CN109256841A - 一种电动汽车的预充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电动汽车技术领域，提供了一种电动汽车的预充电系统，包括：动力电池电路，包括负极与直流接触器的负极触头一端连接的动力电池，直流接触器的负极触头另一端连接高压负载；连接动力电池正极与高压负载之间的预充电电路，包括：预充电电阻，串联预充电触头后与直流接触器的正极触头并联；直流接触器的电磁机构连接整车控制单元。本发明在动力电池正极与高压负载之间连接预充电电路，用于完成对高压负载上电。正极触头和负极触头用作主触头，辅助触头用作预充电触头，利用正极触头与辅助触头之间的动作时间差，控制高压负载的上电。

Description

一种电动汽车的预充电系统

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，尤其涉及一种电动汽车的预充电系统。

背景技术

新能源汽车包括混合动力汽车，尤其是纯电动汽车含有较高的电池高压系统，作为能源提供系统和驱动系统，高压系统电池电压一般高于320V，有的大客车电池电压甚至达到600V，具有高电压、大电流的特点。电池系统的负载是电动机及其变频器系统，为确保其工作的稳定性，高压负载输入端接有较大容量的稳压电容；因为大容量电容负载，控制系统上电时的电流冲击，高压电路中设有预充电电路。

现有已公开的预充电技术的现状：以2013年《汽车电器》第五期发表的(电动汽车预充电过程研究)为例，其简化新能源汽车预充电电路结构如图1所示，由两个接触器（KM-1、KM-2）、一个预充电继电器KP和预充电电阻R来控制电容器负载上电，KM-1、KM-2的控制端A1、B1和预充电继电器KP的控制端C1均连接到BMS，蓄电池电压为324.6V，电源通过正极接触器KM-1、负极接触器KM-2向电容C与整车控制单元BMS（IGBT变频器）供电。当电动汽车上电时，管理系统发程序控制脉冲，使KM-1、KM-2接通，由于电容C两端电压接近0V，因连接导线及蓄电池内阻很小，一般小于0.02Ω，接通瞬间电流很大，会超过接触器的容许接通电流，使触头产生熔焊，致使上电过程失败。因此上电主令控制程序应该使与预充电继电器KP和预充电电阻R串联的电路和负极接触器KM-2首先同时接通，电容器C进行预充电后，再接通正极接触器KM-1，将预充电电阻R旁路，这样上电过程才能安全完成。现有技术中还提供一种如图2所示的新能源汽车预充电电路，其在图1所示结构基础上，预充电电阻用预充电电阻阵列替代。

因此，判断预充电完成是应该极为重视，现有技术的预充电控制策略大约分三种：1）采集蓄电池电压和采集负载电容器的电压值进行比较，两处电压接近相等时，发出预充电完成信号。2）采集变频器直流母线电流，当直流母线电流接近0A时，发出预充电完成信号。3）采集变频器直流母线电压，当直流母线电压达到设定的电压值，发出预充电完成信号。

已公开的中国专利 CN106564390A是采用控制器在控制负极继电器、预充电继电器和正极继电器依次接通之后，在确定电阻矩阵的有效电阻满足电阻功率，发出预充电完成信号。

已公开的中国专利CN106602622A也是采用控制器在控制负极继电器、预充电继电器和正极继电器依次接通之后，在确定预充电电阻温度值在设定范围之后，发出预充电完成信号。

从公开的现有技术分析，普遍存在如下缺陷：1）预充电电阻容易过热、烧坏、断路或短路，以致于不惜工本增加预充电电阻矩阵或增加实时监测，说明预充电电阻在上述几个电动汽车的高压预充电电路系统中，是一个关键的薄弱环节。2）需要用控制器严格按一定的顺序，控制三个继电器（接触器）和预充电电阻；3）控制系统结构由于复杂化的设计，对预充电过程进行检测、对比、监控导致普遍存在预充电成功率较低。

发明内容

本发明实施例提供一种电动汽车的预充电系统，旨在解决预充电电路中预充电电阻安全、可靠，任何情况下不会因通电时间过长，致使预充电电阻过载、烧坏的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种电动汽车的预充电系统，包括：

