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

動力電池組成

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

動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示

動力電池箱

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。

動力電池箱的主要功能（1）幫助電池通風散熱；（2）使電池絕緣與防水；（3）保護電池免受碰撞碰。

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)面設有高壓插接器、低壓插接器，上方設有維修開關(guān)。電池箱密封等級IP67及以上，“6”表示防護灰塵進入，“7”表示在深1m的水中防浸泡30min。

動力電池組

動力電池的作用是接收和儲存充電裝置的高壓直流電，并為電動汽車提供高壓直流電。

動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，模組則是將多個電芯按一定方式組裝在一起，而電池包則是進一步將多個模組和管理系統(tǒng)集成在一起的完整電池系統(tǒng)。這些組件共同構(gòu)成了一個完整的動力電池系統(tǒng)，能夠滿足不同應用場景下的能量需求和性能要求。

電芯：動力電池的最小單體，動力電池系統(tǒng)由許多電池單體組成，每個電池單體通常由正極、負極、隔膜和電解液組成。正極和負極之間的反應通過電解液的離子傳輸實現(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而影響整個動力電池系統(tǒng)的性能。

電芯圖示

動力電池模組是指動力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，是組成動力電池系統(tǒng)的次級結(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，然后多個相同的電池模塊再進行串聯(lián)形成電池模組。

模組圖示

在電池的組裝過程中，模組可以對電芯起到支撐、固定和保護作用，所以其設計要求需要滿足機械強度、電性能、散熱性能、故障處理能力四個方面的要求。這些也是評判電池模組優(yōu)劣的標準。雖然模組有很大的作用，但是它也會占用和消耗一定的空間。組裝模組時，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，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。

電池模組設計需要考慮以下幾個方面：

1、電池成組的固定連接方式要根據(jù)動力電池系統(tǒng)設計的整體要求對選定好的電芯結(jié)構(gòu)形狀進行。

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置通風散熱通道。

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

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

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

電池包圖示

動力電池安裝位置：電動汽車的動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，避免動力電池分散安裝;4、減少動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。

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，并提供與應用設備通訊接口的系統(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)測電壓、監(jiān)測電流、監(jiān)測溫度、監(jiān)測絕緣電阻、SOC估算等程序組成。主控盒的作用：接收從控盒發(fā)來的實時模塊電壓和模組溫度，并計算最大值和最小值；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、直流快充樁和電機控制器）；控制動力電池加熱。從控盒作用：實時監(jiān)控每個模塊電壓；實時監(jiān)測每個模組的溫度；監(jiān)測SCO值；將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳送給主控盒。高壓盒作用：1、監(jiān)控動力電池總電壓，包括主繼電器的內(nèi)外四個監(jiān)測點（主正繼電器內(nèi)、主正繼電器外、主負繼電器內(nèi)、主負繼電器外）；2、監(jiān)測充放電電流；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)測到的數(shù)據(jù)傳送給主控盒。電池管理系統(tǒng)是連接動力電池和電動汽車的重要紐帶，它主要的功能包括：電池物理參數(shù)實時監(jiān)測、電池狀態(tài)估計、在線診斷與預警、充放電與預充控制均衡管理、熱管理等。

1、數(shù)據(jù)采集

實時采集動力電池中每個電池模塊的端電壓、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)計算

電池狀態(tài)計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用來提示動力電池組剩余電量，是計算和估計電動汽車續(xù)駛里程的基礎。SOH是用來提示電池技術(shù)狀態(tài)，預估電池可用壽命等健康狀態(tài)的參數(shù)。容量（SOC）預測功能全程實時計算每節(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，同時累計單節(jié)電池容量。均衡過程中接收采集盒返回的狀態(tài)信息。能隨時給出電池組整個系統(tǒng)的剩余容量。(滿足混合動力公交車的SOC要求)，并控制顯示屏顯示。最大容量檢測：>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為輸入進行充電過程控制，以SOC、SOH和溫度等參數(shù)為條件進行放電功率控制兩個部分。

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。現(xiàn)在，對于電池組進行整組監(jiān)控的同時，多數(shù)電池管理系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到對極端單體電池進行過充電、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、電機控制器、車載充電機及顯示儀表之間的通訊。1個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)議標準）；1個CAN-B接口，與整車通訊（需符合各廠家協(xié)議要求）；1個RS232接口，與上位機互動，同時用于下載數(shù)據(jù)。

6、熱管理

動力電池由多個單體鋰電池組成，鋰電池的最佳工況溫度在0~40℃，而動力電池在整車的運行環(huán)境溫度復雜多變，為了使動力電池包發(fā)揮最佳性能和壽命，就需要對其進行熱管理，控制電池始終在一個相對適宜的環(huán)境溫度運行。溫度對電池性能和壽命有重要影響。動力電池系統(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，鋰電池的放電能力就會相應降低。而且溫度越低，電池的電離活性越差，就會導致充電效率降低即“充電難，容量低”等問題。電池散熱：在環(huán)境溫度以及動力電池自身的工作特性(工作電流會產(chǎn)生大量熱量)的影響下，溫度過高，動力電池的容量會衰減，也會增加熱失控的風險。

7、均衡控制

由于電池的一致性差異導致電池組的工作狀態(tài)是由最差電池單體決定的。在電池組各個電池之間設置均衡電路實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。每個電池都有自己的“個性”。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“個性”——每個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；電化學反應的不一致性。

8、保護——故障診斷和報警

BMS監(jiān)控與電氣系統(tǒng)硬件匹配，針對電池的不同表現(xiàn)情況，區(qū)分為不同的故障等級（輕微故障、嚴重故障、致命故障），并且在不同故障等級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。

