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電動(dòng)汽車高壓安全及電路設(shè)計(jì)優(yōu)化
2018-11-23 22:12:12· 來源：中國汽研新能源汽車測試評價(jià)
一、預(yù)充電保護(hù)功能電機(jī)控制器內(nèi)部都有較大的電容C,若無預(yù)充電，主繼電器（大電流繼電器也叫接觸器）直接與電容C接通，此時(shí)電池電壓較高，而電容C上電壓接近為0V
一、預(yù)充電保護(hù)功能
電機(jī)控制器內(nèi)部都有較大的電容C,若無預(yù)充電，主繼電器（大電流繼電器也叫接觸器）直接與電容C接通，此時(shí)電池電壓較高，而電容C上電壓接近為0V，形成瞬間短路，負(fù)載電阻為導(dǎo)線和繼電器觸點(diǎn)電阻，電阻值很小，根據(jù)歐姆定律可知，電壓高，電阻小，間電流可達(dá)上萬安培，繼電器觸點(diǎn)很容易損壞。
預(yù)充電回路中添加一個(gè)二極管，防止主接觸器吸合的同時(shí)預(yù)充電掉電瞬間的反向電流對預(yù)充繼電器的損傷，如圖3示出電動(dòng)汽車預(yù)充回路原理圖。
圖3 電動(dòng)汽車預(yù)充回路原理圖
所以預(yù)充繼電器的作用就是控制預(yù)充回路的斷開、閉合，預(yù)充電阻的作用就是限流，另外也對其他電子電器設(shè)備有個(gè)緩沖保護(hù)。如圖4預(yù)充電回路中電壓U和電流I的變化，到預(yù)充完成時(shí)間t1時(shí)，預(yù)充回路的電壓U接近電池端電壓，預(yù)充回路電流為0A，主繼電器吸合，則預(yù)充繼電器斷開，完成預(yù)充電功能。
圖4 預(yù)充電過程示意圖
例：某四輪輪轂電機(jī)項(xiàng)目電池包（96串）額定電壓360V，電壓范圍240V-403V。電機(jī)控制器參數(shù)給出的的預(yù)充電電壓設(shè)定為200V，直流母線的電容0.9mF-1.25mF。電機(jī)控制器的總電容為C=3600μF-5000μF
保守值設(shè)定預(yù)充電到預(yù)充電電壓設(shè)定值200V的時(shí)間為2s。
因此對于電機(jī)控制器，充電電阻計(jì)算如下：
將上述數(shù)值代入，得到
電阻平均功率的計(jì)算
將上述數(shù)值代入，得到
平均功率81W-135W。
附錄：
Matlab程序：
計(jì)算充電電阻
T=2;
C=4500/1000000;
U_in=360;
U_C=200;
R=-T/(C*log(1-U_C/U_in));
計(jì)算電阻上的平均功率
P=1/T*(-1/2)*U_in^2*C*(exp(-T/(R*C))-1);
另外參考福特Fusion混合動(dòng)力汽車預(yù)充電電阻7.9Ω，第二代日產(chǎn)leaf純電動(dòng)汽車預(yù)充電電阻30Ω?？梢栽龃箢A(yù)充電阻功率，在保證預(yù)充電回路安全的前提下，當(dāng)調(diào)少預(yù)充電時(shí)間，提升駕乘感受。
本四輪驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)項(xiàng)目實(shí)際選用預(yù)充電阻為100Ω/100W（5秒內(nèi)可放大10倍功率），預(yù)計(jì)預(yù)充時(shí)間為1s。
電動(dòng)汽車上應(yīng)有多處預(yù)充電路，如DC/DC、電動(dòng)壓縮機(jī)可共用高壓上電預(yù)充電路，其他如快充、慢充等有系統(tǒng)單獨(dú)預(yù)充回路。原則上用電回路上有大容量電容或電阻值較小的電器設(shè)備時(shí)都應(yīng)具備預(yù)充緩流功能。
二、絕緣電阻監(jiān)測功能
1、絕緣電阻監(jiān)測原理
如圖5 電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)絕緣監(jiān)測原理圖所示，對稱接入電路兩組高精度電阻度為±0.5%，其中R1、R2、R3、R4為1000kΩ的取樣電阻，R和R’是400Ω的分壓電阻。通過開關(guān)S的閉合和斷開，調(diào)整R1的接入和切出，兩次測量電池包正負(fù)極對地電壓值。按照基爾霍夫定律，列出兩次電路的方程，聯(lián)立求解，計(jì)算出池包正負(fù)極對地的電阻。
圖5 電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)絕緣監(jiān)測原理圖
如圖5所示，首先斷開S，整車控制器采集U1和U2的電壓然后可以得出如下方程：
圖4 預(yù)充電過程示意圖
合上S可以得出如下方程：
本方法是比較通用的一種檢測方法，系統(tǒng)可以通過開關(guān)管S來測量U1和U2的電壓得出絕緣阻值，另外還有一種方法是假設(shè)車身為地的漏電電流檢測法，絕緣檢測的方法參照國標(biāo)GB/T18384.3 電動(dòng)汽車 安全要求，此處不作詳述。
2、絕緣故障的等級劃分和處理
絕緣阻值>500KΩ/V定義為系統(tǒng)正常， 100Ω/V < 絕緣阻值≤500Ω/V為1級故障，絕緣阻值≤100Ω/V為2級故障。
① 車輛在禁止?fàn)顟B(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測到1級或2級故障時(shí)均不能高壓上電，儀表上顯示故障指示燈信號，解碼儀可以在CAN總線上讀取故障信息；
② 車輛在行走狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測到1級故障時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入跛行模式，如果關(guān)閉點(diǎn)火鑰匙，高壓下電后系統(tǒng)進(jìn)入①環(huán)節(jié)；
③ 車輛在行走狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測到2級故障時(shí)，主繼電器切斷高壓電源，但轉(zhuǎn)向及制動(dòng)輔助系統(tǒng)正常工作。
三、高壓互鎖保護(hù)功能
目前大多數(shù)電動(dòng)車輛在設(shè)計(jì)時(shí)為了節(jié)約控制器的IO接口資源，整個(gè)高壓互鎖只是一個(gè)串聯(lián)回路，系統(tǒng)檢測只能說明整個(gè)高壓系統(tǒng)有接插件沒連接或線路故障，對于整個(gè)高壓系統(tǒng)而言，高壓連接部位較多，檢查及維修非常不易，對操作人員有一定的安全隱患。
優(yōu)化方案一：如圖 6所示，高壓系統(tǒng)分為3路互鎖，①為充電系統(tǒng)互鎖；②為空調(diào)系統(tǒng)互鎖；③為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)互鎖。此方案的優(yōu)勢比一個(gè)串聯(lián)回路監(jiān)測連接狀態(tài)有所提升，系統(tǒng)可以定位具體的高壓部件故障位置。杜絕如系統(tǒng)檢測到①、②兩路互鎖發(fā)生故障時(shí)，車輛在高速行駛的情況下整車高壓突然下電動(dòng)力中斷。
圖6 電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)互鎖監(jiān)測原理圖
優(yōu)化方案二：在某項(xiàng)目上通過圖 6的升級形成新的高壓互鎖原理，如圖7所示，控制器不需要增加任何IO接口，便可知曉CAN總線上的高壓系統(tǒng)連接狀態(tài)，高壓互鎖模測每一個(gè)高壓插件的狀態(tài)，通過檢測高壓絕緣的狀態(tài)等級來判定故障等級，故障等級較低時(shí)不影響車輛的形式。
圖7 某電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)互鎖監(jiān)測原理圖
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