寶馬純電動BMW i3 I01高壓蓄電池技術解析(一)

◆文/吉林 李偉

一、I01高壓蓄電池概述

在I01高電壓蓄電池內使用的蓄電池組屬于鋰離子電池類型(電池類型為NMC/LMO混合)，以下也簡稱為高電壓蓄電池。鋰離子電池的陰極材料基本上是鋰金屬氧化物。“NMC/LMO 混合”這一名稱說明了這種電池類型使用的金屬一種是鎳、錳和鈷的“混合物”；另一種是鋰錳氧化物，通過選擇陰極材優化了電動車所用的高電壓蓄電池特性(能量密度較高、使用壽命較長)。像往常一樣使用石墨作為陰極材料，放電時鋰離子存儲在石墨內。根據所使用的材料，電池額定電壓為3.75V。I01高電壓蓄電池單元的技術參數如圖1所示。

圖1 I01高壓蓄電池單元的技術參數

I01的高電壓蓄電池單元由以下主要組件構成：帶有實際電池的電池模塊、電池監控電子裝置、帶有冷卻通道和加熱裝置的熱交換器、蓄能器管理電子裝置SME、導線束、安全盒、接口(電氣、制冷劑、排氣)殼體和固定部件等。電池由韓國公司Samsung SD提供給BMW Dingolfing工廠 。在此將電池組裝成電池模塊并與其他組件一起安裝為完整的高電壓蓄電池單元。SME控制單元和電池監控電子裝置的制造商是 Preh公司。

高電壓蓄電池單元除高電壓接口外還帶有一個低電壓接口。此外還為集成式控制單元提供電壓、總線信號、傳感器信號和監控信號。為對高電壓蓄電池進行冷卻將其接入制冷劑循環回路內。高電壓蓄電池單元上的提示牌向相關組件作業的人員說明所用技術及可能存在的電氣和化學危險。

高電壓蓄電池單元位于車內空間以外，如圖2所示。如果由于嚴重故障導致電池產生過壓，不必通過排氣管向外排出所產生的氣體。通過高電壓蓄電池單元殼體上的一個排氣口便可進行壓力補償。與當前BMW ActiveHybrid車輛一樣，高電壓安全插頭(售后服務時斷開連接)不是高電壓蓄電池單元的組成部分,它位于發動機室蓋下方。高電壓蓄電池單元的系統電路圖如圖3所示。

圖2 高電壓蓄電池單元的安裝位置

圖3 高電壓蓄電池單元系統電路圖

二、機械接口

高電壓蓄電池單元的殼體通過26個螺栓以機械方式與I01的“Drive”模塊連接在一起。通過這種方式可使重力以及行駛期間產生的加速力作用在車身上。固定螺栓可直接從下方接觸到，不必事先拆卸底部飾板。拆卸高電壓蓄電池單元時必須首先進行維修說明中規定的所有準備工作(診斷、切換為無電壓等)。松開固定螺栓前必須將下降高度專用工具(可移動總成升降臺MHT1200)固定在高電壓蓄電池單元下方,通過另一個電位補償螺栓在殼體與 “Drive”模塊之間建立電氣連接，如圖4所示。

圖4 將高電壓蓄電池單元固定在Drive模塊上

進行多次拆卸和安裝后無法再按規定力矩擰緊電位補償螺栓時，應針對電位補償螺栓重新鉆孔，如圖5所示。

圖5 電位補償螺栓孔

與帶有框架結構的車輛相似，“Life Drive”方案由兩個平行分開的獨立模塊構成。“Life”模塊主要由碳纖維增強塑料(CFK)制成的高強度超輕乘員區構成。“Drive”模塊即底盤構成了集成有高電壓蓄電池單元的穩定基礎。“Drive”模塊前端和后端鋁合金制成的碰撞主動式結構確保發生正面和尾部碰撞時提供額外安全保護。為了提供最佳保護將蓄電池安裝在車輛底板內，因為發生碰撞事故時車輛在此區域內的變形程度最小。發生側面碰撞時，“Life”模塊的碰撞特性也有助于保護高電壓蓄電池單元，因為在此已吸收全部能量不會使其傳輸至蓄能器。高強度CFK乘員區和“Life Drive”模塊內的智能化作用力分配共同構成了最佳乘員保護的前提條件。

