純電動汽車學(xué)習(xí)入門(四)
——動力電池系統(tǒng)(下)

◆文/北京 李玉茂

（接上期）

4.輔助元器件

輔助元器件如圖14所示，包括動力電池系統(tǒng)內(nèi)部的電子電器：主正繼電器、預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻、主負(fù)繼電器、高壓熔斷器、加熱繼電器、加熱熔斷器、電流傳感器、高壓插座、低壓插座，還包括密封條、絕緣材料等。

（1）主正繼電器，如圖15所示，由BMS控制，作用是接通/斷開動力電池正極。

（2）預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻，如圖16所示，由BMS控制，作用是接通/斷開動力電池預(yù)充正極。預(yù)充電阻一般為100Ω，目的是通入小電流，預(yù)充電時檢測單體電池有無短路；上電時先用小電流給電機(jī)控制器和電動壓縮機(jī)控制器的電容器充電，因為電容器在充電開始時處于短路狀態(tài)。

（3）主負(fù)繼電器，由整車VCU控制，接通/斷開動力電池負(fù)極。

圖14 輔助元器件

圖15 主正繼電器

圖16 預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻

（4）高壓熔斷器，如圖17所示，作用是防止放電過電流，防止能量回收過電流。內(nèi)部是銀熔斷片和石英砂，具有快速熔斷的特點(diǎn)，一般規(guī)格為250A，500V。直流熔斷器不同于交流熔斷器，交流電正弦波交替?zhèn)鲗?dǎo)，每周波有過零點(diǎn)，此時電量值最低電弧容易熄滅。直流電是恒定電壓，當(dāng)出現(xiàn)短路故障，依靠熔斷片迅速熔化以及石英砂擴(kuò)散吸附和冷卻熄滅電弧。帶有維修開關(guān)的純電動車，高壓熔斷器裝在維修開關(guān)內(nèi)，方便更換。

（5）電流傳感器，型式有分流器和霍爾傳感器兩種，如圖18所示。分流器是一個阻值很小的電阻，當(dāng)有直流電通過電阻時產(chǎn)生電壓降，根據(jù)歐姆定律，電流=電壓/電阻，就可計算出電流值?；魻杺鞲衅魇前雽?dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件，高壓電纜穿過該器件，電纜周圍產(chǎn)生磁場；傳感器輸入端通入電流，輸出端產(chǎn)生與高壓電纜電流成比例的霍爾電勢，就可計算出電流值。

圖17 高壓熔斷器

圖18 電流傳感器

（6）加熱繼電器與加熱熔斷器，如圖19所示，適用磷酸鐵鋰電池，該電池低溫充放電性能差，在低溫如不加熱充電或放電，會降低電池循環(huán)壽命，電池溫度范圍為0～50℃。

（7）高壓插座，用來連接通往高壓盒的高壓電纜，EV200電動車高壓插座如圖20所示，插孔1為高壓-，插孔2為高壓+。

圖19 加熱繼電器

（8）低壓插座，用來連接低壓線束，北汽新能源EV200的低壓插座示意圖如圖21所示，端子含義見表2。

圖20 高壓插座

圖21 低壓插座

表2 低壓插座端子含義

四、BMS控制原理

1.BMS功能

BMS（Battery management system）是保護(hù)和管理電池的核心部件，相當(dāng)于人的大腦，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使用壽命。

（1）控制預(yù)充、主正繼電器。通過繼電器觸點(diǎn)閉合與斷開，完成動力電池的預(yù)充、充電、上電、下電等程序。

（2）數(shù)據(jù)采集。①高壓盒采集動力電池總電壓、動力電池總電流；②從控盒采集每個單體（模塊）電壓、每個模組的溫度。

（3）狀態(tài)分析。①SOC剩余電量評估，讓駕駛員了解續(xù)航里程，方法有電荷計量法、斷路電壓法、卡爾曼濾波法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法；②SOH健康程度評估，評估電池健康（老化）程度、溫度對電流影響，供評估SOC參考。

（4）均衡控制。

①電池不一致性，是指隨著循環(huán)充放電次數(shù)增加和工作環(huán)境變化，出現(xiàn)單體電壓、容量、內(nèi)阻不一致，降低電池容量，影響電池使用壽命。如圖22所示，先看均衡前，某個模塊已達(dá)到放電終止電壓（下限保護(hù)電壓），其他模塊還有一定的電量，這時不能繼續(xù)放電；充電后某個模塊已達(dá)到充電終止電壓（上限保護(hù)電壓），這時不能繼續(xù)充電；可以看出均衡前電池總電量減小。再看均衡后，增加了電量差，電池的電量增加。圖中每個模塊電量的長短不同，說明容量不一致。

圖22 均衡前后的電量對比

②均衡控制按均衡電路分類：集中式均衡（共用一個均衡器）、分布式均衡（每個單體一個均衡器）。

③均衡控制按控制方式分類：主動均衡（能量高的單體向低的轉(zhuǎn)移）、被動均衡（對能量高的單體放電）。

④用診斷儀讀出各模塊電壓，如圖23所示。未裝車載均衡器的純電動車，需要拔開從控盒插頭，將該插頭插入專用均衡器，對每個模塊進(jìn)行均衡。

圖23 各模塊電壓

（5）熱管理。①在低溫情況下對電池包加熱。②電池自身有內(nèi)阻，電流流動產(chǎn)生熱量，熱量累積溫度升高，當(dāng)超出正常溫度會影響電性能和壽命，BMS監(jiān)測各模組溫度，通過冷卻液循環(huán)或通風(fēng)散熱。

