新能源汽車技術(shù)原理與維修（7）
——動力電池成組問題（1）

文：岳昇

新能源汽車技術(shù)原理與維修（7）
——動力電池成組問題（1）

文：岳昇

鋰離子電池的技術(shù)問題是制約純電動汽車的批量化生產(chǎn)和更多用戶接受使用的主要因素。驅(qū)動電機技術(shù)基本成熟，驅(qū)動電機技術(shù)在其他各個領(lǐng)域的發(fā)展，特別是在鐵路動車上的應(yīng)用，已經(jīng)為在汽車上的應(yīng)用做好了許多鋪墊。電控技術(shù)更不是問題，相比較繁雜的使用發(fā)動機的車輛電控系統(tǒng)來說，純電動汽車的電子控制技術(shù)要簡單許多。所以純電動汽車主要問題在于電池的成組使用管理（即電池Pack技術(shù)）和電池的比能量問題（圖1）。電池的比能量屬于電池技術(shù)問題，是以電化學(xué)專業(yè)為主的一個新領(lǐng)域；而電池成組使用管理問題，是影響電動汽車安全性、可靠性和動力性的關(guān)鍵問題，也是本文要探討的問題。

鋰離子電池在手機和電動工具上使用時，其電池的管理系統(tǒng)比較簡單，因為涉及并聯(lián)和串聯(lián)的電池個數(shù)不多，需求的電壓不高，一般控制好最高充電電壓、最低放電電壓以及溫度就可以了。當鋰離子電池在電動汽車上使用時，需求的功率高達數(shù)十千瓦，電壓300～600 V，電流高達100 A以上，這就需用數(shù)十個甚至是成百上千個電池并聯(lián)和串聯(lián)，而且負載有感性負載和容性負載，由此帶來一系列問題需要解決。例如對外上下電控制、供電高壓安全性、充放電電壓和電流的測量與控制、高壓線路絕緣監(jiān)測、繼電器觸點開閉狀態(tài)監(jiān)測、各串電池電壓檢測、總電量SOC計算、與整車控制器的通訊、向充電系統(tǒng)發(fā)送充電請求通訊等等。

不同的車型選用不同廠家的動力電池及其管理系統(tǒng)，每種動力電池電芯的并聯(lián)與串聯(lián)的數(shù)量也不相同（圖2）。這是整車廠與電池廠協(xié)調(diào)設(shè)計完成的。整車廠設(shè)計新車時，首先提出車輛的總體性能要求，包括整車滿載質(zhì)量、一般行駛速度、最高車速以及最高車速持續(xù)時間、加速性、爬坡度、車輛迎風面積和輪胎直徑等參數(shù)。我們可以初步依據(jù)這些參數(shù)，計算出車輛在不同車速時，車輛的迎風阻力、輪胎阻力、坡道阻力和加速時的驅(qū)動力等等。由此我們可以選出驅(qū)動電機的額定功率和最大功率。進一步我們可以選出動力電池的容量和工作電壓。根據(jù)續(xù)駛里程目標，可以計算出電池的功率。

接下來要確定電芯的材料、容量和數(shù)量，將它們并聯(lián)組成基礎(chǔ)模塊以達到容量要求；然后確定基礎(chǔ)模塊的數(shù)量，將他們串聯(lián)以滿足工作電壓的要求。當然還要綜合考慮動力電池布置的空間和環(huán)境，選擇圓柱形還是方形或者軟包電芯，以便于后期設(shè)計。

一、動力電池成組的硬件問題

1.電芯模塊、電池模組及模組布置

為了提升電池容量，需要把單個電芯進行并聯(lián)，通常把幾個容量、性能參數(shù)一致的電芯用激光焊接并聯(lián)組成基礎(chǔ)模塊，例如3個軟包電芯并聯(lián)（3P parallel），當然也可以更多的電芯并聯(lián)，如5P，甚至16P等。

