1、預充電保護必要性及原理
1.1 動力電池系統預充電保護必要性
根據電動汽車和人體安全標準，在最大交流工作電壓小于660V，最大支流工作電壓小于1000V，以及整車質量小于3500kg的條件下，電動汽車的高壓安全要求如下:
1)人體的安全電壓低于36V，觸電電流和持續時間乘積的最大值小于30mA·s。
2)絕緣電阻除以蓄電池的額定電壓應大于500Ω/V。
3)高于60V的高壓系統的上電過程至少需要100ms，在上電過程中應該采用預充電過程來避免高壓沖擊。
4)在任何情況下，繼電器斷開時間應小于20ms，當高壓系統斷開后的1s內汽車的任何導電部分和可觸及部分搭鐵電壓的峰值應小于42.4VAC或60VDC。
根據上述安全要求可知，預充電保護管理是電動汽車必不可少的重要環節。電動汽車預充電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的火花拉弧，降低沖擊，增加安全性。
1.2 動力電池系統預充電保護工作原理
以某純電動汽車動力電池及其管理系統、電機控制器、預充電系統為例，其預充電工作原理。
如果沒有預充回路，即沒有預充繼電器和預充電阻支路，那么由于電動汽車動力電源回路中存在容性負載，在接通回路的瞬間，高壓系統繼電器將突然閉合，這時電容的電量為零，根據電路的瞬態特性可知，電容相當于短路，并且回路電阻(包括電池內阻、高壓線電阻、各接觸點的接觸電阻、熔斷器的內阻等)在幾十毫歐左右，所以高壓系統的瞬態電流就變得很大，從而產生一個幾千安培的大電流沖擊。如果不采取有效的防護措施，這種瞬態沖擊電流不僅會燒毀主、負繼電器，也會對整個動力電源回路及其他用電設備造成嚴重的損壞，同時也完全有可能危及到駕乘人員的人身安全。
而在供電回路中加入預充電回路，當動力電源上電時，總負繼電器、預充繼電器和預充電阻Ｒ構成的預充電回路先接通。當預充電電路工作時，負載電容C上的電壓UC越來越高(預充電電流IP=(UB－UC)/Ｒ越來越小)，當接近動力電池電壓UB時(即UB和UC的差值△U足夠小，一般小于UB的10%)，接通總正繼電器，再切斷預充電繼電器，完成預充，從而減少了接觸器的火花拉弧，緩解高壓系統沖擊，提高了安全性。
1.3 動力電池系統預充電完成判斷方法
對于預充電完成的判斷，現有技術的預充電控制策略研究基本分為3種:
1)采集電機控制器直流母線電流，當直流母線電流接近0A時，輸出預充完成信號。
2)分別采集車載動力電池的電壓、電機控制器電壓，然后將兩個電壓值進行比較，兩處電壓趨于相等時，輸出預充完成信號。
3)采集電機控制器直流母線電壓，當直流母線電壓達到設定的欠壓保護點時，經過延時(一般延時0.1～0.4s)后，輸出預充完成信號。由于電流傳感器和電壓電流采樣精度有偏差，動力電池管理系統有一致性、器件穩定性等問題，控制器輸出預充完成信號時實際預充電可能尚未完成，導致車載動力電池與預充電容直流母線存在電壓差，存在未消除瞬時大電流沖擊的風險，影響電機控制器的安全性和可靠性;或者輸出預充完成信號時實際預充電早已完成，導致控制率降低。
為準確判定預充電狀態、故障情況，在動力電池上電的預充過程中，電池管理系統(BMS)和電機控制器(IPU)會對AD采樣數據、IPU延時繼電器的延時時間和電流傳感器的電流檢測等參數進行監測。由于預充電阻Ｒ對電流傳感器的檢測精度和IPU的延時時間設定影響很大，所以預充電阻的選型設計是預充電回路的關鍵。