动力电池电路，包括负极与直流接触器的负极触头一端连接的动力电池，直流接触器的负极触头另一端连接高压负载；

连接动力电池正极与高压负载之间的预充电电路，包括：预充电电阻；预充电电阻串联预充电触头后与直流接触器的正极触头并联；

直流接触器的电磁机构连接整车控制单元。

更进一步地，所述整车控制单元替换为一个主令开关，对所述直流接触器的电磁机构上电，接通负极触头、预充电触头、正极触头，使预充电电阻安全上电。

更进一步地，所述直流接触器采用一台直流接触器或者两台直流接触器；所述两台直流接触器的电磁机构均与整车控制单元连接。

更进一步地，所述直流接触器采用一台直流接触器时，所述预充电触头包括：第一预充电触头和第二预充电触头；

预充电电阻一端串联第一预充电触头，另一端串联第二预充电触头，串联的第一预充电触头、预充电电阻、第二预充电触头与直流接触器的正极触头并联。

更进一步地，所述直流接触器采用一台直流接触器或者两台直流接触器；当采用两台直流接触器时，所述负极触头和辅助触头属于一台直流接触器，所述正极触头和预充电触头属于另一台直流接触器，且所述两台直流接触器的电磁机构均与整车控制单元连接。

更进一步地，所述直流接触器采用一台直流接触器时，所述负极触头的开距、预充电触头的开距，比所述正极触头开距小0.8~1mm。

更进一步地，所述直流接触器采用两台直流接触器时，所述负极触头的开距、预充电触头的开距，比所述正极触头开距小0.8mm ~1mm。

更进一步地，所述直流接触器采用两台直流接触器时，所述整车控制单元控制两台直流接触器的电磁机构同时上电。

更进一步地，所述直流接触器采用一台直流接触器时，所述系统还包括：红指示灯和绿指示灯；红指示灯一端接在第一预充电触头与预充电电阻之间，另一端接地；绿指示灯一端接在第二预充电触头与预充电电阻之间，另一端接地。

更进一步地，所述直流接触器采用两台直流接触器时，所述系统还包括：红指示灯；红指示灯一端接预充电触头，另一端接地。

本发明的有益效果为：本发明提供的电动汽车的预充电系统代替了传统的由两个接触器、一个预充电继电器和预充电电阻来控制电容器负载上电的技术方案。在本发明提供的电动汽车的预充电系统中， 在动力电池正极与高压负载之间连接预充电电路，用于完成对高压负载上电。直流接触器具有两对主触头和两对辅助触头，除一个控制电源正极的正极触头外，其余三对均为小开距触头，利用正极触头和辅助触头的动作时间差，控制高压负载的上电，当直流接触器的电磁机构线圈得电时，使连接电源负极的负极触头和辅助触头先闭合，将预充电电阻接入电路，实现预充电，若干ms后连接电源正极的正极触头闭合，将预充电电阻及用作预充电开关的辅助触头旁路，完成对高压负载的上电过程。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术提供的一种新能源汽车预充电电路图；

图2是现有技术提供的另一种新能源汽车预充电电路图；

图3是本发明实施例提供的一台直流接触器时电动汽车的预充电系统电路图；

图4是本发明实施例提供的两台直流接触器时电动汽车的预充电系统电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本发明实施例提供了一种电动汽车的预充电系统，如图3-4所示，包括：

动力电池电路100，包括负极与直流接触器的负极触头KM2一端T2连接的动力电池，直流接触器的负极触头KM2另一端L2连接高压负载300；

连接动力电池正极与高压负载300之间的预充电电路200，包括：预充电电阻R；预充电电阻R串联预充电触头后与直流接触器的正极触头KM1并联；

直流接触器的电磁机构连接整车控制单元BMS。

本实施例中，在动力电池的正极与高压负载之间连接预充电电路200，用于完成对高压负载300（电容C）上电。正极触头KM1和负极触头KM2用作主触头，辅助触头用作预充电触头，利用正极触头与辅助触头之间的动作时间差，控制高压负载300（电容C）的上电，当直流接触器的电磁机构线圈得电时，使连接电源负极的负极触头和辅助触头先闭合，将预充电电阻R接入电路，实现预充电，若干ms后连接电源正极的正极触头闭合，将预充电电阻R及用作预充电开关的辅助触头旁路，完成对高压负载300（电容C）的上电过程。预充电电阻R串联预充电触头，并设置在充有保护气体的密闭壳体中，人工致损的机率很小，通电时间是产品上电过程中触头运动速度和距离所决定的，仅有几毫秒通电时间，预防了过热事故的发生，杜绝了预充电电阻给电动汽车的高压系统和预充电带来安全隐患，工作可靠，安全性高，且控制程序少，操作简单，上电速度快，上电成功率高。

