新能源汽車中預充電阻的選型及分析
作者：開步睿思 發表日期：2018-06-27 11:29:33
最近幾年，新能源汽車在中國得到迅猛發展。由于其高效、節能、低噪聲、無污染等特點，它已成為國內外汽車工業發展的新趨勢。雖然應用在新能源汽車上的電源、驅動以及控制系統在理論上與工業中的應用沒有太大區別，但由于汽車在不同工況環境下對安全性、穩定性、可靠性等方面都有極高要求，這就使得電動汽車在電路設計和所使用的元器件選型上要做更加全面和認真的考量。作為電動汽車動力部分的電池管理系統，它的安全性、可靠性、穩定性無疑是整車性能的關鍵。本文針對電池管理系統中預充電阻的選型作以下分析和討論。
什么是預充電阻？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充電電阻。
新能源汽車的電池管理系統都會涉及高壓預充環節，這是因為電機控制器（就是我們常說的逆變器）都帶有較大的母線電容。冷態啟動無預充電情況下，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，相當于瞬間短路，極大的瞬間電流會損壞繼電器。加入預充電阻后，通過預充電回路先將母線電容進行預充電，這樣主電路接通時的電流就可以控制在安全的范圍內，確保系統正常運行。
我們可以從以上介紹了解到，預充電電阻是電池管理系統中不可或缺而且十分關鍵的器件。那么針對此應用我們應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境溫度
?電阻的溫升要求
?電容預充所需達到的電壓
?達到充電電壓時所需的時間
?單次脈沖還是連續脈沖？
?如果是連續脈沖，電阻能抵抗連續脈沖的次數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持續的時間
?電阻的安裝結構和接線方式
?絕緣電壓的要求
在了解了詳細工況和參數后就需要做一些基本的計算。通常情況下預充電被要求在500ms內完成，在這么短的時間內，電流通過電阻絲或電阻體所產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：
如果是連續脈沖，當脈沖的間隔時間很短（比如小于1s）時，實際應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連續脈沖數量
然后再確定一下預充電阻的阻值：
T = RC * Ln[(Vbat - V0)/( Vbat - Vpre)]
其中：T=預充電時間
R=預充電阻
C=負載端電容
Vbat=電池包電壓
V0=負載端閉合高壓前的電壓（可表示為0）
Vpre=預充結束時負載端電壓
一般來說，Vpre選擇為總電壓Vbat的90%或者95%，這里認為是90%，所以公式可以表示如下：
T = RC * Ln10
則R = T / (C * Ln10)
實例分析：若總電壓為700V，負載電容C為2000uF，設定預充時間最大為300ms，當電容電壓達到電源電壓95%時，單個脈沖的能量為
E = 1/2CV2 = 442J
如果是短時間內連續5個脈沖，總的脈沖能量約為
E總= 442*5 = 2210J
預充電阻的阻值為
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，實芯陶瓷電阻在性能上非常適用于預充電和泄放的應用。盡管它體積小，但由于是實芯陶瓷結構，相對于繞線電阻的電阻絲，有更高的比熱容和質量，可以在短時間內吸收極高的能量， 而且沒有寄生電感，反應時間非常快。美國制造商KANTHAL是陶瓷實芯電阻行業的領導者，下面是這款KANTHAL電阻的一些具體參數。
依據上面的參數，結合上述實例的需求，如果是單個脈沖，一個252AEC的電阻就可滿足，如果是連續脈沖，需2個253AEC并聯或串聯使用。 除此之外，我們還根據市場需求研發了其他封裝類型的預充電阻，如下圖所示。
基于實芯陶瓷電阻開發的預充電阻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充電阻的產品，在其測試和使用中出現嚴重失效甚至電阻爆炸的案例。基于此現狀就有了本文的討論，希望可以為讀者提供在該應用領域關于電阻選型的有用信息。