為了提升電池電壓，則需要把電芯再進行串聯(lián)，因此再把幾個基礎(chǔ)模塊用激光焊接串聯(lián)成模塊，例如2個3P基礎(chǔ)模塊串聯(lián)為3P2S（series）電池模塊（圖3），或者3個3P基礎(chǔ)模塊串聯(lián)為3P3S電池模塊。同時，為了在動力電池內(nèi)的布置方便，模塊的組合方式有多種選擇：可以單用1個3P2S模塊，電池上面可以布置其他電器元件；也可以把2個3P2S疊放串聯(lián)成3P4S；還可以把1個3P2S和1個3P3S疊放組成3P5S。多種組合方式錯落有致的固定在動力電池底板上，方便了總體布局。

選用電芯時要保證一致性，包括容量一致性、內(nèi)阻一致性、充放電一致性、溫升一致性、壽命一致性。

電池基礎(chǔ)模塊或者模組要設(shè)置溫度傳感器，檢測電池溫度；溫度傳感器有的放置在串聯(lián)模組內(nèi)部（圖4），有的放置在模組極柱處（圖5），還有放置在串聯(lián)模塊的鎳板背面（圖6），鎳板用激光焊接到極柱上。每個電池基礎(chǔ)模塊設(shè)置了電壓檢測線，這些檢測信號線匯集到電池電壓與溫度控制單元（從控盒）；從控盒對每一個電芯（基礎(chǔ)模塊）的電壓隨時巡檢，檢測電芯的電壓、檢測電壓最高的電芯、檢測電壓最低的電芯；計算某個電池電壓偏離情況；根據(jù)電壓計算出電池的SOC數(shù)值，報告給電池主控盒，然后報告給整車控制器。

電池各個組合模塊必須用螺栓可靠地固定在動力電池的底板上，耐受沖擊振動，不得松動。

2.電池模組高壓串聯(lián)回路的連接方式

動力電池通常由90～100個電池串聯(lián)組成，電壓高達直流380 V（有些車達到600 V）。對外供電安全的措施必須可靠。電池模組用多層銅皮制成的成型母線帶，通過螺栓可靠連接。母線帶柔軟，避免因車輛振動導(dǎo)致母線與螺栓連接根部產(chǎn)生裂紋。母線帶外部用絕緣材料做了耐壓絕緣處理。

通常在串聯(lián)的高壓回路中，設(shè)置維修開關(guān)、正負母線繼電器、預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻和熔斷器（圖7）。維修開關(guān)設(shè)置在串聯(lián)回路的中間，同時維修開關(guān)內(nèi)部還有一個熔斷器（圖8），假如回路電流過大，熔斷器斷開，當維修開關(guān)拔出時，高壓回路呈開路狀態(tài)。正極和負極母線對外部負載輸出端分別接了繼電器，只有正負極母線繼電器都接通，才能對外供電或?qū)﹄姵爻潆姟?/p>

高壓母線還設(shè)置了電流檢測器件，目前有串聯(lián)在母線上的無感分流器方式和套裝在母線外部的霍爾傳感器方式（圖9）。兩種傳感器都是把檢測到的母線電流送到主控盒，用于控制母線輸出不能過流，充電和能量回收時電流不能過大。

3.預(yù)充電控制電路

新能源車的動力電池負載是電動機，例如驅(qū)動電機、空調(diào)電機。這些電機的控制器內(nèi)部都有電容，另外車載充電機、DC/DC控制器等內(nèi)部也有電容器。車輛斷電時，電容會放電到零，此時的電容對直流電來講是短路狀態(tài)。如果直接把370 V左右的直流電加到電容上，瞬時的浪涌電流會燒毀母線、燒蝕繼電器主觸點、擊穿電容器。為了避免此類事故發(fā)生，需要設(shè)置預(yù)充電電阻和預(yù)充電繼電器。

預(yù)充繼電器與預(yù)充電阻串聯(lián)后，并聯(lián)在正極母線繼電器2個主觸點之間。動力電池初始上電階段，不允許同時接通正、負極母線繼電器，一般是先由整車控制器接通負極母線繼電器，動力電池 BMS系統(tǒng)對高壓母線絕緣檢測合格、各個電池電壓合格后，接通預(yù)充電繼電器，電流從正極母線經(jīng)過預(yù)充電阻對負載中的電容器件先進行充電。當檢測到電容的兩端電壓接近母線電壓后，正極母線繼電器再閉合，隨后斷開預(yù)充電繼電器，動力電池對外正式供電。

