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動(dòng)力電池系統(tǒng)指用來給電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)提供能量的一種能量儲(chǔ)存裝置，由一個(gè)或多個(gè)電池包以及電池管理（控制）系統(tǒng)組成。

動(dòng)力電池組成

動(dòng)力電池系統(tǒng)由四部分組成：動(dòng)力電池箱、動(dòng)力電池組、電池管理系統(tǒng)、輔助元器件。

01

動(dòng)力電池箱

動(dòng)力電池箱支撐、固定、包圍電池系統(tǒng)的組件，主要包含上蓋和下托盤，還有其他輔助器件，如過渡件，護(hù)板，螺栓等，動(dòng)力電池箱有承載及保護(hù)動(dòng)力電池組及電氣元件的作用。動(dòng)力電池箱的主要功能：幫助電池通風(fēng)散熱；使電池絕緣與防水；保護(hù)電池免受碰撞碰。

電池箱安裝在車輛底板下方，下殼體材質(zhì)為鑄鋁或鋼板，上殼體材質(zhì)為玻璃鋼，上下殼體之間有密封膠，后側(cè)面設(shè)有高壓插接器、低壓插接器，上方設(shè)有維修開關(guān)。電池箱密封等級(jí)IP67及以上，“6”表示防護(hù)灰塵進(jìn)入，“7”表示在深1m的水中防浸泡30min。

02

動(dòng)力電池組

動(dòng)力電池的作用是接收和儲(chǔ)存充電裝置的高壓直流電，并為電動(dòng)汽車提供高壓直流電。

動(dòng)力電池的主要組成部分包括電芯、模組和電池包。電芯是電池的基本單元，模組則是將多個(gè)電芯按一定方式組裝在一起，而電池包則是進(jìn)一步將多個(gè)模組和管理系統(tǒng)集成在一起的完整電池系統(tǒng)。這些組件共同構(gòu)成了一個(gè)完整的動(dòng)力電池系統(tǒng)，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的能量需求和性能要求。

電芯：動(dòng)力電池的最小單體，動(dòng)力電池系統(tǒng)由許多電池單體組成，每個(gè)電池單體通常由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成。正極和負(fù)極之間的反應(yīng)通過電解液的離子傳輸實(shí)現(xiàn)，提供了電池的能量，電池單體即電芯，按正極材料來分，主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。按電芯的結(jié)構(gòu)形狀來分，主要分為圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種，各自的優(yōu)缺點(diǎn)也十分明顯。在一定程度上，電芯的性能決定了電池模組的性能進(jìn)而影響整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能。

1

電芯

動(dòng)力電池的最小單體，作為動(dòng)力電池中最小的儲(chǔ)能電源單元，單體電芯可實(shí)現(xiàn)可充電與能量存儲(chǔ)的主要功能。

動(dòng)力電池模組是指動(dòng)力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護(hù)線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，是組成動(dòng)力電池系統(tǒng)的次級(jí)結(jié)構(gòu)之一。模組是并聯(lián)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(jié)構(gòu)和電路連接起來的最小分組，然后多個(gè)相同的電池模塊再進(jìn)行串聯(lián)形成電池模組。

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模組

動(dòng)力電池模組由多個(gè)單體電芯連接組成，并提供機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)、熱管理接口和外接端子。模組規(guī)格與結(jié)構(gòu)根據(jù)單體電芯形式、動(dòng)力電池總電壓及車輛結(jié)構(gòu)等要求進(jìn)行設(shè)計(jì)

在電池的組裝過程中，模組可以對(duì)電芯起到支撐、固定和保護(hù)作用，所以其設(shè)計(jì)要求需要滿足機(jī)械強(qiáng)度、電性能、散熱性能、故障處理能力四個(gè)方面的要求。這些也是評(píng)判電池模組優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。雖然模組有很大的作用，但是它也會(huì)占用和消耗一定的空間。組裝模組時(shí)，需要增加端板、側(cè)板以及用于固定模組的螺釘?shù)染o固件；組裝電池包時(shí)，需要增加電池管理系統(tǒng)、高低壓線束、絕緣板、箱體等結(jié)構(gòu)件，這就導(dǎo)致電池的體積和質(zhì)量變大，而使電池包的能量密度降低。

電池模組設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面：

1、電池成組的固定連接方式要根據(jù)動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體要求對(duì)選定好的電芯結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行。

