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新能源汽车高压预充电路简析

2021-12-23 13:53:49·  来源：电动学堂  作者：辛瑜等  
　
文章来源：陕西重型汽车有限公司引言随着环境保护需求的日渐提升，以及对能源消耗的认知及需求，国内外新能源汽车工业已经成为发展趋势。为了提高电动车辆的动力
文章来源：陕西重型汽车有限公司
引言
随着环境保护需求的日渐提升，以及对能源消耗的认知及需求，国内外新能源汽车工业已经成为发展趋势。为了提高电动车辆的动力性及续时里程等车辆必备特性，电动车辆使用的电机功率越来越大，动力电池的电压及存储电能越来越大。因此，电动汽车的可靠性及安全性是有待提升的重中之重。
根据电动车自身特点，在车辆上电瞬间，电池上的大电压会瞬间加在用电器正负极，如果此时回路没有吸收大电压产生的大电流的能力，则会造成用电器瞬间被大电流冲击烧毁。因此，需要在回路中设计可以吸收大电流的能力，在吸收完成后用电器达到可工作电压，并且时间相对较短。电压型变频器用电容储能，电流型变频器用电感储能。目前行业中多使用电压型变频器，回路需增加母线电容。母线电容的作用是保护逆变器或者变频器不受电网瞬时峰值冲击，吸收急停状态时所有功率开关器件关断下的电机去磁能量。因为有母线电容，需要在回路中增加分压作用的电阻，也称为预充电阻，否则母线电容会被击穿。
综上所述，预充电的应用是新能源车辆必不可少的安全环节，可避免接触器在闭合瞬间产生大电流，对元器件造成冲击电流。降低大电流对熔断器、接触器等电器元器件的冲击，增加上电安全性。
1 预充回路原理及参数选型
1.1 高压供电回路原理
高压供电回路原理示意图如图1 所示，等效的预充回路原理图如图2a 所示，等效主驱不带预充回路电路如图2b 所示。

1.2 无预充和带预充回路电路
经过对等效带预充回路和不带预充回路的电路分析，分以下两种情况。
1.2.1 无预充的电路
即没有H4 和R1，在回路中存在C1 电容，在接通回路瞬间，高压接触器H1 会突然吸合，这时C1 电量为0，相当于C1 回路直接短路，而回路中E/r/H1 内阻非常小，所有吸合瞬间电流非常大，从而产生大电流冲击，该冲击会烧坏主、负接触器，也会对主驱变频器造成严重损坏。
1.2.2 带预充回路电路
在上高压电时，先接通H4，此时电源回路由电源、接触器、预充电阻及电容组成，电容C1 上的电压随时间变化会越来越高，当接近整车要求的动力电池电压的相对值时（具体为电池电压的n％，n 值由设计人员制定），接通H1 主正接触器后，断开H4，完成预充过程。经过等效预充过程数据采集，得出的电流和电压随时间变化表（参数）见表1。

从表1 中可看出，预充整个过程中，C1 两端电压随时间变化逐渐增加，无瞬间大电流冲击，可得出，预充回路可有效避免大电压直接在上电一瞬间加在预充电容C1 及主驱逆变器上，造成逆变器损坏，提高回路安全性。
1.3 预充电阻及预充接触器选型
预充时间与预充电容/ 预充电阻之间的关系如下式：
T=RC·Ln[(Vbat-Vo)/(Vbat-Vpre)]
式中 T——预充时间；
C——负载端电容；
R——预充电阻；
Vbat——电池包电压；
V o——负载端闭合高压前的电压（可表示为0）；
Vpre——预充结束时负载端电压。
一般来说，Vpre 选择为Vbat 的90％或者95％，这里认为是90％，所以公式可表示为
T=RC×ln10 ＜ X(s)
则 R=T/(C×ln10)
式中 X——车辆预充要求时间。
1.4 举例说明
若供电回路预充时间要求小于1 s，其预充电容由电机控制器定为1 800 μF, 预充电阻值选择100 Ω，则其实际预充时间为
t = ln10×1 800 μF×100 Ω
= 414 ms ＜ 1 s
即预充电阻及电容的选择满足整车预充时间要求。
2 预充回路调试问题案例分析
供电回路的主驱供电回路原理简图如图3 所示。

2.1 问题描述
供电回路在调试过程中出现烧主驱配电回路接触器及熔断器现象，经现场更换接触器及熔断器后，上高压电瞬间问题复现。
2.2 问题原因解读
出现烧主驱配电回路接触器及熔断器，说明回路中有大电流冲击。经更换接触器及熔断器后上电瞬间问题依然存在，说明回路依然有大电流冲击且可能是预充失效。预充失效的原因有两点：
①预充接触器本身质量问题导致预充接触器吸合信号给定后其不按照预期吸合；
②预充接触器吸合信号与主驱接触器吸合信号同时给定，导致主驱回路直接接通而不经过预充回路。
经过排查，最终确定主驱供电回路接触器和主驱预充回路接触器的控制信号线粘连，导致预充回路短路，等效于无预充回路，如图3(b) 所示，电池电压直接加在主驱回路，造成大电流冲击，因此烧主驱配电回路接触器及熔断器。
2.3 问题解决方案
将主驱供电回路接触器与主驱预充回路接触器吸合和断开信号线分开，如图3(a) 所示，更换回路主驱接触器及熔断器，再次上电，主驱接触器及熔断器完好，经读取上电报文，上电过程为完成预充功能后主驱回路上电，问题解决。
3 结束语
本文对预充回路的原理及作用进行了阐述，给出预充电阻选型的经验计算方法，简化预充电阻选择流程，并对预充回路在实车应用时出现问题进行解析，分析预充回路对整个主驱供电回路的重要性，以提高整车上电稳定性及可靠性。
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