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  • 电动汽车预充电过程及预充电电阻的选用

    日期:2016-4-26  阅读924次

     本文以某纯电动汽车为例,介绍预充电过程对缓解高压系统冲击、提高整车安全性的必要,以及详细阐述在预充电过程中的参数变化和依据,在此基础上提出监测电压升高速率、电流变化速率等参数对预充电过程进行安全管理,预先判断预充电过程中是否有漏电、绝缘、电阻失效等潜在危险,以提高整车的安全性能,结合实际经验对规避风险提供参考解决方案,最后通过测试证明方法的可行性。

        能源危机和环境污染与日俱增,在能源消耗和环境污染方面,汽车的影响不容忽视。发展高效、节能、低噪声、零排放的清洁型电动汽车已成为国内外汽车工业发展的必然趋势。为了改善电动汽车的动力性和能量利用率,动力蓄电池的电压越来越高,由原来的几十伏上升到现在的几百伏,所以需要配备专门的系统来管理高压系统的安全。在电动汽车上不但需要配备专门的车载高压电安全管理系统,而且还应该设计专门的安全测试系统来监测车载高压电安全管理系统,以进行不定期的安全状况监测。

     

        根据电动汽车和人体安全标准,在最大交流工作电压小于660 V,最大直流工作电压小于1000 VIP以及整车质量小于3 500 kg的条件下,电动汽车的高压安全要求如下:
    ①人体的安全电压低于35 V,触电电流和持续时间乘积的最大值小于30Ma·s;
    ②绝缘电阻除以蓄电池的额定电压至少应该大于1000 D/V,最好是能够确保大于500Ω/V;
    ③对于高于60 V的高压系统的上电过程至少需要100 ms,在上电过程中应该采用预充电过程来避免高压冲击;
    ④在任何情况下,继电器断开时间应该小于20 ms,当高压系统断开后is,汽车的任何导电部分和可触及部分搭铁电压的峰值应当小于42.4 V(交流)或60 V(直流),储存的能量应该小于20J。

     

        根据上述安全要求,预充电管理是新能源汽车中必不可少的重要环节,其中,电动汽车预充电的主要作用是给电机控制器(即逆变器)的大电容进行充电,以减少接触器接触时火花拉弧,降低冲击,增加安全性。某逆变器实物图如图1所示。

     

        对于预充电完成的判断,现有技术的预充电控制策略研究基本分为3种:
    ①采集电机控制器直流母线电流,当直流母线电流接近0A时,输出预充完成信号;
    ②分别采集车载动力蓄电池的电压、电机控制器电压,然后将2个电压值进行比较,2处电压趋于相等时,输出预充完成信号,本文采用此种方式,当电压值达到动力蓄电池电压90%时,认为预充电完成;
    ③采集电机控制器直流母线电压,当直流母线电压达到设定的欠压保护点,经过延时后,输出预充完成信号。由于电流传感器和电压电流采样精度偏差、车载动力电源管理系统一致性、器件稳定性等问题,可能控制器输出预充完成信号时实际预充电未完成,导致车载动力蓄电池与预充电容直流母线存在电压差,未消除瞬时大电流冲击风险,影响电机控制器的安全性和可靠性,或者输出预充完成信号时实际预充电早已完成,导致降低控制率。故而,在预充过程中,监测各参数变化用以判断预充电完成、故障等尤为重要。

     

    1无预充电分析
        以某两厢纯电动汽车蓄电池、蓄电池管理系统、电机控制器、预充电系统为例,整车动力蓄电池系统由9并102串磷酸铁锂电芯串联组成,电芯规格为36 800 MP (3.2 V 6.5 Ah ),电容容量C=0 000 μF,简化预充电结构如图2所示。

     

        如图2所示,蓄电池所带的电机控制器负载前端都有较大的电容C,在冷态启动时,C上无电荷或只有很低的残留电压。当无预充电时,主继电器K+, K_直接与C接通,此时蓄电池电压姚有326.4 V高压,而负载电容C上电压接近0,相当于瞬间短路,负载电阻仅仅是导线和继电器触点的电阻,一般远小于20 mΩ。根据欧姆定律,回路电阻按20 mΩ计算,UB-Uc压差按326.4 V计算,瞬间电流I=326.4/0.02=16320A。继电器K+及K_必损坏无疑。