2、電池模塊的裝配要求松緊度適中，各結(jié)構(gòu)部件具有足夠的強(qiáng)度，防止因電池內(nèi)外部力的作用而發(fā)生變形或破壞。

3、電芯及電池模塊要有專門的固定裝置，結(jié)構(gòu)緊湊且要根據(jù)電池箱體的散熱情況設(shè)置通風(fēng)散熱通道。

4、電池單體之間的導(dǎo)電連接距離盡量短，連接可靠，最好是柔性連接，各導(dǎo)電連接部位的導(dǎo)電能力要滿足用電設(shè)備的最大過流能力。

5、充分考慮電池串并聯(lián)高壓連接之間的絕緣保護(hù)問題，例如絕緣間隙等。

電池包：由多個(gè)電池模組串聯(lián)組成的一個(gè)組合體，即可得到電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池總成。電池組由多個(gè)電池模塊組成，通常包括電池模塊的電氣連接、冷卻系統(tǒng)、絕緣保護(hù)等。電池組是整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

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電池包

通過將多個(gè)電池模組、傳感器及控制器進(jìn)行連接并封裝在一個(gè)外殼中，從而形成動(dòng)力電池包。動(dòng)力電池包是電動(dòng)汽車儲(chǔ)能單元，為整車提供高壓電能

動(dòng)力電池安裝位置：電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池一般位于車輛底部前、后橋及兩側(cè)縱梁之間。安裝在此處的有以下好處:

1. 能夠使其具有較高碰撞安全性
2. 降低車輛重心，使車輛操控性更好;
3. 方便拆裝操作，避免動(dòng)力電池分散安裝;
4. 減少動(dòng)力電池之間高壓連接線束的使用，避免線路連接過多的問題，節(jié)約成本。

03

電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)：監(jiān)視蓄電池的狀態(tài)(溫度、電壓、荷電狀態(tài))，可以為蓄電池提供通訊、安全、電芯均衡及管理控制，并提供與應(yīng)用設(shè)備通訊接口的系統(tǒng)。

電池管理系統(tǒng)組成：包括硬件和軟件，硬件由主控盒BMS、從控盒、高壓盒、電壓采集線、電流傳感器、溫度傳感器、電池內(nèi)部CAN總線等組成。軟件由監(jiān)測(cè)電壓、監(jiān)測(cè)電流、監(jiān)測(cè)溫度、監(jiān)測(cè)絕緣電阻、SOC估算等程序組成。

主控盒的作用：接收從控盒發(fā)來的實(shí)時(shí)模塊電壓和模組溫度，并計(jì)算最大值和最小值；接收高壓盒發(fā)來的總電壓和總電流；通過新能源CAN與VCU、充電機(jī)等通信，通過快充CAN與直流充電樁、數(shù)據(jù)采集終端通信；控制充放電電流（執(zhí)行部件是車載充電機(jī)、直流快充樁和電機(jī)控制器）；控制動(dòng)力電池加熱。

從控盒作用：實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)模塊電壓；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)模組的溫度；監(jiān)測(cè)SOC值；將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給主控盒。

高壓盒作用：1、監(jiān)控動(dòng)力電池總電壓，包括主繼電器的內(nèi)外四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（主正繼電器內(nèi)、主正繼電器外、主負(fù)繼電器內(nèi)、主負(fù)繼電器外）；2、監(jiān)測(cè)充放電電流；3、監(jiān)控高壓系統(tǒng)絕緣性；4、監(jiān)控高壓連接情況；5、將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給主控盒。

電池管理系統(tǒng)是連接動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車的重要紐帶，它主要的功能包括：電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、電池狀態(tài)估計(jì)、在線診斷與預(yù)警、充放電與預(yù)充控制均衡管理、熱管理等。

