寶馬I01電動(dòng)汽車高壓蓄電池

曹硯奎，韓洪江

（禹城汽車技術(shù)中心，山東德州 251200）

寶馬I01電動(dòng)汽車高壓蓄電池

曹硯奎，韓洪江

（禹城汽車技術(shù)中心，山東德州 251200）

高電壓蓄電池單元是寶馬電動(dòng)汽車I01驅(qū)動(dòng)裝置的蓄能器，相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的燃油箱。在車輛驅(qū)動(dòng)時(shí)，高壓蓄電池為車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電；在制動(dòng)能量回收時(shí)，可使高壓蓄電池進(jìn)行部分充電。該車可選裝一個(gè)小型兩缸汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)作為增程器，為高壓蓄電池充電。

高壓蓄電池的主要構(gòu)成組件：電池組件、電池監(jiān)控模塊、SME控制單元、熱交換器、線束（電氣、制冷劑、排氣）接口、殼體及固定部件。單只電池額定電壓為3.75V，屬于鋰離子電池，由韓國(guó)Samsung公司提供，在寶馬Dingolfing工廠組裝成完整的高壓蓄電池單元。表1為高壓蓄電池單元的技術(shù)參數(shù)。

表1 高壓蓄電池單元的技術(shù)參數(shù)

1 高壓蓄電池安裝位置及接口

寶馬電動(dòng)汽車I01高電壓蓄電池單元安裝在駕乘艙室的底部，如圖1所示。其中，蓄電池的排氣口位于高壓電池單元的右上端①位置，高壓電接口與排氣口相鄰，同樣位于高壓電池單元的右上端②位置；高電壓蓄電池單元位于③位置，框架及Drive控制模塊位于④位置；制冷劑高低壓管路位于高壓電池單元的左上端⑤位置；高電壓蓄電池單元的標(biāo)注名牌同樣位于電池單元的左上端⑥位置；與車輛通信聯(lián)系的12V車載網(wǎng)絡(luò)接口，位于制冷劑高低壓管路旁邊⑦的位置；膨脹截止組合閥與制冷劑高低壓管路相接，位于高壓電池單元的左上端⑧位置。

高壓電池單元利用12V車載網(wǎng)絡(luò)接口為集成式控制單元提供電壓，確?？偩€信號(hào)、傳感器信號(hào)和監(jiān)控信號(hào)的正常工作。為了防止高電壓蓄電池單元充電過(guò)程中溫度過(guò)高，在其電池單元的框架內(nèi)布置了制冷劑的循環(huán)管路予以降控溫度，如圖2所示。

高壓蓄電池單元的殼體通過(guò)26個(gè)螺栓以機(jī)械方式與Drive連接在一起，可使重力以及行駛產(chǎn)生的加速力作用在車身上。固定連接螺栓可直接從下方接觸到，不必拆下底部飾板。拆卸高壓蓄電池單元時(shí)，必須首先將其切換至無(wú)電狀態(tài)，然后將總成升降臺(tái)升至相應(yīng)的高度置于電池單元的下方才會(huì)允許進(jìn)行相關(guān)拆解固定螺栓的作業(yè)。

圖2 制冷劑的循環(huán)管路

高電壓接口是高壓蓄電池單元連接電機(jī)控制單元的高壓導(dǎo)線接口，如圖3和圖4所示。

圖3 插有高壓導(dǎo)線接口

圖4 松開(kāi)高壓導(dǎo)線的接口

高壓電池左側(cè)有2個(gè)接口（圖5）：一是空調(diào)膨脹截止組合閥接口；二是高壓蓄電池單元車載網(wǎng)絡(luò)接口。

高壓蓄電池單元的12V車載網(wǎng)絡(luò)接口即SME控制單元導(dǎo)線接口，有3種類型的導(dǎo)線：①為SME供電的總線端30F和總線端31；②為電動(dòng)機(jī)接觸器供電的總線端30（碰撞信號(hào)線）；③車身域控制器喚醒線。

2 加熱裝置和制冷系統(tǒng)

