动力电池预充电路及自加热电路相互影响研究

邵 波，孟 成，万 欣

（北汽集团越野车有限公司，北京 100331）

1 引言

动力电池系统是混合动力和电动汽车的重要能量源系统，为油电混合车辆和电动车辆在行驶过程中提供电能，并回收车辆制动过程中的能量，以满足日益严苛的油耗和排放要求。由于动力电池系统电压相对车辆为高压，为防止在整车高压上电过程中由于容性负载引起的电流冲击导致高压系统回路中相关继电器／接触器触点粘连及高压器件损坏，需要对容性负载进行预充电［1］。

动力电池系统在低温条件下放电能力差，充电接受能力弱，0℃以下充电安全性差，为满足车辆能在低温条件使用，在电池的热管理系统中会增加电池加热功能。动力电池加热方式可通过冷却液加热、电芯内部自加热和加热膜加热等方式，其中加热膜加热利用动力电池高压电能加热，具有简单易行、成本较低的特点，应用广泛。

预充电路与加热膜电路相互之间存在影响，均由动力电池管理系统进行控制，如何保证动力电池系统预充电正常完成及动力电池加热正常进行，避免预充回路器件损坏，动力电池管理系统的控制逻辑尤为重要。

2 故障现象及系统分析、仿真

公司某型混合动力车直接采用高压系统起动，在-35℃低温环境车辆起动调试过程中，经过多次起动操作后，出现动力电池系统高压预充超时，车辆高压上电失败的故障，打开电池箱检查，发现预充电阻烧毁导致预充电路失效，预充超时。鉴于该车在常温环境测试时多次起动并未出现预充超时的故障，故障仅在低温环境测试过程中出现，为避免后续继续出现该故障，保障车辆调试顺利进行，针对动力电池系统的预充电路［2］和自加热电路及控制逻辑进行分析。

2.1 预充电路及自加热电路分析

图1为车辆动力电池高压预充电路及自加热回路。预充回路由预充继电器、预充电阻组成。当整车进入高压上电流程时，闭合主负继电器、预充继电器，开始进行预充电，预充完成后，主正继电器闭合，高压上电完成。如果预充电阻过大或预充电流过小，电池输出母线电压未在设定的预充时间内达到设定的预充电压，动力电池管理系统将会报出预充超时的故障。预充控制逻辑如图2所示。

图1 高压预充电路及自加热回路

图2 预充控制逻辑

自加热回路由加热膜、预热继电器、预热熔断丝及自加热控制开关组成。整车低压系统上电，动力电池管理系统ECU采集到电芯温度低于设定温度值，输出高电平电压给预热继电器线圈，按下自加热控制开关，接通预热继电器回路，预热继电器闭合，自加热回路通过自主正继电器87端形成回路。自加热控制开关断开，自加热回路断开，避免在环境温度较高时自加热开启，电芯温度过高。自加热控制逻辑如图3所示。

预热继电器30端子与预充电阻输出端、电机控制器电容共接在主正继电器87端子。

预充电回路与自加热回路电器元件参数见表1，预充参数设置：动力电池电压642V，预充时间≤300ms，预充超时时间0.5s，预充电压95%Ubat。

表1 电器元件参数

图3 自加热控制逻辑

2.2 模型建立

根据系统电路建立仿真模型 （图4），分别计算预充电阻电压降、电流、功率、能量、理论温升，相关参数设定按照表1中数据，仿真时间0.5s。

图4 预充电路及加热电路仿真模型

自加热控制开关未接通，仿真结果如图5；自加热控制开关接通，仿真结果如图6。

2.3 仿真结果分析［3］

1）未接通自加热回路时，预充回路在预充继电器闭合后237ms达到预充设定电压，预充成功；预充电阻上累积产生的能量Eres=960J，电阻温升ΔTres=7.38K，电阻温升低，能够承受多次启动冲击。

2）接通自加热回路后，500ms时预充电压因加热膜电阻分压的原因，测量点电压为420.9V，且趋于稳态，达不到预充设定电压值，预充不成功，超时；预充电阻上累计产生的能量Eres=2328J，电阻温升ΔTres=17.9K，电阻温升快，多次启动冲击后电阻会因温度过高导致烧毁。

图5 自加热控制开关未接通

图6 自加热控制开关接通

根据仿真结果，咨询现场操作人员操作详细过程，反馈在故障出现前自加热开关处于接通状态，并保持接通状态情况下，短时间内多次反复上电操作。更换状态良好的预充电阻，在确保自加热开关断开状态的条件下进行上电操作，高压上电成功，预充电阻温升较小，确定前面描述的故障是由于自加热回路工作后多次上电操作导致预充电阻烧毁。

为彻底避免人为操作原因导致预充电阻过热导致烧毁的故障，针对自加热回路控制逻辑进行优化，自加热控制逻辑如图7所示。

同时，为避免过多频繁反复进行上电预充导致预充电阻过热［4］出现烧毁现象，动力电池管理系统预充管理在3min内反复上电10次后，持续5min停止响应上电指令。

更新动力电池管理系统软件后，反复多次上电测试，预充电阻温升正常，最高温度均在80℃以下，系统工作正常。

3 结论

图7 自加热控制逻辑

动力电池系统在上电预充过程中，为避免预充失败和预充电阻烧毁，在其管理系统控制策略中应避免其它高压负载工作，减少预充干扰。动力电池系统自加热功能应在预充完成后才能启动。