继电器控制及诊断在电动汽车动力电池包的应用

卜凡涛，刘木林

（东软睿驰汽车技术 （沈阳）有限公司，辽宁 沈阳 110000）

为保证国家能源安全并有效降低碳排放量，新能源汽车已经成为中国“十二五”规划中大力培育和发展的战略性新兴产业之一［1］。2019年上半年，中国新能源乘用车销量达到57.7万辆，同比增长65.9%。相较于前几年低开高走、后期发力的趋势，销量在今年呈波浪状上升，体现了市场在后补贴时代对新能源产品的认可。世界范围看，2019年1～5月，中国新能源乘用车在全球市场份额占比高达53%，是历史最高水平。新造车势力如蔚来、威马小鹏等均在今年实现成规模的交付，传统自主车企如比亚迪、吉利北汽等依靠自身产能规模化和技术等既有优势，也取得了不错的销量［2］。动力电池是电动汽车的重要动力来源，动力电池的安全性是电动汽车发展过程中首先要考虑和解决的问题［3］。高压的安全是保证电池安全的重要因素，在紧急情况下必须断开继电器以保证动力电池不会输出电力。本文主要针对电池包的高压控制逻辑及诊断策略。

1 继电器控制逻辑

1.1 电池包内继电器分布

动力电池包内一般会有3个继电器：主正继电器、预充继电器和主负继电器。电池包内高压原理图见图1。

动力电池包输出电力的接口是唯一的，只有当总负继电器和总正 （或预充）继电器闭合才能输出电力到整车。当出现紧急故障时必须切断所有继电器，保证动力电池包不再输出电力，切断电动汽车的动力。

1.2 继电器控制逻辑

BMS在控制继电器闭合时是需要一定的时序的，时序图见图2。

为了防止电池包与整车侧负载的压差导致大电流烧坏继电器，在预充回路中加入了预充电阻和预充继电器来减小闭合总负继电器和预充继电器后电池包的输出电流。当预充电压达到电池包总压的95%时认为预充成功，闭合总正继电器，然后断开预充继电器，电池包处于可放电状态。

当电动汽车下电时，继电器断开也是需要一定的时序，时序见图3。

继电器下电时，由于整车端存在X电容，整车端的电压会有一个缓慢下降的过程 （电容泄放），在进行继电器诊断时，要特别注意待电容泄放完毕后进行诊断。诊断逻辑在下一个章节中介绍。

图1 电池包内高压原理图

2 继电器诊断策略

继电器诊断包括驱动回路诊断、继电器无法闭合诊断、继电器黏连诊断。

2.1 驱动回路诊断

继电器的控制是由BMS（电池管理系统）输出高低边到继电器的线圈，从而控制了继电器的断开和吸合。为了实现继电器的可靠设计，由BMS同时控制线圈的高低边来保证不会出现由于干扰导致的继电器误操作。在BMS的硬件电路中，不仅设计高低边控制，还需要设计对驱动回路的诊断。诊断内容包括线圈对搭铁短路、线圈短电源和线圈开路故障。硬件电路的框图见图4。图4中HSD_AD为高边电压信号，LSD_AD为低边电压信号，IS_AD为高边控制回路中的电流，CPSR为继电器供电电源。

1）当继电器的控制信号为断开时，诊断策略见表1。

图2 继电器闭合时序

图3 继电器断开时序

表1 控制信号为断开的诊断策略

图4 继电器驱动回路的硬件设计电路图

2）当继电器的控制信号为闭合时，诊断策略见表2。

表2 控制信号为闭合的诊断策略

2.2 继电器高压回路诊断

继电器高压回路诊断包括继电器无法闭合诊断和继电器黏连诊断。诊断方式是通过采集电池包高压回路的电压法来判断。高压回路的电压采样点见图5。

图5中，GND为高压参考搭铁，A、B、C为高压采样点。

图5 高压回路电压采样点分布

2.2.1 继电器无法闭合诊断

1）预充继电器无法闭合 预充继电器的控制指令为闭合，且已经闭合超过50ms，主负和主正继电器的控制指令为断开，此时进行预充继电器无法闭合诊断。当满足以下条件且持续100ms，判断预充继电器为无法闭合。

2）主正继电器无法闭合 当主正继电器控制指令为闭合，而预充继电器控制指令为断开时，进行主正继电器无法闭合诊断。当满足以下条件且持续100ms，判断主正继电器为无法闭合。

3）主负继电器无法闭合 当主正继电器和主负继电器控制指令为闭合，且主正继电器确认没有无法闭合故障，进行主负继电器无法闭合诊断。当满足以下条件且持续100ms，判断主负继电器为无法闭合。

2.2.2 继电器黏连诊断

1）主正继电器黏连 当主正继电器和主负继电器的控制指令为断开，且已经持续2s（等待电容泄放时间）以上时进行主正继电器黏连诊断。当满足以下条件且持续100ms，判断为主正继电器黏连。

2）预充继电器黏连 由于主正继电器和预充继电器在一个高压回路中，无法区别主正继电器和预充继电器的黏连。

3）主负继电器黏连 当主负继电器控制指令为断开，且主正继电器黏连或预充继电器闭合，进行主负继电器黏连诊断。当满足以下条件且持续100ms，判断为主负继电器黏连。

3 总结

上述介绍了电池包高压回路的继电器控制逻辑及诊断策略。通过合理控制继电器和对继电器的诊断，保证了高压安全。上述部分已应用在实车开发，且效果良好。