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电动汽车高压安全及电路设计优化

2018-11-23 22:12:12·  来源：中国汽研新能源汽车测试评价  
　
一、预充电保护功能电机控制器内部都有较大的电容C,若无预充电，主继电器（大电流继电器也叫接触器）直接与电容C接通，此时电池电压较高，而电容C上电压接近为0V
一、预充电保护功能
     
电机控制器内部都有较大的电容C,若无预充电，主继电器（大电流继电器也叫接触器）直接与电容C接通，此时电池电压较高，而电容C上电压接近为0V，形成瞬间短路，负载电阻为导线和继电器触点电阻，电阻值很小，根据欧姆定律可知，电压高，电阻小，间电流可达上万安培，继电器触点很容易损坏。
     
预充电回路中添加一个二极管，防止主接触器吸合的同时预充电掉电瞬间的反向电流对预充继电器的损伤，如图3示出电动汽车预充回路原理图。
图3 电动汽车预充回路原理图
     
所以预充继电器的作用就是控制预充回路的断开、闭合，预充电阻的作用就是限流，另外也对其他电子电器设备有个缓冲保护。如图4预充电回路中电压U和电流I的变化，到预充完成时间t1时，预充回路的电压U接近电池端电压，预充回路电流为0A，主继电器吸合，则预充继电器断开，完成预充电功能。
图4 预充电过程示意图
     
例：某四轮轮毂电机项目电池包（96串）额定电压360V，电压范围240V-403V。电机控制器参数给出的的预充电电压设定为200V，直流母线的电容0.9mF-1.25mF。电机控制器的总电容为C=3600μF-5000μF
     
保守值设定预充电到预充电电压设定值200V的时间为2s。
     
因此对于电机控制器，充电电阻计算如下：
     将上述数值代入，得到
     电阻平均功率的计算
将上述数值代入，得到
平均功率81W-135W。
附录：
Matlab程序：
计算充电电阻
T=2;
C=4500/1000000;
U_in=360;
U_C=200;
R=-T/(C*log(1-U_C/U_in));
计算电阻上的平均功率
P=1/T*(-1/2)*U_in^2*C*(exp(-T/(R*C))-1);
     另外参考福特Fusion混合动力汽车预充电电阻7.9Ω，第二代日产leaf纯电动汽车预充电电阻30Ω。可以增大预充电阻功率，在保证预充电回路安全的前提下，当调少预充电时间，提升驾乘感受。
     本四轮驱动轮毂电机项目实际选用预充电阻为100Ω/100W（5秒内可放大10倍功率），预计预充时间为1s。
     电动汽车上应有多处预充电路，如DC/DC、电动压缩机可共用高压上电预充电路，其他如快充、慢充等有系统单独预充回路。原则上用电回路上有大容量电容或电阻值较小的电器设备时都应具备预充缓流功能。
二、绝缘电阻监测功能
1、绝缘电阻监测原理
如图5 电动汽车高压系统绝缘监测原理图所示，对称接入电路两组高精度电阻度为±0.5%，其中R1、R2、R3、R4为1000kΩ的取样电阻，R和R’是400Ω的分压电阻。通过开关S的闭合和断开，调整R1的接入和切出，两次测量电池包正负极对地电压值。按照基尔霍夫定律，列出两次电路的方程，联立求解，计算出池包正负极对地的电阻。
图5 电动汽车高压系统绝缘监测原理图
     如图5所示，首先断开S，整车控制器采集U1和U2的电压然后可以得出如下方程：
图4 预充电过程示意图
合上S可以得出如下方程：
     本方法是比较通用的一种检测方法，系统可以通过开关管S来测量U1和U2的电压得出绝缘阻值，另外还有一种方法是假设车身为地的漏电电流检测法，绝缘检测的方法参照国标GB/T18384.3 电动汽车 安全要求，此处不作详述。
2、绝缘故障的等级划分和处理
     绝缘阻值>500KΩ/V定义为系统正常， 100Ω/V < 绝缘阻值≤500Ω/V为1级故障，绝缘阻值≤100Ω/V为2级故障。
① 车辆在禁止状态时，系统检测到1级或2级故障时均不能高压上电，仪表上显示故障指示灯信号，解码仪可以在CAN总线上读取故障信息；
② 车辆在行走状态时，系统检测到1级故障时，系统进入跛行模式，如果关闭点火钥匙，高压下电后系统进入①环节；
③ 车辆在行走状态时，系统检测到2级故障时，主继电器切断高压电源，但转向及制动辅助系统正常工作。
三、高压互锁保护功能
     目前大多数电动车辆在设计时为了节约控制器的IO接口资源，整个高压互锁只是一个串联回路，系统检测只能说明整个高压系统有接插件没连接或线路故障，对于整个高压系统而言，高压连接部位较多，检查及维修非常不易，对操作人员有一定的安全隐患。
     优化方案一：如图 6所示，高压系统分为3路互锁，①为充电系统互锁；②为空调系统互锁；③为动力驱动系统互锁。此方案的优势比一个串联回路监测连接状态有所提升，系统可以定位具体的高压部件故障位置。杜绝如系统检测到①、②两路互锁发生故障时，车辆在高速行驶的情况下整车高压突然下电动力中断。
图6 电动汽车高压系统互锁监测原理图
     优化方案二：在某项目上通过图 6的升级形成新的高压互锁原理，如图7所示，控制器不需要增加任何IO接口，便可知晓CAN总线上的高压系统连接状态，高压互锁模测每一个高压插件的状态，通过检测高压绝缘的状态等级来判定故障等级，故障等级较低时不影响车辆的形式。
图7 某电动汽车高压系统互锁监测原理图
 
 
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