2020 款寶馬iX3 純電動(dòng)汽車(chē)高電壓系統(tǒng)解析（一）

常州交通技師學(xué)院 施鋅濤

2020款寶馬iX3純電動(dòng)汽車(chē)（圖1）采用寶馬第5.0代高電壓系統(tǒng)，高壓蓄電池（SE16）的額定電壓約為345 V，重量為518 kg，可儲(chǔ)存的能量為80 kWh，峰值功率為210 kW，峰值轉(zhuǎn)矩為400 N?m，最高車(chē)速為180 km/h。根據(jù)WLTP（全球統(tǒng)一的輕型車(chē)排放測(cè)試規(guī)程）測(cè)試循環(huán)，該車(chē)?yán)m(xù)航里程約為460 km。下面筆者跟大家一起來(lái)了解該車(chē)的高電壓系統(tǒng)。

圖1 2020款寶馬iX3純電動(dòng)汽車(chē)外觀

1 高電壓系統(tǒng)的組成

如圖2所示，2020款寶馬iX3純電動(dòng)汽車(chē)高電壓系統(tǒng)主要由高壓蓄電池（SE16）、電氣化驅(qū)動(dòng)單元（EAE）、聯(lián)合充電單元（CCU）、直流（DC）充電接口、交流（AC）充電接口、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)（EKK）、用于高壓蓄電池單元的電加熱裝置及用于車(chē)內(nèi)空間的電子暖風(fēng)裝置等組件組成。高電壓系統(tǒng)的電路布局如圖3所示。

圖2 2020款寶馬iX3純電動(dòng)汽車(chē)高電壓系統(tǒng)的組成

圖3 2020款寶馬iX3純電動(dòng)汽車(chē)高電壓系統(tǒng)的電路布局

2 高壓組件的功能

2.1 高壓蓄電池（SE16）

SE16為高壓蓄電池的開(kāi)發(fā)序列代號(hào)，第1位“S”代表電能儲(chǔ)存系統(tǒng)（Electrical Energy Storage System），第2位“E”表示純電動(dòng)汽車(chē)（“H”表示混合動(dòng)力汽車(chē)，“P”表示插電式混合動(dòng)力汽車(chē)）；后2位為高壓蓄電池的研發(fā)編號(hào)。如2020款寶馬X5 xDrive45e插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）采用的高壓蓄電池的開(kāi)發(fā)序列代號(hào)為SP44。

高壓蓄電池（SE16）總重量為518 kg，包含188塊鋰離子單格電池，額定電壓約為345 V，允許電壓范圍為263.8 V~ 394.8 V，容量為232 Ah，可儲(chǔ)存的能量為80 kWh。

采用扁平式結(jié)構(gòu)的高壓蓄電池（SE16）大面積地安裝在前橋與后橋之間的底板上。如圖4所示，高壓蓄電池（SE16）組件由帶有單格電池的電池單元模塊、電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC）、存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）、帶有熱交換器和冷卻液管的調(diào)溫系統(tǒng)、電纜束、高壓導(dǎo)線、接口（電氣系統(tǒng)和冷卻液）、排氣單元及外殼和緊固件等部分組成。

圖4 高壓蓄電池（SE16）的結(jié)構(gòu)

2.1.1 電池單元模塊

電池單元模塊是將多個(gè)單格電池組合成一個(gè)單元。單格電池的額定電壓為3.67 V，由寧德時(shí)代公司生產(chǎn)。如圖5所示，電池單元模塊的組成部分還包括單格電池觸點(diǎn)系統(tǒng)、單格電池觸點(diǎn)系統(tǒng)飾蓋、連接元件及熱交換器等。電池單元模塊不允許進(jìn)行拆解，如果損壞，必須整個(gè)更換。

圖5 電池單元模塊的組成

如圖6所示，電池單元模塊中的單格電池成對(duì)且相互呈180°夾角布置，這樣使正極和負(fù)極成對(duì)交替貼靠在一起，然后通過(guò)單格電池觸點(diǎn)系統(tǒng)將正極和負(fù)極相互連接，從而形成由2個(gè)并聯(lián)單格電池組成的串聯(lián)電路。

圖6 11s2p電池單元模塊的單格電池接線

如圖7所示，高壓蓄電池（SE16）共由10個(gè)串聯(lián)的電池單元模塊組成，其中2個(gè)11s2p電池單元模塊和8個(gè)9s2p電池單元模塊，各電池單元模塊按編號(hào)順序串聯(lián)。11s2p和9s2p提示的是電池單元模塊中單格電池的接線方式，其中“s”為series（串聯(lián)）的縮寫(xiě)，“p”為parallel（并聯(lián)）的縮寫(xiě)。11s2p表示11個(gè)單格電池串聯(lián)的同時(shí)每2個(gè)單格電池并聯(lián)在一起（稱(chēng)為“雙電池單元模塊”），11s2p電池單元模塊共安裝了22個(gè)單格電池；同理，9s2p表示9個(gè)單格電池串聯(lián)的同時(shí)每2個(gè)單格電池并聯(lián)在一起，9s2p電池單元模塊共安裝了18個(gè)單格電池。因此，高壓蓄電池（SE16）共由188（2×22+8×18=188）個(gè)單格電池組成。