预充电电阻R选用直径0.45mm的铁铬鋁合金Cr25Al5电热合金电阻线，长度依据要求确定，对于动力电池的电压大于500V的电动汽车，电阻线的长度大约400mm；对于动力电池的电压为320V的电动汽车，电阻线的长度大约240mm。

需要说明的是，在本发明实施例中，以两个例子验证上述预充电开关及预充电电阻的大电流冲击能力：

例1、以某公司生产的电动汽车说明：动力电池的电压为324.6V，由于预充电时间不需要几百毫秒的时间，本发明实施例利用直流接触器的动作时间作为控制预充电时间（约几毫秒），按预充电时间为6毫秒来计算，直流接触器的付触头的发热电流可达到I =20A，从国家标准GB/T14048.5-2017第7.2.4.1条，接通分断能力中规定：对于AC-13负载类别，短时过载为10倍40毫秒，从发热量计算如果通电时间为6毫秒，电流可容许值：IP=I×I×10×40/6=20×20×10×40/6 =26666.7A2，当通电时间为6毫秒时，此时电流可容许值 I=163A，此时预充电电阻最小值为：324.6/163=1.99Ω；本发明实施例取R=2.0Ω，预充电开关接通瞬间，流过预充电开关进入电容C的最大电流：IP=UB/R=324.6/2.0=162A；UB为动力电池的电压，由此可以看出预充电开关和预充电电阻都是安全可靠的。

例2、动力电池的电压为576V，从发热量计算通电时间为6毫秒的电流可容许值：此时电流可容许值仍为I=163A，此时预充电电阻R最小值为：576/163=3.53Ω；本发明实施例取R=3.6Ω，预充电开关接通瞬间，流过预充电开关进入电容C的最大电流：IP=UB/R=576/3.6=160A；由此可以看出预充电开关和预充电电阻都是安全可靠的。

在本发明实施例中，预充电电阻的选取对电器元器件承受大电流冲击的影响：

正极触头承受的大电流计算：以300A直流接触器的正极触头为例，利用一台直流接触器的动作时间作为控制预充电的时间（只有几个毫秒），最多按6毫秒计算（计算式中取10ms），根据国家标准GB/T14048.4-2010第8.2.4.4耐受过载电流中规定：8倍10秒计算得：

I×I×0.01=300A×300A×8×10S×1000ms

=7200000A.AS/0.01S=720000000A.A=26800A，如果预充电时间不超过10毫秒，直流接触器的正极触头可承受很大的电流。

在本发明实施例中，高压负载300（电容C，即高压负载端输入电容的等效电容）承受的大电流的计算：以某公司生产的电动客车为例说明：

动力电池的电压为576V，维持变频器稳定工作的电容容量为1800微法，最大峰值电流I=8000A，根据国家标准GB/T17702-2013电力电子电容器，第5.15.3耐久性试验 并按照 5.9对其进行1000次放电，但是峰值电流IP为1.4I，I为最大峰值电流，IP=1.4×8000A=11200A。

以上例说明电容C的容许充、放电电流值是可以在较大范围内选取，不必顾及电容在瞬间大电流冲击下损坏。

实施例二

本发明实施例提供了一种电动汽车的预充电系统，如图3-4所示，在实施例一的基础上，直流接触器采用一台直流接触器或者两台直流接触器；当采用两台直流接触器时，负极触头和辅助触头属于一台直流接触器，正极触头和预充电触头属于另一台直流接触器；两台直流接触器的电磁机构均与整车控制单元BMS连接。

