新能源汽车技术原理与维修（7）
——动力电池成组问题（1）

文：岳昇

新能源汽车技术原理与维修（7）
——动力电池成组问题（1）

文：岳昇

锂离子电池的技术问题是制约纯电动汽车的批量化生产和更多用户接受使用的主要因素。驱动电机技术基本成熟，驱动电机技术在其他各个领域的发展，特别是在铁路动车上的应用，已经为在汽车上的应用做好了许多铺垫。电控技术更不是问题，相比较繁杂的使用发动机的车辆电控系统来说，纯电动汽车的电子控制技术要简单许多。所以纯电动汽车主要问题在于电池的成组使用管理（即电池Pack技术）和电池的比能量问题（图1）。电池的比能量属于电池技术问题，是以电化学专业为主的一个新领域；而电池成组使用管理问题，是影响电动汽车安全性、可靠性和动力性的关键问题，也是本文要探讨的问题。

锂离子电池在手机和电动工具上使用时，其电池的管理系统比较简单，因为涉及并联和串联的电池个数不多，需求的电压不高，一般控制好最高充电电压、最低放电电压以及温度就可以了。当锂离子电池在电动汽车上使用时，需求的功率高达数十千瓦，电压300～600 V，电流高达100 A以上，这就需用数十个甚至是成百上千个电池并联和串联，而且负载有感性负载和容性负载，由此带来一系列问题需要解决。例如对外上下电控制、供电高压安全性、充放电电压和电流的测量与控制、高压线路绝缘监测、继电器触点开闭状态监测、各串电池电压检测、总电量SOC计算、与整车控制器的通讯、向充电系统发送充电请求通讯等等。

不同的车型选用不同厂家的动力电池及其管理系统，每种动力电池电芯的并联与串联的数量也不相同（图2）。这是整车厂与电池厂协调设计完成的。整车厂设计新车时，首先提出车辆的总体性能要求，包括整车满载质量、一般行驶速度、最高车速以及最高车速持续时间、加速性、爬坡度、车辆迎风面积和轮胎直径等参数。我们可以初步依据这些参数，计算出车辆在不同车速时，车辆的迎风阻力、轮胎阻力、坡道阻力和加速时的驱动力等等。由此我们可以选出驱动电机的额定功率和最大功率。进一步我们可以选出动力电池的容量和工作电压。根据续驶里程目标，可以计算出电池的功率。

接下来要确定电芯的材料、容量和数量，将它们并联组成基础模块以达到容量要求；然后确定基础模块的数量，将他们串联以满足工作电压的要求。当然还要综合考虑动力电池布置的空间和环境，选择圆柱形还是方形或者软包电芯，以便于后期设计。

一、动力电池成组的硬件问题

1.电芯模块、电池模组及模组布置

为了提升电池容量，需要把单个电芯进行并联，通常把几个容量、性能参数一致的电芯用激光焊接并联组成基础模块，例如3个软包电芯并联（3P parallel），当然也可以更多的电芯并联，如5P，甚至16P等。

为了提升电池电压，则需要把电芯再进行串联，因此再把几个基础模块用激光焊接串联成模块，例如2个3P基础模块串联为3P2S（series）电池模块（图3），或者3个3P基础模块串联为3P3S电池模块。同时，为了在动力电池内的布置方便，模块的组合方式有多种选择：可以单用1个3P2S模块，电池上面可以布置其他电器元件；也可以把2个3P2S叠放串联成3P4S；还可以把1个3P2S和1个3P3S叠放组成3P5S。多种组合方式错落有致的固定在动力电池底板上，方便了总体布局。

选用电芯时要保证一致性，包括容量一致性、内阻一致性、充放电一致性、温升一致性、寿命一致性。

电池基础模块或者模组要设置温度传感器，检测电池温度；温度传感器有的放置在串联模组内部（图4），有的放置在模组极柱处（图5），还有放置在串联模块的镍板背面（图6），镍板用激光焊接到极柱上。每个电池基础模块设置了电压检测线，这些检测信号线汇集到电池电压与温度控制单元（从控盒）；从控盒对每一个电芯（基础模块）的电压随时巡检，检测电芯的电压、检测电压最高的电芯、检测电压最低的电芯；计算某个电池电压偏离情况；根据电压计算出电池的SOC数值，报告给电池主控盒，然后报告给整车控制器。

