◆文/山東 劉春暉

一、動(dòng)力電池系統(tǒng)的功能與組成

1.總體功能

動(dòng)力電池系統(tǒng)的功能為接收和儲(chǔ)存由車(chē)載充電機(jī)、發(fā)電機(jī)、制動(dòng)能量回收裝置和外置充電裝置提供的高壓直流電，并且為驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、DC/DC、電動(dòng)空調(diào)、PTC等高壓元件提供高壓直流電。

2.組成

北汽E150EV電動(dòng)汽車(chē)采用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)，其動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池模組、電池管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池箱及輔助元器件等4部分組成，如圖1所示。

圖1 北汽E150EV電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的組成

(1)動(dòng)力電池模組

①電池單體：構(gòu)成動(dòng)力電池模塊的最小單元。一般由正極、負(fù)極、電解質(zhì)及外殼等構(gòu)成?？蓪?shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能之間的直接轉(zhuǎn)換。

②電池模塊：一組并聯(lián)的電池單體的組合。該組合額定電壓與電池單體的額定電壓相等，是電池單體在物理結(jié)構(gòu)和電路上連接起來(lái)的最小分組，可作為一個(gè)單元替換。

③模組：由多個(gè)電池模塊或單體電芯串聯(lián)組成的一個(gè)組合體。

(2)電池管理系統(tǒng)(BMS)

①BMS的組成：按性質(zhì)可分為硬件和軟件，按功能分為數(shù)據(jù)采集單元和控制單元。

②BMS的硬件：主要是指主板、從板及高壓盒，還包括采集電壓線、電流、溫度等數(shù)據(jù)的電子器件。

③BMS的軟件：監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、SOC值(剩余電量)、絕緣電阻值、溫度值，通過(guò)與VCU(整車(chē)控制器)、充電機(jī)的通信，來(lái)控制動(dòng)力電池系統(tǒng)的充、放電。

④BMS的作用：電池保護(hù)和管理的核心部件，在動(dòng)力電池系統(tǒng)中，它的作用就相當(dāng)于人的大腦。它不僅要保證電池安全可靠地使用，而且要充分發(fā)揮電池的能力和延長(zhǎng)其使用壽命，作為電池和VCU及駕駛者溝通的橋梁，通過(guò)控制接觸器控制動(dòng)力電池組的充、放電，并向VCU上報(bào)動(dòng)力電池系統(tǒng)的基本參數(shù)及故障信息。

BMS通過(guò)電壓、電流及溫度檢測(cè)等功能實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)高溫和過(guò)低溫保護(hù)、繼電器控制、SOC估算、充放電管理、均衡控制、故障報(bào)警及處理、與其他控制器通信等功能；此外BMS還具有高壓回路絕緣檢測(cè)功能，以及為動(dòng)力電池系統(tǒng)加熱的功能。

(3)動(dòng)力電池箱

圖2所示為動(dòng)力電池箱的實(shí)物圖。

圖2 動(dòng)力電池箱

①動(dòng)力電池箱的組成：支撐、固定、包圍電池系統(tǒng)的組件，主要包含上蓋和下托盤(pán)，還有輔助元器件，如過(guò)渡件、護(hù)板、螺栓等，動(dòng)力電池箱有承載及保護(hù)動(dòng)力電池組及電氣元件的作用。

②技術(shù)要求：電池箱體用螺栓連接在車(chē)身地板下方，其防護(hù)等級(jí)為IP67，螺栓擰緊力矩為80～100N·m。整車(chē)維護(hù)時(shí)需觀察電池箱體螺栓是否有松動(dòng)，電池箱體是否有破損嚴(yán)重變形，密封法蘭是否完整，確保動(dòng)力電池可以正常工作。

③外觀要求：電池箱體外表面顏色要求為銀灰或黑色，亞光；電池箱體表面不得有劃痕、尖角、毛刺、焊縫及殘余油跡等外觀缺陷，焊接處必須打磨圓滑。

(4)輔助元器件

輔助元器件主要包括動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部的電子電器元件，如熔斷器、繼電器、分流器、接插件、緊急開(kāi)關(guān)、煙霧傳感器等，還包括維修開(kāi)關(guān)以及電子電器元件以外的輔助元器件，如密封條、絕緣材料等。