本实施例中，直流接触器可以是一台具有两个常开主触头和两个常开辅助触头的直流接触器或者两台具有一个常开主触头和一个常开辅助触头的直流接触器，两种方式均能实现电磁机构线圈得电时使连接电源负极的负极触头和辅助触头先闭合，将预充电电阻R接入电路，实现预充电，若干ms后连接电源正极的正极触头闭合，将预充电电阻R及用作预充电开关的辅助触头旁路，完成对高压负载（电容C）的上电过程。

直流接触器是一台时，图3中A2是直流接触器线圈的控制端，连接到整车控制单元BMS；直流接触器是两台时，图4中的A3、B3分别是两台直流接触器线圈的控制端，连接到整车控制单元BMS。

实施例三

本发明实施例提供了一种电动汽车的预充电系统，如图3所示，在实施例二的基础上，直流接触器采用一台直流接触器时，预充电触头包括：第一预充电触头KP1和第二预充电触头KP2；

预充电电阻R一端X1串联第一预充电触头KP1，另一端X3串联第二预充电触头KP2，串联的第一预充电触头KP1、预充电电阻R、第二预充电触头KP2与直流接触器的正极触头KM1并联。

本实施例中，正极触头KM1的两端L1、T1分别连接第一预充电触头KP1、第二预充电触头KP2。预充电电阻R串联在两个预充电触头KP1、KP2之间，并设置在充有保护气体的密闭壳体中，人工致损的机率很小，通电时间是产品上电过程中触头运动速度和距离所决定的，仅有几毫秒通电时间，预防了过热事故的发生，杜绝了预充电电阻给电动汽车的高压系统和预充电带来安全隐患，工作可靠，安全性高，且控制程序少，操作简单，上电速度快，上电成功率高。

实施例四

本发明实施例提供了一种电动汽车的预充电系统，如图4所示，在实施例三的基础上，直流接触器采用两台直流接触器时，预充电触头包括第一预充电触头KP1；预充电电阻R串联第一预充电触头KP1后与直流接触器的正极触头KM1并联；负极触头KM2和电磁机构属于一台直流接触器，正极触头KM1和第一预充电触头KP1属于另一台直流接触器。

本实施例中，正极触头KM1的两端L1、T1分别连接第一预充电触头KP1、预充电电阻R。

实施例五

本发明实施例提供了一种电动汽车的预充电系统，在实施例三的基础上，直流接触器采用一台直流接触器时，负极触头KM2的开距、预充电触头的开距，比正极触头KM1开距小0.8~1mm。

本实施例中，当直流接触器是一台具有两个常开主触头和两个常开负载触头的直流接触器的时候，其中的主触头为正常开距，其余三个触头均为比正极触头开距小0.8~1mm的小开距，利用该直流接触器一次启动，触头接通电路的时间不同，完成预充电电阻控制高压负载（电容C）安全上电，并可以根据直流接触器的主触头、辅助触头以及高压负载（电容C）的承受瞬时大电流冲击的能力，设计预充电电阻并精确控制预充电的充电时间，确保预充电电阻不会发生烧坏的故障。

实施例六

本发明实施例提供了一种电动汽车的预充电系统，在实施例三的基础上，直流接触器采用两台直流接触器时，负极触头KM2的开距、预充电触头的开距，比正极触头KM1开距小0.8mm~1mm。

本实施例中，当直流接触器是两台具有一个常开主触头和一个常开辅助触头的直流接触器的时候，其中，作为主触头的正极触头为正常开距，其余三个触头均为比正极触头开距小0.8~1mm的小开距，利用正极主触头与辅助触头之间的动作时间差，控制高压负载（电容C）的上电，电磁机构线圈得电时，使连接电源负极的主触头和辅助触头先闭合，将预充电电阻R接入电路，实现预充电，若干ms后连接电源正极的主触头闭合，将预充电电阻R及用作预充电开关的辅助触头旁路，完成对高压负载（电容C）的上电过程。

