寶馬I01電動汽車高壓蓄電池

曹硯奎，韓洪江

（禹城汽車技術中心，山東德州 251200）

寶馬I01電動汽車高壓蓄電池

曹硯奎，韓洪江

（禹城汽車技術中心，山東德州 251200）

高電壓蓄電池單元是寶馬電動汽車I01驅動裝置的蓄能器，相當于傳統汽車的燃油箱。在車輛驅動時，高壓蓄電池為車輛驅動電機供電；在制動能量回收時，可使高壓蓄電池進行部分充電。該車可選裝一個小型兩缸汽油機驅動的發電機作為增程器，為高壓蓄電池充電。

高壓蓄電池的主要構成組件：電池組件、電池監控模塊、SME控制單元、熱交換器、線束（電氣、制冷劑、排氣）接口、殼體及固定部件。單只電池額定電壓為3.75V，屬于鋰離子電池，由韓國Samsung公司提供，在寶馬Dingolfing工廠組裝成完整的高壓蓄電池單元。表1為高壓蓄電池單元的技術參數。

表1 高壓蓄電池單元的技術參數

1 高壓蓄電池安裝位置及接口

寶馬電動汽車I01高電壓蓄電池單元安裝在駕乘艙室的底部，如圖1所示。其中，蓄電池的排氣口位于高壓電池單元的右上端①位置，高壓電接口與排氣口相鄰，同樣位于高壓電池單元的右上端②位置；高電壓蓄電池單元位于③位置，框架及Drive控制模塊位于④位置；制冷劑高低壓管路位于高壓電池單元的左上端⑤位置；高電壓蓄電池單元的標注名牌同樣位于電池單元的左上端⑥位置；與車輛通信聯系的12V車載網絡接口，位于制冷劑高低壓管路旁邊⑦的位置；膨脹截止組合閥與制冷劑高低壓管路相接，位于高壓電池單元的左上端⑧位置。

高壓電池單元利用12V車載網絡接口為集成式控制單元提供電壓，確保總線信號、傳感器信號和監控信號的正常工作。為了防止高電壓蓄電池單元充電過程中溫度過高，在其電池單元的框架內布置了制冷劑的循環管路予以降控溫度，如圖2所示。

高壓蓄電池單元的殼體通過26個螺栓以機械方式與Drive連接在一起，可使重力以及行駛產生的加速力作用在車身上。固定連接螺栓可直接從下方接觸到，不必拆下底部飾板。拆卸高壓蓄電池單元時，必須首先將其切換至無電狀態，然后將總成升降臺升至相應的高度置于電池單元的下方才會允許進行相關拆解固定螺栓的作業。

圖2 制冷劑的循環管路

高電壓接口是高壓蓄電池單元連接電機控制單元的高壓導線接口，如圖3和圖4所示。

圖3 插有高壓導線接口

圖4 松開高壓導線的接口

高壓電池左側有2個接口（圖5）：一是空調膨脹截止組合閥接口；二是高壓蓄電池單元車載網絡接口。

高壓蓄電池單元的12V車載網絡接口即SME控制單元導線接口，有3種類型的導線：①為SME供電的總線端30F和總線端31；②為電動機接觸器供電的總線端30（碰撞信號線）；③車身域控制器喚醒線。

2 加熱裝置和制冷系統

在電池溫度明顯低于最佳運行溫度（25～40℃）時，鋰離子的化學反應變慢，能量轉換效率就會不理想。在電能充足的情況下，駕駛員選擇了車輛溫度調節功能時，開始對高壓蓄電池進行加熱。高電壓電源管理系統EME根據電池溫度控制加熱功率，當電池達到最佳運行溫度時，管理系統EME即關閉加熱裝置的工作。

圖5 高壓電池左側接口

2.1高壓蓄電池單元加熱系統（圖6）

車輛在環境溫度低于0℃行駛或充電時，應對高壓蓄電池加熱至最佳溫度，之后蓄電池才會提供最大的功率。高壓蓄電池單元控制模塊ECU啟用高電壓蓄電池加熱系統接頭，使電流通過加熱絲線圈對電池單元進行加熱。因冷卻通道與電池模塊接觸，加熱絲沿冷卻通道布置，從而使加熱線圈產生的熱量快速傳至電池模塊和電池。加熱會消耗部分高壓蓄電池的電能從而降低續駛里程，因此在行駛時不使用加熱系統。行駛時的電機驅動電流會使高壓蓄電池變熱，數分鐘后方可提供全部驅動功率。

圖6 電池加熱系統

由于是通過高電壓系統為加熱裝置供電，所以此處采用橙色導線作為標記。在高壓蓄電池作業時，由于作業前拉開高電壓安全插頭高壓系統切換至無電狀態，因此加熱裝置導線也處于無電狀態，不再有危險電壓。高壓蓄電池在溫度處于25～40℃的最佳范圍時，處于既不加熱也不制冷的運行狀態。

