汽车动力电池预充电电阻选型设计

来源:Autrou.com    作者:奥创电子   日期:2022-04-22

1、预充电保护必要性及原理
1.1 动力电池系统预充电保护必要性
根据电动汽车和人体安全标准,在最大交流工作电压小于660V,最大支流工作电压小于1000V,以及整车质量小于3500kg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36V,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应大于500Ω/V。
3)高于60V的高压系统的上电过程至少需要100ms,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,继电器断开时间应小于20ms,当高压系统断开后的1s内汽车的任何导电部分和可触及部分搭铁电压的峰值应小于42.4VAC或60VDC。
根据上述安全要求可知,预充电保护管理是电动汽车必不可少的重要环节。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的火花拉弧,降低冲击,增加安全性。
1.2 动力电池系统预充电保护工作原理
如果没有预充回路,即没有预充继电器和预充电阻支路,那么由于电动汽车动力电源回路中存在容性负载,在接通回路的瞬间,高压系统继电器将突然闭合,这时电容的电量为零,根据电路的瞬态特性可知,电容相当于短路,并且回路电阻(包括电池内阻、高压线电阻、各接触点的接触电阻、熔断器的内阻等)在几十毫欧左右,所以高压系统的瞬态电流就变得很大,从而产生一个几千安培的大电流冲击。如果不采取有效的防护措施,这种瞬态冲击电流不仅会烧毁主、负继电器,也会对整个动力电源回路及其他用电设备造成严重的损坏,同时也完全有可能危及到驾乘人员的人身安全。
而在供电回路中加入预充电回路,当动力电源上电时,总负继电器、预充继电器和预充电阻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),当接近动力电池电压UB时(即UB和UC的差值△U足够小,一般小于UB的10%),接通总正继电器,再切断预充电继电器,完成预充,从而减少了接触器的火花拉弧,缓解高压系统冲击,提高了安全性。预充电过程电压及电流变化,
1.3 动力电池系统预充电完成判断方法
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)分别采集车载动力电池的电压、电机控制器电压,然后将两个电压值进行比较,两处电压趋于相等时,输出预充完成信号。
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时,经过延时(一般延时0.1~0.4s)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有偏差,动力电池管理系统有一致性、器件稳定性等问题,控制器输出预充完成信号时实际预充电可能尚未完成,导致车载动力电池与预充电容直流母线存在电压差,存在未消除瞬时大电流冲击的风险,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,导致控制率降低。
为准确判定预充电状态、故障情况,在动力电池上电的预充过程中,电池管理系统(BMS)和电机控制器(IPU)会对AD采样数据、IPU延时继电器的延时时间和电流传感器的电流检测等参数进行监测。由于RXG24预充电阻R对电流传感器的检测精度和IPU的延时时间设定影响很大,所以预充电阻的选型设计是预充电回路的关键。
2、预充电电阻选型设计
本文中所涉及到的电阻相关参数、曲线均来源于电阻厂家。
2.1 性能要求
以该纯电动汽车实际参数为例,该整车动力电池系统由4并36串三元锂电池组成,整车电压平台为133.2V,最高电压U为151.2V,电芯规格为3.7V,37Ah,电容容量C为7700μF。
1)预充电电路实为一个RC电路,如图1所示。RC时间常数不能太长,过长的RC时间将导致充电电流下降缓慢,从而导致电阻的平均功率较大,产生不必要的损耗和过长的上电时间,因此预充电时间控制在700ms以内;并且根据经验,预充时间≥200ms为宜。
