寶馬純電動(dòng)BMW i3 I01高壓蓄電池技術(shù)解析(三)

◆文/吉林 李偉

(接上期)

2.電池模塊

高電壓蓄電池單元由八個(gè)串聯(lián)連接的電池模塊構(gòu)成。每個(gè)電池模塊都分配有一個(gè)電池監(jiān)控電子裝置。電池模塊自身由十二個(gè)串聯(lián)連接的電池構(gòu)成。每個(gè)電池的額定電壓為3.75V，額定電容量為60AH，電池模塊額定電壓為45V。電池模塊的順序是固定的，在背面從高電壓插頭開(kāi)始，如圖17所示。

圖17 高壓電池模塊

為確保I01高壓蓄電池所用鋰離子電池正常運(yùn)行，必須遵守特定邊界條件：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)致電池持續(xù)損壞。因此高電壓蓄電池單元內(nèi)帶有八個(gè)研發(fā)名稱為電池監(jiān)控電路CSC的電池監(jiān)控電子裝置。在I01高電壓蓄電池單元內(nèi)，每個(gè)電池模塊都有一個(gè)電池監(jiān)控電子裝置，控制電路如圖18所示。

圖18 電池監(jiān)控電子裝置控制電路

電池監(jiān)控電子裝置執(zhí)行任務(wù)如下。

①測(cè)量和監(jiān)控每個(gè)電池的電壓；

②測(cè)量和監(jiān)控電池模塊多處的溫度；

③將測(cè)量參數(shù)傳輸至 SME 控制單元；

④執(zhí)行電池電壓補(bǔ)償過(guò)程。

在此以較高掃描率(每20ms測(cè)量一次)測(cè)量電池電壓。通過(guò)測(cè)量電壓可以識(shí)別充電過(guò)程或放電過(guò)程是否結(jié)束。溫度傳感器安裝在電池模塊上，根據(jù)其測(cè)量值可確定各電池的溫度。借助電池溫度可以識(shí)別是否過(guò)載或有電氣故障。出現(xiàn)以上一種情況時(shí)必須立即降低電流強(qiáng)度或完全關(guān)閉高電壓系統(tǒng)，以免電池進(jìn)一步損壞。此外，測(cè)量溫度還用于控制冷卻系統(tǒng)，從而確保電池始終在最有利于自身功率和使用壽的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。由于電池溫度是一個(gè)重要參數(shù)，因此每個(gè)電池模塊裝有四個(gè)NTC溫度傳感器，其中兩個(gè)是另外兩個(gè)的冗余裝置。

電池監(jiān)控電子裝置通過(guò)局域CAN 1傳輸其測(cè)量值。該局域CAN 1使所有電池監(jiān)控電子裝置相互連接并與SME控制單元相連。在SME控制單元內(nèi)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行分析并根據(jù)需要做出相應(yīng)反應(yīng)(例如控制冷卻系統(tǒng))。

兩個(gè)局域CAN 1和2的傳輸速度為500kBit/s。與采用相同傳輸速度的CAN總線一樣，總線導(dǎo)線采用絞線形式。此外，兩個(gè)局域CAN端部采用終端形式。用于局域CAN 1兩端分別120Ω的終端電阻位于SME控制單元內(nèi)。用于局域 CAN 2兩端分別120Ω的終端電阻位于SME 控制單元內(nèi)和S盒控制單元內(nèi)，控制電路如圖19所示。

圖19 高電壓蓄電池單元局域CAN電路原理圖

在故障查詢期間測(cè)量局域CAN上的電阻時(shí)，在所有總線設(shè)備已連接且終端正常的情況下會(huì)得到大約60Ω的數(shù)值。

如果一個(gè)或多個(gè)電池的電壓明顯低于所有其他電池，高電壓蓄電池的可用能量含量就會(huì)因此受限。因此放電時(shí)由“最弱”電池決定何時(shí)停止釋放能量：最弱電池的電壓降至放電限值時(shí)，即使其他電池還存有充足能量也必須結(jié)束放電過(guò)程。如果仍繼續(xù)放電，最弱電池?fù)p壞會(huì)被損壞，因此高壓蓄電池通過(guò)“電池對(duì)稱”的功能將電池電壓調(diào)節(jié)至相同水平。

