【導(dǎo)讀】最近幾年，新能源汽車在中國(guó)得到迅猛發(fā)展。由于其高效、節(jié)能、低噪聲、無(wú)污染等特點(diǎn)，它已成為國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。雖然應(yīng)用在新能源汽車上的電源、驅(qū)動(dòng)以及控制系統(tǒng)在理論上與工業(yè)中的應(yīng)用沒有太大區(qū)別，但由于汽車在不同工況環(huán)境下對(duì)安全性、穩(wěn)定性、可靠性等方面都有極高要求，這就使得電動(dòng)汽車在電路設(shè)計(jì)和所使用的元器件選型上要做更加全面和認(rèn)真的考量。作為電動(dòng)汽車動(dòng)力部分的電池管理系統(tǒng)，它的安全性、可靠性、穩(wěn)定性無(wú)疑是整車性能的關(guān)鍵。本文針對(duì)電池管理系統(tǒng)中預(yù)充電阻的選型作以下分析和討論。
什么是預(yù)充電阻？簡(jiǎn)單的說就是上電初期電源要向電容充電，如果不加以限制，充電電流過大，會(huì)對(duì)繼電器、整流器件和待充電容造成較大沖擊，所以用電阻限流，這里用到的電阻就是預(yù)充電電阻。
新能源汽車的電池管理系統(tǒng)都會(huì)涉及高壓預(yù)充環(huán)節(jié)，這是因?yàn)殡姍C(jī)控制器（就是我們常說的逆變器）都帶有較大的母線電容。冷態(tài)啟動(dòng)無(wú)預(yù)充電情況下，如主繼電器直接接通，電池高壓將直接加載到空的母線電容上，相當(dāng)于瞬間短路，極大的瞬間電流會(huì)損壞繼電器。加入預(yù)充電阻后，通過預(yù)充電回路先將母線電容進(jìn)行預(yù)充電，這樣主電路接通時(shí)的電流就可以控制在安全的范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。
我們可以從以上介紹了解到，預(yù)充電電阻是電池管理系統(tǒng)中不可或缺而且十分關(guān)鍵的器件。那么針對(duì)此應(yīng)用我們應(yīng)該如何分析及如何選擇合適的電阻呢？
在電阻選型前，我們首先要清楚地了解使用工況及參數(shù)要求，歸納如下：
•高壓電池電源輸出電壓
•繼電器的額定電流
•母線電容容值
•啟動(dòng)時(shí)可能的最高環(huán)境溫度
•電阻的溫升要求
•電容預(yù)充所需達(dá)到的電壓
•達(dá)到充電電壓時(shí)所需的時(shí)間
•單次脈沖還是連續(xù)脈沖？
•如果是連續(xù)脈沖，電阻能抵抗連續(xù)脈沖的次數(shù)和脈沖的間隔時(shí)間分別是？
•電池被濫用時(shí)，要求電阻保持正常工作狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間
•電阻的安裝結(jié)構(gòu)和接線方式
•絕緣電壓的要求
在了解了詳細(xì)工況和參數(shù)后就需要做一些基本的計(jì)算。通常情況下預(yù)充電被要求在500ms內(nèi)完成，在這么短的時(shí)間內(nèi)，電流通過電阻絲或電阻體所產(chǎn)生的高熱量來(lái)不及被電阻的骨架吸收，電阻絲或電阻體本身將不得不承擔(dān)絕大部分脈沖的能量。所以我們要先計(jì)算啟動(dòng)時(shí)的脈沖能量，然后再選擇合適的電阻方案。
如果是單個(gè)脈沖， 能量計(jì)算如下：
如果是連續(xù)脈沖，當(dāng)脈沖的間隔時(shí)間很短（比如小于1s）時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中耗散能量的比例很小，我們一般可以用線性累積來(lái)計(jì)算總的脈沖能量。
總能量=單個(gè)脈沖能量x連續(xù)脈沖數(shù)量
然后再確定一下預(yù)充電阻的阻值：
T = RC * Ln[(Vbat - V0)/( Vbat - Vpre)]
其中：T=預(yù)充電時(shí)間
R=預(yù)充電阻
C=負(fù)載端電容
Vbat=電池包電壓
V0=負(fù)載端閉合高壓前的電壓（可表示為0）
Vpre=預(yù)充結(jié)束時(shí)負(fù)載端電壓
一般來(lái)說，Vpre選擇為總電壓Vbat的90%或者95%，這里認(rèn)為是90%，所以公式可以表示如下：
T = RC * Ln10
則R = T / (C * Ln10)
實(shí)例分析：若總電壓為700V，負(fù)載電容C為2000uF，設(shè)定預(yù)充時(shí)間最大為300ms，當(dāng)電容電壓達(dá)到電源電壓95%時(shí)，單個(gè)脈沖的能量為
E = 1/2CV2 = 442J
如果是短時(shí)間內(nèi)連續(xù)5個(gè)脈沖，總的脈沖能量約為
E總= 442*5 = 2210J
預(yù)充電阻的阻值為
R = T / (C * Ln10) = 300 / 4.60 = 65.2Ω
基于以上計(jì)算，接下來(lái)如何選擇合適的電阻呢？通常用于電池包預(yù)充電阻的方案有如下幾種選擇，我們先來(lái)比較一下不同類型電阻的特性。
通過比較，我們可以看到，實(shí)芯陶瓷電阻在性能上非常適用于預(yù)充電和泄放的應(yīng)用。盡管它體積小，但由于是實(shí)芯陶瓷結(jié)構(gòu)，相對(duì)于繞線電阻的電阻絲，有更高的比熱容和質(zhì)量，可以在短時(shí)間內(nèi)吸收極高的能量， 而且沒有寄生電感，反應(yīng)時(shí)間非?？?。美國(guó)制造商KANTHAL是陶瓷實(shí)芯電阻行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，下面是這款KANTHAL電阻的一些具體參數(shù)。
依據(jù)上面的參數(shù)，結(jié)合上述實(shí)例的需求，如果是單個(gè)脈沖，一個(gè)252AEC的電阻就可滿足，如果是連續(xù)脈沖，需2個(gè)253AEC并聯(lián)或串聯(lián)使用。 除此之外，我們還根據(jù)市場(chǎng)需求研發(fā)了其他封裝類型的預(yù)充電阻，如下圖所示。
基于實(shí)芯陶瓷電阻開發(fā)的預(yù)充電阻HECR系列
最近，我們時(shí)常會(huì)接觸到一些在電池包中用鋁殼繞線電阻做預(yù)充電阻的產(chǎn)品，在其測(cè)試和使用中出現(xiàn)嚴(yán)重失效甚至電阻爆炸的案例。基于此現(xiàn)狀就有了本文的討論，希望可以為讀者提供在該應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)于電阻選型的有用信息。
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