2020 款寶馬iX3 純電動汽車高電壓系統解析（一）

常州交通技師學院 施鋅濤

2020款寶馬iX3純電動汽車（圖1）采用寶馬第5.0代高電壓系統，高壓蓄電池（SE16）的額定電壓約為345 V，重量為518 kg，可儲存的能量為80 kWh，峰值功率為210 kW，峰值轉矩為400 N?m，最高車速為180 km/h。根據WLTP（全球統一的輕型車排放測試規程）測試循環，該車續航里程約為460 km。下面筆者跟大家一起來了解該車的高電壓系統。

圖1 2020款寶馬iX3純電動汽車外觀

1 高電壓系統的組成

如圖2所示，2020款寶馬iX3純電動汽車高電壓系統主要由高壓蓄電池（SE16）、電氣化驅動單元（EAE）、聯合充電單元（CCU）、直流（DC）充電接口、交流（AC）充電接口、電動空調壓縮機（EKK）、用于高壓蓄電池單元的電加熱裝置及用于車內空間的電子暖風裝置等組件組成。高電壓系統的電路布局如圖3所示。

圖2 2020款寶馬iX3純電動汽車高電壓系統的組成

圖3 2020款寶馬iX3純電動汽車高電壓系統的電路布局

2 高壓組件的功能

2.1 高壓蓄電池（SE16）

SE16為高壓蓄電池的開發序列代號，第1位“S”代表電能儲存系統（Electrical Energy Storage System），第2位“E”表示純電動汽車（“H”表示混合動力汽車，“P”表示插電式混合動力汽車）；后2位為高壓蓄電池的研發編號。如2020款寶馬X5 xDrive45e插電式混合動力汽車（PHEV）采用的高壓蓄電池的開發序列代號為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，可儲存的能量為80 kWh。

采用扁平式結構的高壓蓄電池（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、電池監控電子設備（CSC）、存儲器電子管理系統（SME）、帶有熱交換器和冷卻液管的調溫系統、電纜束、高壓導線、接口（電氣系統和冷卻液）、排氣單元及外殼和緊固件等部分組成。

圖4 高壓蓄電池（SE16）的結構

2.1.1 電池單元模塊

電池單元模塊是將多個單格電池組合成一個單元。單格電池的額定電壓為3.67 V，由寧德時代公司生產。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系統、單格電池觸點系統飾蓋、連接元件及熱交換器等。電池單元模塊不允許進行拆解，如果損壞，必須整個更換。

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且相互呈180°夾角布置，這樣使正極和負極成對交替貼靠在一起，然后通過單格電池觸點系統將正極和負極相互連接，從而形成由2個并聯單格電池組成的串聯電路。

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個串聯的電池單元模塊組成，其中2個11s2p電池單元模塊和8個9s2p電池單元模塊，各電池單元模塊按編號順序串聯。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）的縮寫，“p”為parallel（并聯）的縮寫。11s2p表示11個單格電池串聯的同時每2個單格電池并聯在一起（稱為“雙電池單元模塊”），11s2p電池單元模塊共安裝了22個單格電池；同理，9s2p表示9個單格電池串聯的同時每2個單格電池并聯在一起，9s2p電池單元模塊共安裝了18個單格電池。因此，高壓蓄電池（SE16）共由188（2×22+8×18=188）個單格電池組成。

圖7 電池單元模塊的布局及接線方式

單格電池串聯可以增加電池單元模塊的電壓，并聯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）。

無論是11s2p電池單元模塊還是9s2p電池單元模塊，每個電池單元模塊都擁有2個用來確定單格電池溫度的溫度傳感器（負溫度系數電阻）。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個不同的零件號碼。

2.1.2 電池監控電子設備（CSC）

電池監控電子設備（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，電池監控電子設備（CSC）負責測量和監控雙電池單元模塊（2個并聯的單格電池）的電壓和溫度，然后數據通過CSC-CAN通信傳輸至存儲器電子管理系統（SME），由存儲器電子管理系統（SME）執行單格電池電壓的調整，即所謂的“電池電量均衡”。

圖8 電池監控電子設備（CSC）

圖9 電池監控電子設備（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值，否則單格電池可能會受到永久性的損壞。通過單格電池的溫度可以識別過載或電氣故障，在這種情況下，會立即減小電流強度或在必要的情況下完全關閉高電壓系統，以避免單格電池進一步受損。除此以外，測得的溫度還被用于控制調溫系統，以使單格電池始終在允許溫度范圍內運行，從而確保其性能和使用壽命。