4.高壓絕緣檢測盒

高壓絕緣檢測盒的任務(wù)一是高壓回路絕緣檢測，二是母線繼電器觸點開閉監(jiān)測。

如圖10所示，高圧絕緣檢測檢測點設(shè)置在動力電池內(nèi)高壓回路上，當動力電池沒有對外供電時，檢測盒對電池內(nèi)部高壓回路做絕緣檢測，當正負母線繼電器接通負載后，檢測盒對全部回路的絕緣進行檢測，檢測點放在正負母線繼電器主觸點上，檢測線連接到高壓絕緣盒內(nèi)部。

從預(yù)充繼電器、正極母線繼電器及負極母線繼電器的觸點處，分別引出檢測線送回高壓盒。各繼電器觸點開閉狀態(tài)可以從各自繼電器內(nèi)外兩觸點的電位是否相同作出判斷，通過主觸點兩端電位狀況與觸點控制信號目標比較，做出觸點工作是否正確的判斷，并報送上一級控制器。

絕緣檢測控制單元（圖11）接到高壓正負母線繼電器供電指令，立即開始對高壓回路進行絕緣監(jiān)測。無論電池內(nèi)部，還是外部負載端，只要高壓回路絕緣電阻值不合格、超過閾值，立即停止高壓供電，并在儀表板上報出高壓絕緣故障文字提示。同時，對各個繼電器觸點開閉狀態(tài)檢測，判斷總正繼電器、總負繼電器、預(yù)充繼電器的觸點是否按照控制策略正常開閉。通過相應(yīng)監(jiān)測點的電壓檢測，分析判斷各個繼電器觸點開閉狀況，報告動力電池的主控盒。

5.電芯電壓、溫度采集線束與從控盒布置

電芯電壓，溫度采集點與采集線束涉及的電壓都不高，一般不會到5 V，屬于低壓直流，但是和車身不能搭鐵，是絕緣的。每個電芯的采集線實際是把每個電池基礎(chǔ)模塊的正負極分別引出導(dǎo)線，連同溫度傳感器信號線，通過低壓線束匯集到從控盒（圖12）。

從控盒每一個采樣電阻對應(yīng)一組電池電極電壓采樣線，從采樣電阻上可以采集到各個串聯(lián)電池的電壓數(shù)據(jù)。從控盒對各個并聯(lián)模塊（或單獨大電芯）的電壓巡檢采集、計算與處理。從監(jiān)測數(shù)據(jù)中需要找出最高電壓電芯、最低電壓電芯，計算電芯電壓最高與最低的差值，差值應(yīng)小于0.03 V。充電時有一節(jié)電芯電壓達到充電截止電壓，即停止充電；放電時有一節(jié)電芯電壓降到放電截止電壓，即停止放電。

溫度采集單元用于采集監(jiān)控動力電池的單體或電池組的溫度，防止過溫導(dǎo)致熱失控，造成重大損失。在低溫充電時，溫度采集單元會給出信號指令，首先對電池加熱，達到一定溫度時再開通充電。