在電池溫度明顯低于最佳運(yùn)行溫度（25～40℃）時(shí)，鋰離子的化學(xué)反應(yīng)變慢，能量轉(zhuǎn)換效率就會(huì)不理想。在電能充足的情況下，駕駛員選擇了車輛溫度調(diào)節(jié)功能時(shí)，開(kāi)始對(duì)高壓蓄電池進(jìn)行加熱。高電壓電源管理系統(tǒng)EME根據(jù)電池溫度控制加熱功率，當(dāng)電池達(dá)到最佳運(yùn)行溫度時(shí)，管理系統(tǒng)EME即關(guān)閉加熱裝置的工作。

圖5 高壓電池左側(cè)接口

2.1高壓蓄電池單元加熱系統(tǒng)（圖6）

車輛在環(huán)境溫度低于0℃行駛或充電時(shí)，應(yīng)對(duì)高壓蓄電池加熱至最佳溫度，之后蓄電池才會(huì)提供最大的功率。高壓蓄電池單元控制模塊ECU啟用高電壓蓄電池加熱系統(tǒng)接頭，使電流通過(guò)加熱絲線圈對(duì)電池單元進(jìn)行加熱。因冷卻通道與電池模塊接觸，加熱絲沿冷卻通道布置，從而使加熱線圈產(chǎn)生的熱量快速傳至電池模塊和電池。加熱會(huì)消耗部分高壓蓄電池的電能從而降低續(xù)駛里程，因此在行駛時(shí)不使用加熱系統(tǒng)。行駛時(shí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流會(huì)使高壓蓄電池變熱，數(shù)分鐘后方可提供全部驅(qū)動(dòng)功率。

圖6 電池加熱系統(tǒng)

由于是通過(guò)高電壓系統(tǒng)為加熱裝置供電，所以此處采用橙色導(dǎo)線作為標(biāo)記。在高壓蓄電池作業(yè)時(shí)，由于作業(yè)前拉開(kāi)高電壓安全插頭高壓系統(tǒng)切換至無(wú)電狀態(tài)，因此加熱裝置導(dǎo)線也處于無(wú)電狀態(tài)，不再有危險(xiǎn)電壓。高壓蓄電池在溫度處于25～40℃的最佳范圍時(shí)，處于既不加熱也不制冷的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2高壓電池冷卻系統(tǒng)

寶馬電動(dòng)汽車I01的空調(diào)制冷系統(tǒng)循環(huán)回路由兩個(gè)并聯(lián)支路構(gòu)成，如圖7所示。一支回路用于車內(nèi)乘員客艙冷卻，另一支用于高壓蓄電池單元的冷卻。兩個(gè)支路各有一個(gè)膨脹和截止組合閥，用于相互獨(dú)立的控制冷卻功能。高壓蓄電池單元控制模塊ECU通過(guò)施加電壓，控制打開(kāi)或關(guān)閉膨脹和截止組合閥，使制冷劑進(jìn)入高壓蓄電池單元內(nèi)得以膨脹蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓蓄電池單元的冷卻。

圖7 制冷系統(tǒng)循環(huán)管路

高壓電池冷卻系統(tǒng)的工作原理：電動(dòng)壓縮機(jī)工作后，制冷劑在系統(tǒng)中形成高低壓循環(huán)，電池?zé)崃總髦僚蛎涢y后的制冷劑管路，制冷劑受熱膨脹而蒸發(fā)流至壓縮機(jī)后，被電動(dòng)壓縮機(jī)壓縮成高壓制冷劑，通過(guò)冷凝器將熱量散發(fā)到環(huán)境大氣中，降溫后的制冷劑重新變?yōu)橐簯B(tài)制冷劑，存于循環(huán)管路中繼續(xù)循環(huán)使用。

膨脹和截止組合閥通過(guò)一根控制線對(duì)SME控制單元進(jìn)行2種狀態(tài)的控制（0V關(guān)閉，12V打開(kāi)）。當(dāng)SME通過(guò)LIN總線接收到IHKA／IHKR控制單元高壓蓄電池冷卻的需求時(shí)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)（0～100%）連續(xù)調(diào)節(jié)膨脹閥開(kāi)度，如圖8所示。