在理論的理想情況下，串聯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始終會同時達到充電終止電壓，或者在放電時達到放電終止電壓。這樣一來，就可以理想地利用每一塊單格電池的能量。然而，實際上單格電池具有各自的電壓，它和其他單格電池之間會存在差別（即使是最微小的差別），電壓最高的單格電池決定充電結束點，電壓最低的單格電池決定放電結束點，單格電池之間的電壓差決定了不可利用的電量。隨著時間的推移，如果不執行電池電量均衡，則單格電池之間的電壓差會擴大。

2個單格電池并聯為1個雙電池單元模塊，因此只能測量這對單格電池的電壓。也就是說，對于一個永久性的并聯電路，不能測定每個單格電池的電壓。這樣一來，同樣也只能夠針對雙電池單元模塊開展電池電量均衡。在電池電量均衡時，首先會測量所有雙電池單元模塊的電壓，并且由存儲器電子管理系統（SME）進行相互比較。如果所有雙電池單元模塊相互之間的電壓差高于8 mV，則會由存儲器電子管理系統（SME）啟動電池電量均衡過程。1個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在此過程中進行針對性的放電。

如圖10所示，電池監控電子設備（CSC）通過放電電阻對每個雙電池單元模塊進行放電，直至達到規定的電壓。一旦配套的觸點閉合，放電電流就會流過放電電阻。在啟動放電過程后，即使期間主控制單元切換至休眠模式，電池監控電子設備（CSC）仍然會負責放電過程的執行或延續。為此，電池監控電子設備（CSC）會從存儲器電子管理系統（SME）獲得供電，而存儲器電子管理系統（SME）則直接由總線端30供電。如果1個雙電池單元模塊的電壓水平達到了目標電壓，則放電過程自動結束。電池電量均衡會一直持續，直至所有雙電池單元模塊達到相同的電壓水平為止。

圖10 電池電量均衡過程

對于雙電池單元模塊電壓的調整，具體的條件如下。

（1）車輛處于休眠狀態。

（2）高電壓系統已關閉（沒有激活的充電過程）。

（3）雙電池單元模塊之間的電壓偏差超過8 mV。

（4）高壓蓄電池（SE16）的電量高于一個給定的最小閾值。

如果雙電池單元模塊電壓的偏差過大，或者雙電池單元模塊電壓的調整未成功進行，則會在存儲器電子管理系統（SME）中生成相應的故障記錄。

2.1.3 存儲器電子管理系統（SME）

存儲器電子管理系統（SME）上的接口如圖11所示，它具有以下功能。

圖11 存儲器電子管理系統（SME）上的接口

（1）在聯合充電單元（CCU）發出請求的情況下，控制高電壓系統的啟動和關閉。

（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度。

（3）為高壓蓄電池（SE16）控制調溫系統。

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

（5）確定高壓蓄電池（SE16）的可用功率，并且在必要時向聯合充電單元（CCU）發出限制請求。

（5）安全監測，例如電壓和溫度監控、絕緣監控及高壓安全插頭的狀態識別等。

（6）識別故障狀態，保存故障記錄，并且將故障狀態傳輸至聯合充電單元（CCU）。

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

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

（2）如果高壓蓄電池（SE16）不能提供全部功率或全部電量，則為了保護組件，會對驅動功率和續航里程加以限制。在這種情況下，駕駛人可以在驅動功率顯著減小的情況下繼續行駛一小段路程。

（3）如果高電壓系統的安全由于故障受到影響，或者故障可能會導致高壓蓄電池單（SE16）損壞，則會立即關閉高電壓系統，并且電磁接觸器的觸點會斷開。

如圖12所示，存儲器電子管理系統（SME）中集成有高壓負極導線中的電流和電壓傳感器、高壓負極導線中的熔絲（150 A）、用于高電壓系統的3個主電磁接觸器（主電磁接觸器HV+、主電磁接觸器HV-和預充電電磁接觸器）及預充電電阻、用于直流充電高壓接口的2個電磁接觸器（直流充電電磁接觸器HV+和直流充電電磁接觸器HV-）、用于接觸器位置監控和總電壓測量的電壓傳感器；用于監控接觸器溫度的2個溫度傳感器（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）、用于絕緣監控的監測電路、高壓負極導線中的燃爆式安全開關PSS1和PSS4。

圖12 存儲器電子管理系統（SME）內部電路

存儲器電子管理系統（SME）連接到3個CAN總線上，分別為與電池監控電子設備（CSC）進行通信的SCSCAN 總線、內部通信SME-CAN總線、與車輛接口通信的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）