1. 數(shù)據(jù)采集
   實(shí)時(shí)采集動(dòng)力電池中每個(gè)電池模塊的端電壓、充放電電流、電池組總電壓及溫度等信息，此數(shù)據(jù)信息是BMS所有算法的輸入。
2. 電池狀態(tài)計(jì)算
   電池狀態(tài)計(jì)算主要包括電池組荷電狀態(tài)(State ofCharge，SOC)和電池組健康狀態(tài)(State ofHealth，SOH)兩方面。SOC用來提示動(dòng)力電池組剩余電量，是計(jì)算和估計(jì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的基礎(chǔ)。SOH是用來提示電池技術(shù)狀態(tài)，預(yù)估電池可用壽命等健康狀態(tài)的參數(shù)。容量（SOC）預(yù)測(cè)功能全程實(shí)時(shí)計(jì)算每節(jié)電池和整組容量，并找出容量較低的電池向采集盒發(fā)出均衡命令，同時(shí)累計(jì)單節(jié)電池容量。均衡過程中接收采集盒返回的狀態(tài)信息。能隨時(shí)給出電池組整個(gè)系統(tǒng)的剩余容量。(滿足混合動(dòng)力公交車的SOC要求)，并控制顯示屏顯示。最大容量檢測(cè)：>5000AH，精度不高于5%。
3. 能量管理
   主要包括以電流、電壓、溫度、SOC和SOH為輸入進(jìn)行充電過程控制，以SOC、SOH和溫度等參數(shù)為條件進(jìn)行放電功率控制兩個(gè)部分。
4. 安全管理
   監(jiān)視電池電壓、電流、溫度是否超過正常范圍，防止電池組過充、過放?，F(xiàn)在，對(duì)于電池組進(jìn)行整組監(jiān)控的同時(shí)，多數(shù)電池管理系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到對(duì)極端單體電池進(jìn)行過充電、過放電、過熱等安全狀態(tài)管理。
5. 通訊功能
   通過CAN總線建立BMS與整車控制器、電機(jī)控制器、車載充電機(jī)及顯示儀表之間的通訊。1個(gè)CAN-A接口，與采集模塊和顯示屏通訊（符合BMS內(nèi)部通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)）；1個(gè)CAN-B接口，與整車通訊（需符合各廠家協(xié)議要求）；1個(gè)RS232接口，與上位機(jī)互動(dòng)，同時(shí)用于下載數(shù)據(jù)。
6. 熱管理
   動(dòng)力電池由多個(gè)單體鋰電池組成，鋰電池的最佳工況溫度在0~40℃，而動(dòng)力電池在整車的運(yùn)行環(huán)境溫度復(fù)雜多變，為了使動(dòng)力電池包發(fā)揮最佳性能和壽命，就需要對(duì)其進(jìn)行熱管理，控制電池始終在一個(gè)相對(duì)適宜的環(huán)境溫度運(yùn)行。溫度對(duì)電池性能和壽命有重要影響。動(dòng)力電池系統(tǒng)通常配備了溫度管理系統(tǒng)，但包括冷卻和加熱功能，以確保電池在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。電池加熱：溫度低于0℃時(shí)，鋰電池的放電能力就會(huì)相應(yīng)降低。而且溫度越低，電池的電離活性越差，就會(huì)導(dǎo)致充電效率降低即“充電難，容量低”等問題。電池散熱：在環(huán)境溫度以及動(dòng)力電池自身的工作特性(工作電流會(huì)產(chǎn)生大量熱量)的影響下，溫度過高，動(dòng)力電池的容量會(huì)衰減，也會(huì)增加熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。
7. 均衡控制
   由于電池的一致性差異導(dǎo)致電池組的工作狀態(tài)是由最差電池單體決定的。在電池組各個(gè)電池之間設(shè)置均衡電路實(shí)施均衡控制是為了使各單體電池充放電的工作情況盡量一致，提高整體電池組的工作性能。每個(gè)電池都有自己的“個(gè)性”。要說均衡，得先從電池談起。即使是同一廠家同一批次生產(chǎn)的電池，也都有自己的生命周期、自己的“個(gè)性”——每個(gè)電池的容量不可能完全一致。這種不一致性有兩類原因：電芯生產(chǎn)的不一致性；電化學(xué)反應(yīng)的不一致性。
8. 保護(hù)--故障診斷和報(bào)警
   BMS監(jiān)控與電氣系統(tǒng)硬件匹配，針對(duì)電池的不同表現(xiàn)情況，區(qū)分為不同的故障等級(jí)（輕微故障、嚴(yán)重故障、致命故障），并且在不同故障等級(jí)情況下采取不同的處理措施：警告，限功率或直接切斷高壓。故障包括數(shù)據(jù)采集及合理性故障、電氣故障(傳感器和執(zhí)行器)、通訊故障及電池狀態(tài)故障等。

04

輔助元器件

包括動(dòng)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。

• 主正繼電器由BMS控制，作用是接通／斷開動(dòng)力電池正極。
• 預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻，預(yù)充動(dòng)作發(fā)生在充放電初期，閉合預(yù)充繼電器進(jìn)行預(yù)充，預(yù)充完成后斷開預(yù)充繼電器，預(yù)充繼電器就是控制預(yù)充回路的斷開、閉合，而預(yù)充電阻的作用是限流：由BMS控制，作用是接通／斷開動(dòng)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(shí)檢測(cè)單體電池有無短路；上電時(shí)先用小電流給電機(jī)控制器和電動(dòng)壓縮機(jī)控制器的電容器充電，因?yàn)?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/電容/" target="_blank">電容器在充電開始時(shí)處于短路狀態(tài)。
• 主負(fù)繼電器：由整車vcu控制，接通／斷開動(dòng)力電池負(fù)極。

• 高壓熔斷器：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(shí)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(dòng)車，高壓熔斷器裝在維修開關(guān)內(nèi)，方便更換。
• 電流傳感器：型式有分流器和霍爾傳感器兩種，分流器是一個(gè)阻值很小的電阻，當(dāng)有直流電通過電阻時(shí)產(chǎn)生電壓降，根據(jù)歐姆定律，電流＝電壓／電阻，就可計(jì)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(chǎng)；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(shì)，就可計(jì)算出電流值。
• 加熱繼電器與加熱熔斷器：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(huì)降低電池循環(huán)壽命，電池溫度范圍為0～50℃。