（6）安全保護(hù)。①過電流保護(hù)，電流超過安全范圍，采取安全保護(hù)。②過充電保護(hù)，充電電壓高于上限，BMS斷開充電回路。③過放電保護(hù)，放電電壓低于下限，BMS斷開放電回路。④過溫保護(hù)，溫度高于或低于正常范圍，禁止充、放電。⑤絕緣監(jiān)測，BMS實(shí)時監(jiān)測高壓正、高壓負(fù)與車身搭鐵的絕緣電阻，如低于安全范圍，斷開高壓電并發(fā)出警告。

2.充電方式

（1）慢充電。BMS通過新能源CAN連接VCU、驅(qū)動電機(jī)控制器、車載充電機(jī)、DC/DC控制器、PTC控制器、電動壓縮機(jī)控制器、診斷接口。早期有的車型BMS通過慢充總線連接車載充電機(jī)、數(shù)據(jù)采集終端。當(dāng)插上慢充槍，VCU喚醒BMS由睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，VCU接通電池箱內(nèi)的主負(fù)繼電器，BMS先接通預(yù)充繼電器，再接通主正繼電器而斷開預(yù)充繼電器。BMS根據(jù)動力電池總電壓、模塊電壓、模組溫度，由充電機(jī)調(diào)節(jié)充電電流，慢充電過程需要8～10h（常溫25℃，0→100%SOC）。

（2）快充電。BMS通過快充CAN連接直流快充樁、RMS數(shù)據(jù)采集終端、診斷接口。當(dāng)插上快充槍，BMS將充電需求送給直流快充樁，由直流快充樁調(diào)節(jié)充電電流，快充電過程需要30～45min（常溫25℃，30%→80%SOC）。

3.充電前加熱

從控盒測量每個模塊實(shí)時溫度，反饋給主控盒，如低于設(shè)定值，主控盒指令加熱繼電器閉合，高壓電流通過加熱熔斷器和加熱膜。

（1）慢充加熱回路，如圖24所示：交流充電樁→車載充電機(jī)→高壓盒+→加熱繼電器觸點(diǎn)→加熱膜→加熱熔斷器→高壓盒-→車載充電機(jī)→交流充電樁。

圖24 慢充加熱回路

（2）快充加熱回路，如圖25所示：直流充電樁→高壓盒+→加熱繼電器觸點(diǎn)→加熱膜→加熱熔斷器→高壓盒-→直流充電樁。

圖25 快充加熱回路

4.預(yù)充電

（1）慢充預(yù)充電回路，如圖26所示：交流充電樁→車載充電機(jī)→高壓+→預(yù)充繼電器觸點(diǎn)→預(yù)充電阻→電池模組→維修開關(guān)（內(nèi)有熔斷器）→電池模組→電流傳感器→主負(fù)繼電器觸點(diǎn)→高壓-→車載充電機(jī)→交流充電樁。

（2）快充預(yù)充電，是由直流充電樁提供電源。

圖26 慢充預(yù)充電回路

5.充電

（1）慢充回路，如圖27所示：交流充電樁→車載充電機(jī)→高壓+→主正繼電器觸點(diǎn)→電池模組→維修開關(guān)（內(nèi)有熔斷器）→電池模組→電流傳感器→主負(fù)繼電器觸點(diǎn)→高壓-→車載充電機(jī)→交流充電樁。

圖27 慢充回路

（2）快充回路，如圖28所示：直流充電樁→高壓+→主正繼電器觸點(diǎn)→電池模組→維修開關(guān)（內(nèi)有熔斷器）→電池模組→電流傳感器→主負(fù)繼電器觸點(diǎn)→高壓-→直流充電樁。

圖28 快充回路

6.上電

（1）預(yù)上電回路。打開點(diǎn)火開關(guān)，VCU收到15號信號喚醒BMS；BMS自檢、初始化，將結(jié)果上報VCU；VCU發(fā)出電流給主負(fù)繼電器，主負(fù)繼電器觸點(diǎn)閉合。因電機(jī)控制器、電動壓縮機(jī)控制器內(nèi)有電容器，BMS首先對電容預(yù)放電，然后閉合預(yù)充繼電器。如圖29所示：動力電池+→預(yù)充電阻→預(yù)充繼電器觸點(diǎn)→高壓+→負(fù)載→高壓-→主負(fù)繼電器觸點(diǎn)→電流傳感器→動力電池-。

圖29 預(yù)上電回路

（2）上電回路。當(dāng)電容電壓等于動力電池電壓，BMS閉合主正繼電器，斷開預(yù)充繼電器，如圖30所示：動力電池+→主正繼電器觸點(diǎn)→高壓+→負(fù)載→高壓-→主負(fù)繼電器觸點(diǎn)→電流傳感器（分流器）→動力電池-。

圖30 上電回路

7.絕緣監(jiān)測

絕緣監(jiān)測回路，如圖31所示。

（1）電池正監(jiān)測回路，動力電池+→絕緣監(jiān)測電阻→主正絕緣監(jiān)測繼電器→搭鐵。

（2）電池負(fù)監(jiān)測回路，動力電池-→絕緣監(jiān)測電阻→主負(fù)絕緣監(jiān)測繼電器→搭鐵。BMS分別指令S1、S2閉合，分別測得電壓U1、U2，以及測得高壓總電壓U，將這三者代入公式計算，計算出高壓+與搭鐵的絕緣電阻Rx、高壓-與搭鐵的絕緣電阻Ry，然后判斷絕緣性能是否正常。

圖31 絕緣監(jiān)測回路

（未完待續(xù)）