電機控制器為什么要預充電電路 ？

電動汽車預充電路的主要作用是給電機控制器(即逆變器)的大電容進行充電，以減少接觸器接觸時火花拉弧，降低沖擊，增加安全性。
我們知道，電容并聯在電源兩端的時候，當電源接通瞬間，電容兩端的電壓不會突變，而電容兩端的電流會突變。
如果沒有預充電路，那接觸器會因為大電流發生粘連或損壞，影響電機控制器的安全性和可靠性。

以上圖為例，假如無預充電路，整車動力電池系統由9并102串磷酸鐵鋰電芯串聯組成．電芯規格(3.2V 6.5Ah),蓄電池電壓326.4V，負載電容C電壓接近0，K+、K-閉合，相當于瞬間短路，負載電阻僅僅是導線和繼電器觸點的電阻，一般遠小于20毫歐。
根據歐姆定律，K+、K-閉合瞬間電流I=326.4／0.02=16320A，繼電器K+、K-必損壞。

預充電路設計

為了避免繼電器K+、K-損壞，加人預充電過程，與沖擊電器Kp，和預充R構成了預充電回路。
在高壓上電時，預充電回路先接通，負載電容C上的電壓Uc逐漸升高，預充電電流I =(Ub一Uc)／R越來越小,
當接近動力電池電壓90%時，切斷預充電繼電器Kp，接通主繼電器K+。

通常選擇預充電阻范圍為20～100Ω，假如選用R=25Ω。在預充繼電器接通一瞬間，最大電流Ip=326.4／25=13.056A。
此時，選擇預充繼電器容量15A．預充電回路安全。

預充電阻選型

電阻阻值計算

在電池系統設計中，電池的總電壓、負載電容C、和要求的預充時間t都是已經定義好的，將它們帶入上式，可以得到預充電阻的阻值R。其中，Ut代表經過預充時間t后，電容兩端到達的充電電壓值。

當經過預充時間t后，就會閉合主正繼電器；一般要求Ut≥95%*Us，還有的不是以百分比來判定，而是以二者的電壓差值來判定，例如經過預充時間t后，要求Us-Ut≤10V；

Ut的值也是經過仔細計算選取的，這個可以在后面繼電器選型里面討論。

預充電阻功率計算

預充電阻功率的選取格外重要，很多常見的預充電阻損壞案例就是由于功率選擇不合適造成的；但功率的選取又一直是個難題。
預充電阻所處的場景是瞬態脈沖充電的過程，而不是一個穩態的過程，一般時間持續0.5s左右就結束了。

在這么短的時間內，電阻內部產生的熱量是來不及散出去的，熱量完全聚集在電阻絲上面，所以它的功率的選型依據是由預充電阻的最大脈沖功率來決定的，而不是穩態功率。

預充電阻上瞬態電壓脈沖有以下幾種（圖片來源于網絡），我們第一個工作是把這些不規則的波形轉換成矩形波，轉換方法具體見圖中標識的虛線矩形波，其中峰值電壓Vp是沒有變化的（矩形波的轉換方法并不統一，可從廠家處獲取）。

上圖里面的尖形波與預充電阻上的電壓波形是相似的；轉換之后，我們即可得到單脈沖的持續時間t1和峰值功率Ppeak。
然后再參照預充電阻廠家推薦的最大單脈沖峰值功率表（如下圖，圖片來自于網絡），并按照一定比例去降額（例如Ppeak≤0.5*Pmax），來驗證選取的電阻是否合適。

上面是單個脈沖的場景，還有一種是連續幾個脈沖的場景：即somebody反復進行整車上下電，連續去預充，這樣就比較坑了。此時產生的熱量比單脈沖更大，而且間隔時間上面并不規律，散熱情況不好估計，所以保守計算可以按照單脈沖的幾倍最大功率去選型。還有就是溫度的降額，就不細說了。

預測電阻類型

功率電阻用于承受和消耗大量的功率，它們由具有高導熱性的材料制成，可實現高效冷卻。它們通常設計為與散熱器耦合，以便能夠消耗大量功率。

對于預充電阻（類似應用剎車電阻），常見的類型如下圖中的兩種，都是常見的金屬鋁殼電阻；這兩種電阻屬于功率電阻中的線繞電阻，但我更喜歡叫繞線電阻。

繞線電阻通常是在棒狀陶瓷絕緣基體或其他絕緣基體上面繞制電阻絲（如下圖），電阻絲為鎳鉻或錳銅等合金材料，電阻絲的兩端連接固定引腳，電阻絲通常涂有非導電涂料，外圍使用不同的封裝材料封裝（例如鋁殼封裝）。
鋁殼封裝的繞線電阻目前很普遍，其散熱能力很強，所以一般適用于大功率應用的場合。還有一種大家熟悉的陶瓷封裝的繞線電阻，我們更習慣稱之為水泥電阻，不過沒有前者頻繁用做預充電阻。

