◆文/山東 劉春暉

(接上期)

四、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.電氣和電子組件

通過(guò)圖20所示的電路圖中可以看出，除匯集在六個(gè)電池模塊內(nèi)的電池本身外，寶馬i8的高電壓蓄電池單元還包括的電氣/電子部件有：

①蓄能器管理電子裝置SME控制單元；

②十二個(gè)電池監(jiān)控電子裝置(電池監(jiān)控電路CSC)；

③帶接觸器、傳感器和過(guò)電流熔絲的安全盒。

除電氣組件外，高電壓蓄電池單元還包括制冷劑管路、冷卻通道以及電池模塊的機(jī)械固定元件。

(1)蓄能器管理電子裝置SME

針對(duì)高電壓蓄電池使用壽命的要求比較嚴(yán)格(車(chē)輛使用壽命)。為了滿足這些要求，不能隨意使用高電壓蓄電池。而是必須在嚴(yán)格規(guī)定的范圍內(nèi)使用高電壓蓄電池，從而確保其使用壽命和功率最大化。相關(guān)邊界條件如下：

①在最佳溫度范圍內(nèi)運(yùn)行電池(通過(guò)冷卻以及根據(jù)需要限制電流強(qiáng)度)；

②根據(jù)需要均衡所有電池的充電狀態(tài)；

③在特定范圍內(nèi)用完可存儲(chǔ)的蓄電池能量。

為了遵守這些邊界條件，在寶馬i8的高電壓蓄電池單元內(nèi)帶有一個(gè)控制單元即蓄能器管理電子裝置SME。SME控制單元需要執(zhí)行以下任務(wù)：

①由電機(jī)電子裝置EME根據(jù)要求控制高電壓系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉；

②分析有關(guān)所有電池的電壓和溫度以及高電壓電路內(nèi)電流強(qiáng)度的測(cè)量信號(hào)；

③控制高電壓蓄電池單元冷卻系統(tǒng)；

④確定高電壓蓄電池的充電狀態(tài)(SoC)和老化狀態(tài)(SoH)。

⑤確定高電壓蓄電池的可用功率并根據(jù)需要對(duì)電機(jī)電子裝置提出限制請(qǐng)求；

⑥安全功能(例如電壓和溫度監(jiān)控、高電壓觸點(diǎn)監(jiān)控，絕緣監(jiān)控)；

⑦識(shí)別出故障狀態(tài)，存儲(chǔ)故障代碼存儲(chǔ)器記錄并向電機(jī)電子裝置發(fā)送故障狀態(tài)。

原則上SME控制單元可通過(guò)診斷系統(tǒng)做出響應(yīng)并進(jìn)行編程。進(jìn)行故障查詢時(shí)必須清楚，在SME控制單元的故障代碼存儲(chǔ)器內(nèi)不僅可存儲(chǔ)控制單元故障，而且還可查閱高電壓蓄電池單元內(nèi)其他組件的故障記錄。這些故障代碼存儲(chǔ)器記錄根據(jù)嚴(yán)重程度和尚可提供的功能分為不同類型。

①立即關(guān)閉高電壓系統(tǒng)：因出現(xiàn)故障影響高電壓系統(tǒng)安全或產(chǎn)生高電壓蓄電池?fù)p壞危險(xiǎn)時(shí)，就會(huì)立即關(guān)閉高電壓系統(tǒng)并斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)械式接觸器觸點(diǎn)。之后駕駛員可讓車(chē)輛滑行并停在路面上。通過(guò)12V車(chē)載網(wǎng)絡(luò)提供能量確保轉(zhuǎn)向助力、制動(dòng)助力和DSC調(diào)節(jié)。

②限制功率：高電壓蓄電池?zé)o法繼續(xù)提供最大功率或全部能量時(shí)，為了保護(hù)組件會(huì)限制驅(qū)動(dòng)功率和可達(dá)里程。此時(shí)駕駛員可在驅(qū)動(dòng)功率明顯降低的情況下繼續(xù)行駛較短距離，可行駛至最近的寶馬維修站點(diǎn)，或?qū)④?chē)輛停放在所選地點(diǎn)。