圖8 調(diào)節(jié)式膨脹截止組合閥

3 高壓蓄電池控制單元

為了滿足高壓蓄電池的設(shè)計(jì)使用壽命和功率的最大化，在使用時(shí)必須有嚴(yán)格的保護(hù)措施：①使蓄電池運(yùn)行在最佳的溫度范圍內(nèi)（加熱／冷卻或限制電流）；②均衡所有電池的充電狀態(tài)；③在特定的范圍內(nèi)可用完蓄電池的儲(chǔ)存能量。

為此設(shè)計(jì)了IHKA／IHKR高壓蓄電池控制單元，如圖9所示。除8個(gè)電池模塊的電池本身外，還包括蓄能器管理控制單元，電池監(jiān)控電子裝置CSC，接觸器、傳感器和熔斷絲的安全盒和可選裝的電器加熱控制裝置。

3.1SME控制模塊

在高壓蓄電池單元中，蓄能管理裝置SME是電池的核心控制管理模塊。SME控制模塊執(zhí)行以下任務(wù)：①根據(jù)要求控制高壓系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉；②分析所有電池電壓、溫度和高壓電路電流強(qiáng)度；③控制高壓蓄電池單元的冷卻系統(tǒng)；④確定高壓蓄電池的充電狀態(tài)SOC和老化狀態(tài)SOH；⑤確定高壓蓄電池的可用功率或提出限制要求；⑥電壓、溫度、高壓觸點(diǎn)和絕緣的安全監(jiān)控；⑦識(shí)別并發(fā)送故障狀態(tài)和存儲(chǔ)故障代碼。在SME單元的故障代碼存儲(chǔ)器內(nèi)，不僅可存儲(chǔ)控制單元的故障，還可存儲(chǔ)高壓蓄電池單元內(nèi)其他組件的故障。根據(jù)故障的嚴(yán)重程度和提供的功能分為以下3種類型。

1）立即關(guān)閉高壓系統(tǒng)當(dāng)出現(xiàn)的故障影響到高壓系統(tǒng)安全或產(chǎn)生高壓蓄電池?fù)p壞危險(xiǎn)時(shí)，就會(huì)立即斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)械式接觸器觸點(diǎn)，關(guān)閉高壓系統(tǒng)。此時(shí)車輛失去驅(qū)動(dòng)能力，但通過(guò)12V車載網(wǎng)絡(luò)電源提供能量的轉(zhuǎn)向助力和制動(dòng)助力依然存在，駕駛員可滑行并就近靠邊停車。

2）限制功率高壓蓄電池?zé)o法繼續(xù)提供最大功率和全部能量時(shí)，為保護(hù)組件會(huì)限制驅(qū)動(dòng)功率和續(xù)駛里程，此時(shí)駕駛員可明顯感受到驅(qū)動(dòng)功率的降低和提示的已縮短的續(xù)駛里程。這時(shí)需駕駛員將車駛至最近的BMW維修點(diǎn)或待援地點(diǎn)進(jìn)行處理。

3）對(duì)客戶無(wú)直接影響的故障在高壓蓄電池單元模塊之間通信短時(shí)受到干擾時(shí)，只產(chǎn)生一個(gè)故障代碼記錄在存儲(chǔ)器內(nèi)，不使功能受限或危及高壓安全系統(tǒng)時(shí)，客戶不會(huì)看到這些故障代碼信息，也不會(huì)感受到車輛功能受限。這些故障代碼只是在維修保養(yǎng)時(shí)，由維修站點(diǎn)人員通過(guò)診斷系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析，對(duì)客戶駕駛?cè)藛T使用車輛無(wú)影響。

3.2電池模塊

高壓蓄電池單元由8個(gè)串聯(lián)連接的電池模塊構(gòu)成，每個(gè)電池都分配有一個(gè)電池監(jiān)控電子裝置。電池模塊由12個(gè)串聯(lián)的電池構(gòu)成，每個(gè)電池額定電壓為3.75V，電池模塊額定電壓為45V。為確保寶馬I01電動(dòng)汽車所用鋰電池的正常運(yùn)行，電池電壓和電池溫度不允許低于或高于特定數(shù)值，否則可能導(dǎo)致電池?fù)p壞。電池模塊的順序如圖10所示。