圖7 電池單元模塊的布局及接線方式

單格電池串聯(lián)可以增加電池單元模塊的電壓，并聯(lián)可以增加電池單元模塊的容量。單格電池的額定電壓為3.67 V，容量為116 Ah，因此9s2p電池單元模塊的額定電壓為33.03 V（3.67 V×9=33.03 V），11s2p電池單元模塊的額定電壓為40.37 V（3.67 V×11=40.37 V），容量均為232 Ah（116 Ah×2=232 Ah），高壓蓄電池（SE16）的額定電壓約為345 V（33.03 V×8+40.37 V×2=344.98 V≈345 V）。

無(wú)論是11s2p電池單元模塊還是9s2p電池單元模塊，每個(gè)電池單元模塊都擁有2個(gè)用來(lái)確定單格電池溫度的溫度傳感器（負(fù)溫度系數(shù)電阻）。雖然只有2種電池單元模塊，但基于熱交換器不同的連接位置，電池單元模塊有4個(gè)不同的零件號(hào)碼。

2.1.2 電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC）

電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC，圖8）安裝在11s2p電池單元模塊1上方的支架上。如圖9所示，電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC）負(fù)責(zé)測(cè)量和監(jiān)控雙電池單元模塊（2個(gè)并聯(lián)的單格電池）的電壓和溫度，然后數(shù)據(jù)通過(guò)CSC-CAN通信傳輸至存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME），由存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）執(zhí)行單格電池電壓的調(diào)整，即所謂的“電池電量均衡”。

圖8 電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC）

圖9 電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC）電路

為了確保高壓蓄電池（SE16）中使用的鋰離子單格電池正常運(yùn)行，必須滿足特定的邊界條件。單格電池電壓和溫度不允許低于或高于特定的數(shù)值，否則單格電池可能會(huì)受到永久性的損壞。通過(guò)單格電池的溫度可以識(shí)別過(guò)載或電氣故障，在這種情況下，會(huì)立即減小電流強(qiáng)度或在必要的情況下完全關(guān)閉高電壓系統(tǒng)，以避免單格電池進(jìn)一步受損。除此以外，測(cè)得的溫度還被用于控制調(diào)溫系統(tǒng)，以使單格電池始終在允許溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，從而確保其性能和使用壽命。

在理論的理想情況下，串聯(lián)的所有單格電池始終具有相同的電壓，所有單格電池在充電時(shí)始終會(huì)同時(shí)達(dá)到充電終止電壓，或者在放電時(shí)達(dá)到放電終止電壓。這樣一來(lái)，就可以理想地利用每一塊單格電池的能量。然而，實(shí)際上單格電池具有各自的電壓，它和其他單格電池之間會(huì)存在差別（即使是最微小的差別），電壓最高的單格電池決定充電結(jié)束點(diǎn)，電壓最低的單格電池決定放電結(jié)束點(diǎn)，單格電池之間的電壓差決定了不可利用的電量。隨著時(shí)間的推移，如果不執(zhí)行電池電量均衡，則單格電池之間的電壓差會(huì)擴(kuò)大。

2個(gè)單格電池并聯(lián)為1個(gè)雙電池單元模塊，因此只能測(cè)量這對(duì)單格電池的電壓。也就是說(shuō)，對(duì)于一個(gè)永久性的并聯(lián)電路，不能測(cè)定每個(gè)單格電池的電壓。這樣一來(lái)，同樣也只能夠針對(duì)雙電池單元模塊開(kāi)展電池電量均衡。在電池電量均衡時(shí)，首先會(huì)測(cè)量所有雙電池單元模塊的電壓，并且由存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）進(jìn)行相互比較。如果所有雙電池單元模塊相互之間的電壓差高于8 mV，則會(huì)由存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）啟動(dòng)電池電量均衡過(guò)程。1個(gè)雙電池單元模塊的最低單格電池電壓決定了電池電量均衡的目標(biāo)值，所有比其他雙電池單元模塊電壓更高的雙電池單元模塊會(huì)在此過(guò)程中進(jìn)行針對(duì)性的放電。

如圖10所示，電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC）通過(guò)放電電阻對(duì)每個(gè)雙電池單元模塊進(jìn)行放電，直至達(dá)到規(guī)定的電壓。一旦配套的觸點(diǎn)閉合，放電電流就會(huì)流過(guò)放電電阻。在啟動(dòng)放電過(guò)程后，即使期間主控制單元切換至休眠模式，電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC）仍然會(huì)負(fù)責(zé)放電過(guò)程的執(zhí)行或延續(xù)。為此，電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC）會(huì)從存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）獲得供電，而存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）則直接由總線端30供電。如果1個(gè)雙電池單元模塊的電壓水平達(dá)到了目標(biāo)電壓，則放電過(guò)程自動(dòng)結(jié)束。電池電量均衡會(huì)一直持續(xù)，直至所有雙電池單元模塊達(dá)到相同的電壓水平為止。

