司法局工作总结-甘肃招生办

Ｄｅｓｉｇ—ｎｏ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ
电动汽车预充电过程研究
李永庆， 孟伟
（长城汽车股份有限公司技术研究院，河北保定０７１０００）
摘要：以某纯电动汽车为例 ，介绍预充电过程对缓解高压系统冲击、提高整车安全性的必要，以及详细阐述在
预充电过程中的参数变 化和依据，在此基础上提出监测电压升高速率、电流变化速率等参数对预充电过程进行安全
管理，预先判 断预充电过程中是否有漏电、绝缘、电阻失效等潜在危险，以提高整车的安全性能，结合实际经验对
规避 风险提供参考解决方案，最后通过测试证明方法的可行性。
关键词：预充电；电动汽车；故障检测
中图分类号：Ｕ４６９．７２文献标识码：Ａ文章编号：１００３—８６３９（２０１３）０５一０００８一０ ３
Ｏｎｔｈｅ
Ｐｒｅｃｈａｒｇｉｎｇ
ＰｒｏｃｅｓｓｆｏｒＥＶ
ＬＩ
Ｙｏｎｇ—ｑｉｎｇ，ＭＥＮＧ
Ｗｅｉ
（Ｒ＆Ｄ
ＣｅｎｔｅｒｏｆＧｒｅａｔ
Ｗａｌｌ
Ｍｏｔｏｒｓ
Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂａｏｄｉｎｇ
０７１０００，Ｃｈｉｎ ａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ
ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ
ａｎ
ｏｆ
ｐｒｅ ｃｈａｒｇｅ
ｔｏ
ｏｎ
ｒｅｄｕｅｅ
ｈｉ【ｇｈｖｏｌｔａｇｅｉｍｐａｃｔ
ａｎｄｒａｉｓｅ
ｖｅｈｉｃｌｅ
ｏｆ
ｐａｒａｍｅｔｅｒ
ｃｈａｎ ｇｅ
ａｎｄ
ｃｈａｎｇｅ
ｒａｔｅ．Ｔｈｅ
ａｎｄ
ｖｅｈｉｃｌｅ< br>ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
ｓｅｃｕｒｉｔｙ
ｓｅｃｕｒｉｔｙ
ｉｓｉｎｔｒｏｄｕ ｃｅｄｗｉｔｈ
ｉｎ
ｃａｎ
ｅｘａｍｐｌｅ
ｏｆ
ａ
ｐｕｒｅ
ＥＶ．Ｂａｓｅｄ
ｖｏｌｔａｇｅ
ｒｉｓｅ
ｔｈｅｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ< br>ｃｕｒｒｅｎｔ
ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ｓｅｃｕｒｉｔｙ
ｆａｉｌｕｒｅ
ｐｒｅｃｈａｒｇｉｎｇ
ｉｓ
ｂｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｄ
ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔ ｙ
ｍａｎａｇｅｄ
ｂｙ
ｂｙ
ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ｔｈｅ
ｒ ａｔｅ
ａｎｄ
ａｓ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｉｎ
ｐｒｅｊｕｄｇｉｎ ｇ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ
ｈａｚａｒｄｓｓｕｃｈ
ｃｒｅｅｐａｇｅ，ｉｎｓｕｌａｔｉ ｏｎ
ｐｒｅｃｈａｒｇｉｎｇ．Ｔｈｅ
ｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ
ｂｙ
ｔｅｓｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｃｈａｒｇｅ；ＥＶ；ｆａｕｈ
ｄｅｔｅ ｃｔｉｏｎ
能源危机和环境污染与日俱增，在能源消耗和
环境污染方面，汽车的影响不容忽视。 发展高效、
节能、低噪声、零排放的清洁型电动汽车已成为国
内外汽车工业发展的必然趋势。为 了改善电动汽车
的动力性和能量利用率，动力蓄电池的电压越来越
高．由原来的几十伏上升到现 在的几百伏．所以需
要配备专门的系统来管理高压系统的安全。在电动
汽车上不但需要配备专门 的车载高压电安全管理系
统，而且还应该设计专门的安全测试系统来监测车
载高压电安全管理系 统，以进行不定期的安全状况
监测。
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。最大直流工作电压小于１
０００Ｖ．
以及整车质量小于３
５００ｋｇ 的条件下，电动汽车的高
铁电压的峰值应当小于４２．４Ｖ（交流）或６０Ｖ（直
流），储存的 能量应该小于２０Ｊ。
根据上述安全要求，预充电管理是新能源汽车
中必不可少的重要环节，其 中．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 接触时火花拉弧，降低冲
击，增加安全性。某逆变器实物图如图１所示。
压安全要求如下：①人 体的安全电压低于３５
Ｖ，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至少应该大于１０００ＱⅣ．
图１某逆变器实物图
最好是能够确保 大于５００ｎ／Ｖ；③对于高于６０ｖ的
高压系统的上电过程至少需要１００ｍｓ．在上电过程对于预充 电完成的判断，现有技术的预充电控
中应该采用预充电过程来避免高压冲击；④在任何
情况下， 继电器断开时问应该小于２０ｍｓ，当高压系
统断开后１ｓ。汽车的任何导电部分和可触及部分搭
修改稿收稿日期：２０１３－０４—０２
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分别采集车载动力蓄电池的电压、电
基金项目：国家８６３计划节能与能源汽车重大专项资助项目（２０１２ＡＡｌｌｌ２０２）；河北省重大技术 创新项目（１２２１３９０６Ｚ）。
作者简介：李永庆（１９８４一），男，长城汽车股份有限公司新能 源工程研究院，研究方向为电池管理系统技术。
８
《汽车电器））２０１３年第５期
万 方数据

