纯电动汽车动力电池系统解析

动力电池系统由电池箱外壳、电池包、电池管理系统、辅助元器件4部分组成，如图1所示。动力电池系统由电池箱外壳、电池包、电池管理系统、辅助元器件4部分组成，如图1所示。

图1 动力电池箱

1.外壳

电池箱安装在车辆底板下方，下壳体材质为铸铝或钢板，上壳体材质为玻璃钢，上下壳体之间有密封胶，后侧面设有高压插接器、低压插接器，上方设有维修开关。电池箱密封等级为IP67，“6”表示防护灰尘进入，“7”表示在深1m的水中防浸泡30min。

2.电池包

以某车型举例，采用磷酸铁锂电池，单体额定电压3.2V，连接方式1 P100S，如图2所示。每个模块只有1个单体，10个模块串联的模组有4个，12个模块串联的模组有5个，电池包模块数＝10×4+12×5=100个，电池包额定电压＝3.2V×100=320V。

图2 1P100S电池包

电池包容量（（Ah）＝模块容量＝单体容量×并联单体个数。

电池包能量（VAh）=电池包额定电压×电池包容量。

可以看出，并联单体的个数越多容量越大，串联模块的个数越多能量越大。例如EV200磷酸铁锂电池包额定电压320V，额定容量80Ah，电池包能量＝320× 80=25.6kWh。

北汽新能源汽车公司EV200纯电动车装备两种动力电池，见表1，可以看出三元锂电池的各项性能均好于磷酸铁锂电池。

表1 EV200动力电池

3.电池管理系统

（1）电池管理系统组成。包括硬件和软件，硬件由主控盒BMS、从控盒、高压盒、电压采集线、电流传感器、温度传感器、电池内部CAN总线等组成，如图3所示。软件由监测电压、监测电流、监测温度、监测绝缘电阻、SOC估算等程序组成。

图3 电池管理系统框图

（2）主控盒的作用。如图4所示：①接收从控盒发来的实时模块电压和模组温度，并计算最大值和最小值；②接收高压盒发来的总电压和总电流；③通过新能源CAN与VCU、充电机等通信，通过快充CAN与直流充电桩、数据采集终端通信；④控制充放电电流（执行部件是车载充电机、直流快充桩和电机控制器）；⑤控制动力电池加热。

图4 主控盒作用

（3）从控盒作用。亦称作电池信息采集盒，如图5所示：①实时监控每个模块电压；②实时监测每个模组的温度；③监测SCO值；④将以上监测到的数据传送给主控盒。

图5 从控盒作用

主控盒大多安装在电池箱内，也有安装在电池箱外。安装在电池箱内的，采取1主N从，称作分布式；主从合一称作集中式，如图6所示，这种型式如线束破损则容易产生安全隐患，还容易使BMS短路而烧毁。

图6 集中式BMS

（4）高压盒作用。如图7所示：①监控动力电池总电压，包括主继电器的内外四个监测点（主正继电器内、主正继电器外、主负继电器内、主负继电器外）；②监测充放电电流；③监控高压系统绝缘性（见后面介绍）；④监控高压连接情况；⑤将以上监测到的数据传送给主控盒。

图7 高压盒相关电路

4.辅助元器件

辅助元器件如图8所示，包括动力电池系统内部的电子电器：主正继电器、预充继电器、预充电阻、主负继电器、高压熔断器、加热继电器、加热熔断器、电流传感器、高压插座、低压插座，还包括密封条、绝缘材料等。

图8 辅助元器件

 （1）主正继电器，如图9所示，由BMS控制，作用是接通／断开动力电池正极。

图9 主正继电器

（2）预充继电器、预充电阻，如图10所示，由BMS控制，作用是接通／断开动力电池预充正极。预充电阻一般为100Ω，目的是通入小电流，预充电时检测单体电池有无短路；上电时先用小电流给电机控制器和电动压缩机控制器的电容器充电，因为电容器在充电开始时处于短路状态。

