純電動(dòng)汽車的類型、結(jié)構(gòu)及維護(hù)操作常識(三)

◆文/北京 王新旗

王新旗(本刊編委會(huì)委員)從事于汽車后市場維修、服務(wù)、技術(shù)支持及培訓(xùn)、培訓(xùn)管理等工作20余年。曾就職于上海雷神咨詢有限公司、大陸汽車俱樂部、TTi(北京)咨詢有限公司、采埃孚銷售服務(wù)(中國)有限公司、北京匯智慧眾汽車技術(shù)研究院，歷任培訓(xùn)師、項(xiàng)目經(jīng)理、培訓(xùn)經(jīng)理、培訓(xùn)運(yùn)營總監(jiān)等職。近兩年親身組織，參與四屆新能源汽車維修行業(yè)技能大賽的裁判培訓(xùn)及執(zhí)裁。目前任北京天元陸兵汽車科技有限公司陸兵學(xué)院執(zhí)行院長。

(接上期)

三、動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用

通過前兩期對純電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)的整體介紹及說明，讀者對純電動(dòng)汽車應(yīng)該已經(jīng)有了基本認(rèn)識。接下來幾期筆者將對純電動(dòng)汽車核心控制技術(shù)動(dòng)力電池及驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相對詳細(xì)的介紹，但限于文章的篇幅，同時(shí)想在編寫過程中結(jié)合自身工作經(jīng)歷，包括想將新能源大賽執(zhí)裁經(jīng)歷結(jié)合到文章之中，因此該文在內(nèi)容上可能與一般的理論性文章不同，甚或有些只是筆者的淺見，但這也恰恰是我想與大家分享的。

純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)承載著純電動(dòng)汽車的重要核心技術(shù)，由于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池使用的電壓高達(dá)數(shù)百伏，電流高達(dá)數(shù)十到數(shù)百安培，而且使用環(huán)境惡劣，因此要求控制保護(hù)及控制措施更全面、更嚴(yán)格。

根據(jù)簡單的物理知識可知，電池是串聯(lián)增壓、并聯(lián)增容的。鋰離子電池在手機(jī)和電動(dòng)工具上使用的電池管理系統(tǒng)比較簡單，因?yàn)樯婕安⒙?lián)和串聯(lián)的電池個(gè)數(shù)不多，需求的電壓不高，一般控制好最高充電電壓、最低放電電壓及溫度就可以了。當(dāng)鋰離子電池在電動(dòng)汽車上使用時(shí)，需求的功率高達(dá)數(shù)十千瓦，電壓可達(dá)到300～600V，電流高達(dá)100A以上，這就需用數(shù)十個(gè)甚至是成百上千個(gè)電池并聯(lián)及串聯(lián)，且由于動(dòng)力電池有感性負(fù)載和容性負(fù)載，由此就帶來了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(diǎn)開閉狀態(tài)監(jiān)測、各模組電池電壓檢測、總電量SOC計(jì)算、與整車控制器的通信、向充電系統(tǒng)發(fā)送充電通信請求等。

圖25為動(dòng)力電池總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)。不同的車型會(huì)選用不同廠家的動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)，每種動(dòng)力電池電芯并聯(lián)與串聯(lián)的數(shù)量也不相同，這是整車廠與電池供應(yīng)商協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)完成的，整車廠與電池廠還會(huì)協(xié)同完成如下工作：

(1)整車廠設(shè)計(jì)新車時(shí)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(shí)間、加速性、爬坡度、車輛迎風(fēng)面積和輪胎直徑等參數(shù)；

(2)依據(jù)這些參數(shù)初步計(jì)算出車輛在不同車速時(shí)的迎風(fēng)阻力、輪胎阻力、坡道阻力和加速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力等；

(3)由此選出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率和最大功率；

(4)隨后選出動(dòng)力電池的容量和工作電壓，根據(jù)續(xù)駛里程目標(biāo)可以計(jì)算出電池的功率；

(5)接下來確定電芯的材料、容量和數(shù)量；

(6)將電芯并聯(lián)組成基礎(chǔ)模塊以達(dá)到容量要求，然后確定基礎(chǔ)模塊的數(shù)量，將它們串聯(lián)以滿足工作電壓的要求，當(dāng)然還要綜合考慮動(dòng)力電池布置的空間和環(huán)境，考慮選擇圓柱形還是方形，或者軟包電芯，以便后期設(shè)計(jì)動(dòng)力電池內(nèi)部總成的硬件。

圖25 動(dòng)力電池總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖27 3P2S 的原理圖

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(gè)電芯進(jìn)行并聯(lián)，通常把幾個(gè)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組并聯(lián)，即3P(Parallel)，當(dāng)然也可以將更多的電芯并聯(lián)，如5P甚至16P等。同時(shí)為了提升電池電壓，需要把電芯串聯(lián)成模塊。例如2個(gè)3P電芯模塊串聯(lián)為 3P2S(Series)電池模塊或者3個(gè)3P基礎(chǔ)模塊串聯(lián)為3P3S電池模塊。圖26所示為3P2S 模組及電壓，圖27所示為3P2S 的原理圖。