     

    本文以某纯电动汽车为例,介绍预充电过程对缓解高压系统冲击、提高整车安全性的必要,以及详细阐述在预充电过程中的参数变化和依据,在此基础上提出监测电压升高速率、电流变化速率等参数对预充电过程进行安全管理,预先判断预充电过程中是否有漏电、绝缘、电阻失2参数匹配分析
        图3为预充电过程波形。加入预充电过程,K+先断开,使拥有较大阻抗的KP和R构成的预充电回路先接通,当预充电电路工作时,负载电容C上的电压Uc越来越高(预充电电流IP=(UB-Uc)/R越来越小),当接近蓄电池电压姚时(即图3中的△U足够小,一般小于玩的10%),切断预充电继电器KP,接通主继电器K+,不再有大电流冲击。因为此时UB-Uc很小,所以电流小。

     

        通常选择预充电电阻范围为20- 100Ω ,此项目选用R=25Ω。Ub与认压差仍然按326.4V计算,在接通一瞬间,流过预充电回路进入电容C的最大电流Ip=326.4/25=13.056 A。此时,选择预充继电器容量15A,预充电回路安全,同时能保证K+闭合时没有冲击电流存在。

     

        将上述电路做一阶电路零状态响应等效分析,可得到Uc、Ip如下

     

        式中:τ ------RC电路的时间常数,τ=RC。
        由理论公式知道,Uc 、IP在预充电过程中应符合一定的变化规律、特点,同时,预充电又由蓄电池及外部负载共同作用,两者状况会影响预充电进程,因此,通过监测预充过程中Uc、IP的变化检测预充过程是否成功,是否有故障发生以及故障类型。

     

        1)电压Uc增长速度慢于预期Uc 、IP增长速度大于预期I

     

        故障1:绝缘故障。负载因故障有短路或较小阻性负载,如电容被击穿等,会导致预充电过程中Uc始终上不去(电压始终降在预充电电阻R上)。此时电流过大,预充电电阻放热量增大,普通的预充电电阻就会烧毁,具有PTC效应的就会发挥保护作用,达到高阻状态,从而限制电流,保护设备;同时导致预充电过程失败,主继电器不能接通,后续无法工作。此时,预充回路电流会流入整车低压电气网络,存在与乘员直接接触的隐患,故而在已确定故障情况下,应迅速断开预充电回路,并在专业人员维修检测之前禁止整车上电行驶。自保护可以有效避免这一情况,当故障有短路或较小阻性负载,预充电电阻保护性能就会发挥左右,预充电电阻就会变成高阻态,把电流限制在几毫安的水平从而保护后面的整车低压电气网络。

     

        故障2: RC变大。在设计或安装过程中,失误会造成匹配不当;在使用中,因时间、环境等因素造成电容的电极腐蚀、电介质电老化与热老化、自愈效应等失效,影响C的参数变化;线与线及线与电极的接触电阻增大会造成R值变化。

     

        2)电压增长速度快于预期、尽长速度大于预期I或等于0
        故障1:断路、开路。负载开路导致假预充电完成,可能的原因有负载未接线或者电容因故障断路,如引出线与电极接触表面氧化、接触不良,造成低电平开路;液体电解质干涸或冻结等。此时,BMS通过输出口检测到的Uc不是真正负载电容上的电压,而是蓄电池组的开路电压(OCV),马上得到虚假的Uc=UB的信息,可能导致预充电结束,直接接通主继电器,但因为输出开路,并无危险。但是,如果此时负载突然加上,因为预充电已结束,没有预充电路的电阻R限制电流,将会产生超大电流,损害线路或继电器。因此,在一般的预充电策略中,一上电就完成的可以判为故障,后续禁止进行。此种情况下可通过查询预充电回路导通情况确定问题。

     

        故障2 ; RC变小。在设计或安装过程中,失误会造成匹配不当;电容在使用过程中随着银离子迁移、电介质分子结构改变、在高湿度或低气压环境中极间飞弧等原因造成C的参数值变小,影响预充结果。

     

        为避免预充电失效情况发生,在各元件选取时,应首先选用汽车级产品,工业级产品不适用;某些易绝缘失效、易碰触部位应在已有绝缘保护的前提下,添加额外保护措施,减少磨损以及人为原因对电路造成的损害,降低故障发生率。
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