动力电池预充设计及温升特性研究

刘永昌，龚元明

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

近几年，随着公众保护环境意识的增强以及国家政策的大力支持，汽车电动化成为当下汽车发展的趋势，新能源电动汽车得到蓬勃发展。电动汽车电池管理技术面临诸多挑战，预充电技术在动力电池管理技术中起着关键作用。电动汽车一些控制器电路具有电容性，比如电机控制器、制冷制热空调控制器、DCDC 等，在电动汽车动力电源接通瞬间，这些容性负载相当于瞬时短路，导致瞬时电流非常大，若没有相应的保护措施，在瞬时高压大电流冲击下，一些器件必定损坏[1]。所以，增加相应的电池预充电路，可以降低瞬时高压大电流对这些部件的冲击，延长电动汽车零部件的使用寿命。

此外，动力电池主正和主副继电器都是接触式导电。电动汽车动力电池电压高达几百伏，继电器导电弹片接触瞬间必定产生火花，致使继电器内部温度升高且导电弹片表面氧化严重，甚至发黑、阻断导电从而导致无法供电。如图1 所示，在主正继电器接通之前，预充使得主正继电器两端电势差大大减小，预充电可以极大地减少火花电弧对主正继电器的损伤，降低甚至避免主正继电器火花现象的发生，极大地增加主正继电器的可靠性以及延长其使用寿命，同时避免和减少接触火花，提高电动汽车动力电池使用的安全性。

图1 常规动力电池预充电路示意图Fig.1 Schematic diagram of conventional power battery precharging circuit

1 预充电路设计

1.1 预充电路性能参数

在动力电池预充电路中，预充电路的结构设计和预充电阻的选型起到关键作用。图2 为并联PTC电阻预充电路设计示意图。

图2 并联PTC 电阻预充电路Fig.2 Parallel PTC resistor precharge circuit

预充电路结构一般是在高压线路中串联电阻，本文的设计采用并联两个PTC 电阻的电路。预充电阻的类型和阻值大小对预充时间、预充压降过程等会产生重要影响。预充电阻的选型是否合理、预充工作过程是否可靠，直接关系到该电动汽车的可靠性。本文提出的并联PTC 电阻的预充设计方案有如下优点：

（1）预充开始时刻电流非常大，并联PTC 电阻分流，降低大电流对单个PTC 电阻的冲击，减少电阻的老化，延长预充电路的使用寿命。

（2）预充继电器弹片接触面积比较小，这样的设计会大大降低通过预充继电器的电流，对预充继电器起到保护作用。

（3）PTC 电阻具有随着温度升高电阻阻值变大的特性，这样在温度升高的情况下预充电阻阻值会快速升高，极短的时间内达到预充所需电压。

另外，本文中的预充电路，动力电池是以18650 为单元的电池总成，电池电压Up=450 V，选定的电机控制器的容值为500 μF。由于临近预充结束，主正继电器两端预充电压上升缓慢，所以当预充电压Uc的值达到动力电池电压Up的97%以上时认为预充完成。预充电路实为一个RC 电路，预充时间过长会导致能量消耗大，并且长时间预充会导致预充电路特别是预充电阻过热，会缩短汽车使用寿命，所以预充时间的控制至关重要。根据经验，本次预充时间t控制在100～500 ms 为宜[2]。

1.2 预充电阻类型选择

本电路设计采用PTC 电阻，考虑到PTC 电阻受温度影响大，在电阻发热严重时动力电池可快速完成预充动作，降低预充时间，预先选用性能如图3 所示的PTC 电阻（图3 来自电阻生产厂家）。

图3 PTC 电阻阻值随温度变化曲线Fig.3 PTC resistance value versus temperature curve

1.3 预充电阻阻值计算

根据RC 电路的1 阶电路零状态响应方程[3]：

式中：UC——预充时电容两端电压；Umax——动力电池两端的最大电压，即450 V；t——预充时间；τ——时间常数；R——预充电阻阻值；C——电机控制器端电容500 μF。

由式（3）得：

当tmin=100 ms 时，计算得预充电阻Rmin=57 Ω；当tmax=500 ms 时,计算得预充电阻Rmax=285 Ω。即预充电阻值R在57～2 855 Ω 均能满足预充要求。

1.4 预充电阻功率计算

在该电路中，预充电路相当于一个RC 电路，在电容充电过程中电流通过电阻必然导致能量损失[4]。结合上一小节预充电阻阻值的计算和预充电路的并联结构设计，预先选用阻值R1、R2为120 Ω的PTC 电阻作为本节功率计算的电阻。