輔助元器件

包括動力電池系統(tǒng)內(nèi)部的電子電器：主正繼電器、預充繼電器、預充電阻、主負繼電器、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／斷開動力電池正極。預充繼電器、預充電阻，預充動作發(fā)生在充放電初期，閉合預充繼電器進行預充，預充完成后斷開預充繼電器，預充繼電器就是控制預充回路的斷開、閉合，而預充電阻的作用是限流：由BMS控制，作用是接通／斷開動力電池預充正極。預充電阻一般為100Ω，目的是通入小電流，預充電時檢測單體電池有無短路；上電時先用小電流給電機控制器和電動壓縮機控制器的電容器充電，因為電容器在充電開始時處于短路狀態(tài)。主負繼電器：由整車vcu控制，接通／斷開動力電池負極。

繼電器圖示高壓熔斷器：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，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В恐懿ㄓ羞^零點，此時電量值最低電弧容易熄滅。直流電是恒定電壓，當出現(xiàn)短路故障，依靠熔斷片迅速熔化以及石英砂擴散吸附和冷卻熄滅電弧。帶有維修開關(guān)的純電動車，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，分流器是一個阻值很小的電阻，當有直流電通過電阻時產(chǎn)生電壓降，根據(jù)歐姆定律，電流＝電壓／電阻，就可計算出電流值。霍爾傳感器是半導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；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，就可計算出電流值。 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，會降低電池循環(huán)壽命，電池溫度范圍為0～50℃。

動力電池電氣原理

動力電池進行充放電等過程，需要各系統(tǒng)間進行通訊及數(shù)據(jù)處理后，發(fā)送相關(guān)指令給繼電器等執(zhí)行器進行動作。動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(OBC)、輔助控制模塊(ACM)通過CAN線通訊，當BMS接收到喚醒信號，檢測內(nèi)部電池符合要求，便會控制相關(guān)繼電器閉合，進行充電、放電等工作。動力電池充電過程，是將外接電源的電能輸入電動汽車的動力電池的過程，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)車載充電機整流成高壓直流電，再輸入到動力電池，直流快充是充電樁輸出的高壓直流電直接輸入到動力電池。慢充電。BMS通過新能源CAN連接VCU、驅(qū)動電機控制器、車載充電機、DC/DC控制器、PTC控制器、電動壓縮機控制器、診斷接口。早期有的車型BMS通過慢充總線連接車載充電機、數(shù)據(jù)采集終端。當插上慢充槍，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)的主負繼電器，BMS先接通預充繼電器，再接通主正繼電器而斷開預充繼電器。BMS根據(jù)動力電池總電壓、模塊電壓、模組溫度，由充電機調(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

在對動力電池進行交流慢充時，一般需要經(jīng)過三個階段:預加熱、預充、開始充電。充電前預加熱從控盒測量每個模塊實時溫度，反饋給主控盒，如低于設定值，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檢測箱體內(nèi)部溫度:若有低于設定值的溫度點，啟用加熱模式；閉合加熱片，進行加熱內(nèi)循環(huán)，待所有電芯溫度點高于設定值，停止加熱；啟動充電程序后，過程中出現(xiàn)加熱片溫度差高于某一設定值，則間接停止加熱，待加熱溫度差低于某一設定值，則重啟加熱片。（1）慢充加熱回路：交流充電樁→車載充電機→高壓盒＋→加熱繼電器觸點→加熱膜→加熱熔斷器→高壓盒－→車載充電機→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→加熱膜→加熱熔斷器→高壓盒→升直流充電樁。預充動力電池慢充充電時，由于需要與車載充電機構(gòu)成充電回路，因此首先由BMS閉合預充繼電器和負繼電器進行短暫的預充電，目的是為了給車載充電機內(nèi)部的電容進行充電，防止因瞬間電流過大而損壞。（1）慢充預充電回路：交流充電樁一車載充電機一高壓+一預充繼電器觸點-預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→主負繼電器觸點一高壓-→車載充電機→交流充電樁。（2）快充預充電，是由直流充電樁提供電源。 開始充電預充完成后，預充繼電器斷開，高壓正極繼電器替代預充繼電器閉合，動力電池內(nèi)部高壓回路與外部車載充電機高壓回路接通，開始充電。（1）慢充回路：交流充電樁→車載充電機→高壓+→主正繼電器觸點→電池模組→維修開關(guān)（內(nèi)有熔斷器）→電池模組→電流傳感器→主負繼電器觸點→高壓－→車載充電機－交流充電樁。（2）快充回路：直流充電樁→高壓＋→主正繼電器觸點→電池模組→維修開關(guān)（內(nèi)有熔斷器）→電池模組→電流傳感器→主負繼電器觸點→高壓－→直流充電樁

放電過程

動力電池放電過程需要經(jīng)過兩個階段：預充電和放電。預充電放電過程也需要進行預充，此時動力電池對各高壓部件內(nèi)的電容進行充電;BMS系統(tǒng)對動力電池內(nèi)部電芯的電壓、溫度及母線的絕緣檢測合格后，動力電池控制器才接通預充繼電器，這時車載動力電池為外部負載所有電容器進行充電，當充電電壓與動力電池電壓差值小于一定的比例時，預充結(jié)束。放電系統(tǒng)控制正極繼電器閉合，對外負載上電，正極繼電器閉合10ms后預充繼電器斷開，儀表顯示OK或Ready，上電結(jié)束，動力電池對外輸出電能，開始放電。放電時，動力電池放電內(nèi)部回路: 動力電池組→正極繼電器→高壓控制盒→負極繼電器→動力電池組。

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