③對(duì)客戶沒(méi)有直接影響的故障：例如SME或CSC控制單元之間的通信短時(shí)受到干擾時(shí)，不表示功能受限或危及高電壓系統(tǒng)安全。只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)故障代碼存儲(chǔ)器記錄，必須由寶馬維修站點(diǎn)通過(guò)診斷系統(tǒng)對(duì)該記錄進(jìn)行分析。在此不顯示檢查控制信息。不會(huì)影響客戶所使用的功能。

從高電壓蓄電池單元外部無(wú)法接觸到SME控制單元。為在出現(xiàn)故障時(shí)更換SME控制單元，必須事先打開(kāi)高電壓蓄電池單元。

SME控制單元的電氣接口是：SME控制單元12V供電(車(chē)內(nèi)配電盒的總線端30F和總線端31)；接觸器12V供電(總線端30碰撞信號(hào))；PT-CAN2；局域CAN1和2；車(chē)身域控制器BDC喚醒導(dǎo)線；高電壓觸點(diǎn)監(jiān)控輸入端和輸出端；制冷劑循環(huán)回路內(nèi)的截止和膨脹組合閥控制導(dǎo)線；制冷劑溫度傳感器。

由一個(gè)專用的12V導(dǎo)線為高電壓蓄電池單元內(nèi)的接觸器供電，該導(dǎo)線稱為總線端30碰撞信號(hào)，簡(jiǎn)稱為總線端30C?？偩€端名稱中的C表示發(fā)生事故(碰撞)時(shí)關(guān)閉該12V電壓。該導(dǎo)線是安全型蓄電池接線柱的一個(gè)(第二個(gè))輸出端，即觸發(fā)安全型蓄電池接線柱時(shí)也會(huì)斷開(kāi)該供電導(dǎo)線。

此外該導(dǎo)線穿過(guò)高電壓安全插頭，因此關(guān)閉高電壓系統(tǒng)供電時(shí)也會(huì)關(guān)閉接觸器供電。因此在上述兩種情況下，高電壓蓄電池單元內(nèi)的兩個(gè)接觸器會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。

局域CAN1使SME控制單元與電池監(jiān)控電子裝置CSC相互連接(另見(jiàn)下章)。局域CAN2用于實(shí)現(xiàn)SME控制單元與S盒之間的通信，通過(guò)該總線可傳輸測(cè)量的電流強(qiáng)度等信息。

(2)電池模塊

如圖21所示，高電壓蓄電池單元由六個(gè)串聯(lián)連接的電池模塊構(gòu)成，每個(gè)電池模塊都分配了兩個(gè)電池監(jiān)控電子裝置。電池模塊自身由十六個(gè)串聯(lián)連接的電池構(gòu)成，每個(gè)電池的額定電壓為3.7V，額定電容量為20Ah。電池模塊的順序是固定的，從前部下方開(kāi)始。

圖21 電池模塊布置方式

電池監(jiān)控電子裝置名稱中的“+”或“-”表示電池監(jiān)控電子裝置安裝在電池模塊的正極側(cè)或負(fù)極側(cè)。

注意：更換電池模塊時(shí)必須按順序進(jìn)行，因?yàn)樵擁樞虼鎯?chǔ)在診斷系統(tǒng)內(nèi)用于將來(lái)進(jìn)行分析。

(3)電池監(jiān)控

每個(gè)高電壓蓄電池單元內(nèi)都帶有電池監(jiān)控電子裝置(圖22)。為確保寶馬i8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帶有十二個(gè)研發(fā)名稱為電池監(jiān)控短路CSC的電池監(jiān)控電子裝置。

圖22 電池監(jiān)控電子裝置

寶馬i8高電壓蓄電池單元內(nèi)的每個(gè)電池模塊都有兩個(gè)電池監(jiān)控電子裝置。這樣做是為了確保一個(gè)電池監(jiān)控電子裝置最多可監(jiān)控八個(gè)電池。因此裝有兩個(gè)電池監(jiān)控電子裝置，每個(gè)電池監(jiān)控電子裝置負(fù)責(zé)一個(gè)電池模塊的八個(gè)電池。

