北汽E150EV電動汽車動力電池系統的結構與檢修

◆文/山東 劉春暉

一、動力電池系統的功能與組成

1.總體功能

動力電池系統的功能為接收和儲存由車載充電機、發電機、制動能量回收裝置和外置充電裝置提供的高壓直流電，并且為驅動電機控制器、DC/DC、電動空調、PTC等高壓元件提供高壓直流電。

2.組成

北汽E150EV電動汽車采用鋰離子動力電池系統，其動力電池系統主要由動力電池模組、電池管理系統、動力電池箱及輔助元器件等4部分組成，如圖1所示。

圖1 北汽E150EV電動汽車動力電池系統的組成

(1)動力電池模組

①電池單體：構成動力電池模塊的最小單元。一般由正極、負極、電解質及外殼等構成。可實現電能與化學能之間的直接轉換。

②電池模塊：一組并聯的電池單體的組合。該組合額定電壓與電池單體的額定電壓相等，是電池單體在物理結構和電路上連接起來的最小分組，可作為一個單元替換。

③模組：由多個電池模塊或單體電芯串聯組成的一個組合體。

(2)電池管理系統(BMS)

①BMS的組成：按性質可分為硬件和軟件，按功能分為數據采集單元和控制單元。

②BMS的硬件：主要是指主板、從板及高壓盒，還包括采集電壓線、電流、溫度等數據的電子器件。

③BMS的軟件：監測電池的電壓、電流、SOC值(剩余電量)、絕緣電阻值、溫度值，通過與VCU(整車控制器)、充電機的通信，來控制動力電池系統的充、放電。

④BMS的作用：電池保護和管理的核心部件，在動力電池系統中，它的作用就相當于人的大腦。它不僅要保證電池安全可靠地使用，而且要充分發揮電池的能力和延長其使用壽命，作為電池和VCU及駕駛者溝通的橋梁，通過控制接觸器控制動力電池組的充、放電，并向VCU上報動力電池系統的基本參數及故障信息。

BMS通過電壓、電流及溫度檢測等功能實現對動力電池系統的過壓、欠壓、過流、過高溫和過低溫保護、繼電器控制、SOC估算、充放電管理、均衡控制、故障報警及處理、與其他控制器通信等功能；此外BMS還具有高壓回路絕緣檢測功能，以及為動力電池系統加熱的功能。

(3)動力電池箱

圖2所示為動力電池箱的實物圖。

圖2 動力電池箱

①動力電池箱的組成：支撐、固定、包圍電池系統的組件，主要包含上蓋和下托盤，還有輔助元器件，如過渡件、護板、螺栓等，動力電池箱有承載及保護動力電池組及電氣元件的作用。

②技術要求：電池箱體用螺栓連接在車身地板下方，其防護等級為IP67，螺栓擰緊力矩為80～100N·m。整車維護時需觀察電池箱體螺栓是否有松動，電池箱體是否有破損嚴重變形，密封法蘭是否完整，確保動力電池可以正常工作。

③外觀要求：電池箱體外表面顏色要求為銀灰或黑色，亞光；電池箱體表面不得有劃痕、尖角、毛刺、焊縫及殘余油跡等外觀缺陷，焊接處必須打磨圓滑。

(4)輔助元器件

輔助元器件主要包括動力電池系統內部的電子電器元件，如熔斷器、繼電器、分流器、接插件、緊急開關、煙霧傳感器等，還包括維修開關以及電子電器元件以外的輔助元器件，如密封條、絕緣材料等。

二、C30DB動力電池系統

1.工作原理

動力電池模組放置在一個密封并且屏蔽的動力電池箱里面，動力電池系統使用可靠的高低壓接插件與整車進行連接。系統內的BMS實時采集各電芯的電壓值、各溫度傳感器的溫度值、電池系統的總電壓值和總電流值、電池系統的絕緣電阻值等數據，并根據BMS中設定的閥值判定電池系統工作是否正常，也對故障實時監控。動力電池系統通過BMS使CAN(控制器局域網絡)與VCU或充電機之間進行通信，對動力電池系統進行充、放電等綜合管理。

2.C30DB動力電池系統的充電

C30DB動力電池系統充電分為快充、慢充和制動能量回收三種方式。

(1)動力電池慢充狀態說明

①充電時采用慢充(即車載充電)方式為宜。

②電芯的溫度在0～55℃之間，才可以充電，當有溫度點高于55℃或低于0℃時，BMS將自動切斷充電回路，此時將無法充電。

③充電前檢測箱體內部溫度，若有低于0℃的溫度點，啟動加熱模式，閉合加熱片，進行加熱內循環；待所有電芯溫度點高于5℃，停止加熱，啟動充電程序；過程中出現加熱片溫度差高于20℃，則間歇停止加熱；待加熱片溫度差低于15℃，則重啟加熱片。