实施例七

本发明实施例提供了一种电动汽车的预充电系统，在实施例三的基础上，直流接触器采用两台直流接触器时，整车控制单元BMS控制两台直流接触器的电磁机构同时上电。

本实施例中，两台直流接触器应选用同一厂家同一型号，通过两台直流接触器同时启动，触头接通电路的时间不同，完成预充电电阻控制高压负载（电容C）安全上电。

实施例八

本发明实施例提供了一种电动汽车的预充电系统，如图3所示，在实施例三的基础上，直流接触器采用一台直流接触器时，系统还包括：红指示灯D1和绿指示灯D2；红指示灯D1一端接在第一预充电触头KP1与预充电电阻R之间，另一端接地；绿指示灯D2一端接在第二预充电触头KP2与预充电电阻R之间，另一端接地。

本实施例中，绿灯变暗，需要补充电能，立即按启动按钮可实现快速上电，在充电过程中，红灯D1明亮时表示预充电电路在工作，绿灯D2在工作过程中从暗到亮，暗亮时表示预充电电路工作存在故障，负载电容两端的电压，没有达到预充电的要求。在充电完成后，红灯D1明亮时表示电池电压，绿灯D2明亮程度表示高压负载（电容C）两端电压。如果出现预充电故障通过两个指示灯能较为容易找出故障点。

实施例九

本发明实施例提供了一种电动汽车的预充电系统，如图4所示，在实施例三的基础上，直流接触器采用两台直流接触器时，系统还包括：红指示灯D1；红指示灯D1一端接预充电触头，另一端接地。

本实施例中，在充电过程中，红灯D1明亮时表示预充电电路在工作，在充电完成后，红灯D1明亮时表示电池电压。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动汽车的预充电系统，其特征在于，包括：

动力电池电路，包括负极与直流接触器的负极触头一端连接的动力电池，直流接触器的负极触头另一端连接高压负载；

连接动力电池正极与高压负载之间的预充电电路，包括：预充电电阻；预充电电阻串联预充电触头后与直流接触器的正极触头并联；

直流接触器的电磁机构连接整车控制单元。

2.如权利要求1所述的电动汽车的预充电系统，其特征在于，所述整车控制单元替换为一个主令开关，对所述直流接触器的电磁机构上电，接通负极触头、预充电触头、正极触头，使预充电电阻安全上电。

3.如权利要求1所述的电动汽车的预充电系统，其特征在于，所述直流接触器采用一台直流接触器或者两台直流接触器；所述两台直流接触器的电磁机构均与整车控制单元连接。

4.如权利要求3所述的电动汽车的预充电系统，其特征在于，所述直流接触器采用一台直流接触器时，所述预充电触头包括：第一预充电触头和第二预充电触头；

预充电电阻一端串联第一预充电触头，另一端串联第二预充电触头，串联的第一预充电触头、预充电电阻、第二预充电触头与直流接触器的正极触头并联。

5.如权利要求3所述的电动汽车的预充电系统，其特征在于，所述直流接触器采用两台直流接触器时，所述预充电触头包括第一预充电触头；预充电电阻串联第一预充电触头后与直流接触器的正极触头并联；所述正极触头和所述第一预充电触头属于一台直流接触器，所述负极触头和一组辅助触头属于另一台直流接触器。

6.如权利要求3所述的电动汽车的预充电系统，其特征在于，所述直流接触器采用一台直流接触器时，所述负极触头的开距、预充电触头的开距，比所述正极触头开距小0.8~1mm。

7.如权利要求3所述的电动汽车的预充电系统，其特征在于，所述直流接触器采用两台直流接触器时，所述负极触头的开距、预充电触头的开距，比所述正极触头开距小0.8mm ~1mm。

8.如权利要求3所述的电动汽车的预充电系统，其特征在于，所述直流接触器采用两台直流接触器时，所述整车控制单元控制两台直流接触器的电磁机构同时上电。

9.如权利要求3所述的电动汽车的预充电系统，其特征在于，所述直流接触器采用一台直流接触器时，所述系统还包括：红指示灯和绿指示灯；红指示灯一端接在第一预充电触头与预充电电阻之间，另一端接地；绿指示灯一端接在第二预充电触头与预充电电阻之间，另一端接地。

10.如权利要求3所述的电动汽车的预充电系统，其特征在于，所述直流接触器采用两台直流接触器时，所述系统还包括：红指示灯；红指示灯一端接预充电触头，另一端接地。