2)预充电电压达到电池电压的95%以上。
3)电阻值偏大时,充电电流小,充电时间长,功率值偏小。但是阻值过小,易造成温升和功率损耗。
2.2 预充电阻阻值计算
根据RC电路的一阶电路零状态响应方程可计算得:
UC=Umax(1-e-t/τ)
式中:UC为预充时电容两端电压;Umax为动力电池两端的最大电压,即151.2V;t为预充时间;τ为时间常数,τ=RC;R为预充电阻阻值;C为电机电容,7700μF。
当预充电压达到电池最大电压的95%,即UC=Umax×0.95时,根据方程解得:t=3RC。当t=700ms时,计算得R=30Ω;当t=200ms时,计算得R=9Ω。
由上可知,预充电阻值在9~30Ω范围内均能满足要求,根据实际的预充时间要求,实际选择电阻值为20Ω。
预充时间t=3RC=3×20×7700=462ms。
即电容两端的电压从0上升到动力电池两端电压的95%时的时间为462ms,符合要求。
2.3 预充电阻功率计算
2.3.1 RC电路能量消耗计算
电动汽车的高压预充电回路实为一个RC回路,因此RC电路接通直流电压电源时,电源即通过电阻对电容进行充电。在充电过程中,电源供给的能量一部分转换成电场能量储存在电容中,一部分被电阻转变为热能损耗[6],电阻消耗的电能计算如下:
设定电容容值为C,直流电源为电压源且电压为U,充电过程中电路中的电流I是时间t的函数。则当电容达到稳定状态时,直流电源提供的总能量W1=∫U·I(t)·dt=C·U2=7700×151.22=176J;且电容储存的能量W2=0.5·C·U2=0.5×7700×151.22=88J;电阻消耗的能量W3=W1-W2=88J。
通过以上公式可知,不论电路中电容C和电阻R的数值为多少,在充电过程中,电源提供的能量有一半将转变为电场能量储存在电容中,另一半则为电阻所消耗。由此可知,无论电阻值为多少,其消耗的能量为定值,而电阻标称的额定功率只是自身与外界进行热交换的能力,是在电阻长期工作达到热平衡时的热交换功率,即散热功率;而预充电阻的使用工况不可能让电阻丝达到热平衡,因为预充电过程中,预充时间极短,仅毫秒级别的预充时间,且电阻承受的是脉冲作用,所以关注电阻本身额定功率是无意义的,在RC回路中我们关注的是电阻的瞬时能量的耐受极限,即热容量。
一般来说,在脉冲作用下,由于瞬时产生的热量都集中在电阻体中来不及散出去,电阻体部分的温度可能瞬时会远大于周围绝缘材料、覆膜材料的温度,严重时会达到电阻体的熔点或者损坏接触的覆膜材料。这时候电阻的过载能力受瞬时能量(即脉冲能量)的限制[7]。并且当功率过载的脉冲持续时间在100ms以上时,过载功率倍数因子(标称功率)随着脉冲持续时间的增长呈单调下降趋势。
根据经验,一般绕线电阻在脉冲持续时间为5s以内时,可以承受标称功率5~10倍的瞬时功率;1s以下的脉冲瞬时功率承受能力可达标称功率的20倍,甚至更多。
2.3.2 RC回路即预充回路的瞬时功率计算
瞬时功率:P(t)=U2(t)/R
P(t)为某一时刻通过预充电阻的功率;U(t)为同一时刻预充电阻两端的电压值;R为预充电阻阻值。
当U(t)最大时,P(t)最大。预充继电器刚刚闭合瞬间,电容相当于短路,预充电阻两端电压最大,等于电池两端电压,即最高电压Umax=151.2V,瞬时功率值为:P=U2max/R=151.22/20=1143W
预充电阻功率以瞬时功率不超过20倍计算,则:P0=P/20=1143/20≈57W为了确保安全和使用要求,选择预充电阻的功率为100W。
2.3.3 电阻热容量分析
1)充电过程中电阻功耗计算。根据2.3.1中电阻的能量消耗公式可知,在实际电路中:W3=0.5·C·U2=0.5×7700×151.22≈88J。当电容电压达到电源电压的95%时,系统即认为预充完成,为了安全起见,计算此处电阻的能量消耗时,电压按照电源电压计算。
2)电阻热容量分析。根据电阻厂家给出的脉冲能量-中计算出的预充电阻在预充回路中的实际功耗,验证电阻是否满足要求。

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