2.2高壓電池冷卻系統

寶馬電動汽車I01的空調制冷系統循環回路由兩個并聯支路構成，如圖7所示。一支回路用于車內乘員客艙冷卻，另一支用于高壓蓄電池單元的冷卻。兩個支路各有一個膨脹和截止組合閥，用于相互獨立的控制冷卻功能。高壓蓄電池單元控制模塊ECU通過施加電壓，控制打開或關閉膨脹和截止組合閥，使制冷劑進入高壓蓄電池單元內得以膨脹蒸發，從而實現對高壓蓄電池單元的冷卻。

圖7 制冷系統循環管路

高壓電池冷卻系統的工作原理：電動壓縮機工作后，制冷劑在系統中形成高低壓循環，電池熱量傳至膨脹閥后的制冷劑管路，制冷劑受熱膨脹而蒸發流至壓縮機后，被電動壓縮機壓縮成高壓制冷劑，通過冷凝器將熱量散發到環境大氣中，降溫后的制冷劑重新變為液態制冷劑，存于循環管路中繼續循環使用。

膨脹和截止組合閥通過一根控制線對SME控制單元進行2種狀態的控制（0V關閉，12V打開）。當SME通過LIN總線接收到IHKA／IHKR控制單元高壓蓄電池冷卻的需求時，通過步進電機（0～100%）連續調節膨脹閥開度，如圖8所示。

圖8 調節式膨脹截止組合閥

3 高壓蓄電池控制單元

為了滿足高壓蓄電池的設計使用壽命和功率的最大化，在使用時必須有嚴格的保護措施：①使蓄電池運行在最佳的溫度范圍內（加熱／冷卻或限制電流）；②均衡所有電池的充電狀態；③在特定的范圍內可用完蓄電池的儲存能量。

為此設計了IHKA／IHKR高壓蓄電池控制單元，如圖9所示。除8個電池模塊的電池本身外，還包括蓄能器管理控制單元，電池監控電子裝置CSC，接觸器、傳感器和熔斷絲的安全盒和可選裝的電器加熱控制裝置。

3.1SME控制模塊

在高壓蓄電池單元中，蓄能管理裝置SME是電池的核心控制管理模塊。SME控制模塊執行以下任務：①根據要求控制高壓系統的啟動和關閉；②分析所有電池電壓、溫度和高壓電路電流強度；③控制高壓蓄電池單元的冷卻系統；④確定高壓蓄電池的充電狀態SOC和老化狀態SOH；⑤確定高壓蓄電池的可用功率或提出限制要求；⑥電壓、溫度、高壓觸點和絕緣的安全監控；⑦識別并發送故障狀態和存儲故障代碼。在SME單元的故障代碼存儲器內，不僅可存儲控制單元的故障，還可存儲高壓蓄電池單元內其他組件的故障。根據故障的嚴重程度和提供的功能分為以下3種類型。

1）立即關閉高壓系統當出現的故障影響到高壓系統安全或產生高壓蓄電池損壞危險時，就會立即斷開電動機械式接觸器觸點，關閉高壓系統。此時車輛失去驅動能力，但通過12V車載網絡電源提供能量的轉向助力和制動助力依然存在，駕駛員可滑行并就近靠邊停車。

2）限制功率高壓蓄電池無法繼續提供最大功率和全部能量時，為保護組件會限制驅動功率和續駛里程，此時駕駛員可明顯感受到驅動功率的降低和提示的已縮短的續駛里程。這時需駕駛員將車駛至最近的BMW維修點或待援地點進行處理。

3）對客戶無直接影響的故障在高壓蓄電池單元模塊之間通信短時受到干擾時，只產生一個故障代碼記錄在存儲器內，不使功能受限或危及高壓安全系統時，客戶不會看到這些故障代碼信息，也不會感受到車輛功能受限。這些故障代碼只是在維修保養時，由維修站點人員通過診斷系統進行記錄和分析，對客戶駕駛人員使用車輛無影響。

3.2電池模塊

高壓蓄電池單元由8個串聯連接的電池模塊構成，每個電池都分配有一個電池監控電子裝置。電池模塊由12個串聯的電池構成，每個電池額定電壓為3.75V，電池模塊額定電壓為45V。為確保寶馬I01電動汽車所用鋰電池的正常運行，電池電壓和電池溫度不允許低于或高于特定數值，否則可能導致電池損壞。電池模塊的順序如圖10所示。

圖9 高壓蓄電池控制單元電路

在維修更換電池模塊時，必須按相應的編碼順序進行。該順序編碼存儲在診斷系統內，可用于故障查詢分析。

電池監控電子裝置執行測量和監控每個電池的電壓、測量和監控電池模塊的溫度、將所測量參數傳遞給SME控制單元和執行電池電壓補償過程4項功能任務。電池監控電子裝置以每20ms一次掃描頻率測量電池電壓，來識別充電過程或放電過程是否結束。每個電池模塊裝有4個NTC溫度傳感器，分別安裝在電池模塊上，根據測量值來確定各電池的溫度，從而來識別電池是否過載或有電氣故障。若發現過載或有電氣故障，SME控制單元立即降低電流或關閉高壓系統，以免電池進一步損壞。若所測的電池溫度過高或過低時，則控制單元SME啟用冷卻或加熱系統，確保蓄電池始終運行在最有利的自身功率和使用壽命的溫度范圍內。

