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新能源汽车预充控制原理分析

2022-01-25 636 上传者：管理员

摘要：近年来，新能源汽车发展势头迅猛，已然成为未来汽车的必然趋势。2021年，我国新能源汽车销量预计将达到340万辆，较上一年翻了约1.5倍。新能源汽车动力系统采用高压电，对不同使用环境下的安全性、稳定性、可靠性等方面都有着极高的要求。比如新能源汽车高压上电时，都设计有预充控制环节来保护高压回路及高压部件免受大电流损坏。本文主要针对新能源汽车预充控制过程及原理进行分析讨论，并结合实际故障案例诊断排除过程，讲述预充故障的检测方法。

关键词：
新能源汽车
正极接触器
母线电容
预充接触器
预充控制
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1、新能源汽车高压上电步骤

新能源汽车启动后，首先是低压系统的唤醒与自检。当确定系统无故障后才允许高压上电。（如图1所示）

(1)高压上电第一步，电池管理系统BMS控制负极接触器（K-）和预充接触器（Kp）闭合，对电机控制器内的母线电容C进行预充电。当母线电容内电压VC与动力电池电压VB差值达到规定值时，预充完成。(2)BMS检测到预充完成后，控制正极接触器（K+）闭合，正式对外部负载输出高压电，然后控制预充接触器（Kp）断开。此时，仪表显示OK灯或READY灯点亮，高压上电完成。在此期间，BMS会实时监测系统状况，如发生绝缘、高压互锁等严重故障时，控制K+和K-断开，停止上高压电。

2、预充控制分析

新能源汽车高压上电时，都要先进行预充，对电机控制内的母线电容预充电。因为母线电容在高压回路中与动力电池并联，当动力电池输出高压电时，必然会对电容进行充电，而电容在被充电的瞬间，电阻几乎为零，相当于导通。

如果高压上电时，直接闭合负极接触器（K-）和正极接触器（K+），相当于直接将动力电池正负极接通，此时动力电池等同于短路，回路中产生瞬时大电流将损坏高压回路及高压部件。

因此高压上电时，先闭合负极接触器（K-）和预充接触器（Kp），高压电经过预充回路后再对母线电容充电。由于预充回路中串联有预充电阻（R），根据欧姆定律，预充过程中的电流减小到高压回路可以承受的范围，利用预充电阻的限流作用，保护高压回路及高压部件。当母线电容电压VB升高的到与动力电池电压VB之差（ΔV）足够小，达到设定值时（如图2所示，有的车型设定为ΔV≤50V，有的车型设定为ΔV≤VB×10%),BMS判定预充完成，并控制正极接触器（K+）闭合，然后控制预充接触器（Kp）断开，车辆正常上高压。

3、母线电容分析

通过上述分析可知，新能源汽车高压上电时的预充主要是针对电机控制器内的母线电容，通过预充保护高压回路及高压部件。电机控制器里为什么设置母线电容呢？

新能源汽车高压回路上有很多高压用电设备，其中电机驱动系统是最主要的用电系统，电机控制器将高压直流电转换为三相交流电控制驱动电机运转。而电机控制器对驱动电机的控制需要根据车辆的实际行驶需求实时调整，因此不同的行驶工况下，电机控制器消耗的电能是不同的，随时都在变化。这就会导致动力电池母线电压出现较大的波动，影响各高压用电设备的工作稳定性，进而影响新能源汽车工作状态和驾乘体验。因此在电机控制器中设置母线电容，最主要的作用就是平衡母线电压波动。当用电量激增时，电容对外放电辅助供电；当用电量减少时，吸收母线电压储备电能。

但是有了母线电容也会带来另一个问题：当车辆下电后，BMS控制正极接触器（K+）和负极接触器（K-）断开，停止对外输出高压电，但母线电容内仍然存在与动力电池几乎相同的高压电。这就会对新能源汽车的维修带来安全隐患，一般会采用高压系统余电放电回路（如图3所示）在车辆下电后迅速释放掉母线电容里的高压电，保证高压安全。这个过程也叫做主动泄放，若主动泄放回路故障则通过被动泄放回路来放电。

因此，车辆再次上电时，母线电容内是没有电的，为保护高压回路及高压部件免受大电流损坏，就需要先进行预充。

4、接触器结构原理分析

新能源汽车上的接触器本质上是一种带有保护性质的电路控制开关，用于控制动力电池充放电回路的通断，是新能源汽车动力系统的核心元件。如图4所示为接触器结构示意图，为避免高压电路在通断时产生的电弧烧蚀触点，一般为全密封结构，并在内腔充注隋性气体。