④加熱過程中，正常情況下充電樁電流顯示為4～6A。

⑤充電過程中，充電樁電流顯示為12～13A。

⑥如果單體壓差大于300mV，則停止充電，報充電故障。

(2)動力電池能量回收狀態說明

可接受最大回饋電壓要求：動力電池可以承受由電機產生的最大365V的感應電動勢；可接受回饋電流SOC范圍要求：動力電池可以接受回饋電流的SOC范圍為0～90%。

三、系統工作原理

高壓系統工作原理如圖3所示，低壓系統工作原理如圖4所示，絕緣監測回路工作原理如圖5所示。動力電池系統的絕緣值分為兩個：正極與外殼的絕緣值、負極與外殼的絕緣值。

圖3 高壓系統工作原理

圖4 低壓系統工作原理

圖5 絕緣監測回路工作原理

測量方法為：在接觸器斷開的條件下，采用搖表測量正對地絕緣阻值及負對地絕緣阻值。判定標準：正對地絕緣阻值及負對地絕緣阻值均大于等于20MΩ為合格，小于20MΩ為不合格。

四、動力電池系統的使用條件

車輛行駛過程中，隨著電量的消耗，SOC表上指針指示的數值會逐漸減小。當SOC減小到15%時，SOC表上的電量不足指示燈會點亮。應盡快對電池包進行充電。此時動力電池系統的能量即將耗盡。

當動力電池系統的SOC小于10%后，不要猛踩加速踏板，因為VCU已經降功率使用，準備進入跛行模式(限速9km/h)。在動力電池系統電量耗盡以后，要及時對電池包進行充電。動力電池系統屬于化學電源，由于其自身能量轉換時對溫度的敏感，在電池包內部安裝了加熱單元。在溫度較低的冬天，對電池包進行充電時，加熱單元會首先啟動對動力電池系統進行加熱。當溫度達到適用于充電的溫度后，BMS會自動啟動動力電池系統的充電程序。

如果動力電池系統的加熱單元損壞，應及時進行維修。因為在低溫條件下不加熱，電池箱體內部達不到適應充電的溫度，BMS不會啟動程序，動力電池系統將不能進行正常充電。在擱置動力電池系統時，確保動力電池系統處于半電狀態SOC(50%～60%)。動力電池系統在擱置過程中會發生自放電現象，每個月的電量都會降低4%左右。所以擱置時間過長時，動力電池系統的開路電壓會降低到放電終止電壓以下，此時BMS會進行報警。動力電池系統若長期處于低壓狀態，其使用壽命會受到影響。擱置動力電池系統的時間不要太長，最多不要超過3個月，擱置環境溫度應該在-20～50℃范圍之內，擱置過程中應該確保動力電池系統不被曝曬，也不會被雨水澆淋。

五、動力電池系統故障顯示

1.動力電池系統的故障分級

三級故障：表明動力電池性能下降，電池管理系統降低最大允許充/放電電流。

二級故障：表明動力電池在此狀態下功能已經喪失，請求其他控制器停止充電或者放電；其他控制器應在一定的延時時間內響應動力電池停止充電或放電請求。

一級故障：表明動力電池在此狀態下功能已經喪失，請求其他控制器立即(1s內)停止充電或放電。如果其他控制器在指定時間內未作出響應，電池管理系統將在2s后主動停止充電或放電(即斷開高壓繼電器)。

注意：其他控制器響應動力電池二級故障的延時時間建議少于60s，否則會引發動力電池上報一級故障。

2.故障顯示

電池故障在儀表上會有顯示。關于動力電池的故障，儀表上只顯示動力電池故障、動力電池絕緣故障及動力電池系統斷開3種故障信息。在儀表上顯示的故障指示燈及含義見表1。

3.注意事項

①純電動汽車故障燈大多數都是與普通汽車故障燈一樣的。

②純電動汽車故障燈也是分為指示燈、警告燈、指示/警告燈3類。

③純電動汽車故障燈同樣用顏色代表故障程度：紅色=危險/重要提醒；黃色=警告/故障；綠色/藍色/白色=指示/確認啟用。

表1 儀表上顯示的故障指示燈及含義