Ｄｅｓｉｇｎ●Ｒｅｓｅａｒｃｈ
。
．
机控制器电压， 然后将２个电压值进行比较．２处电
压趋于相等时，输出预充完成信号，本文采用此种
方式，当 电压值达到动力蓄电池电压９０％时．认为
通主继电器Ｋ＋，不再ＵＢ
有大电流冲击。因为＞< br>此时乩一巩很小，所以裔
电流小。
神
ｌ（Ｐ断开
Ｋ＋、Ｋ＿闭合
预充电完成；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，经过延时后，输出预充完成信号。由于电流传感器和电压电
流采样精度偏差、车载动力电源管理系统一致性、
器件稳定性等问题，可能控制器输出预充完成信号
时实际预充电未完成，导致车载动力蓄电池与 预充
电容直流母线存在电压差．未消除瞬时大电流冲击
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，导致降低
控制率。故而，在预充过程中，监测 各参数变化用
以判断预充电完成、故障等尤为重要。
１
通常选择预充电０
Ｋ圾 Ｉ（Ｐ闭合ｔｌ
电阻范围为２０～１００ｎ，
心断开
此项目选用Ｒ＝２５ｆｌ。Ｕｓ< br>时间／ｍｓ
与Ｕ压差仍然按３２６．４
图３预充电过程波形
Ｖ
计算，在 接通一瞬间，
流过预充电回路进入电容Ｃ的最大电流Ｉｐ＝３２６．４／２５＝
１３．０５６Ａ 。此时，选择预充继电器容量１５Ａ．预充电
回路安全，同时能保证ｋ闭合时没有冲击电流存在。
将上述电路做一阶电路零状态响应等效分析，
可得到Ｕｃ、，Ｐ如下
巩＝ｕｓ（１－ｅ甜）（ １）
（２）
、。
无预充电分析
以某两厢纯电动汽车蓄电池、蓄电池管理系统、电机控制器、预充电系统为例，整车动力蓄电
池系统由９并１０２串磷酸铁锂电芯串联组成．电 芯规
格为３６８００ＭＰ（３．２Ｖ
６．５Ａｈ），电容容量Ｃ＝００００｝ｘＦ，
简 化预充电结构如图２所示。
ｂ＝Ｃ警＝ｉＵｓ一斤
山Ｒ
式中：丁——尺Ｃ电路的时间常 数，ｒ＝ＲＣ。
由理论公式知道，魄、，，在预充电过程中应符
合一定的变化规律、特点，同时 ，预充电又由蓄电
池及外部负载共同作用．两者状况会影响预充电进
程，因此，通过监测预充过 程中魄、，Ｐ的变化检测预
充过程是否成功，是否有故障发生以及故障类型。
ｌ电容ｃ占ｌ预充电容Ｔ』
端电压Ｕｃ
ｆＭ
１）电压魄增长速度慢于预期巩、增长速度大
于预期，
故障１：绝缘故障。负载因故障有短路或较小
阻性负载，如电容被击穿等，会导致预 充电过程中
魄始终上不去（电压始终降在预充电电阻Ｒ上）。此
时电流过大．预充电电阻放热量 增大，烧毁电阻，
同时导致预充电过程失败，主继电器不能接通，后
续无法工作。此时，预充回 路电流会流人整车低压
电气网络，存在与乘员直接接触的隐患，故而在已
确定故障情况下．应迅 速断开预充电回路，并在专
业人员维修检测之前禁止整车上电行驶。
故障２：ＲＣ变大。在设计 或安装过程中，失误
会造成匹配不当；在使用中，因时间、环境等因素
造成电容的电极腐蚀、电 介质电老化与热老化、自
愈效应等失效，影响Ｃ的参数变化；线与线及线与
电极的接触电阻增大 会造成Ｒ值变化。
期厦览等于０
图２预充电结构
如图２所示，蓄电池所带的电机控制器 负载前
端都有较大的电容Ｃ，在冷态启动时，Ｃ上无电荷或
只有很低的残留电压。当无预充电时 ，主继电器
Ｋ＋、Ｋ一直接与Ｃ接通，此时蓄电池电压仉有３２６．４Ｖ
高压，而负载电容Ｃ上 电压接近０，相当于瞬间短路，
负载电阻仅仅是导线和继电器触点的电阻，一般远
小于２０ｍＱ 。根据欧姆定律，回路电阻按２０ｍＱ计
算，％一巩压差按３２６．４Ｖ计算，瞬间电流Ｉ＝３２６．４ ／
０．０２＝１６３２０Ａ。继电器ｋ及Ｋ一必损坏无疑。
２参数匹配分析
图３为预充 电过程波形。加人预充电过程，Ｋ＋
先断开，使拥有较大阻抗的Ｋ，和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
２）电压增长速度快于预期、肼长速度大于预
故障１ ：断路、开路。负载开路导致假预充电
完成。可能的原因有负载未接线或者电容因故障断
路，如 引出线与电极接触表面氧化、接触不良，造
成低电平开路；液体电解质干涸或冻结等。此时，
Ｂ ＭＳ通过输出Ｅｌ检测到的巩不是真正负载电容上的
电压，而是蓄电池组的开路电压（ＯＣＶ），马上得
到虚假的Ｕｃ＝砜的信息，可能导致预充电结束，直
电压矾：越来越高（预充电电流肛（Ｕ。一 魄）／Ｒ越来越
小），当接近蓄电池电压‰时（即图３中的△Ⅳ足够
小，一般小于Ｕ。的１０％ ），切断预充电继电器Ｋ，，接
《汽车电器》２０１３年第５期鋈
万方数据

