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新能源汽車高壓預(yù)充電路簡析

2021-12-23 13:53:49·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：辛瑜等  
　
文章來源：陜西重型汽車有限公司引言隨著環(huán)境保護(hù)需求的日漸提升，以及對(duì)能源消耗的認(rèn)知及需求，國內(nèi)外新能源汽車工業(yè)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。為了提高電動(dòng)車輛的動(dòng)力
文章來源：陜西重型汽車有限公司
引言
隨著環(huán)境保護(hù)需求的日漸提升，以及對(duì)能源消耗的認(rèn)知及需求，國內(nèi)外新能源汽車工業(yè)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。為了提高電動(dòng)車輛的動(dòng)力性及續(xù)時(shí)里程等車輛必備特性，電動(dòng)車輛使用的電機(jī)功率越來越大，動(dòng)力電池的電壓及存儲(chǔ)電能越來越大。因此，電動(dòng)汽車的可靠性及安全性是有待提升的重中之重。
根據(jù)電動(dòng)車自身特點(diǎn)，在車輛上電瞬間，電池上的大電壓會(huì)瞬間加在用電器正負(fù)極，如果此時(shí)回路沒有吸收大電壓產(chǎn)生的大電流的能力，則會(huì)造成用電器瞬間被大電流沖擊燒毀。因此，需要在回路中設(shè)計(jì)可以吸收大電流的能力，在吸收完成后用電器達(dá)到可工作電壓，并且時(shí)間相對(duì)較短。電壓型變頻器用電容儲(chǔ)能，電流型變頻器用電感儲(chǔ)能。目前行業(yè)中多使用電壓型變頻器，回路需增加母線電容。母線電容的作用是保護(hù)逆變器或者變頻器不受電網(wǎng)瞬時(shí)峰值沖擊，吸收急停狀態(tài)時(shí)所有功率開關(guān)器件關(guān)斷下的電機(jī)去磁能量。因?yàn)橛心妇€電容，需要在回路中增加分壓作用的電阻，也稱為預(yù)充電阻，否則母線電容會(huì)被擊穿。
綜上所述，預(yù)充電的應(yīng)用是新能源車輛必不可少的安全環(huán)節(jié)，可避免接觸器在閉合瞬間產(chǎn)生大電流，對(duì)元器件造成沖擊電流。降低大電流對(duì)熔斷器、接觸器等電器元器件的沖擊，增加上電安全性。
1 預(yù)充回路原理及參數(shù)選型
1.1 高壓供電回路原理
高壓供電回路原理示意圖如圖1 所示，等效的預(yù)充回路原理圖如圖2a 所示，等效主驅(qū)不帶預(yù)充回路電路如圖2b 所示。

1.2 無預(yù)充和帶預(yù)充回路電路
經(jīng)過對(duì)等效帶預(yù)充回路和不帶預(yù)充回路的電路分析，分以下兩種情況。
1.2.1 無預(yù)充的電路
即沒有H4 和R1，在回路中存在C1 電容，在接通回路瞬間，高壓接觸器H1 會(huì)突然吸合，這時(shí)C1 電量為0，相當(dāng)于C1 回路直接短路，而回路中E/r/H1 內(nèi)阻非常小，所有吸合瞬間電流非常大，從而產(chǎn)生大電流沖擊，該沖擊會(huì)燒壞主、負(fù)接觸器，也會(huì)對(duì)主驅(qū)變頻器造成嚴(yán)重?fù)p壞。
1.2.2 帶預(yù)充回路電路
在上高壓電時(shí)，先接通H4，此時(shí)電源回路由電源、接觸器、預(yù)充電阻及電容組成，電容C1 上的電壓隨時(shí)間變化會(huì)越來越高，當(dāng)接近整車要求的動(dòng)力電池電壓的相對(duì)值時(shí)（具體為電池電壓的n％，n 值由設(shè)計(jì)人員制定），接通H1 主正接觸器后，斷開H4，完成預(yù)充過程。經(jīng)過等效預(yù)充過程數(shù)據(jù)采集，得出的電流和電壓隨時(shí)間變化表（參數(shù)）見表1。

