朱合標 黃祖朋

【摘? 要】電動汽車的預充電路對于整車高壓器件起著重要的保護作用，在電動汽車高壓上電的過程中，預充電路先于主電路啟動，預充成功后才能切換至主電路，使整車進行正常工作。本文對電動汽車預充電路的工作原理進行介紹，并針對電動汽車開發(fā)過程中出現(xiàn)的某預充失效故障進行分析，為電動汽車的設計開發(fā)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】電動汽車;預充原理;預充失效;電壓監(jiān)測

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）05-0016-03

【Abstract】The pre-charging circuit of electric vehicles plays an important role in protecting the high-voltage components of the vehicle. In the process of high-voltage power-on of electric vehicles，the pre-charging circuit starts before the main circuit，and can be switched to the main circuit only after successful pre-charging，so that the vehicle can work normally. This paper introduces the working principle of EV pre-charging circuit，and analyzes a pre-charging failure in the development process of EV，so as to provide reference for the design and development of EV.

【Key words】electric vehicle;pre-charge principle;pre-charging failure;voltage supervisory

作者簡介

朱合標（1984—），男，工程師，碩士，研究方向為新能源汽車動力電池管理系統(tǒng);黃祖朋（1989—），男，高級工程師，博士，研究方向為鋰離子動力電池系統(tǒng)、充配電系統(tǒng)、氫燃料電池汽車等（通訊作者）。

電動汽車具有節(jié)能高效、駕駛輕松、加速迅猛、充電廉價等優(yōu)勢，深受用戶喜愛[1-3]。電動汽車（如純電動汽車、插電式混合動力汽車等）以動力電池作為其動力來源，整車電壓達到幾百伏，充放電電流可達幾百安[4-5]，因此對電動汽車的高壓架構(gòu)進行合理設計和控制，對整車及乘客的安全十分重要。

在電動汽車的高壓母線上，常常會直接連接著電控、充電機、壓縮機等容性負載。在電動汽車高壓上電的過程中，動力電池自身的電阻很?。ɑ緸楹翚W級別），如果動力電池的高壓電直接加載在這些負載兩端，則上電瞬間的高壓回路相當于短路，放電電流可高達上千安，這將直接燒毀高壓回路上的零件，導致整車故障[6-8]。因此，在電動汽車上設計預充回路，在整車高壓上電過程中先進行預充，預充結(jié)束后再切換至主回路，對于整車的高壓零件保護十分必要。

1? 預充回路工作原理

電動汽車預充回路往往放置于動力電池內(nèi)部，動力電池的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。動力電池由電芯、電池管理系統(tǒng)（BMS）、熔斷絲（高壓熔斷器）、預充繼電器、預充電阻、主正繼電器和主負繼電器構(gòu)成。在主正繼電器兩端，由預充電阻和預充繼電器組成的并聯(lián)支路即為電動汽車的預充回路。BMS實時采集主正繼電器前后兩端對動力電池負極的電壓，即為動力電池的內(nèi)壓和外壓，進而對動力電池的預充回路進行控制。

動力電池預充回路的工作原理為：在電動汽車高壓上電時，先閉合主負繼電器和預充繼電器，動力電池給整車容性負載充電，由于預充電阻的存在，其對整車高壓回路起到了限流的作用，從而對高壓回路上的零件進行保護。當BMS檢測到電池外壓接近于電池內(nèi)壓時，表明整車容性負載已充電完成，此時BMS控制主正繼電器閉合、預充繼電器斷開，完成整車預充及高壓上電過程，動力電池通過主回路對外供電。

2? 整車預充失效案例分析

在電動汽車開發(fā)過程中，動力電池預充失效是經(jīng)常出現(xiàn)的一個故障，與許多因素相關(guān)，如繼電器粘連、繼電器開路、整車絕緣不良、零件選型不當?shù)?，不同的故障類型其故障誘因也不同，需要根據(jù)具體的故障類型進行針對性分析。本文以某純電動汽車開發(fā)過程遇到的一個預充失效故障為例，對引起預充失效的原因進行分析。