图10 预充继电器、预充电阻

（3）主负继电器，由整车vcu控制，接通／断开动力电池负极。

（4）高压熔断器，如图11所示，作用是防止放电过电流，防止能量回收过电流。内部是银熔断片和石英砂，具有快速熔断的特点，一般规格为250A，500V。直流熔断器不同于交流熔断器，交流电正弦波交替传导，每周波有过零点，此时电量值最低电弧容易熄灭。直流电是恒定电压，当出现短路故障，依靠熔断片迅速熔化以及石英砂扩散吸附和冷却熄灭电弧。带有维修开关的纯电动车，高压熔断器装在维修开关内，方便更换。

图11 高压熔断器

（5）电流传感器，型式有分流器和霍尔传感器两种，如图12所示。分流器是一个阻值很小的电阻，当有直流电通过电阻时产生电压降，根据欧姆定律，电流＝电压／电阻，就可计算出电流值。霍尔传感器是半导体材料制成的磁电转换器件，高压电缆穿过该器件，电缆周围产生磁场；传感器输入端通入电流，输出端产生与高压电缆电流成比例的霍尔电势，就可计算出电流值。

图12 电流传感器

（6）加热继电器与加热熔断器，如图13所示，适用磷酸铁锂电池，该电池低温充放电性能差，在低温如不加热充电或放电，会降低电池循环寿命，电池温度范围为0～50℃。

图13 加热继电器

（7）高压插座，用来连接通往高压盒的高压电缆，EV200电动车高压插座如图14所示，插孔1为高压－，插孔2为高压＋。

图14 高压插座

（8）低压插座，用来连接低压线束，北汽新能源EV200的低压插座示意图如图15所示，端子含义见表2。

图15 低压插座

表2 低压插座端子定义

1.BMS功能

BMS（Battery management system）是保护和管理电池的核心部件，相当于人的大脑，不仅要保证电池安全可靠地使用，而且要充分发挥电池的能力和延长使用寿命。

（1）控制预充、主正继电器。通过继电器触点闭合与断开，完成动力电池的预充、充电、上电、下电等程序。

（2）数据采集。①高压盒采集动力电池总电压、动力电池总电流；②从控盒采集每个单体（模块）电压、每个模组的温度。

（3）状态分析。①SOC剩余电量评估，让驾驶员了解续航里程，方法有电荷计量法、断路电压法、卡尔曼滤波法、人工神经网络法、模糊逻辑法；② SOH健康程度评估，评估电池健康（老化）程度、温度对电流影响，供评估SOC参考。

（4）均衡控制。

①电池不一致性，是指随着循环充放电次数增加和工作环境变化，出现单体电压、容量、内阻不一致，降低电池容量，影响电池使用寿命。如图16所示，先看均衡前，某个模块已达到放电终止电压（下限保护电压），其他模块还有一定的电量，这时不能继续放电；充电后某个模块已达到充电终止电压（上限保护电压），这时不能继续充电；可以看出均衡前电池总电量减小。再看均衡后，增加了电量差，电池的电量增加。图中每个模块电量的长短不同，说明容量不一致。

图16 均衡前后的电量对比

②均衡控制按均衡电路分类：集中式均衡（共用一个均衡器）、分布式均衡（每个单体一个均衡器）。

③均衡控制按控制方式分类：主动均衡（能量高的单体向低的转移）、被动均衡（对能量高的单体放电）。

④用诊断仪读出各模块电压，如图17所示。未装车载均衡器的纯电动车，需要拔开从控盒插头，将该插头插入专用均衡器，对每个模块进行均衡。

图17 各模块电压

（5）热管理。①在低温情况下对电池包加热。②电池自身有内阻，电流流动产生热量，热量累积温度升高，当超出正常温度会影响电性能和寿命，BMS监测各模组温度，通过冷却液循环或通风散热。