二、C30DB動(dòng)力電池系統(tǒng)

1.工作原理

動(dòng)力電池模組放置在一個(gè)密封并且屏蔽的動(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(chē)進(jìn)行連接。系統(tǒng)內(nèi)的BMS實(shí)時(shí)采集各電芯的電壓值、各溫度傳感器的溫度值、電池系統(tǒng)的總電壓值和總電流值、電池系統(tǒng)的絕緣電阻值等數(shù)據(jù)，并根據(jù)BMS中設(shè)定的閥值判定電池系統(tǒng)工作是否正常，也對(duì)故障實(shí)時(shí)監(jiān)控。動(dòng)力電池系統(tǒng)通過(guò)BMS使CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))與VCU或充電機(jī)之間進(jìn)行通信，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行充、放電等綜合管理。

2.C30DB動(dòng)力電池系統(tǒng)的充電

C30DB動(dòng)力電池系統(tǒng)充電分為快充、慢充和制動(dòng)能量回收三種方式。

(1)動(dòng)力電池慢充狀態(tài)說(shuō)明

①充電時(shí)采用慢充(即車(chē)載充電)方式為宜。

②電芯的溫度在0～55℃之間，才可以充電，當(dāng)有溫度點(diǎn)高于55℃或低于0℃時(shí)，BMS將自動(dòng)切斷充電回路，此時(shí)將無(wú)法充電。

③充電前檢測(cè)箱體內(nèi)部溫度，若有低于0℃的溫度點(diǎn)，啟動(dòng)加熱模式，閉合加熱片，進(jìn)行加熱內(nèi)循環(huán)；待所有電芯溫度點(diǎn)高于5℃，停止加熱，啟動(dòng)充電程序；過(guò)程中出現(xiàn)加熱片溫度差高于20℃，則間歇停止加熱；待加熱片溫度差低于15℃，則重啟加熱片。

④加熱過(guò)程中，正常情況下充電樁電流顯示為4～6A。

⑤充電過(guò)程中，充電樁電流顯示為12～13A。

⑥如果單體壓差大于300mV，則停止充電，報(bào)充電故障。

(2)動(dòng)力電池能量回收狀態(tài)說(shuō)明

可接受最大回饋電壓要求：動(dòng)力電池可以承受由電機(jī)產(chǎn)生的最大365V的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；可接受回饋電流SOC范圍要求：動(dòng)力電池可以接受回饋電流的SOC范圍為0～90%。

三、系統(tǒng)工作原理

高壓系統(tǒng)工作原理如圖3所示，低壓系統(tǒng)工作原理如圖4所示，絕緣監(jiān)測(cè)回路工作原理如圖5所示。動(dòng)力電池系統(tǒng)的絕緣值分為兩個(gè)：正極與外殼的絕緣值、負(fù)極與外殼的絕緣值。

圖3 高壓系統(tǒng)工作原理

圖4 低壓系統(tǒng)工作原理

圖5 絕緣監(jiān)測(cè)回路工作原理

測(cè)量方法為：在接觸器斷開(kāi)的條件下，采用搖表測(cè)量正對(duì)地絕緣阻值及負(fù)對(duì)地絕緣阻值。判定標(biāo)準(zhǔn)：正對(duì)地絕緣阻值及負(fù)對(duì)地絕緣阻值均大于等于20MΩ為合格，小于20MΩ為不合格。

四、動(dòng)力電池系統(tǒng)的使用條件

車(chē)輛行駛過(guò)程中，隨著電量的消耗，SOC表上指針指示的數(shù)值會(huì)逐漸減小。當(dāng)SOC減小到15%時(shí)，SOC表上的電量不足指示燈會(huì)點(diǎn)亮。應(yīng)盡快對(duì)電池包進(jìn)行充電。此時(shí)動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量即將耗盡。