為了在動(dòng)力電池內(nèi)布置方便，模塊的組合方式有多種選擇：可以單用1個(gè)3P2S模塊，電池上面可以布置其他電器元件；也可以把2個(gè)3P2S 疊放串聯(lián)成3P4S；還可以把1個(gè)3P2S和1個(gè)3P3S疊放組成3P5S。多種組合方式可以錯(cuò)落有致地固定在動(dòng)力電池底板上，方便總體布局。選用電芯時(shí)要保證各電芯的一致性，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。由于溫度是電池充、放電的重要參數(shù)，所以電芯模塊或者模組內(nèi)要設(shè)溫度傳感器(圖28、圖29)來檢測電池溫度。溫度傳感器有的放置在串聯(lián)模組內(nèi)部，有的放置在模組極柱處，還有的放置在串聯(lián)模塊的鎳板背面，鎳板用激光焊接到極柱上。

每個(gè)電池電芯模塊都設(shè)置了電壓檢測信號線，這些檢測信號線匯集到電池電壓與溫度控制單元，可以對每一個(gè)電芯的電壓隨時(shí)巡檢。檢測電芯的電壓、電壓最高的電芯、電壓最低的電芯，計(jì)算某個(gè)電池電壓偏離情況。根據(jù)電壓計(jì)算出電池的SOC數(shù)值報(bào)告給電池主控盒，然后報(bào)告給整車控制器。電池各個(gè)組合模塊必須用螺栓可靠地固定在動(dòng)力電池的底板上，使之耐受沖擊振動(dòng)，不得松動(dòng)。

圖28 溫度傳感器(模組內(nèi)部)

圖29 溫度傳感器(動(dòng)力電池內(nèi)部)

圖30 某車型動(dòng)力電池的主繼電器盒

2.電池模組高壓串聯(lián)回路的連接方式

動(dòng)力電池通常由90～100個(gè)電芯模組串聯(lián)組成，注意這里說的是電芯模組，不是單一的電池單元，如一個(gè)3P2S電芯模組，其實(shí)由6個(gè)單一的電池單元組成。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池電壓直流高達(dá)380V(甚至有些車可達(dá)到600V)，其對外供電安全措施必須可靠。電芯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，可避免因車輛振動(dòng)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(fù)母線繼電器、預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻和熔斷器。圖30所示為動(dòng)力電池的主繼電器盒， 圖31所示為主繼電器盒繼電器的控制原理圖。

圖31 主繼電器盒繼電器的控制原理圖

表2中列出了筆者與同事親自測量的主繼電器盒內(nèi)參數(shù)，供讀者了解和參考。維修開關(guān)設(shè)置在串聯(lián)回路的中間(圖32、圖33)，同時(shí)維修開關(guān)內(nèi)部還有一個(gè)上百安的熔斷器。假如回路電流過大，熔斷器斷開，保護(hù)車輛及動(dòng)力電池。當(dāng)維修開關(guān)拔出時(shí)高壓回路呈開路狀態(tài)，正極和負(fù)極母線對外部負(fù)載輸出端分別接了繼電器，只有正、負(fù)極母線繼電器都接通才能對外供電或?qū)﹄姵爻潆姟８邏耗妇€還設(shè)置了電流檢測器，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、能量回收時(shí)電流不能過大。

表2 主繼電器盒內(nèi)實(shí)際參數(shù)列表

3.預(yù)充電控制電路

新能源汽車的動(dòng)力電池負(fù)載是電動(dòng)機(jī)，例如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、空調(diào)電機(jī)等，這些電機(jī)的控制器內(nèi)部都有電容器。另外車載充電機(jī)、DC/DC控制器等內(nèi)部也有電容器。車輛斷電時(shí)電容器會(huì)放電至零，此時(shí)的電容器對直流電來講是短路狀態(tài)。如果直接把370V左右的直流電加到電容器上，瞬時(shí)的浪涌電流會(huì)燒毀母線、燒蝕繼電器主觸點(diǎn)、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(gè)主觸點(diǎn)之間，動(dòng)力電池初始上電階段不允許同時(shí)接通正、負(fù)極母線繼電器。一般是先由整車控制器接通負(fù)極母線繼電器，動(dòng)力電池BMS系統(tǒng)對高壓母線絕緣及各個(gè)電池電壓進(jìn)行檢測。檢測合格后，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(fù)載中的電容器件先進(jìn)行充電。當(dāng)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(dòng)力電池對外正式供電。當(dāng)然也有的控制邏輯是先接通正極母線繼電器，其余過程類似。

圖32 維修開關(guān)的位置

圖33 維修開關(guān)

4.高壓絕緣檢測盒(模塊)