圖9 高壓蓄電池控制單元電路

在維修更換電池模塊時(shí)，必須按相應(yīng)的編碼順序進(jìn)行。該順序編碼存儲(chǔ)在診斷系統(tǒng)內(nèi)，可用于故障查詢分析。

電池監(jiān)控電子裝置執(zhí)行測(cè)量和監(jiān)控每個(gè)電池的電壓、測(cè)量和監(jiān)控電池模塊的溫度、將所測(cè)量參數(shù)傳遞給SME控制單元和執(zhí)行電池電壓補(bǔ)償過(guò)程4項(xiàng)功能任務(wù)。電池監(jiān)控電子裝置以每20ms一次掃描頻率測(cè)量電池電壓，來(lái)識(shí)別充電過(guò)程或放電過(guò)程是否結(jié)束。每個(gè)電池模塊裝有4個(gè)NTC溫度傳感器，分別安裝在電池模塊上，根據(jù)測(cè)量值來(lái)確定各電池的溫度，從而來(lái)識(shí)別電池是否過(guò)載或有電氣故障。若發(fā)現(xiàn)過(guò)載或有電氣故障，SME控制單元立即降低電流或關(guān)閉高壓系統(tǒng)，以免電池進(jìn)一步損壞。若所測(cè)的電池溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，則控制單元SME啟用冷卻或加熱系統(tǒng)，確保蓄電池始終運(yùn)行在最有利的自身功率和使用壽命的溫度范圍內(nèi)。

3.3安全盒（S盒）

在高壓蓄電池單元內(nèi)設(shè)有獨(dú)立殼體的開(kāi)關(guān)熔斷絲盒，簡(jiǎn)稱S盒。在S盒內(nèi)集成了以下5項(xiàng)組件功能：①蓄電池負(fù)極電流傳感器；②蓄電池正極電流熔斷絲Fuse；③2個(gè)電動(dòng)機(jī)械式接觸器；④緩慢啟動(dòng)高壓系統(tǒng)的預(yù)充電電路；⑤測(cè)量蓄電池總電壓和監(jiān)控絕緣電阻的電壓傳感器。

另外組成高壓蓄電池單元的還有底部的殼體、帶密封條的蓋板、帶膨脹截止閥的冷卻通道、排氣口和兩組連接線束等組成。

4 高壓蓄電池充電

通過(guò)外部電網(wǎng)連接導(dǎo)線插入接口，為寶馬電動(dòng)汽車I01的高電壓蓄電池充電。充電時(shí)，SME控制單元根據(jù)電池充電狀態(tài)和溫度，來(lái)確定高壓電池目前可吸收的最大功率。該充電數(shù)值還以總線數(shù)據(jù)電碼形式，通過(guò)PT-CAN2總線傳輸給電機(jī)控制單元EME。充電期間，SME控制單元持續(xù)確定已達(dá)到的充電狀態(tài)，并監(jiān)控高壓蓄電池所有的傳感器信號(hào)。為了確保最佳充電運(yùn)行，SME控制單元根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)參數(shù)值持續(xù)計(jì)算當(dāng)前最大充電功率，持續(xù)控制高壓蓄電池的加熱和冷卻系統(tǒng)，以確保快速、有效充電過(guò)程的進(jìn)行。

5 高壓蓄電池的維修

寶馬電動(dòng)汽車高電壓蓄電池的維修條件是只允許具有“BMWi全方位服務(wù)”和“BMWi擴(kuò)展型蓄電池服務(wù)”的經(jīng)銷商對(duì)高壓蓄電池單元進(jìn)行修理作業(yè)。