墨旺墨曩
接接通主继电器，但因为输出开路，并无危险。但
是，如果此时负载突然加上，因 为预充电已结束，
没有预充电路的电阻Ｒ限制电流．将会产生超大电
流，损害线路或继电器。因 此，在一般的预充电策
略中，一上电就完成的可以判为故障，后续禁止进
行。此种情况下可通过 查询预充电回路导通情况确
定问题。
故障２：ＲＣ变小。在设计或安装过程中．失误
会 造成匹配不当：电容在使用过程中随着银离子迁
移、电介质分子结构改变、在高湿度或低气压环境
中极间飞弧等原因造成Ｃ的参数值变小．影响预充
结果。
为避免预充电失效情况发生，在各元 件选取
时，应首先选用汽车级产品，工业级产品不适用；
某些易绝缘失效、易碰触部位应在已有 绝缘保护的
前提下，添加额外保护措施，减少磨损以及人为原
因对电路造成的损害，降低故障发 生率。
３试验性能
图４为电压检测模块电路。由图４可以推导出以
表ｌ
？Ｄｅ ｓｉｇｎ
ｅ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ
下公式
阽强
”
堡丝
× 堡
Ｒ２５
式中：（／厂单片机采集到的电压值；（／厂
蓄电池包总电压值，尺扒Ｒ２ｌ 、Ｒ扒Ｒ扒尺２。——分
。尺２０＋Ｒ２１一尺笠＋尺２３一尺２４
压电阻，鲁——放大倍数。
图４电压检测模块电路
在上述试验车上做验证，改变ＲＣ值和绝缘特
性，试验结果见表 １。
电气测试结果
４结论
电动汽车、混合动力汽车的发展已是必然趋
势，但为 了提高能源利用率、提升系统动力性。致
使现阶段动力蓄电池系统大部分为高压，对驾驶
员、乘 客安全存在着隐患，因此。在高压设计过程
中，加入预充电管理是法规标准和安全设计的必然
要 求。在设计过程中，合理的检测方式和策略不仅
能判断预充电过程是否成功，而且能在车辆起动前
对充电失败进行判断，识别故障可能发生的类型及
１９９６．
［４］宋炳雨，高松，郎华，等 ．纯电动汽车高压电故障诊断
与安全策略研究［Ｊ］．重庆交通大学学报（自然科学版），
２０ １０（５）：１４２—１４５，１６９．
［５］陈清泉，孙逢春．现代电动车技术［Ｍ］．北京：北京理 工
大学，２００２．
［６］陈思忠，林程，谢强，等．电动汽车开发的关键技术及
前景 ［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００２．
［７］Ｖ
Ｈ
Ｊｏｈｎ，Ｍ
Ｄ
Ｚｏｌｏｔ，Ａ
Ａｐｅｓａｒａｎ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ａｎｄ
Ｖａｌｉ ｄａｔｉｏｎｏｆ
ａ
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ——ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ
ａ
Ｒｅ ｓｉｓｔａｎｅｅ／
部位，降低了蓄电池管理系统及整车控制器的安全
管理压力，提升整车安全 性，促进新能源汽车行业
尽快推广。
参考文献：
［１］羌嘉曦，杨林，朱建新．电动汽 车动力电池高压电测试
系统的研究［Ｊ］．电源技术，２００７（８）：６５５—６５８．
［２ ］ＳＡＥ（Ｓｏｃｉｅｔｙ
ｏｆ
ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ
ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）．Ｓ ＡＥ
Ｊ２２３４：
１９９８
Ｇｕｉｄｅ－－ｌｉｎｅｓ
ｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉ ｃｖｅｈｉｃｌｅ
ｓａｆｅｔｙ［Ｓ］．ＵＳ：
ＳＡＥ，１９９８．
Ｃａｐａｃｉｔａ ｎｃｅＢａｔｔｅｒｙ
Ｍｏｄｅｌｆｏｒ
ＤＶＩＳＯＲ，Ｉｎ：ＤＮａｕｎｉｎ，
Ｖｅ ｈｉｃｌｅ
Ｈ．Ｋａｈｌｅｎ，Ｅｖｓｌｓ［Ｃ］．Ｂｅｒｌｉｎ
ＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎＧｅｒｍａｎ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｏｆｔｈｅ
Ａｍｅｒｉｃａ，２００１．
［８］ 潘磊，姜久春，李景新，等．电动汽车智能无源接地检
测装置的研制［Ｊ］．电气传动自动化，２００３ （４）：４７—
４８．５０．
［９］黎林．纯电动汽车用锂电池管理系统的研究『Ｄ］．北京：
北京交通大学．２００９．
［１
０］Ｑｉａｎｇ
Ｊｉａｘｉ，Ａｏ
Ｓ ＡＦＥＴＹ
Ｇｕｏｑｉａｎｇ，Ｙａｎｇ
Ｌｉｎ．ＨＩＧＨＶＯＬＴＡＧＥ
０Ｆ
ＥＬＥＣＴＲＩＣ
ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴＳＹＳＴＥＭ
［３］林德杰．电气测试技术［Ｍ］． 北京：机械工业出版社，
ＶＥＨＩＣＬＥ［Ｊ］．机械工程学报（英文版），２００８（６）：６７—< br>７２．
（编辑杨
景）
碧《汽车电器》２０１３年第５期
万方数据

