淺析電動汽車高壓安全及電路設計優化

      電機控制器內部都有較大的電容C,若無預充電，主繼電器（大電流繼電器也叫接觸器）直接與電容C接通，此時電池電壓較高，而電容C上電壓接近為0V，形成瞬間短路，負載電阻為導線和繼電器觸點電阻，電阻值很小，根據歐姆定律可知，電壓高，電阻小，間電流可達上萬安培，繼電器觸點很容易損壞。

      預充電迴路中添加一個二極體，防止主接觸器吸合的同時預充電掉電瞬間的反向電流對預充繼電器的損傷，如圖3示出電動汽車預充迴路原理圖。

      所以預充繼電器的作用就是控制預充迴路的斷開、閉合，預充電阻的作用就是限流，另外也對其他電子電器設備有個緩衝保護。如圖4預充電迴路中電壓U和電流I的變化，到預充完成時間t1時，預充迴路的電壓U接近電池端電壓，預充迴路電流為0A，主繼電器吸合，則預充繼電器斷開，完成預充電功能。

預充電過程示意圖

      例：某四輪輪轂電機項目電池包（96串）額定電壓360V，電壓範圍240V-403V。電機控制器參數給出的的預充電電壓設定為200V，直流母線的電容0.9mF-1.25mF。電機控制器的總電容為C=3600μF-5000μF

      保守值設定預充電到預充電電壓設定值200V的時間為2s。

      因此對於電機控制器，充電電阻計算如下：

將上述數值代入，得到平均功率81W-135W。

附錄：

Matlab程序：

計算充電電阻

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混合動力汽車預充電電阻7.9Ω，第二代日產leaf純電動汽車預充電電阻30Ω。可以增大預充電阻功率，在保證預充電迴路安全的前提下，當調少預充電時間，提升駕乘感受。

      本四輪驅動輪轂電機項目實際選用預充電阻為100Ω/100W（5秒內可放大10倍功率），預計預充時間為1s。

      電動汽車上應有多處預充電路，如DC/DC、電動壓縮機可共用高壓上電預充電路，其他如快充、慢充等有系統單獨預充迴路。原則上用電迴路上有大容量電容或電阻值較小的電器設備時都應具備預充緩流功能。

1、絕緣電阻監測原理

如圖5 電動汽車高壓系統絕緣監測原理圖所示，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S的閉合和斷開，調整R1的接入和切出，兩次測量電池包正負極對地電壓值。按照基爾霍夫定律，列出兩次電路的方程，聯立求解，計算出池包正負極對地的電阻。

      如圖5所示，首先斷開S，整車控制器採集U1和U2的電壓然後可以得出如下方程：

      本方法是比較通用的一種檢測方法，系統可以通過開關管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車身為地的漏電電流檢測法，絕緣檢測的方法參照國標GB/T18384.3 電動汽車 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定義為系統正常， 100KΩ/V < 絕緣阻值≤500KΩ/V為1級故障，絕緣阻值≤100KΩ/V為2級故障。

①  車輛在禁止狀態時，系統檢測到1級或2級故障時均不能高壓上電，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  車輛在行走狀態時，系統檢測到1級故障時，系統進入跛行模式，如果關閉點火鑰匙，高壓下電後系統進入①環節；

③  車輛在行走狀態時，系統檢測到2級故障時，主繼電器切斷高壓電源，但轉向及制動輔助系統正常工作。

      目前大多數電動車輛在設計時為了節約控制器的IO接口資源，整個高壓互鎖只是一個串聯迴路，系統檢測只能說明整個高壓系統有接插件沒連接或線路故障，對於整個高壓系統而言，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。

      優化方案一：如圖 6所示，高壓系統分為3路互鎖，①為充電系統互鎖；②為空調系統互鎖；③為動力驅動系統互鎖。此方案的優勢比一個串聯迴路監測連接狀態有所提升，系統可以定位具體的高壓部件故障位置。杜絕如系統檢測到①、②兩路互鎖發生故障時，車輛在高速行駛的情況下整車高壓突然下電動力中斷。

      優化方案二：在某項目上通過圖 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總線上的高壓系統連接狀態，高壓互鎖模測每一個高壓插件的狀態，通過檢測高壓絕緣的狀態等級來判定故障等級，故障等級較低時不影響車輛的形式。