并联电阻计算公式：

功率计算公式[5]：

在电容充电开始瞬间，电容两端相当于短路，电阻两端压差最大U（t）max为电池电压，由此可知此时预充电阻有最大瞬时功率Pmax为3 375 W。当预充电压达到电源电压的97%时认为预充完成，此时预充电阻两端压差近似为0。

1.5 预充电阻能量计算

电阻能量消耗计算公式[6]：

电容储能计算公式[7-8]：

由式（8）可以看出，电源对整个预充电路充电，但是能量只被电容消耗一半，另一半被预充电阻消耗了。不论电阻为多少，总有与电容储能相等的能量被损失掉[3],预充阻值大小与预充过程消耗的能量多少无关。

2 预充电路温升检测

预充PTC 电阻受温度影响大，预充时内部产生巨大热量，该设计采用的PTC 电阻受温度影响大，所以测试有必要考虑高温条件。根据选型、计算以及考虑汽车工作环境，设计了如下试验，测试25 ℃和85 ℃两种环境条件下预充电阻温升数据以及预充压降、预充电流、预充时间。

2.1 试验过程

本次实验完全还原动力电池预充的整个过程，模仿汽车启动前高压电路的准备工作，在此过程中监测电压、电流和温度等数据。动力电池电压范围为300～800 VDC，本次测试电压选定为450 V。图4 为检测电路搭建示意图。

图4 检测电路示意图Fig.4 Schematic diagram of detection circuit

温升测试使用C-Thermo K10 热电偶测量模块进行温度测量，将4 个温度贴片贴在每个预充电阻两侧，保证完全贴合，温度测量准确。

启动数据采集设备后，开启温箱，定值运行25 ℃，待温箱温度恒定后，模拟预充状态的工作过程，对电容进行充电。测试、记录并保存被测回路的电流、电压、温度数据波形。模拟预充测试结束后，待温升测试结束，PTC 温度值不再变化，对电容进行放电，以便进入下一次充电状态。同样，待设备冷却后，开启温箱，定值运行85 ℃，重复上述实验，记录相关数据。

3 结果及分析

如图5、图6 所示，在25 ℃环境温度下，预充电时间为134.4 ms，小于400 ms 符合预充时间要求，预充峰值电流为13.49 A。测试前温度为28℃，测试后温度为35 ℃，图中明显看出预充开始后温度大幅上升，测试温升Δt=7℃。

图5 环境温度25 ℃预充电压和电流曲线Fig.5 Precharge voltage and current curve at ambient temperature of 25 ℃

图6 环境温度25℃预充电阻温升曲线Fig.6 Temperature rise curve of precharge resistance at ambient temperature of 25 ℃

如图7、图8 所示，在85 ℃环境温度下，预充时间为152.8 s，预充电流峰值电流为10.4 A，高温环境下对预充电阻阻值有影响，导致预充电流下降。温升Δt=8℃，预充阻值变大，导致预充电流减小，进而预充时间变长，所以预充温升相比25 ℃环境温度时要高。

图8 环境温度85℃预充电阻温升曲线Fig.8 Temperature rise curve of precharge resistance at ambient temperature of 85 ℃

综上，对比2 种温度环境下的测试结果可得：85 ℃环境温度下预充时间t有所延长，但是预充时间都在理论有效范围内；85 ℃环境温度下的预充峰值电流比25 ℃温度下预充峰值电流减小3 A；动力电池在25 ℃和85 ℃下预充，预充电阻的温升Δt≈7.5 ℃，温度相差不大。预充电路中并联两个PTC电阻，各个电阻表面的温升差值在1 ℃之内，预充电路设计与理论设计吻合，完全达到预充电气参数要求。

4 结语

本文提出的并联PTC 电阻的预充电路设计方案可有效完成电动汽车动力电池预充过程，在不耗损太多能量的前提下，有效保护主正继电器，并且能快速完成预充过程。多预充电阻设计可以有效保护预充电路，减缓老化程度，提高预充电路的稳定性。当然，预充电阻工作环境温度高，环境相对比较恶劣，老化相对其他零部件严重，使用次数相对较少。当下电动汽车技术飞速发展，当人们使用汽车时，能有效断开和连接动力电池还需要更先进的技术，才能延长电动汽车使用寿命。