動(dòng)力電池系統(tǒng)由電池箱外殼、電池包、電池管理系統(tǒng)、輔助元器件4部分組成，如圖1所示。動(dòng)力電池系統(tǒng)由電池箱外殼、電池包、電池管理系統(tǒng)、輔助元器件4部分組成，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力電池箱

1.外殼

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)為IP67，“6”表示防護(hù)灰塵進(jìn)入，“7”表示在深1m的水中防浸泡30min。

2.電池包

以某車型舉例，采用磷酸鐵鋰電池，單體額定電壓3.2V，連接方式1 P100S，如圖2所示。每個(gè)模塊只有1個(gè)單體，10個(gè)模塊串聯(lián)的模組有4個(gè)，12個(gè)模塊串聯(lián)的模組有5個(gè)，電池包模塊數(shù)＝10×4+12×5=100個(gè)，電池包額定電壓＝3.2V×100=320V。

圖2 1P100S電池包

電池包容量（（Ah）＝模塊容量＝單體容量×并聯(lián)單體個(gè)數(shù)。

電池包能量（VAh）=電池包額定電壓×電池包容量。

可以看出，并聯(lián)單體的個(gè)數(shù)越多容量越大，串聯(lián)模塊的個(gè)數(shù)越多能量越大。例如EV200磷酸鐵鋰電池包額定電壓320V，額定容量80Ah，電池包能量＝320× 80=25.6kWh。

北汽新能源汽車公司EV200純電動(dòng)車裝備兩種動(dòng)力電池，見表1，可以看出三元鋰電池的各項(xiàng)性能均好于磷酸鐵鋰電池。

表1 EV200動(dòng)力電池

3.電池管理系統(tǒng)

（1）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，如圖3所示。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。

圖3 電池管理系統(tǒng)框圖

（2）主控盒的作用。如圖4所示：①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；②接收高壓盒發(fā)來的總電壓和總電流；③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；④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）；⑤控制動(dòng)力電池加熱。

圖4 主控盒作用

（3）從控盒作用。亦稱作電池信息采集盒，如圖5所示：①實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)模塊電壓；②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)模組的溫度；③監(jiān)測(cè)SCO值；④將以上監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給主控盒。

圖5 從控盒作用

主控盒大多安裝在電池箱內(nèi)，也有安裝在電池箱外。安裝在電池箱內(nèi)的，采取1主N從，稱作分布式；主從合一稱作集中式，如圖6所示，這種型式如線束破損則容易產(chǎn)生安全隱患，還容易使BMS短路而燒毀。

圖6 集中式BMS

（4）高壓盒作用。如圖7所示：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（見后面介紹）；④監(jiān)控高壓連接情況；⑤將以上監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給主控盒。

圖7 高壓盒相關(guān)電路

4.輔助元器件

輔助元器件如圖8所示，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。

圖8 輔助元器件

 （1）主正繼電器，如圖9所示，由BMS控制，作用是接通／斷開動(dòng)力電池正極。

圖9 主正繼電器

（2）預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻，如圖10所示，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)殡娙萜髟诔潆婇_始時(shí)處于短路狀態(tài)。

圖10 預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻

（3）主負(fù)繼電器，由整車vcu控制，接通／斷開動(dòng)力電池負(fù)極。

（4）高壓熔斷器，如圖11所示，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。

圖11 高壓熔斷器

（5）電流傳感器，型式有分流器和霍爾傳感器兩種，如圖12所示。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。

圖12 電流傳感器

（6）加熱繼電器與加熱熔斷器，如圖13所示，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℃。

圖13 加熱繼電器

（7）高壓插座，用來連接通往高壓盒的高壓電纜，EV200電動(dòng)車高壓插座如圖14所示，插孔1為高壓－，插孔2為高壓＋。

圖14 高壓插座

（8）低壓插座，用來連接低壓線束，北汽新能源EV200的低壓插座示意圖如圖15所示，端子含義見表2。

圖15 低壓插座

表2 低壓插座端子定義

1.BMS功能

BMS（Battery management system）是保護(hù)和管理電池的核心部件，相當(dāng)于人的大腦，不僅要保證電池安全可靠地使用，而且要充分發(fā)揮電池的能力和延長(zhǎng)使用壽命。

（1）控制預(yù)充、主正繼電器。通過繼電器觸點(diǎn)閉合與斷開，完成動(dòng)力電池的預(yù)充、充電、上電、下電等程序。

（2）數(shù)據(jù)采集。①高壓盒采集動(dòng)力電池總電壓、動(dòng)力電池總電流；②從控盒采集每個(gè)單體（模塊）電壓、每個(gè)模組的溫度。

（3）狀態(tài)分析。①SOC剩余電量評(píng)估，讓駕駛員了解續(xù)航里程，方法有電荷計(jì)量法、斷路電壓法、卡爾曼濾波法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法；② SOH健康程度評(píng)估，評(píng)估電池健康（老化）程度、溫度對(duì)電流影響，供評(píng)估SOC參考。