電池監(jiān)控電子裝置執(zhí)行的任務(wù)包括：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)傳輸給SMS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)電壓測(cè)量可以識(shí)別出充電和放電過(guò)程結(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)得的溫度還用于控制冷卻系統(tǒng)，以便電池始終在工作性能和使用壽命最佳的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。由于電池溫度是一個(gè)重要參數(shù)，因此每個(gè)電池模塊裝有六個(gè)NTC溫度傳感器，其中三個(gè)是另外三個(gè)的冗余裝置。

高電壓蓄電池單元局域CAN電路原理圖如圖23所示，電池監(jiān)控電子裝置通過(guò)局域CAN1傳輸其測(cè)量值。該局域CAN1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))。

圖23 高電壓蓄電池單元局域CAN電路原理圖

局域CAN1和2的傳輸速度均為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CAN1兩端分別120Ω的終端電阻位于SME控制單元內(nèi)。

用于局域CAN2兩端分別120Ω的終端電阻位于SME控制單元內(nèi)和S盒控制單元內(nèi)。

在查詢故障期間測(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)由最弱的電池決定何時(shí)停止釋放能量：如果最弱電池的電壓降至放電限值，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)放電過(guò)程，就會(huì)因此造成最弱電池?fù)p壞。因此可通過(guò)一項(xiàng)功能使電池電壓調(diào)節(jié)至幾乎相同的水平。該過(guò)程也稱為電池對(duì)稱。

為此SME控制單元將所有電池電壓進(jìn)行相互比較。在此過(guò)程中對(duì)電壓明顯高于其余的電池進(jìn)行有針對(duì)性地放電。SME控制單元通過(guò)局域CAN1將相關(guān)請(qǐng)求發(fā)送至這些電池的電池監(jiān)控電子裝置，從而啟動(dòng)放電過(guò)程。為此每個(gè)電池監(jiān)控電子裝置都針對(duì)各電池帶有一個(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。啟動(dòng)放電過(guò)程后由電池監(jiān)控電子裝置負(fù)責(zé)執(zhí)行該過(guò)程，或在期間主控控制單元切換為休眠模式的情況下繼續(xù)執(zhí)行該過(guò)程。

電池電壓平衡原理電路圖如圖24所示，通過(guò)與總線端30F直接相連的蓄能器管理電子裝置為CSC控制單元供電來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。所有電池的電壓處于規(guī)定的較小范圍內(nèi)時(shí)，放電過(guò)程就會(huì)自動(dòng)結(jié)束。電池對(duì)稱繼續(xù)進(jìn)行，直至所有電池達(dá)到相同電壓水平。

圖24 電池電壓平衡原理電路圖

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(小于0.1%SoC)。而優(yōu)勢(shì)在于可使可達(dá)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。

平衡電池電壓的具體條件包括：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，且電池電壓或各電池SoC的偏差大于相應(yīng)限值，且高電壓蓄電池的總SoC大于相應(yīng)限值。

如果滿足所述條件，就會(huì)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)大或電池電壓平衡未順利進(jìn)行，就會(huì)在SME控制單元內(nèi)生成一個(gè)故障代碼存儲(chǔ)器記錄。通過(guò)一條檢查控制信息提醒客戶注意這種車(chē)輛狀態(tài)。之后必須通過(guò)診斷系統(tǒng)對(duì)故障代碼存儲(chǔ)器進(jìn)行分析并進(jìn)行相應(yīng)修理工作。

(4)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。

安全盒內(nèi)集成的組件包括：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)的熔絲，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。

(5)導(dǎo)線束

在高電壓蓄電池單元內(nèi)帶有兩個(gè)導(dǎo)線束：用于連接CSC與SME控制單元的導(dǎo)線束，用于連接S盒與外圍設(shè)備的導(dǎo)線束，用于連接SME與12V車(chē)載網(wǎng)絡(luò)接口的導(dǎo)線束。不允許對(duì)導(dǎo)線束進(jìn)行維修，如果電纜與插頭之間的連接損壞或松動(dòng)，必須更換整個(gè)導(dǎo)線束。

2.機(jī)械組件

高電壓蓄電池單元的機(jī)械組件包括：①殼體上部件和下部件；②兩部分殼體之間的密封件；③維修蓋的密封件；④上部和下部熱交換器；⑤排氣單元；⑥模塊連接器；⑦模塊連接橋；⑧散熱器隔板；⑨SME支架；⑩S盒支架。

(未完待續(xù))