（6）安全保护。①过电流保护，电流超过安全范围，采取安全保护。②过充电保护，充电电压高于上限，BMS断开充电回路。③过放电保护，放电电压低于下限，BMS断开放电回路。④过温保护，温度高于或低于正常范围，禁止充、放电。⑤绝缘监测，BMS实时监测高压正、高压负与车身搭铁的绝缘电阻，如低于安全范围，断开高压电并发出警告。

2.充电方式

（1）慢充电。BMS通过新能源CAN连接VCU、驱动电机控制器、车载充电机、DC/DC控制器、PTC控制器、电动压缩机控制器、诊断接口。早期有的车型BMS通过慢充总线连接车载充电机、数据采集终端。当插上慢充枪，VCU唤醒BMS由睡眠状态转为工作状态，VCU接通电池箱内的主负继电器，BMS先接通预充继电器，再接通主正继电器而断开预充继电器。BMS根据动力电池总电压、模块电压、模组温度，由充电机调节充电电流，慢充电过程需要8～10h（常温25℃，0→100%SOC）。

（2）快充电。BMS通过快充CAN连接直流快充桩、RMS数据采集终端、诊断接口。当插上快充枪，BMS将充电需求送给直流快充桩，由直流快充桩调节充电电流，快充电过程需要30～45min（常温 25℃，30%→80%SOC）。

3.充电前加热

从控盒测量每个模块实时温度，反馈给主控盒，如低于设定值，主控盒指令加热继电器闭合，高压电流通过加热熔断器和加热膜。

（1）慢充加热回路，如图18所示：交流充电桩→车载充电机→高压盒＋→加热继电器触点→加热膜→加热熔断器→高压盒－→车载充电机→交流充电桩。

图18 慢充加热回路

（2）快充加热回路，如图19所示：直流充电桩→高压盒＋→升加热继电器触点→加热膜→加热熔断器→高压盒→升直流充电桩。

图19 快充加热回路

4.预充电

（1）慢充预充电回路，如图20所示：交流充电桩→车载充电机→高压＋→预充继电器触点→预充电阻→电池模组→维修开关（内有熔断器）→电池模组→电流传感器→主负继电器触点→高压－→车载充电机→交流充电桩。

图20 慢充预充电回路

（2）快充预充电，是由直流充电桩提供电源。

5.充电

（1）慢充回路，如图21所示：交流充电桩→车载充电机→高压+→主正继电器触点→电池模组→维修开关（内有熔断器）→电池模组→电流传感器→主负继电器触点→高压－→车载充电机－交流充电桩。

图21 慢充回路

（2）快充回路，如图22所示：直流充电桩→高压＋→主正继电器触点→电池模组→维修开关（内有熔断器）→电池模组→电流传感器→主负继电器触点→高压－→直流充电桩。

图22 快充回路

6.上电

（1）预上电回路。打开点火开关，VCU收到15号信号唤醒BMS；BMS自检、初始化，将结果上报VCU；VCU发出电流给主负继电器，主负继电器触点闭合。因电机控制器、电动压缩机控制器内有电容器，BMS首先对电容预放电，然后闭合预充继电器。如图23所示：动力电池＋→预充电阻→预充继电器触点→高压＋→负载→高压－→主负继电器触点→电流传感器→动力电池－。

图23 预上电回路

（2）上电回路。当电容电压等于动力电池电压，BMS闭合主正继电器，断开预充继电器，如图24所示：动力电池＋。主正继电器触点→高压＋→负载斗高压－→主负继电器触点→电流传感器（分流器）→动力电池－。

图24 上电回路

7.绝缘监测

绝缘监测回路，如图25所示。

图25 绝缘监测回路

（1）电池正监测回路，动力电池＋→绝缘监测电阻→主正绝缘监测继电器→搭铁。

（2）电池负监测回路，动力电池一→绝缘监测电阻→主负绝缘监测继电器→搭铁。BMS分别指令S1、S2闭合，分别测得电压U1、U2，以及测得高压总电压U，将这三者代入公式计算，计算出高压＋与搭铁的绝缘电阻Rx、高压一与搭铁的绝缘电阻Ry，然后判断绝缘性能是否正常。