2.1? 故障描述

某電動汽車開發(fā)階段出現(xiàn)多輛車輛預充不成功，車輛無法上電行駛，通過整車檢測發(fā)現(xiàn)車輛無問題，動力電池硬件也無異常。通過對動力電池預充過程中的BMS檢測電壓進行分析，動力電池內(nèi)電壓HV1為101V，并保持不變;外電壓HV2隨著預充時間增加而增加，最大值為95V。預充比例HV2 / HV1=94%，達不到軟件設定預充比例95%的要求。使用萬用表對電池真實內(nèi)電壓HV0進行檢測，其值是98V。預充過程電壓變化如圖2所示。

確認該故障屬于BMS誤報，真實故障是BMS對動力電池內(nèi)壓的檢測出現(xiàn)了誤差，檢測值比實際值偏高了5V，導致BMS判斷動力電池內(nèi)壓比外壓偏高較多，達不到外電壓小于等于內(nèi)電壓95%的閾值要求，預充條件不滿足，故而不能切換至主回路對車輛進行上電。

2.2? 故障原因機理分析

2.2.1? 電池內(nèi)壓檢測錯誤原因分析

動力電池BMS對電池內(nèi)壓HV1進行檢測的硬件電路（圖3）采用的是分壓電路，分別是：主回路限流電阻R1的電阻值選型為1MΩ，分壓電阻R2的電阻值選型為20kΩ。通過測量R2電阻兩端的較低電壓（測量范圍0～3.3V）值V0，可通過分壓公式（1）得到HV1的電壓，HV1的測量范圍0～167V的電壓，精確度達到0.5%，并且預留>50%的硬件設計余量。限流電阻R1和R2選擇為車規(guī)級電阻，保證測量精度。

通過用萬用表對R1和R2進行檢測，發(fā)現(xiàn)R1電阻的阻值偏低（低于設計值），從而導致BMS測量內(nèi)壓HV1偏高。計算過程如下：

由公式（1）和公式（2）化簡，即可得到BMS檢測內(nèi)電壓HV1和實際內(nèi)電壓HV0的關(guān)系公式（3），當限流電阻實際值R'1小于選型設定值R1（1MΩ）的時候，產(chǎn)生測量值比實際值大的誤差。

故推測可能原因有如下4種。

1）三防漆（一種特殊配方的涂料，在PCB行業(yè)廣泛使用，用于保護線路板及其相關(guān)設備免受環(huán)境的侵蝕）內(nèi)有異常雜質(zhì)，等效于給電阻R1并聯(lián)了一個電阻，導致總阻值降低。

2）電阻貼片（SMT）焊接異常，導致殘留助焊劑等雜質(zhì)，給電阻R1并聯(lián)了一個電阻，導致總阻值降低。

3）限流電阻R1過壓，承受過浪涌沖擊，導致其電阻偏低。

4）三防漆防潮性能不足，導致電阻受潮，阻抗降低。

2.2.2? 電阻品質(zhì)問題分析

針對2.2.1小節(jié)推測的電阻阻值偏低的4種原因一一進行詳細排查。

1）三防漆有雜質(zhì)問題分析。對故障BMS的電阻位置進行檢查，三防漆均程透明狀（圖4），無異常雜質(zhì)，故可以排除三防漆雜質(zhì)問題導致的內(nèi)壓測量異常。

2）SMT焊接異常問題分析。通過對故障PCB板焊接進行確認，1MΩ采樣電阻焊點光滑，無常見焊接異常，同時透過三防漆，可以觀察到電阻周圍無助焊劑等殘留，故可以排除SMT焊接異常問題導致的HV1測量異常。

3）限流電阻R1過壓問題分析。通過查詢資料，貼片電阻承受過壓時，確實存在內(nèi)阻偏低的失效類型，同時若只是輕微過壓，則芯片表面不會呈現(xiàn)出損傷。選型電阻額定電壓200V，可承受最高電壓400V，無法徹底排除生產(chǎn)過程中存在高壓環(huán)境對電阻產(chǎn)生損傷，故不可以排除限流電阻過壓問題導致的內(nèi)壓測量異常。