电池各个组合模块必须用螺栓可靠地固定在动力电池的底板上，耐受冲击振动，不得松动。

2.电池模组高压串联回路的连接方式

动力电池通常由90～100个电池串联组成，电压高达直流380 V（有些车达到600 V）。对外供电安全的措施必须可靠。电池模组用多层铜皮制成的成型母线带，通过螺栓可靠连接。母线带柔软，避免因车辆振动导致母线与螺栓连接根部产生裂纹。母线带外部用绝缘材料做了耐压绝缘处理。

通常在串联的高压回路中，设置维修开关、正负母线继电器、预充继电器、预充电阻和熔断器（图7）。维修开关设置在串联回路的中间，同时维修开关内部还有一个熔断器（图8），假如回路电流过大，熔断器断开，当维修开关拔出时，高压回路呈开路状态。正极和负极母线对外部负载输出端分别接了继电器，只有正负极母线继电器都接通，才能对外供电或对电池充电。

高压母线还设置了电流检测器件，目前有串联在母线上的无感分流器方式和套装在母线外部的霍尔传感器方式（图9）。两种传感器都是把检测到的母线电流送到主控盒，用于控制母线输出不能过流，充电和能量回收时电流不能过大。

3.预充电控制电路

新能源车的动力电池负载是电动机，例如驱动电机、空调电机。这些电机的控制器内部都有电容，另外车载充电机、DC/DC控制器等内部也有电容器。车辆断电时，电容会放电到零，此时的电容对直流电来讲是短路状态。如果直接把370 V左右的直流电加到电容上，瞬时的浪涌电流会烧毁母线、烧蚀继电器主触点、击穿电容器。为了避免此类事故发生，需要设置预充电电阻和预充电继电器。

预充继电器与预充电阻串联后，并联在正极母线继电器2个主触点之间。动力电池初始上电阶段，不允许同时接通正、负极母线继电器，一般是先由整车控制器接通负极母线继电器，动力电池 BMS系统对高压母线绝缘检测合格、各个电池电压合格后，接通预充电继电器，电流从正极母线经过预充电阻对负载中的电容器件先进行充电。当检测到电容的两端电压接近母线电压后，正极母线继电器再闭合，随后断开预充电继电器，动力电池对外正式供电。

4.高压绝缘检测盒

高压绝缘检测盒的任务一是高压回路绝缘检测，二是母线继电器触点开闭监测。

如图10所示，高圧绝缘检测检测点设置在动力电池内高压回路上，当动力电池没有对外供电时，检测盒对电池内部高压回路做绝缘检测，当正负母线继电器接通负载后，检测盒对全部回路的绝缘进行检测，检测点放在正负母线继电器主触点上，检测线连接到高压绝缘盒内部。

从预充继电器、正极母线继电器及负极母线继电器的触点处，分别引出检测线送回高压盒。各继电器触点开闭状态可以从各自继电器内外两触点的电位是否相同作出判断，通过主触点两端电位状况与触点控制信号目标比较，做出触点工作是否正确的判断，并报送上一级控制器。

绝缘检测控制单元（图11）接到高压正负母线继电器供电指令，立即开始对高压回路进行绝缘监测。无论电池内部，还是外部负载端，只要高压回路绝缘电阻值不合格、超过阈值，立即停止高压供电，并在仪表板上报出高压绝缘故障文字提示。同时，对各个继电器触点开闭状态检测，判断总正继电器、总负继电器、预充继电器的触点是否按照控制策略正常开闭。通过相应监测点的电压检测，分析判断各个继电器触点开闭状况，报告动力电池的主控盒。

5.电芯电压、温度采集线束与从控盒布置

电芯电压，温度采集点与采集线束涉及的电压都不高，一般不会到5 V，属于低压直流，但是和车身不能搭铁，是绝缘的。每个电芯的采集线实际是把每个电池基础模块的正负极分别引出导线，连同温度传感器信号线，通过低压线束汇集到从控盒（图12）。

从控盒每一个采样电阻对应一组电池电极电压采样线，从采样电阻上可以采集到各个串联电池的电压数据。从控盒对各个并联模块（或单独大电芯）的电压巡检采集、计算与处理。从监测数据中需要找出最高电压电芯、最低电压电芯，计算电芯电压最高与最低的差值，差值应小于0.03 V。充电时有一节电芯电压达到充电截止电压，即停止充电；放电时有一节电芯电压降到放电截止电压，即停止放电。