接触器的的工作原理与普通继电器基本一致。如图5所示，初始状态下高压触点常开，高压回路断开；线圈通电后产生磁场吸合连接片，触点连通，高压回路接通。这样即可通过线圈内12V低压电控制高压触电回路中的高压电。

接触器控制方式一般有两种，即搭铁控制和拉低控制。比如在长安CS15纯电动汽车上，BMS给接触器线圈一端提供12V工作电源，通过控制另一端搭铁来控制线圈电流的通断，进而控制接触器的通断。而在比亚迪E5纯电动汽车上，BMS同时给接触器线圈的电源端和控制端提供12V电压，此时线圈两端电压相等，无电流流过，触点断开；当需要该接触器工作时，BMS将线圈控制端电压拉低至1V以下，此时线圈内电流从电源端流到控制端，产生磁场吸合连接片，触点连通。

5、预充故障案例分析

5.1 故障现象

一辆比亚迪E2纯电动汽车，踩下制动踏板、按下启动按钮，仪表显示“EV功能受限”，主告警灯点亮、动力系统故障指示灯点亮、OK灯不亮（如图6所示）。

5.2 故障诊断仪检测

连接故障诊断仪，进入电池管理模块读取故障码，显示故障码为：P13AF00，预充接触器回检故障；进一步读取动态数据流，选择“预充状态”显示为“预充失败”。

5.3 故障分析

根据故障诊断仪检测结果，判断故障原因为预充故障，导致该故障的具体原因可能有：

(1)预充接触器电源故障；

(2)预充接触器控制信号故障；

(3)预充接触器本身损坏。

因此，接下来应对预充接触器电源信号和控制信号进行检测，如果两者都正常则可判断为接触器本身故障。

5.4 万用表检测

查阅维修资料，找到电池管理系统预充接触器电源及控制线路，如图7所示。

(1)万用表选择直流电压20V档位，红笔连接电池管理模块BK45A口7号线，黑笔搭铁，启动车辆，测量预充接触器电源端电压为0V，正常值应为12V。

(2)万用表选择直流电压20V档位，红笔连接电池管理模块BK45A口21号线，黑笔搭铁，启动车辆瞬间，测量预充接触器控制端电压为0V，正常值应为12V→0V。

根据检测结果可判断，该车预充接触器电源故障，导致预充接触器无法工作，动力电池不能完成预充，所以无法上高压电。

进一步查阅维修资料可知，预充接触器电源来自保险丝F1/9提供的IG3电（如图8所示），为准确找到故障点，接下来需检测电池管理模块IG3供电电路。

(1)万用表选择直流电压20V档位，红笔先后连接保险丝F1/9前、后端，黑笔搭铁，启动车辆，分别检测F1/9前、后端电压为12.3V和12.2V，结果正常，说明IG3供电正常；

(2)万用表选择直流电压20V档位，红笔连接电池管理模块BK45B口8号线，黑笔搭铁，启动车辆，检测BK45B口8号线电压为0V，正常值应为12V;

(3)车辆下电，断开蓄电池负极，万用表选择电阻200Ω档位，红笔连接F1/9后端，黑笔连接BK45B口8号线，测量电阻为无穷大，正常值应小于1Ω。

根据检测结果可知，保险丝F1/9至电池管理模块BK45B口8号线连接线路断路，修复后故障排除，车辆正常上高压、系统正常。

5.5 故障结果分析

由于保险丝F1/9至电池管理模块BK45B口8号线连接线路断路，导致电池管理模块IG3供电故障，使得预充接触器线圈供电异常而无法工作，最终导致动力电池预充失败、车辆无法上高压电。

6、总结

新能源汽车高压系统中，由于电机控制器内母线电容的存在，高压上电时为避免瞬间大电流损坏高压回路及高压部件，专门设计了预充控制。即：先闭合预充接触器（Kp），利用预充电阻的限流作用，在完成对母线电容的预充电后再闭合正极接触器，对外输出高压电。两个环节存在逻辑先后关系，如果预充没有完成或预充失败，BMS将不会闭合正极接触器（K+），新能源汽车不能上高压电，仪表OK灯或READY灯将不会点亮。因此在新能源汽车不能正常上高压电的故障诊断中，要特别关注预充状态动态数据流，若数据显示“未预充”或是“预充失败”，则需要对预充接触器线圈的供电电源、控制信号等进行相应检测，最终确认并排除故障。

参考文献:

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[6]刘金配,黄祖朋.电动汽车预充电电路设计研究[J].汽车实用技术,2021,46(10).

文章来源：景志敏,周欢.新能源汽车预充控制原理及故障案例分析[J].内燃机与配件,2022(05):136-138.