6.動力電池主控盒（BMS）的功能

BMS動力電池主控盒是動力電池的管理核心（圖13），是一個連接外部通訊和內(nèi)部通訊的平臺，主要功能如下。

（1）接收電池管理系統(tǒng)反饋的實時溫度和單體電壓（并計算最大值和最小值）。

（2）接收高壓絕緣盒反饋的絕緣、總電壓和電流情況。

（3）與整車控制器的通訊。

（4）與充電機或快充樁通訊。

（5）控制主繼電器。

（6）控制電池加熱。充電時當電芯溫度低于設(shè)定值，BMS控制加熱繼電器閉合，通過加熱熔絲接通加熱膜電路。

（7）起動鑰匙在ON擋時，對來自整車控制器的喚醒以及充電時來自整車控制器的喚醒作出應(yīng)答。

（8）控制充/放電電流。

（9）預(yù)充電控制。

（10）電池組SOC的測量與估算。

（11）整車電池數(shù)據(jù)的故障分析、判斷及在線報警。

（12）通過內(nèi)部CAN總線統(tǒng)計電池箱的電池數(shù)據(jù)及參數(shù)信息。

（13）通過CAN1與整車控制器通訊，發(fā)送電池狀態(tài)及告警信息。

（14）通過CAN2總線將電池數(shù)據(jù)發(fā)送至儀表和充電機。

（15）計算電池組最大允許充電電流，通過CAN2總線傳送給充電機，實現(xiàn)充電過程閉環(huán)控制。

（16）當監(jiān)測到電池出現(xiàn)過熱（參數(shù)由電池生產(chǎn)廠家決定，可修改）的時候，電池管理系統(tǒng)能啟動安裝在電池箱的冷卻風機，實施強制風冷從而讓電池組降溫，從而提高電池運行的穩(wěn)定性和延長電池的使用壽命。

（17）充電時當電芯溫度低于設(shè)定值，BMS控制加熱繼電器閉合，通過加熱熔絲接通加熱膜電路（圖14）。

圖15是某款車的動力電池控制盒，把從控盒、高壓絕緣盒、主控盒集成在一起，整個動力電池內(nèi)只有一個控制盒，完成全部管理功能。左側(cè)電路板下部是電池電壓采樣電阻群，左上部有絕緣檢測和繼電器觸點開閉檢測電路，右上部是計算、處理、執(zhí)行部分，輸出對三個繼電器的控制指令以及與整車控制器、充電機的CAN通訊。

動力電池模組放置在一個密封并且電磁屏蔽的動力電池箱里面。動力電池系統(tǒng)使用可靠的高低壓接插件與整車進行連接。動力電池箱體其防護等級為IP67，用螺栓緊固在車身地板下方，螺栓擰緊力矩為80～100 N?m。整車維護時需觀察電池箱體螺栓是否有松動，電池箱體是否有破損嚴重變形，密封膠墊是否完整，確保動力電池可以正常工作。

二、動力電池系統(tǒng)控制問題

1.動力電池為整車供電過程

動力電池為整車供電過程如下。

（1）起動鑰匙置于ON擋時，蓄電池提供12 V供電，對全車高壓有控制器的部件（動力電池、電機控制器、整車控制器、空調(diào)控制器、DC/DC控制器）進行低壓喚醒、初始化及自檢，如無故障，上報整車控制器VCU。

（2）動力電池內(nèi)部動力母線絕緣檢測合格，各個繼電器狀態(tài)正常，各個電池模組電壓溫度狀態(tài)合格，上報整車控制器VCU。

（3）VCU控制動力電池負極母線繼電器閉合，動力電池內(nèi)部主控盒控制預(yù)充電繼電器閉合，首先為負載端各個電容充電。

（4）電池管理系統(tǒng)根據(jù)充電阻兩端電壓狀態(tài)，檢測判斷到電容充滿電后，閉合正極母線繼電器，然后斷開預(yù)充電繼電器，此時儀表上出現(xiàn)RADEY燈符號。

（待續(xù)）

岳昇，北京匯智慧眾汽車技術(shù)研究院技術(shù)總監(jiān)，高級工程師，高級培訓(xùn)師，清華大學(xué)精密儀器系機械制造專業(yè)畢業(yè)。北京市汽車工業(yè)高級技工學(xué)校（原北京油泵油嘴廠技校）專業(yè)課教師，1988年赴聯(lián)邦德國進修，回國后長期陪同協(xié)調(diào)德國專家開展汽車維修檢測技術(shù)推廣支持工作，參與負責德國柏林機械與制造技術(shù)高級培訓(xùn)中心和戴姆勒-克萊斯勒柏林廠培訓(xùn)中心與北汽集團的合作項目工作。1995年再赴新加坡南洋理工學(xué)院進修學(xué)習，回國后長期從事汽車專業(yè)技術(shù)課的教學(xué)與培訓(xùn)工作。