在“電池對(duì)稱”過(guò)程中，SME控制單元會(huì)將所有電池電壓進(jìn)行比較，并對(duì)電壓明顯高于其余的電池進(jìn)行有針對(duì)性地放電，這時(shí)SME控制單元會(huì)通過(guò)局域CAN 1將請(qǐng)求發(fā)送至監(jiān)控電子裝置，然后啟動(dòng)放電過(guò)程。此外，每個(gè)電池監(jiān)控電子裝置都帶有一個(gè)歐姆電阻，相應(yīng)電子觸點(diǎn)閉合后放電電流就會(huì)流過(guò)該電阻。電池監(jiān)控電子裝置負(fù)責(zé)執(zhí)行啟動(dòng)放電過(guò)程，期間如果主控制單元切換為休眠模式，該電子裝置會(huì)通過(guò)與總線端30F直接相連的蓄能器管理電子裝置為CSC控制單元供電繼續(xù)執(zhí)行此過(guò)程。當(dāng)所有電池的電壓較低時(shí)，放電過(guò)程會(huì)自動(dòng)結(jié)束，“電池對(duì)稱”過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，直至所有電池達(dá)到相同電壓水平，電路原理圖及電池電壓平衡如圖20所示。

圖20 電路原理圖及電池電壓平衡

平衡電池電壓的過(guò)程會(huì)造成損失，但損失的電能非常小(＜0.1% SoC)，但它的優(yōu)勢(shì)在于可使續(xù)航里程和高電壓蓄電池使用壽命最大化，因此總體而言平衡電池電壓非常有利而且十分必要。當(dāng)然只有車(chē)輛靜止時(shí)才會(huì)執(zhí)行該過(guò)程。

平衡電池電壓的滿足條件如下。

①總線端15關(guān)閉且車(chē)輛或車(chē)載網(wǎng)絡(luò)處于休眠狀態(tài)，且高電壓系統(tǒng)已關(guān)閉；

②電池電壓或各電池SoC的偏差大于相應(yīng)限值，高電壓蓄電池的總SoC大于相應(yīng)限值。

當(dāng)上述條件得到滿足時(shí)就會(huì)完全自動(dòng)進(jìn)行電池電壓平衡，因此客戶既看不到檢查控制信息，也無(wú)需為此進(jìn)行特殊操作，即使更換電池模塊后，SME控制單元也會(huì)自動(dòng)識(shí)別出電池電壓平衡需求。如果電池電壓的偏差過(guò)大或電池電壓平衡沒(méi)有順利進(jìn)行，SME控制單元會(huì)生成一個(gè)故障代碼存儲(chǔ)器記錄,以便提醒客戶注意這種車(chē)輛狀態(tài)。

3.安全盒(S盒)

每個(gè)高電壓?jiǎn)卧獌?nèi)都有帶獨(dú)立殼體的接口單元，該單元稱為開(kāi)關(guān)盒或簡(jiǎn)稱為S盒，由于它位于高電壓蓄電池單元內(nèi)部，因此只允許由具有“BMW I擴(kuò)展型蓄電池服務(wù)”或“BMW I全方位服務(wù)”服務(wù)形式的經(jīng)銷(xiāo)商對(duì)其進(jìn)行更換。

安全盒內(nèi)集成了以下組件：蓄電池負(fù)極電流路徑內(nèi)的電流傳感器；蓄電池正極電流路徑內(nèi)的保險(xiǎn)絲；兩個(gè)電動(dòng)機(jī)械式接觸器(每個(gè)電流路徑一個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn))；用于緩慢啟動(dòng)高電壓系統(tǒng)的預(yù)充電電路；用于監(jiān)控開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、測(cè)量蓄電池總電壓和監(jiān)控絕緣電阻的電壓傳感器。

