干貨知識：新能源汽車中預(yù)充電阻的選型及分析

最近幾年，新能源汽車在中國得到迅猛發(fā)展。由于其高效、節(jié)能、低噪聲、無污染等特點(diǎn)，它已成為國內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的新趨勢。雖然應(yīng)用在新能源汽車上的電源、驅(qū)動以及控制系統(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，這就使得電動汽車在電路設(shè)計和所使用的元器件選型上要做更加全面和認(rèn)真的考量。作為電動汽車動力部分的電池管理系統(tǒng)，它的安全性、可靠性、穩(wěn)定性無疑是整車性能的關(guān)鍵。本文針對電池管理系統(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，會對繼電器、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)都會涉及高壓預(yù)充環(huán)節(jié)，這是因為電機(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)啟動無預(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

啟動時可能的最高環(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)到充電電壓時所需的時間

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)和脈沖的間隔時間分別是？

電池被濫用時，要求電阻保持正常工作狀態(tài)持續(xù)的時間

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，在這么短的時間內(nèi)，電流通過電阻絲或電阻體所產(chǎn)生的高熱量來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。所以我們要先計算啟動時的脈沖能量，然后再選擇合適的電阻方案。

如果是單個脈沖， 能量計算如下：

如果是連續(xù)脈沖，當(dāng)脈沖的間隔時間很短（比如小于1s）時，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計算總的脈沖能量。

總能量＝單個脈沖能量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)束時負(fù)載端電壓

一般來說，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)充時間最大為300ms，當(dāng)電容電壓達(dá)到電源電壓95％時，單個脈沖的能量為

E ＝ 1／2CV2＝442J

如果是短時間內(nèi)連續(xù)5個脈沖，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

基于以上計算，接下來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，可以在短時間內(nèi)吸收極高的能量， 而且沒有寄生電感，反應(yīng)時間非?？臁Ｃ绹圃焐蘇ANTHAL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，如果是單個脈沖，一個252AEC的電阻就可滿足，如果是連續(xù)脈沖，需2個253AEC并聯(lián)或串聯(lián)使用。 除此之外，我們還根據(jù)市場需求研發(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，我們時常會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，在其測試和使用中出現(xiàn)嚴(yán)重失效甚至電阻爆炸的案例?；诖爽F(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。