5.電芯電壓、溫度采集線束與從控模塊布置

電芯電壓溫度采集點(diǎn)與采集線束涉及的電壓都不高，一般不會(huì)到5V，屬于低壓直流，但是和車身不能搭鐵，是絕緣的。每個(gè)電芯的采集線實(shí)際是把每個(gè)電池電芯模塊的正負(fù)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模塊(BMS主控單元的附屬模塊或分功能模塊)。從控模塊每一個(gè)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(gè)串聯(lián)電池的電壓數(shù)據(jù)。對各個(gè)并聯(lián)模塊(或單獨(dú)大電芯)的電壓巡檢采集、計(jì)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(jì)算電芯電壓最高與最低的差值，差值應(yīng)小于0.03V。充電時(shí)有一節(jié)電芯電壓達(dá)到充電截止電壓即停止充電；放電時(shí)有一節(jié)電芯電壓降到放電截止電壓即停止放電。當(dāng)然這點(diǎn)也跟動(dòng)力電池BMS管理系統(tǒng)的充放電策略有關(guān)系，后文對充、放電控制策略也有說明。溫度采集單元用于采集監(jiān)控動(dòng)力電池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(shí)溫度采集單元會(huì)給出信號指令，首先對電池加熱，達(dá)到一定溫度時(shí)再開通充電。圖34所示為動(dòng)力電池的充電保溫狀態(tài)。

圖34 動(dòng)力電池的充電保溫狀態(tài)

6.動(dòng)力電池主控模塊(BMS)的功能

BMS動(dòng)力電池主控模塊是動(dòng)力電池管理的核心，如圖35所示，它是一個(gè)連接外部通信和內(nèi)部通信的平臺，其主要功能包括如下方面：

圖35 動(dòng)力電池BMS控制模塊

(1)接收電池管理系統(tǒng)反饋的實(shí)時(shí)溫度和單體電壓(并計(jì)算最大值和最小值)；

(2)接收高壓絕緣檢測模塊反饋的絕緣、總電壓和電流情況；

(3)與整車控制器通信；

(4)與充電機(jī)或快充樁通信；

(5)控制主繼電器；

日日順物流發(fā)展至今經(jīng)歷了四個(gè)階段。自從2000年開始的企業(yè)物流，針對的是海爾的服務(wù)升級，從送貨到送服務(wù)，到物流企業(yè)是賣服務(wù)和賣方案；第二階段時(shí)開始進(jìn)入快消品行業(yè)，同時(shí)也做了很多家電產(chǎn)業(yè)、原材料供應(yīng)，積累了很多經(jīng)驗(yàn)；第三階段成為平臺企業(yè)，從配送平臺到交互平臺，最核心的是跟用戶的觸點(diǎn)，最后一公里的服務(wù)?，F(xiàn)階段我們正在打造生態(tài)企業(yè)，完成從物流平臺到生態(tài)平臺的升級，進(jìn)一步創(chuàng)造商業(yè)模式的價(jià)值。

(6)電池加熱充電時(shí)，當(dāng)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)啟動(dòng)鑰匙在“ON”檔時(shí)對來自整車控制器的喚醒，以及充電時(shí)對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?cái)?shù)據(jù)的故障分析、判斷及在線報(bào)警；

(12)通過內(nèi)部CAN總線統(tǒng)計(jì)電池箱的電池?cái)?shù)據(jù)及參數(shù)信息；

(13)通過CAN總線與整車控制器通信，發(fā)送電池狀態(tài)及警告信息；

(14)通過CAN總線將電池?cái)?shù)據(jù)發(fā)送至儀表和充電機(jī)；

(15)計(jì)算電池組最大允許充電電流，通過CAN總線傳送給充電機(jī)，實(shí)現(xiàn)充電過程閉環(huán)控制；

(16)當(dāng)監(jiān)測到電池出現(xiàn)過熱時(shí)(參數(shù)由電池生產(chǎn)廠家決定，可修改)電池管理系統(tǒng)能啟動(dòng)安裝在電池箱的冷卻風(fēng)機(jī)實(shí)施強(qiáng)制風(fēng)冷，從而讓電池組降溫以提高電池運(yùn)行的穩(wěn)定性并延長電池的使用壽命；

(17)充電時(shí)當(dāng)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36所示為某款車動(dòng)力電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成原理示意圖。動(dòng)力電池BMS 模塊放置在密封并且有電磁屏蔽的動(dòng)力電池箱里面，動(dòng)力電池系統(tǒng)使用可靠的高低壓接插件與整車進(jìn)行連接，動(dòng)力電池箱體防護(hù)等級為IP67，用螺栓緊固在車身地板下方，螺栓擰緊力矩為80～100N.m。電池箱體平時(shí)保養(yǎng)車輛時(shí)主要對外觀檢查：箱體螺栓是否有松動(dòng)、電池箱體是否有破損及嚴(yán)重變形、密封膠墊是否完整等，要確保動(dòng)力電池可以正常工作。

圖36 動(dòng)力電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成原理舉例圖