當(dāng)動(dòng)力電池系統(tǒng)的SOC小于10%后，不要猛踩加速踏板，因?yàn)閂CU已經(jīng)降功率使用，準(zhǔn)備進(jìn)入跛行模式(限速9km/h)。在動(dòng)力電池系統(tǒng)電量耗盡以后，要及時(shí)對(duì)電池包進(jìn)行充電。動(dòng)力電池系統(tǒng)屬于化學(xué)電源，由于其自身能量轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)溫度的敏感，在電池包內(nèi)部安裝了加熱單元。在溫度較低的冬天，對(duì)電池包進(jìn)行充電時(shí)，加熱單元會(huì)首先啟動(dòng)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度達(dá)到適用于充電的溫度后，BMS會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)動(dòng)力電池系統(tǒng)的充電程序。

如果動(dòng)力電池系統(tǒng)的加熱單元損壞，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修。因?yàn)樵诘蜏貤l件下不加熱，電池箱體內(nèi)部達(dá)不到適應(yīng)充電的溫度，BMS不會(huì)啟動(dòng)程序，動(dòng)力電池系統(tǒng)將不能進(jìn)行正常充電。在擱置動(dòng)力電池系統(tǒng)時(shí)，確保動(dòng)力電池系統(tǒng)處于半電狀態(tài)SOC(50%～60%)。動(dòng)力電池系統(tǒng)在擱置過(guò)程中會(huì)發(fā)生自放電現(xiàn)象，每個(gè)月的電量都會(huì)降低4%左右。所以擱置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，動(dòng)力電池系統(tǒng)的開(kāi)路電壓會(huì)降低到放電終止電壓以下，此時(shí)BMS會(huì)進(jìn)行報(bào)警。動(dòng)力電池系統(tǒng)若長(zhǎng)期處于低壓狀態(tài)，其使用壽命會(huì)受到影響。擱置動(dòng)力電池系統(tǒng)的時(shí)間不要太長(zhǎng)，最多不要超過(guò)3個(gè)月，擱置環(huán)境溫度應(yīng)該在-20～50℃范圍之內(nèi)，擱置過(guò)程中應(yīng)該確保動(dòng)力電池系統(tǒng)不被曝曬，也不會(huì)被雨水澆淋。

五、動(dòng)力電池系統(tǒng)故障顯示

1.動(dòng)力電池系統(tǒng)的故障分級(jí)

三級(jí)故障：表明動(dòng)力電池性能下降，電池管理系統(tǒng)降低最大允許充/放電電流。

二級(jí)故障：表明動(dòng)力電池在此狀態(tài)下功能已經(jīng)喪失，請(qǐng)求其他控制器停止充電或者放電；其他控制器應(yīng)在一定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)響應(yīng)動(dòng)力電池停止充電或放電請(qǐng)求。

一級(jí)故障：表明動(dòng)力電池在此狀態(tài)下功能已經(jīng)喪失，請(qǐng)求其他控制器立即(1s內(nèi))停止充電或放電。如果其他控制器在指定時(shí)間內(nèi)未作出響應(yīng)，電池管理系統(tǒng)將在2s后主動(dòng)停止充電或放電(即斷開(kāi)高壓繼電器)。

注意：其他控制器響應(yīng)動(dòng)力電池二級(jí)故障的延時(shí)時(shí)間建議少于60s，否則會(huì)引發(fā)動(dòng)力電池上報(bào)一級(jí)故障。

2.故障顯示

電池故障在儀表上會(huì)有顯示。關(guān)于動(dòng)力電池的故障，儀表上只顯示動(dòng)力電池故障、動(dòng)力電池絕緣故障及動(dòng)力電池系統(tǒng)斷開(kāi)3種故障信息。在儀表上顯示的故障指示燈及含義見(jiàn)表1。

3.注意事項(xiàng)

①純電動(dòng)汽車(chē)故障燈大多數(shù)都是與普通汽車(chē)故障燈一樣的。

②純電動(dòng)汽車(chē)故障燈也是分為指示燈、警告燈、指示/警告燈3類(lèi)。

③純電動(dòng)汽車(chē)故障燈同樣用顏色代表故障程度：紅色=危險(xiǎn)/重要提醒；黃色=警告/故障；綠色/藍(lán)色/白色=指示/確認(rèn)啟用。

表1 儀表上顯示的故障指示燈及含義