预充电阻选型思考

lixinfu

功率电阻是用于承受和消耗大量的功率，它们由具有高导热性的材料制成，可实现高效冷却。它们通常设计为与散热器耦合，以便能够消耗大量功率。

对于预充电阻器，常见的类型如下图中的两种，都是常见的金属铝壳电阻；这两种电阻属于功率电阻中的线绕电阻。


干货：预充电路与预充电阻选型

绕线电阻通常是在棒状陶瓷绝缘基体或其他绝缘基体上面绕制电阻丝，电阻丝为镍铬或锰铜等合金材料，电阻丝的两端连接固定引脚，电阻丝通常涂有非导电涂料，外围使用不同的封装材料封装（例如铝壳封装）。铝壳封装的绕线电阻目前很普遍，其散热能力很强，所以一般适用于大功率应用的场合。还有一种大家熟悉的陶瓷封装的绕线电阻，我们更习惯称之为水泥电阻，不过没有前者频繁用做预充电阻。


干货：预充电路与预充电阻选型

在预充电阻选型前，我们首先要清楚地了解使用工况及参数要求，归纳如下：

1、高压电池电源输出电压

2、继电器的额定电流

3、母线电容容值

4、启动时可能的最高环境温度

5、电阻的温升要求

6、电容预充所需达到的电压

7、达到充电电压时所需的时间

8、单次脉冲还是连续脉冲？

9、如果是连续脉冲，电阻能抵抗连续脉冲的次数和脉冲的间隔时间分别是？

10、电池被滥用时，要求电阻保持正常工作状态持续的时间

11、电阻的安装结构和接线方式

12、绝缘电压的要求

在了解以上参数后就需要做一些基本的计算。通常情况下预充电被要求在300ms到500ms内完成，在这么短的时间内，电流通过电阻丝或电阻体所产生的高热量来不及被电阻的骨架吸收，电阻丝或电阻体本身将不得不承担绝大部分脉冲的能量。所以我们要先计算启动时的脉冲能量，然后再选择合适的电阻方案。

如果是单个脉冲， 能量计算如下：


干货：预充电路与预充电阻选型

如果是连续脉冲，当脉冲的间隔时间很短（比如小于1s）时，实际应用中耗散能量的比例很小，我们一般可以用线性累积来计算总的脉冲能量。


干货：预充电路与预充电阻选型

总能量=单个脉冲能量x连续脉冲数量

然后再确定一下预充电阻的阻值：


干货：预充电路与预充电阻选型

T = RC * Ln[(Us - U0)/( Us - Vt)]

其中：

T=预充电时间

R=预充电阻

C=负载端电容

Us=电池包电压

U0=负载端闭合高压前的电压（可表示为0）

Ut=预充结束时负载端电压

一般来说，Ut选择为总电压Us的90%或者95%，这里认为是90%，所以公式可以表示如下：

T = RC * Ln10

则R = T / (C * Ln10)

接下来举一个预冲电阻具体的例子：假设整车中，电池的电压为Us=400V，负载电容C=1000uF，要求的充电时间为500ms，即在500ms后，电容充电到90%*Us，即Ut=360V，那么据此来计算预充电阻R的阻值。

根据前面讲到的公式，可以直接得到R=0.5/(0.001*ln10)=217Ω。

然后再把电阻上面的电压波形转换成矩形波，其中上电瞬间电容相当于短路，所以Vp=400V；那么预充电阻的峰值功率=Vp*Vp/R=400*400/217=737W，如果按照0.5倍来降额的话，则需要的电阻单脉冲峰值功率为737*2=1474W。


干货：预充电路与预充电阻选型

接着计算矩形波的时间，通过下式，因为电阻与电容两端的电压之和等于Us，所以电容两端的电压为Ut=（1-0.37）Us=0.63*Us，所以τ=217*0.001*ln(2.7)=0.216s，矩形脉宽t1=0.108s。

最后，根据得到的脉宽与单脉冲峰值功率，对比厂家的曲线，即可判断出选型是否合理。

预充电路在使用中需要从整个系统的角度去考虑各个部件的上电时序，在母线的电容未完成预充时，不能打开总线负载（如下图，例如DC，需要BMS完成预充后，再去开启DC），否则会造成预充电阻流过持续的电流，加重发热，甚至烧毁。


干货：预充电路与预充电阻选

2. 预充电阻阻值和功率选则

预充电阻选型，我们能想到的至少包括两个方面，一是电阻阻值的选择，二是电阻功率的选择。

其它，还包括电阻类型/电阻峰值功率等。

先说电阻阻值的选择，这个比较简单，有统一明确的公式来计算。

T = RC * Ln[(Vbat - V0)/( Vbat - Vpre)]

式中：T为预充电时间，R为预充电阻，C为负载端电容，Vbat为电池包电压，V0为负载端闭合高压前的电压（可表示为0），Vpre为预充结束时负载端电压。

以上，假设T是1秒，C是0.002F，初始电压V0是0V，Vbat为800V，Vpre是95%*Vbat，即可计算出R需要的阻值: 166.9Ω，可以尽量选择容易购买的电阻阻值，我们这里选择200Ω（其实这里带入进去计算，反推到95%的Vbat电压时间点约在1.2S左右）. 也可以做成表格来填R的值，看下电容两端电压变化过程。



接下来比较不好确定的是电阻标称功率的选择。我们可以先计算一下这前面1.2S时间的电阻上平均功率，套用以下公式：



1.2秒内平均功率PA= 0.5*0.002*（800*0.95）^2 / 1.2= 481.33W

峰值功率为上电一瞬间，电容相当于短路时候的功率

峰值Pp= 800^2/200=3200W

如果按照以上要求来选择电阻，其实算要求有些过于高了。因为峰值功率其实就发生在上电那一瞬间，后面是逐步下降的。经过约1秒钟以后，电阻上的功率也就变的很小了。电阻标称功率 和峰值功率选择，网上有以下说法可以参考：

电阻标称功率 大于峰值功率的1/20即可，一般可选 8~10 分之1。如果按照1/8，3200W *1/8 = 400W.

电阻峰值功率，可以看电阻规格书，一般能够承持续5秒的峰值功率为标称的5倍，或者2.5倍标称电压 （也就是6.25倍标称功率）。规格书很少写1秒左右峰值功率的，但是网上说法是一般1秒钟峰值能承受20倍左右的标称功率。

示例1，2.5倍标称电压_5持续秒钟



示例2，5倍标称功率_5持续秒钟

所以即使按这个来选择的话， 3200W/5=640W.  640W是持续5秒的峰值，这个裕量已经很大了，因为我们的峰值功率就是一瞬间，远不到1S钟。可以根据这个值往下做选则。

所以根据以上1 和 2的解释，标称400W应该是足够 。

3. 预充电阻类型选择

我这边直接在网上找了个比较图，从图上可以看出实心陶瓷功率电阻是首选。但是我们以前一般选的还是黄金铝壳电阻。有用过实心陶瓷功率电阻的兄弟可以帮忙介绍下哦。