修理高壓蓄電池單元的修理工位必須潔凈、干燥、無(wú)油脂和無(wú)飛濺火花，即此工位必須遠(yuǎn)離或隔離車輛清洗場(chǎng)所和車身修理工位。修理高壓蓄電池單元的專用工具主要有：①可移動(dòng)總成升降臺(tái)MHT1200；②拆卸和安裝高壓蓄電池單元的適配接頭套件；③高壓蓄電池模塊充電器；④高壓蓄電池單元試運(yùn)行的EOS測(cè)試儀；⑤拆卸和安裝電池模塊的起重工具；⑥高壓蓄電池單元的起重橫梁；⑦用于松開(kāi)高壓蓄電池內(nèi)部卡子的塑料楔塊。寶馬公司規(guī)定：只允許進(jìn)行過(guò)“高電壓車輛作業(yè)專業(yè)培訓(xùn)”、“I01高電壓系統(tǒng)培訓(xùn)”和“I01高電壓蓄電池單元修理培訓(xùn)”的并取得合格證書、獲得資質(zhì)的維修人員方可進(jìn)行這項(xiàng)工作。

對(duì)高壓蓄電池進(jìn)行維修前，必須使用BMW診斷系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。只有在高壓電池外部沒(méi)有機(jī)械損傷且檢測(cè)結(jié)果指向高壓蓄電池單元內(nèi)部的情況下，方可打開(kāi)高壓蓄電池單元，并根據(jù)維修計(jì)劃更換損壞的組件。除更換損壞組件外，不允許對(duì)高壓蓄電池單元內(nèi)部包括線束在內(nèi)進(jìn)行任何修理工作。

拆卸電動(dòng)汽車高壓蓄電池的步驟程序如下。

第1步：拉開(kāi)位于車輛正前方左側(cè)冷卻液補(bǔ)液罐旁邊的棕色部件高電壓安全插頭（圖11），使高壓系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉切換到無(wú)電壓狀態(tài)。

圖11 高電壓安全插頭

第2步：抽吸制冷劑。

第3步：為確保能夠順暢地拆卸和安裝高壓電池單元，使用雙柱舉升機(jī)抬起車輛。

第4步：斷開(kāi)12V車載網(wǎng)絡(luò)、高壓導(dǎo)線、空調(diào)膨脹截止組合閥接口。

第5步：用專用塞子密封住制冷劑管路接口。

第6步：將可移動(dòng)總成升降臺(tái)移至高壓蓄電池單元下方，將適配器安裝到高壓蓄電池上進(jìn)行固定并觀察是否正確就位。

第7步：松開(kāi)模塊上的固定螺栓和電位補(bǔ)償螺栓。

第8步：緩慢降低升降臺(tái)，帶動(dòng)高壓蓄電池單元降下脫離車體。

第9步：全方位直觀檢查電池單元?dú)んw是否存在污物、損壞和過(guò)熱燒蝕異?，F(xiàn)象。

第10步：送至高壓蓄電池專用修理工位。

注意事項(xiàng)：高壓蓄電池是一個(gè)尺寸較大且質(zhì)量較重的組件，在更換和固定電池模塊時(shí)，應(yīng)特別注意殼體位于規(guī)定的可移動(dòng)總成升降臺(tái)適配器上，防止作業(yè)期間殼體張緊變形。

對(duì)高壓蓄電池單元進(jìn)行更換修理后，在裝車前必須使用EOS測(cè)試儀（圖12）進(jìn)行最終測(cè)試。首先進(jìn)行密封型測(cè)試，然后進(jìn)行耐壓強(qiáng)度測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試和SME絕緣監(jiān)控測(cè)試，讀出故障代碼記錄，若無(wú)故障就會(huì)輸出測(cè)試代碼。此后高壓蓄電池單元可以裝車。

圖12 EOS測(cè)試儀

安裝高壓蓄電池時(shí)，首先使用移動(dòng)升降臺(tái)將電池單元移動(dòng)到車輛下方，緩慢升起電池分別裝入固定螺栓，分3次對(duì)稱緊固，再裝入電位補(bǔ)償螺栓，最后對(duì)全部螺栓按規(guī)定的扭緊力矩檢查緊固。移除升降臺(tái)，連接車載網(wǎng)絡(luò)、高壓導(dǎo)線、空調(diào)膨脹截止組合閥接口；放下車輛，按下接通高壓安全插頭；加注回收的制冷劑，試車無(wú)誤后高壓蓄電池維修完畢。

（編輯 楊景）

U463.633

：B

1003－8639（2016）12－0007－05

2016-02-27