（4）均衡控制。

①電池不一致性，是指隨著循環(huán)充放電次數(shù)增加和工作環(huán)境變化，出現(xiàn)單體電壓、容量、內(nèi)阻不一致，降低電池容量，影響電池使用壽命。如圖16所示，先看均衡前，某個(gè)模塊已達(dá)到放電終止電壓（下限保護(hù)電壓），其他模塊還有一定的電量，這時(shí)不能繼續(xù)放電；充電后某個(gè)模塊已達(dá)到充電終止電壓（上限保護(hù)電壓），這時(shí)不能繼續(xù)充電；可以看出均衡前電池總電量減小。再看均衡后，增加了電量差，電池的電量增加。圖中每個(gè)模塊電量的長(zhǎng)短不同，說明容量不一致。

圖16 均衡前后的電量對(duì)比

②均衡控制按均衡電路分類：集中式均衡（共用一個(gè)均衡器）、分布式均衡（每個(gè)單體一個(gè)均衡器）。

③均衡控制按控制方式分類：主動(dòng)均衡（能量高的單體向低的轉(zhuǎn)移）、被動(dòng)均衡（對(duì)能量高的單體放電）。

④用診斷儀讀出各模塊電壓，如圖17所示。未裝車載均衡器的純電動(dòng)車，需要拔開從控盒插頭，將該插頭插入專用均衡器，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行均衡。

圖17 各模塊電壓

（5）熱管理。①在低溫情況下對(duì)電池包加熱。②電池自身有內(nèi)阻，電流流動(dòng)產(chǎn)生熱量，熱量累積溫度升高，當(dāng)超出正常溫度會(huì)影響電性能和壽命，BMS監(jiān)測(cè)各模組溫度，通過冷卻液循環(huán)或通風(fēng)散熱。

（6）安全保護(hù)。①過電流保護(hù)，電流超過安全范圍，采取安全保護(hù)。②過充電保護(hù)，充電電壓高于上限，BMS斷開充電回路。③過放電保護(hù)，放電電壓低于下限，BMS斷開放電回路。④過溫保護(hù)，溫度高于或低于正常范圍，禁止充、放電。⑤絕緣監(jiān)測(cè)，BMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓正、高壓負(fù)與車身搭鐵的絕緣電阻，如低于安全范圍，斷開高壓電并發(fā)出警告。

2.充電方式

（1）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）。

（2）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）。

3.充電前加熱

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。

（1）慢充加熱回路，如圖18所示：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。

圖18 慢充加熱回路

（2）快充加熱回路，如圖19所示：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。

圖19 快充加熱回路

4.預(yù)充電

（1）慢充預(yù)充電回路，如圖20所示：交流充電樁→車載充電機(jī)→高壓＋→預(yù)充繼電器觸點(diǎn)→預(yù)充電阻→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。

圖20 慢充預(yù)充電回路

（2）快充預(yù)充電，是由直流充電樁提供電源。

5.充電

（1）慢充回路，如圖21所示：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。

圖21 慢充回路

（2）快充回路，如圖22所示：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。

圖22 快充回路

6.上電

（1）預(yù)上電回路。打開點(diǎn)火開關(guān)，VCU收到15號(hào)信號(hào)喚醒BMS；BMS自檢、初始化，將結(jié)果上報(bào)VCU；VCU發(fā)出電流給主負(fù)繼電器，主負(fù)繼電器觸點(diǎn)閉合。因電機(jī)控制器、電動(dòng)壓縮機(jī)控制器內(nèi)有電容器，BMS首先對(duì)電容預(yù)放電，然后閉合預(yù)充繼電器。如圖23所示：動(dòng)力電池＋→預(yù)充電阻→預(yù)充繼電器觸點(diǎn)→高壓＋→負(fù)載→高壓－→主負(fù)繼電器觸點(diǎn)→電流傳感器→動(dòng)力電池－。

圖23 預(yù)上電回路

（2）上電回路。當(dāng)電容電壓等于動(dòng)力電池電壓，BMS閉合主正繼電器，斷開預(yù)充繼電器，如圖24所示：動(dòng)力電池＋。主正繼電器觸點(diǎn)→高壓＋→負(fù)載斗高壓－→主負(fù)繼電器觸點(diǎn)→電流傳感器（分流器）→動(dòng)力電池－。

圖24 上電回路

7.絕緣監(jiān)測(cè)

絕緣監(jiān)測(cè)回路，如圖25所示。

圖25 絕緣監(jiān)測(cè)回路

（1）電池正監(jiān)測(cè)回路，動(dòng)力電池＋→絕緣監(jiān)測(cè)電阻→主正絕緣監(jiān)測(cè)繼電器→搭鐵。

（2）電池負(fù)監(jiān)測(cè)回路，動(dòng)力電池一→絕緣監(jiān)測(cè)電阻→主負(fù)絕緣監(jiān)測(cè)繼電器→搭鐵。BMS分別指令S1、S2閉合，分別測(cè)得電壓U1、U2，以及測(cè)得高壓總電壓U，將這三者代入公式計(jì)算，計(jì)算出高壓＋與搭鐵的絕緣電阻Rx、高壓一與搭鐵的絕緣電阻Ry，然后判斷絕緣性能是否正常。