4）三防漆防潮問題分析。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)地點環(huán)境濕度較大，生產(chǎn)車間濕度長期處于70%以上，故電池包可能在高濕環(huán)境中封箱，由于電池包封箱后的呼吸閥透濕性能較差，所以電池包內(nèi)零部件將長期處于潮濕環(huán)境，這種環(huán)境如果三防漆防潮性能無法滿足要求，則很容易使得電路板上的元器件受潮，故無法排除三防漆防潮性能不足導致電阻受潮的問題。

2.3? 故障原因確認

根據(jù)以上分析，尚且不能確認內(nèi)壓檢測錯誤是限流電阻過壓導致的還是三防漆受潮導致，故將故障件進行如下試驗，以進一步追查根本原因。

1）將正常BMS放置在恒溫恒濕箱內(nèi)，通過長時間在35℃環(huán)境、85%濕度環(huán)境下進行故障復現(xiàn)。正?？刂破鹘?jīng)過長期靜置無法復現(xiàn)故障。

2）將故障BMS放置在恒溫恒濕箱內(nèi)，通過長時間在35℃環(huán)境、85%濕度環(huán)境下進行故障復現(xiàn)。故障件長期靜置后只有約10%可以復現(xiàn)故障，最大偏高3.5V。

3）將故障控制器在室溫下使用高電壓做10s、100s、1000s的過壓老化，加速復現(xiàn)電阻損傷的故障。約50%的故障件可以再次復現(xiàn)故障，偏高范圍在0.5～5V。

根據(jù)以上結(jié)果，以上單一工況無法使故障件100%復現(xiàn)故障，故將上述2個測試工況疊加，重新設計故障復現(xiàn)試驗，在35℃環(huán)境、85%濕度環(huán)境下，給控制器持續(xù)施加高電壓。通過長時間檢測，發(fā)現(xiàn)所有故障電路板均可以穩(wěn)定復現(xiàn)故障。

由工況疊加實驗結(jié)果可以推測，故障件電阻可能受到高壓損傷，三防漆可以滿足未損傷電阻的防潮性能要求，但是無法對損傷電阻進行足夠的防潮保護。

基于以上推測，對BMS和電池包全生產(chǎn)過程進行排查，檢查是否存在高壓損傷電阻的情況。經(jīng)過實際排查發(fā)現(xiàn)，設備研發(fā)工程師在調(diào)試動態(tài)測試設備時將程序中判定條件“DCDC運行信號=0”直接跳過了，導致測試過程中在電流換向或結(jié)束測試時停止DCDC指令和繼電器斷開指令同時生效。因DCDC接收到目標電流指令隨CAN總線負載、DCDC實際調(diào)控狀態(tài)均有關(guān)系，有較小概率出現(xiàn)前序分析在電流未降低到0的情況下，就斷開動態(tài)測試設備內(nèi)的主回路繼電器，但是不避免此情況出現(xiàn)。

對動態(tài)測試過程中使用示波器+高壓探頭對動力電池內(nèi)壓測量位置進行檢測，確認在動態(tài)測試中切斷繼電器過程中存在瞬時過壓沖擊（圖5中的CH2-1白色線），最高沖擊電壓2.23kV，脈寬150μs（示波器每格50μs）。

2.4? 故障解決措施

基于上述分析，針對此電動汽車預充失效故障問題，通過優(yōu)化軟件，在預充判定時引入單體累加和電壓，這樣當使用內(nèi)壓來判定預充不成功時，引入預充電壓與單體累加和電壓再次判定，若符合預充成功的條件時，也算預充成功，則可以避免因為內(nèi)壓偏高導致的預充不成功故障。

3? 結(jié)語

本文對電動汽車預充的結(jié)構(gòu)及工作原理進行了詳細介紹。針對某電動汽車開發(fā)過程中出現(xiàn)的具體預充失效問題，通過深入分析原理，逐步排查潛在誘因，并通過實驗模擬和測試的手段找到了根本原因，通過軟件優(yōu)化措施解決了該預充失效的問題。

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（編輯? 凌? 波）