從表1 中可看出，預(yù)充整個(gè)過程中，C1 兩端電壓隨時(shí)間變化逐漸增加，無瞬間大電流沖擊，可得出，預(yù)充回路可有效避免大電壓直接在上電一瞬間加在預(yù)充電容C1 及主驅(qū)逆變器上，造成逆變器損壞，提高回路安全性。
1.3 預(yù)充電阻及預(yù)充接觸器選型
預(yù)充時(shí)間與預(yù)充電容/ 預(yù)充電阻之間的關(guān)系如下式：
T=RC·Ln[(Vbat-Vo)/(Vbat-Vpre)]
式中 T——預(yù)充時(shí)間；
C——負(fù)載端電容；
R——預(yù)充電阻；
Vbat——電池包電壓；
V o——負(fù)載端閉合高壓前的電壓（可表示為0）；
Vpre——預(yù)充結(jié)束時(shí)負(fù)載端電壓。
一般來說，Vpre 選擇為Vbat 的90％或者95％，這里認(rèn)為是90％，所以公式可表示為
T=RC×ln10 ＜ X(s)
則 R=T/(C×ln10)
式中 X——車輛預(yù)充要求時(shí)間。
1.4 舉例說明
若供電回路預(yù)充時(shí)間要求小于1 s，其預(yù)充電容由電機(jī)控制器定為1 800 μF, 預(yù)充電阻值選擇100 Ω，則其實(shí)際預(yù)充時(shí)間為
t = ln10×1 800 μF×100 Ω
= 414 ms ＜ 1 s
即預(yù)充電阻及電容的選擇滿足整車預(yù)充時(shí)間要求。
2 預(yù)充回路調(diào)試問題案例分析
供電回路的主驅(qū)供電回路原理簡圖如圖3 所示。

2.1 問題描述
供電回路在調(diào)試過程中出現(xiàn)燒主驅(qū)配電回路接觸器及熔斷器現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場更換接觸器及熔斷器后，上高壓電瞬間問題復(fù)現(xiàn)。
2.2 問題原因解讀
出現(xiàn)燒主驅(qū)配電回路接觸器及熔斷器，說明回路中有大電流沖擊。經(jīng)更換接觸器及熔斷器后上電瞬間問題依然存在，說明回路依然有大電流沖擊且可能是預(yù)充失效。預(yù)充失效的原因有兩點(diǎn)：
①預(yù)充接觸器本身質(zhì)量問題導(dǎo)致預(yù)充接觸器吸合信號(hào)給定后其不按照預(yù)期吸合；
②預(yù)充接觸器吸合信號(hào)與主驅(qū)接觸器吸合信號(hào)同時(shí)給定，導(dǎo)致主驅(qū)回路直接接通而不經(jīng)過預(yù)充回路。
經(jīng)過排查，最終確定主驅(qū)供電回路接觸器和主驅(qū)預(yù)充回路接觸器的控制信號(hào)線粘連，導(dǎo)致預(yù)充回路短路，等效于無預(yù)充回路，如圖3(b) 所示，電池電壓直接加在主驅(qū)回路，造成大電流沖擊，因此燒主驅(qū)配電回路接觸器及熔斷器。
2.3 問題解決方案
將主驅(qū)供電回路接觸器與主驅(qū)預(yù)充回路接觸器吸合和斷開信號(hào)線分開，如圖3(a) 所示，更換回路主驅(qū)接觸器及熔斷器，再次上電，主驅(qū)接觸器及熔斷器完好，經(jīng)讀取上電報(bào)文，上電過程為完成預(yù)充功能后主驅(qū)回路上電，問題解決。
3 結(jié)束語
本文對(duì)預(yù)充回路的原理及作用進(jìn)行了闡述，給出預(yù)充電阻選型的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，簡化預(yù)充電阻選擇流程，并對(duì)預(yù)充回路在實(shí)車應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)問題進(jìn)行解析，分析預(yù)充回路對(duì)整個(gè)主驅(qū)供電回路的重要性，以提高整車上電穩(wěn)定性及可靠性。
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