电动汽车预充电过程研究
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名 ：
年，卷(期)：
李永庆， 孟伟， LI Yong-qing， MENG Wei
长城汽车股份有限公司技术研究院,河北保定,071000
汽车电器
Auto Electric Parts
2013(5)

参考文献(10条)

1.羌嘉曦;杨林;朱建新

电动汽车动力电池高压电测试系统的研究[期刊论文]
-
电源技术 2007(08)
(Society of automobile engineering)

Guide-lines for electric vehicle safety 1998
3.林德杰

电气测试技术 1996
4.宋炳雨;高松;郎华

纯电动汽车高压电故障诊断与安全策略研究[期刊 论文]
-
重庆交通大学学报(自然科学版) 2010(05)
5.陈清泉;孙逢春

现代电动车技术 2002
6.陈思忠;林程;谢强

电动汽车开发的关键技术及前景 2002
7.V H John;M D Zolot;A Apesaran

Development and Validation of a Temperature- dependent Resistanee Capaeitanee
Battery Model for a DVISOR 2001
8.潘磊;姜久春;李景新

电动汽车智能无源接地检测装置的研制[期刊论文]
-
电气传动自动化 2003(04)
9.黎林

纯电动汽车用锂电池管理系统的研究[学位论文] 2009
Jiaxi;Ao Guoqiang;Yang Lin

HIGH VOLTAGE SAFETY MANAGEMENT SYSTEM OF ELECTRIC VEHICLE[期刊论文]
-
机械工程学
报 (英文版) 2008(06)


引用本文格式：李永庆.孟伟.LI Wei

电动汽车预充电过程研究[期刊论文]
-
汽车电器 2013(5)