)間長，功率值偏小。但是阻值過小，易造成溫升和功率損耗。

2.2、預(yù)充電阻阻值計(jì)算
根據(jù)ＲC電路的一階電路零狀態(tài)響應(yīng)方程可計(jì)算得:
UC=Umax(1－e－t/τ)
式中:UC為預(yù)充時(shí)電容兩端電壓;Umax為動(dòng)力電池兩端的最大電壓，即151.2V;t為預(yù)充時(shí)間;τ為時(shí)間常數(shù)，τ=ＲC;Ｒ為預(yù)充電阻阻值;C為電機(jī)電容，7700μF。
當(dāng)預(yù)充電壓達(dá)到電池最大電壓的95%，即UC=Umax×0.95時(shí)，根據(jù)方程解得:t=3ＲC。當(dāng)t=700ms時(shí)，計(jì)算得Ｒ=30Ω;當(dāng)t=200ms時(shí)，計(jì)算得Ｒ=9Ω。
由上可知，預(yù)充電阻值在9～30Ω范圍內(nèi)均能滿足要求，根據(jù)實(shí)際的預(yù)充時(shí)間要求，實(shí)際選擇電阻值為20Ω。
預(yù)充時(shí)間t=3ＲC=3×20×7700=462ms。
即電容兩端的電壓從0上升到動(dòng)力電池兩端電壓的95%時(shí)的時(shí)間為462ms，符合要求。

2.3、預(yù)充電阻功率計(jì)算

2.3.1、ＲC電路能量消耗計(jì)算
電動(dòng)汽車的高壓預(yù)充電回路實(shí)為一個(gè)ＲC回路，因此ＲC電路接通直流電壓電源時(shí)，電源即通過電阻對(duì)電容進(jìn)行充電。在充電過程中，電源供給的能量一部分轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能量儲(chǔ)存在電容中，一部分被電阻轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軗p耗，電阻消耗的電能計(jì)算如下:
設(shè)定電容容值為C，直流電源為電壓源且電壓為U，充電過程中電路中的電流I是時(shí)間t的函數(shù)。則當(dāng)電容達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，直流電源提供的總能量W1=∫U·I(t)·dt=C·U2=7700×151.22×151.22=176J;且電容儲(chǔ)存的能量W2=0.5·C·U2=0.5×7700×151.221×51.22=88J;電阻消耗的能量W3=W1－W2=88J。
通過以上公式可知，不論電路中電容C和電阻Ｒ的數(shù)值為多少，在充電過程中，電源提供的能量有一半將轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能量儲(chǔ)存在電容中，另一半則為電阻所消耗。由此可知，無論電阻值為多少，其消耗的能量為定值，而電阻標(biāo)稱的額定功率只是自身與外界進(jìn)行熱交換的能力，是在電阻長期工作達(dá)到熱平衡時(shí)的熱交換功率，即散熱功率;而預(yù)充電阻的使用工況不可能讓電阻絲達(dá)到熱平衡，因?yàn)轭A(yù)充電過程中，預(yù)充時(shí)間極短，僅毫秒級(jí)別的預(yù)充時(shí)間，且電阻承受的是脈沖作用，所以關(guān)注電阻本身額定功率是無意義的，在ＲC回路中我們關(guān)注的是電阻的瞬時(shí)能量的耐受極限，即熱容量。
一般來說，在脈沖作用下，由于瞬時(shí)產(chǎn)生的熱量都集中在電阻體中來不及散出去，電阻體部分的溫度可能瞬時(shí)會(huì)遠(yuǎn)大于周圍絕緣材料、覆膜材料的溫度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)達(dá)到電阻體的熔點(diǎn)或者損壞接觸的覆膜材料。這時(shí)候電阻的過載能力受瞬時(shí)能量(即脈沖能量)的限制。并且當(dāng)功率過載的脈沖持續(xù)時(shí)間在100ms以上時(shí)，過載功率倍數(shù)因子(標(biāo)稱功率)隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的增長呈單調(diào)下降趨勢(shì)。如圖3所示

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般繞線電阻在脈沖持續(xù)時(shí)間為5s以內(nèi)時(shí)，可以承受標(biāo)稱功率5～10倍的瞬時(shí)功率;1s以下的脈沖瞬時(shí)功率承受能力可達(dá)標(biāo)稱功率的20倍，甚至更多。

2.3.2、ＲC回路即預(yù)充回路的瞬時(shí)功率計(jì)算
瞬時(shí)功率:P(t)=U2(t)/Ｒ
(1)式中:P(t)為某一時(shí)刻通過預(yù)充電阻的功率;U(t)為同一時(shí)刻預(yù)充電阻兩端的電壓值;Ｒ為預(yù)充電阻阻值。
由式(1)可知，當(dāng)U(t)最大時(shí)，P(t)最大。預(yù)充繼電器剛剛閉合瞬間，電容相當(dāng)于短路，預(yù)充電阻兩端電壓最大，等于電池兩端電壓，即最高電壓Umax=151.2V，瞬時(shí)功率值為:
P=U2max/Ｒ=151.22×151.22/20=1143W
根據(jù)圖3，預(yù)充電阻功率以瞬時(shí)功率不超過20倍計(jì)算，則:
P0=P/20=1143/20≈57W
為了確保安全和使用要求，選擇預(yù)充電阻的功率為100W。

2.3.3、電阻熱容量分析
1)充電過程中電阻功耗計(jì)算。根據(jù)2.3.1中電阻的能量消耗公式可知，在實(shí)際電路中:W3=0.5·C·U2=0.5×7700×151.22×151.22≈88J。當(dāng)電容電壓達(dá)到電源電壓的95%時(shí)，系統(tǒng)即認(rèn)為預(yù)充完成，為了安全起見，計(jì)算此處電阻的能量消耗時(shí)，電壓按照電源電壓計(jì)算。
2)電阻熱容量分析。根據(jù)電阻廠家給出的脈沖能量－阻值曲線圖(圖4)和（2.3.1)中計(jì)算出的預(yù)充電阻在預(yù)充回路中的實(shí)際功耗，驗(yàn)證電阻是否滿足要求。