動(dòng)力電池電氣原理

動(dòng)力電池進(jìn)行充放電等過程，需要各系統(tǒng)間進(jìn)行通訊及數(shù)據(jù)處理后，發(fā)送相關(guān)指令給繼電器等執(zhí)行器進(jìn)行動(dòng)作。動(dòng)力電池模塊與直流充電口、交流充電口通過高壓線束直接或間接連接，其中BMS與整車控制器(VCU)、車載充電機(jī)(OBC)、輔助控制模塊(ACM)通過CAN線通訊，當(dāng)BMS接收到喚醒信號(hào)，檢測(cè)內(nèi)部電池符合要求，便會(huì)控制相關(guān)繼電器閉合，進(jìn)行充電、放電等工作。

動(dòng)力電池充電過程，是將外接電源的電能輸入電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池的過程，充電過程需要汽車各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。動(dòng)力電池的充電方式有交流慢充和直流快充兩種，交流慢充是電網(wǎng)的交流電經(jīng)車載充電機(jī)整流成高壓直流電，再輸入到動(dòng)力電池，直流快充是充電樁輸出的高壓直流電直接輸入到動(dòng)力電池。

• 慢充電，BMS通過新能源CAN連接VCU、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、車載充電機(jī)、DC/DC控制器、PTC控制器、電動(dòng)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(dòng)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）。
• 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）。

充電過程

在對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行交流慢充時(shí)，一般需要經(jīng)過三個(gè)階段:預(yù)加熱、預(yù)充、開始充電。

1. 充電前預(yù)加熱
   從控盒測(cè)量每個(gè)模塊實(shí)時(shí)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。充電前BMS檢測(cè)箱體內(nèi)部溫度:若有低于設(shè)定值的溫度點(diǎn)，啟用加熱模式；閉合加熱片，進(jìn)行加熱內(nèi)循環(huán)，待所有電芯溫度點(diǎn)高于設(shè)定值，停止加熱；啟動(dòng)充電程序后，過程中出現(xiàn)加熱片溫度差高于某一設(shè)定值，則間接停止加熱，待加熱溫度差低于某一設(shè)定值，則重啟加熱片。（1）慢充加熱回路：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。（2）快充加熱回路：直流充電樁→高壓盒＋→升加熱繼電器觸點(diǎn)→加熱膜→加熱熔斷器→高壓盒→升直流充電樁。
2. 預(yù)充
   動(dòng)力電池慢充充電時(shí)，由于需要與車載充電機(jī)構(gòu)成充電回路，因此首先由BMS閉合預(yù)充繼電器和負(fù)繼電器進(jìn)行短暫的預(yù)充電，目的是為了給車載充電機(jī)內(nèi)部的電容進(jìn)行充電，防止因瞬間電流過大而損壞。（1）慢充預(yù)充電回路：交流充電樁一車載充電機(jī)一高壓+一預(yù)充繼電器觸點(diǎn)-預(yù)充電阻一電池模組一維修開關(guān)(內(nèi)有熔斷器)一電池模組一電流傳感器→主負(fù)繼電器觸點(diǎn)一高壓-→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。
3. 開始充電
   預(yù)充完成后，預(yù)充繼電器斷開，高壓正極繼電器替代預(yù)充繼電器閉合，動(dòng)力電池內(nèi)部高壓回路與外部車載充電機(jī)高壓回路接通，開始充電。（1）慢充回路：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。（2）快充回路：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

放電過程

動(dòng)力電池放電過程需要經(jīng)過兩個(gè)階段：預(yù)充電和放電。

1. 預(yù)充電
   放電過程也需要進(jìn)行預(yù)充，此時(shí)動(dòng)力電池對(duì)各高壓部件內(nèi)的電容進(jìn)行充電；BMS系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池內(nèi)部電芯的電壓、溫度及母線的絕緣檢測(cè)合格后，動(dòng)力電池控制器才接通預(yù)充繼電器，這時(shí)車載動(dòng)力電池為外部負(fù)載所有電容器進(jìn)行充電，當(dāng)充電電壓與動(dòng)力電池電壓差值小于一定的比例時(shí)，預(yù)充結(jié)束。
2. 放電
   系統(tǒng)控制正極繼電器閉合，對(duì)外負(fù)載上電，正極繼電器閉合10ms后預(yù)充繼電器斷開，儀表顯示OK或Ready，上電結(jié)束，動(dòng)力電池對(duì)外輸出電能，開始放電。放電時(shí)，動(dòng)力電池放電內(nèi)部回路: 動(dòng)力電池組→正極繼電器→高壓控制盒→負(fù)極繼電器→動(dòng)力電池組。

來源：新能源汽車電控開發(fā)與測(cè)試