温度采集单元用于采集监控动力电池的单体或电池组的温度，防止过温导致热失控，造成重大损失。在低温充电时，温度采集单元会给出信号指令，首先对电池加热，达到一定温度时再开通充电。

6.动力电池主控盒（BMS）的功能

BMS动力电池主控盒是动力电池的管理核心（图13），是一个连接外部通讯和内部通讯的平台，主要功能如下。

（1）接收电池管理系统反馈的实时温度和单体电压（并计算最大值和最小值）。

（2）接收高压绝缘盒反馈的绝缘、总电压和电流情况。

（3）与整车控制器的通讯。

（4）与充电机或快充桩通讯。

（5）控制主继电器。

（6）控制电池加热。充电时当电芯温度低于设定值，BMS控制加热继电器闭合，通过加热熔丝接通加热膜电路。

（7）起动钥匙在ON挡时，对来自整车控制器的唤醒以及充电时来自整车控制器的唤醒作出应答。

（8）控制充/放电电流。

（9）预充电控制。

（10）电池组SOC的测量与估算。

（11）整车电池数据的故障分析、判断及在线报警。

（12）通过内部CAN总线统计电池箱的电池数据及参数信息。

（13）通过CAN1与整车控制器通讯，发送电池状态及告警信息。

（14）通过CAN2总线将电池数据发送至仪表和充电机。

（15）计算电池组最大允许充电电流，通过CAN2总线传送给充电机，实现充电过程闭环控制。

（16）当监测到电池出现过热（参数由电池生产厂家决定，可修改）的时候，电池管理系统能启动安装在电池箱的冷却风机，实施强制风冷从而让电池组降温，从而提高电池运行的稳定性和延长电池的使用寿命。

（17）充电时当电芯温度低于设定值，BMS控制加热继电器闭合，通过加热熔丝接通加热膜电路（图14）。

图15是某款车的动力电池控制盒，把从控盒、高压绝缘盒、主控盒集成在一起，整个动力电池内只有一个控制盒，完成全部管理功能。左侧电路板下部是电池电压采样电阻群，左上部有绝缘检测和继电器触点开闭检测电路，右上部是计算、处理、执行部分，输出对三个继电器的控制指令以及与整车控制器、充电机的CAN通讯。

动力电池模组放置在一个密封并且电磁屏蔽的动力电池箱里面。动力电池系统使用可靠的高低压接插件与整车进行连接。动力电池箱体其防护等级为IP67，用螺栓紧固在车身地板下方，螺栓拧紧力矩为80～100 N٠m。整车维护时需观察电池箱体螺栓是否有松动，电池箱体是否有破损严重变形，密封胶垫是否完整，确保动力电池可以正常工作。

二、动力电池系统控制问题

1.动力电池为整车供电过程

动力电池为整车供电过程如下。

（1）起动钥匙置于ON挡时，蓄电池提供12 V供电，对全车高压有控制器的部件（动力电池、电机控制器、整车控制器、空调控制器、DC/DC控制器）进行低压唤醒、初始化及自检，如无故障，上报整车控制器VCU。

（2）动力电池内部动力母线绝缘检测合格，各个继电器状态正常，各个电池模组电压温度状态合格，上报整车控制器VCU。

（3）VCU控制动力电池负极母线继电器闭合，动力电池内部主控盒控制预充电继电器闭合，首先为负载端各个电容充电。

（4）电池管理系统根据充电阻两端电压状态，检测判断到电容充满电后，闭合正极母线继电器，然后断开预充电继电器，此时仪表上出现RADEY灯符号。

（待续）

岳昇，北京汇智慧众汽车技术研究院技术总监，高级工程师，高级培训师，清华大学精密仪器系机械制造专业毕业。北京市汽车工业高级技工学校（原北京油泵油嘴厂技校）专业课教师，1988年赴联邦德国进修，回国后长期陪同协调德国专家开展汽车维修检测技术推广支持工作，参与负责德国柏林机械与制造技术高级培训中心和戴姆勒-克莱斯勒柏林厂培训中心与北汽集团的合作项目工作。1995年再赴新加坡南洋理工学院进修学习，回国后长期从事汽车专业技术课的教学与培训工作。