3.3安全盒（S盒）

在高壓蓄電池單元內設有獨立殼體的開關熔斷絲盒，簡稱S盒。在S盒內集成了以下5項組件功能：①蓄電池負極電流傳感器；②蓄電池正極電流熔斷絲Fuse；③2個電動機械式接觸器；④緩慢啟動高壓系統的預充電電路；⑤測量蓄電池總電壓和監控絕緣電阻的電壓傳感器。

另外組成高壓蓄電池單元的還有底部的殼體、帶密封條的蓋板、帶膨脹截止閥的冷卻通道、排氣口和兩組連接線束等組成。

4 高壓蓄電池充電

通過外部電網連接導線插入接口，為寶馬電動汽車I01的高電壓蓄電池充電。充電時，SME控制單元根據電池充電狀態和溫度，來確定高壓電池目前可吸收的最大功率。該充電數值還以總線數據電碼形式，通過PT-CAN2總線傳輸給電機控制單元EME。充電期間，SME控制單元持續確定已達到的充電狀態，并監控高壓蓄電池所有的傳感器信號。為了確保最佳充電運行，SME控制單元根據檢測到的信號參數值持續計算當前最大充電功率，持續控制高壓蓄電池的加熱和冷卻系統，以確保快速、有效充電過程的進行。

5 高壓蓄電池的維修

寶馬電動汽車高電壓蓄電池的維修條件是只允許具有“BMWi全方位服務”和“BMWi擴展型蓄電池服務”的經銷商對高壓蓄電池單元進行修理作業。

修理高壓蓄電池單元的修理工位必須潔凈、干燥、無油脂和無飛濺火花，即此工位必須遠離或隔離車輛清洗場所和車身修理工位。修理高壓蓄電池單元的專用工具主要有：①可移動總成升降臺MHT1200；②拆卸和安裝高壓蓄電池單元的適配接頭套件；③高壓蓄電池模塊充電器；④高壓蓄電池單元試運行的EOS測試儀；⑤拆卸和安裝電池模塊的起重工具；⑥高壓蓄電池單元的起重橫梁；⑦用于松開高壓蓄電池內部卡子的塑料楔塊。寶馬公司規定：只允許進行過“高電壓車輛作業專業培訓”、“I01高電壓系統培訓”和“I01高電壓蓄電池單元修理培訓”的并取得合格證書、獲得資質的維修人員方可進行這項工作。

對高壓蓄電池進行維修前，必須使用BMW診斷系統進行檢測。只有在高壓電池外部沒有機械損傷且檢測結果指向高壓蓄電池單元內部的情況下，方可打開高壓蓄電池單元，并根據維修計劃更換損壞的組件。除更換損壞組件外，不允許對高壓蓄電池單元內部包括線束在內進行任何修理工作。

拆卸電動汽車高壓蓄電池的步驟程序如下。

第1步：拉開位于車輛正前方左側冷卻液補液罐旁邊的棕色部件高電壓安全插頭（圖11），使高壓系統自動關閉切換到無電壓狀態。

圖11 高電壓安全插頭

第2步：抽吸制冷劑。

第3步：為確保能夠順暢地拆卸和安裝高壓電池單元，使用雙柱舉升機抬起車輛。

第4步：斷開12V車載網絡、高壓導線、空調膨脹截止組合閥接口。

第5步：用專用塞子密封住制冷劑管路接口。

第6步：將可移動總成升降臺移至高壓蓄電池單元下方，將適配器安裝到高壓蓄電池上進行固定并觀察是否正確就位。

第7步：松開模塊上的固定螺栓和電位補償螺栓。

第8步：緩慢降低升降臺，帶動高壓蓄電池單元降下脫離車體。

第9步：全方位直觀檢查電池單元殼體是否存在污物、損壞和過熱燒蝕異常現象。

第10步：送至高壓蓄電池專用修理工位。

注意事項：高壓蓄電池是一個尺寸較大且質量較重的組件，在更換和固定電池模塊時，應特別注意殼體位于規定的可移動總成升降臺適配器上，防止作業期間殼體張緊變形。

對高壓蓄電池單元進行更換修理后，在裝車前必須使用EOS測試儀（圖12）進行最終測試。首先進行密封型測試，然后進行耐壓強度測試、絕緣電阻測試和SME絕緣監控測試，讀出故障代碼記錄，若無故障就會輸出測試代碼。此后高壓蓄電池單元可以裝車。

圖12 EOS測試儀

安裝高壓蓄電池時，首先使用移動升降臺將電池單元移動到車輛下方，緩慢升起電池分別裝入固定螺栓，分3次對稱緊固，再裝入電位補償螺栓，最后對全部螺栓按規定的扭緊力矩檢查緊固。移除升降臺，連接車載網絡、高壓導線、空調膨脹截止組合閥接口；放下車輛，按下接通高壓安全插頭；加注回收的制冷劑，試車無誤后高壓蓄電池維修完畢。

（編輯 楊景）

U463.633

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1003－8639（2016）12－0007－05

2016-02-27