除了繞線電阻外，還有一種電阻方案叫做實心無感陶瓷電阻（如下圖），它與繞線電阻主要區別就是它通體導電，完全無電感。它是由粉末狀的電阻材料混合后，經過成型、高溫燒結、電極處理、封裝測試后制成，可以承受高能量、大脈沖的沖擊。

實例演算

接下來舉一個具體的例子：假設整車中，電池的電壓為Us=400V，負載電容C=1000uF，要求的充電時間為0.5s，即在0.5s后，電容充電到90%*Us，即Ut=360V，那么據此來計算預充電阻R的阻值。

根據前面講到的公式，可以直接得到R=0.5/(0.001xln10)=217Ω。

然后再把電阻上面的電壓波形轉換成矩形波，其中上電瞬間電容相當于短路，所以Vp=400V；那么預充電阻的峰值功率=VpxVp/R=400x400/217=737W，如果按照0.5倍來降額的話，則需要的電阻單脈沖峰值功率為737x2=1474W。

接著計算矩形波的時間，通過下式，因為電阻與電容兩端的電壓之和等于Us，所以電容兩端的電壓為Ut=（1-0.37）Us=0.63xUs，所以$\tau$=217x0.001xln(2.7)=0.216s，矩形脈寬t1=0.108s。

最后，根據得到的脈寬與單脈沖峰值功率，對比廠家的曲線，即可判斷出選型是否合理。

預充電路在使用中需要從整個系統的角度去考慮各個部件的上電時序，在母線的電容未完成預充時，不能打開總線負載（如下圖，例如DCDC，需要BMS完成預充后，再去開啟DCDC），否則會造成預充電阻流過持續的電流，加重發熱，甚至燒毀。

預充電路失效分析

通過監測預充過程中Uc、Ip的變化，檢測預充過程是否成功，是否有故障發生以及故障類型。

1)電壓Uc增長速度慢于預期、Ip增長速度大于預期

故障1：絕緣故障。
負載因故障有短路或較小阻性負載，如電容被擊穿等，會導致預充電過程中Uc始終上不去。
此時電流過大，預充電電阻放熱量增大，會燒毀電阻，同時導致預充電過程失敗，主繼電器不能接通，整車高壓無法正常工作。
此時，預充回路電流可能會流人整車低壓電氣網絡，存在與乘員直接接觸的隱患，故而在已確定故障情況下．應迅速斷開預充電回路。

故障2：RC變大。
在設計或安裝過程中，失誤會造成匹配不當；在使用中，因時間、環境等因素造成電容的電極腐蝕、電介質電老化與熱老化、自愈效應等失效，影響C的參數變化；線與線及線與電極的接觸電阻增大會造成R值變化。

2)電壓Uc增長速度快于預期、Ip增長速度大于預期

故障1：斷路、開路。
負載開路導致假預充電完成。可能的原因有負載未接線或者電容因故障斷路，如引出線與電極接觸表面氧化、接觸不良，造成低電平開路；液體電解質干涸或凍結等。
此時，BMS通過輸出El檢測到的Uc不是真正負載電容上的電壓，而是蓄電池組的開路電壓(OCV)，馬上得到虛假的Uc=Ub的信息，可能導致預充電結束，但因為輸出開路，并無危險。
但是，如果此時負載突然加上，因為預充電已結束，沒有預充電路的電阻R限制電流．將會產生超大電流，損害線路或繼電器。因此，在一般的預充電策略中，一上電就完成的可以判為故障，后續禁止進行。此種情況下可通過查詢預充電回路導通情況確定問題。

故障2：RC變小。
在設計或安裝過程中．失誤會造成匹配不當：電容在使用過程中隨著銀離子遷移、電介質分子結構改變、在高濕度或低氣壓環境中極間飛弧等原因造成C的參數值變小．影響預充結果。

為避免預充電失效情況發生，在各元件選取時，應首先選用汽車級產品，工業級產品不適用；某些易絕緣失效、易碰觸部位應在已有絕緣保護的前提下，添加額外保護措施，減少磨損以及人為原因對電路造成的損害，降低故障發生率。

下方是改變RC值和絕緣特性，實驗驗證條件下得出來的Uc值

---

https://mp.weixin.qq.com/s/znLbR-k_verl0QKCgJQwWg

總結

以上是生活随笔為你收集整理的电机控制器预充电路的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。