动力电池设计-电气设计之预充电阻的选型

1. 什么是预充电阻

预充电路是指在电路中先于主电路投入工作的充电电路。其作用是为主电路的稳定工作提供足够的时间和准备。

而预充电阻是在整车高压上电初期对电容进行缓慢充电的电阻,如果没有预充电阻,当高压串联回路吸合瞬间,高压会直接施加在电容上,而电容此时是没有能量的,即电容处于允许充电的状态,根据电容器的特征可知,此时会产生瞬时大电流击穿继电器等高压回路上的电气件。

所以,设计高压回路时需要引入预充电阻确保高压电路安全。预充电阻的类型有水泥电阻(陶瓷电阻),铝壳电阻(又称黄金电阻)、热敏电阻(PTC电阻)、功率电阻,目前动力电池通常使用的是水泥电阻,因为便宜。

2. 为什么要预充电阻

细说上文。

电动汽车动力系统中,各高压子系统通过动力高压线相互连接,因此动力电池与携带电容的电气件诸如MCU(电机控制器),COMP(空调),PTC(加热器),ICS(充电系统)是相连的。在工作时这些电气件的电容合在一起也有600±100uF左右。

一方面,动力系统上高压之前电容器内没有能量,即电容处于零状态,即在电路闭合瞬间,电容器相当于直接短路,而此时负载电阻仅仅是导线和继电器触点的电阻约为5mΩ。400V动力电池平台为例,会有400V左右的电压,对上5mΩ的电阻,瞬时电流约为80000A,非常大,这么大的电流如不加以限制将对继电器,负载用电器造成巨大冲击而导致损伤。因此电动汽车的电源系统必须加上预充电电路。减小上电时的冲击电流,保护高压电气件。

另一方面,在动力系统上高压过程中采用预充电过程来避免高压冲击,以减少接触器接触时火花拉弧,降低冲击,增加安全性。

而当预充电路工作时,负载电容C上的电压Uc越来越高,当接近动力电池时,切断预充电继电器,接通主继电器,不再有大电流冲击。从而实现对预充电电流的大小进行限制,保护设备功率器件,实现对电动汽车电力系统安全的管理。

3. 预充电阻选型

预充电路是一个典型的一阶RC串联电路,电容C存在于MCU(电机控制器),COMP(空调),PTC(加热器),ICS(充电系统)等电器件中中,预充电阻R则需要计算后选型确定。

图1 动力电池内部的电气回路。图中黄色虚线内为电池高压上电时预充(K2,R)和主继电器(K1)区域,“R”为预充电阻。PT-Out外接用电负载。DC-charge外接快充充电座。

3.1 电阻值计算

预充电阻R与预充回路其他参数关系下式所示: Vc=E(1-e(-t/R*C)) ,转换公式可以得到:

R=frac{t}{C×ln(frac{1}{1-frac{V_c}{E}})}

式中,Vc为预充电容两端电压,E为动力电池两端电压,C为预充总电容,t为充电时间,R为预充电阻。C为MCU、COMP、PTC和ICS电容之和。

几个前置条件:

  1. 为减少对高压器件的冲击,需合理选择预充电阻,使得预充电压在规定时间内达到电池端电压的98%及以上。
  2. 此处举例系统电容C=713uF。
  3. 预充时间性能集成建议200ms-250ms之间。

则预充电阻:

R=frac{t}{C×ln(frac{1}{1-frac{V_c}{E}})}=frac{200或250×10^{-3}}{713×10^{-6}×ln(frac{1}{1-frac{1}{0.98或0.99}})}=60.9Ω-89.6Ω

参考友商预充电阻选型,推荐选择BGRV30TQ 60Ω型预充电阻,该电阻能够达到预充时间t=167.3ms-197.0ms。

3.2 冲击功率校核

预充电阻瞬时功率计算公式如下:P(t) = U^2/R式中, P(t) 为某一时刻通过预充电阻的功率, U(t) 为同一时刻预充电阻两端的电压值, R 为预充电阻阻值。由上式可知,当U(t) 最大时,P(t) 最大。因此,在预充继电器刚闭合瞬间,电容相当于短路,预充电阻两端电压最大,约等于电池两端电压E,由此可计算预充回路中预充电阻瞬时功率极限值P(t)(max)。P(t)(max) = U^2/R =417.6V²/60Ω=2906.5W

单次预充实际脉冲时间: t=E/P=1/2×C×U^2/(U^2/R )=(1/2×713μF×417.6V×417.6V) /(417.6V×417.6V/60Ω)≈21msBGRV30TQ 60Ω功率过载曲线如下图2:21ms 时可以承受约 4000W,大于 2906.45W,故单次脉冲承受没有问题。

图2 功率过载曲线。

3.3 冲击能量校核

预充冲击时,如果预充电阻所能接受的能量不能满足瞬时给与的能量,即不能满足能量冲击要求,轻则导致预充电阻开裂,重则导致预充电阻爆炸。可以想象为当压力容器内的能量超过其能力临界点而发生爆炸。

单次预充能量计算: ½×U^2×C=1/2×417.6V×417.6V×713μF=62.17J。BGRV30TQ 60Ω单次冲击能量如下表:预充电阻单次热容量满足要求。

Power Rating(W) Pulse Energy Capacity(J)×1
5 16
7 31
10 60
15 60
20 95
30 161
40 226

3. 总结

本文系统性的阐述了什么是预充电阻、为什么要预充电阻以及预充电阻的选型方法,期望能够作为广大动力电池或者电动汽车从业者在工作、学习中提升自己的资粮。

未经本人许可,不能用于学习外的用途, 谢谢。

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