圖10 電池電量均衡過(guò)程

對(duì)于雙電池單元模塊電壓的調(diào)整，具體的條件如下。

（1）車(chē)輛處于休眠狀態(tài)。

（2）高電壓系統(tǒng)已關(guān)閉（沒(méi)有激活的充電過(guò)程）。

（3）雙電池單元模塊之間的電壓偏差超過(guò)8 mV。

（4）高壓蓄電池（SE16）的電量高于一個(gè)給定的最小閾值。

如果雙電池單元模塊電壓的偏差過(guò)大，或者雙電池單元模塊電壓的調(diào)整未成功進(jìn)行，則會(huì)在存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）中生成相應(yīng)的故障記錄。

2.1.3 存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）

存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）上的接口如圖11所示，它具有以下功能。

圖11 存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）上的接口

（1）在聯(lián)合充電單元（CCU）發(fā)出請(qǐng)求的情況下，控制高電壓系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉。

（2）分析所有單格電池的電壓、溫度及高電壓電路中的電流強(qiáng)度。

（3）為高壓蓄電池（SE16）控制調(diào)溫系統(tǒng)。

（4）確定高壓蓄電池（SE16）的電量（State of Charge，SoC）和老化狀態(tài)（State of Health，SoH）。

（5）確定高壓蓄電池（SE16）的可用功率，并且在必要時(shí)向聯(lián)合充電單元（CCU）發(fā)出限制請(qǐng)求。

（5）安全監(jiān)測(cè)，例如電壓和溫度監(jiān)控、絕緣監(jiān)控及高壓安全插頭的狀態(tài)識(shí)別等。

（6）識(shí)別故障狀態(tài)，保存故障記錄，并且將故障狀態(tài)傳輸至聯(lián)合充電單元（CCU）。

存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）的故障存儲(chǔ)器中不僅能夠記錄控制單元故障，而且也會(huì)提示高壓蓄電池（SE16）中其他組件的故障。故障記錄分為不同的類(lèi)別，具體取決于其嚴(yán)重程度。

（1）如果與存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）或電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC）之間的通信短暫受到干擾，這并不意味著高電壓系統(tǒng)的任何功能性限制或其安全受到威脅。此時(shí)只會(huì)生成相應(yīng)的故障記錄，可以借助診斷系統(tǒng)加以分析，不會(huì)出現(xiàn)任何檢查控制信息。

（2）如果高壓蓄電池（SE16）不能提供全部功率或全部電量，則為了保護(hù)組件，會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)功率和續(xù)航里程加以限制。在這種情況下，駕駛?cè)丝梢栽隍?qū)動(dòng)功率顯著減小的情況下繼續(xù)行駛一小段路程。

（3）如果高電壓系統(tǒng)的安全由于故障受到影響，或者故障可能會(huì)導(dǎo)致高壓蓄電池單（SE16）損壞，則會(huì)立即關(guān)閉高電壓系統(tǒng)，并且電磁接觸器的觸點(diǎn)會(huì)斷開(kāi)。

如圖12所示，存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）中集成有高壓負(fù)極導(dǎo)線中的電流和電壓傳感器、高壓負(fù)極導(dǎo)線中的熔絲（150 A）、用于高電壓系統(tǒng)的3個(gè)主電磁接觸器（主電磁接觸器HV+、主電磁接觸器HV-和預(yù)充電電磁接觸器）及預(yù)充電電阻、用于直流充電高壓接口的2個(gè)電磁接觸器（直流充電電磁接觸器HV+和直流充電電磁接觸器HV-）、用于接觸器位置監(jiān)控和總電壓測(cè)量的電壓傳感器；用于監(jiān)控接觸器溫度的2個(gè)溫度傳感器（直流充電電磁接觸器的溫度傳感器和主電磁接觸器的溫度傳感器）、用于絕緣監(jiān)控的監(jiān)測(cè)電路、高壓負(fù)極導(dǎo)線中的燃爆式安全開(kāi)關(guān)PSS1和PSS4。

圖12 存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）內(nèi)部電路

存儲(chǔ)器電子管理系統(tǒng)（SME）連接到3個(gè)CAN總線上，分別為與電池監(jiān)控電子設(shè)備（CSC）進(jìn)行通信的SCSCAN 總線、內(nèi)部通信SME-CAN總線、與車(chē)輛接口通信的CAN-FD總線。CSC-CAN總線和SME-CAN總線的傳輸速率為500 kbit/s，CAN-FD總線的傳輸速率為2 Mbit/s。

（未完待續(xù)）