在帶有選裝配置SA494駕駛員和前乘客座椅加熱裝置的車(chē)輛上，高電壓蓄電池單元還帶有一個(gè)電氣加熱裝置。安全盒內(nèi)帶有加熱裝置微控制器和供電電子裝置，其中的微控制器通過(guò)一個(gè)局域CAN 2與SME控制單元相連，接收控制請(qǐng)求和相關(guān)運(yùn)行功率要求。隨后微控制器通過(guò)Power MOSFET接通和關(guān)閉加熱裝置，通過(guò)進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制調(diào)節(jié)所需加熱功率。加熱裝置所需能量來(lái)自于高電壓車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，如果從高電壓蓄電池自身獲取所需能量，續(xù)航里程就會(huì)明顯降低，因此只有與外部電網(wǎng)連接進(jìn)行充電時(shí)才會(huì)對(duì)高電壓蓄電池進(jìn)行加熱。

4.拆卸電池模塊

(1)打印診斷系統(tǒng)位置圖

拆卸電池模塊或電池監(jiān)控電子裝置前必須打印診斷系統(tǒng)位置圖，遵守安全規(guī)定并斷開(kāi)電池模塊4與殼體上所固定導(dǎo)線之間的高電壓導(dǎo)線，按照位置圖用防水銷(xiāo)(EDDING)對(duì)所有電池模塊和電池監(jiān)控電子裝置(CSC)進(jìn)行編號(hào)，然后松開(kāi)相關(guān)電池模塊上的螺栓并取下隔板。另外，有必要大范圍的松開(kāi)CSC環(huán)形導(dǎo)線束，必要時(shí)可以使用魚(yú)骨進(jìn)行輔助，但切勿使用帶有尖銳棱邊的物體。

(2)抬出電池模塊

拔下相關(guān)電池模塊的高電壓插頭并稍稍彎向一側(cè)，確保能夠非常順暢地抬出電池模塊，然后用磁套筒頭松開(kāi)電池模塊的螺母，然后小心抬出電池模塊及電池監(jiān)控電子裝置，此時(shí)要注意保證電池模塊之間的高電壓導(dǎo)線可以順暢通過(guò)，可以將電池模塊底部向下以防滑防倒方式放在一個(gè)潔凈平面上，如圖21所示。

5.安裝電池模塊

(1)前期準(zhǔn)備工作

安裝新電池模塊前必須使新電池模塊的充電狀態(tài)達(dá)到之前讀取的剩余電池模塊水平，高壓蓄電池位置如圖22所示。更換所有電池模塊時(shí)，可將一個(gè)電池模塊的電壓作為所有其他電池模塊的額定充電電壓，從而確保充電時(shí)間最小化(通過(guò)充電器讀取)。

將已拆卸電池模塊的電池監(jiān)控電子裝置(CSC)安裝到新電池模塊上，然后用酒精、風(fēng)擋玻璃清洗液、玻璃清洗液、蒸餾水等清潔劑清潔冷卻通道部分和下部電池模塊，存在粗雜質(zhì)時(shí)，可以用帶塑料蓋的普通吸塵器進(jìn)行清潔。最后，將導(dǎo)熱劑涂覆于露出的冷卻通道部分，把新電池模塊的序列號(hào)記錄在位置圖上，稍后將其輸入至診斷系統(tǒng)內(nèi)。

(2)安裝電池模塊

使用專用工具小心抬起電池模塊及電池監(jiān)控電子裝置，在此要注意相鄰部件，尤其是高電壓導(dǎo)線；然后用磁套筒頭安裝電池模塊的螺母并按規(guī)定力矩?cái)Q緊，并把CSC導(dǎo)線束的插頭與電池監(jiān)控電子裝置連接在一起；接著安裝并固定拆下的隔板，注意插上相關(guān)電池模塊的高電壓插頭。最后，連接電池模塊4與殼體上所固定導(dǎo)線之間的高電壓導(dǎo)線。

注意將新電池模塊的序列號(hào)及其在高電壓蓄電池單元內(nèi)的安裝位置記錄在從診斷系統(tǒng)中打印的單子上，診斷系統(tǒng)ISTA內(nèi)有一項(xiàng)服務(wù)功能用于高電壓蓄電池單元試運(yùn)行，執(zhí)行過(guò)程中必須將新電池模塊的序列號(hào)輸入蓄能器管理電子裝置內(nèi)。

圖21 用于抬出電池模塊的專用工具

圖22 高壓蓄電池位置