2、預充電電阻選型設計
本文中所涉及到的電阻相關參數、曲線均來源于電阻廠家。
2.1 性能要求
以該純電動汽車實際參數為例，該整車動力電池系統由4并36串三元鋰電池組成，整車電壓平臺為133.2V，最高電壓U為151.2V，電芯規格為3.7V，37Ah，電容容量C為7700μF。
1)預充電電路實為一個ＲC電路，如圖1所示。ＲC時間常數不能太長，過長的ＲC時間將導致充電電流下降緩慢，從而導致電阻的平均功率較大，產生不必要的損耗和過長的上電時間，因此預充電時間控制在700ms以內;并且根據經驗，預充時間≥200ms為宜。
2)預充電電壓達到電池電壓的95%以上。
3)電阻值偏大時，充電電流小，充電時間長，功率值偏小。但是阻值過小，易造成溫升和功率損耗。
2.2 預充電阻阻值計算
根據ＲC電路的一階電路零狀態響應方程可計算得:
UC=Umax(1－e－t/τ)
式中:UC為預充時電容兩端電壓;Umax為動力電池兩端的最大電壓，即151.2V;t為預充時間;τ為時間常數，τ=ＲC;Ｒ為預充電阻阻值;C為電機電容，7700μF。
當預充電壓達到電池最大電壓的95%，即UC=Umax×0.95時，根據方程解得:t=3ＲC。當t=700ms時，計算得Ｒ=30Ω;當t=200ms時，計算得Ｒ=9Ω。
由上可知，預充電阻值在9～30Ω范圍內均能滿足要求，根據實際的預充時間要求，實際選擇電阻值為20Ω。
預充時間t=3ＲC=3×20×7700=462ms。
即電容兩端的電壓從0上升到動力電池兩端電壓的95%時的時間為462ms，符合要求。
2.3 預充電阻功率計算
2.3.1 ＲC電路能量消耗計算
電動汽車的高壓預充電回路實為一個ＲC回路，因此ＲC電路接通直流電壓電源時，電源即通過電阻對電容進行充電。在充電過程中，電源供給的能量一部分轉換成電場能量儲存在電容中，一部分被電阻轉變為熱能損耗［6］，電阻消耗的電能計算如下:
設定電容容值為C，直流電源為電壓源且電壓為U，充電過程中電路中的電流I是時間t的函數。則當電容達到穩定狀態時，直流電源提供的總能量W1=∫U·I(t)·dt=C·U2=7700×151.22=176J;且電容儲存的能量W2=0.5·C·U2=0.5×7700×151.22=88J;電阻消耗的能量W3=W1－W2=88J。
通過以上公式可知，不論電路中電容C和電阻Ｒ的數值為多少，在充電過程中，電源提供的能量有一半將轉變為電場能量儲存在電容中，另一半則為電阻所消耗。由此可知，無論電阻值為多少，其消耗的能量為定值，而電阻標稱的額定功率只是自身與外界進行熱交換的能力，是在電阻長期工作達到熱平衡時的熱交換功率，即散熱功率;而預充電阻的使用工況不可能讓電阻絲達到熱平衡，因為預充電過程中，預充時間極短，僅毫秒級別的預充時間，且電阻承受的是脈沖作用，所以關注電阻本身額定功率是無意義的，在ＲC回路中我們關注的是電阻的瞬時能量的耐受極限，即熱容量。
一般來說，在脈沖作用下，由于瞬時產生的熱量都集中在電阻體中來不及散出去，電阻體部分的溫度可能瞬時會遠大于周圍絕緣材料、覆膜材料的溫度，嚴重時會達到電阻體的熔點或者損壞接觸的覆膜材料。這時候電阻的過載能力受瞬時能量(即脈沖能量)的限制［7］。并且當功率過載的脈沖持續時間在100ms以上時，過載功率倍數因子(標稱功率)隨著脈沖持續時間的增長呈單調下降趨勢。