在I01的高電壓蓄電池單元上裝有三個提示牌，即一個型號銘牌和兩個警告提示牌。型號銘牌提供邏輯信息(例如零件編號)和最重要的技術數據(例如額定電壓)。兩個警告提示牌上標注了信息以提醒大家注意高電壓蓄電池單元采用鋰離子技術且電壓較高，同時還標注了其它可能存在的相關危險。高電壓蓄電池單元上的三個提示牌及其安裝位置如圖6所示。

圖6 高電壓蓄電池單元上的三個提示牌及其安裝位置

三、電氣接口

1.高電壓接口

在高電壓蓄電池單元上有一個2芯高電壓接口，高電壓蓄電池單元通過該接口與高電壓車載網絡連接，如圖7、8所示。圍繞高電壓導線的兩個電氣觸點還各有一個屏蔽觸點,這樣可使高電壓導線屏蔽層(每根導線各有一個屏蔽層)一直持續到高電壓蓄電池單元殼體內，從而有助于確保電磁兼容性(EMV)。此外高電壓接口還可防止接觸導電部件,實際觸點帶有塑料外套，因此人員無法直接接觸,只有連接導線時才會壓開外套并進行接觸，塑料滑塊用于機械鎖止插頭。此外它還是安全功能的組成部分：未連接高電壓導線時，滑塊蓋住高電壓觸點監控電橋的接口。只有按規定連接了高電壓導線且插頭已鎖止時，才能接觸到這個接口并插上電橋。這樣可以確保，只有連接了高電壓導線時高電壓觸點監控電路才閉合。

該原理適用于I01的所有高電壓接口，即高電壓蓄電池單元上、電機電子裝置上、便捷充電電子裝置和增程電機電子裝置上的高電壓接口。因此只有連接所有高電壓導線后，高電壓系統才會啟用。這樣可以額外防止接觸可能帶電的接觸面。像高電壓蓄電池單元的所有其他組件一樣，高電壓接口可作為獨立部件進行更換。

圖7 高電壓蓄電池單元左側接口

圖8 高電壓接口

2.低電壓接口

在I01的高電壓蓄電池單元上帶有兩個低電壓接口：SME控制單元導線接口、2膨脹和截止組合閥控制接口，如圖9所示。

SME控制單元接口帶有以下導線：通過總線端30F和總線端31為SME控制單元供電、用于為電動機械式接觸器供電的總線端30C、車身域控制器喚醒導線、高電壓觸點監控導線的輸入端和輸出端、用于控制膨脹和截止組合閥(未配備“熱力泵”)的輸出端(+12V和接地)、PT.CAN2和兩個未使用的信號(僅用于研發)。

未配備“熱力泵”時，從SME控制單元連出的膨脹和截止組合閥控制導線首先接入車輛導線束內，從此處可重新直接連接至該閥，沒有其他車輛電氣組件會對該控制信號產生影響。配備“熱力泵”時，由熱力泵控制單元而非SME控制單元控制膨脹和截止組合閥。SME控制單元僅發送高電壓蓄電池冷卻要求，之后由 IHKA/IHKR控制單元和熱力泵控制單元具體執行。

圖9 高電壓蓄電池單元右側接口

3.排氣口

排氣口有兩個任務。排氣口的第一個任務是補償高電壓蓄電池單元內部和外部的較大壓力差，只有某一電池損壞時才會產生這種壓力差。出于安全原因，損壞電池的電池模塊殼體會打開，以便降低壓力。氣體首先存在于高電壓蓄電池單元殼體內，從此處可通過排氣口排到外面排氣口的第二個任務是向外輸送高電壓蓄電池單元內部產生的冷凝物。在高電壓蓄電池單元內部除技術組件外還有空氣。通過較低環境溫度或啟用冷卻功能后通過制冷劑對空氣或殼體進行冷卻時，空氣中的部分水蒸氣就會冷凝。因此在高電壓蓄電池單元內部可能會形成少量液態水，這不會對功能產生任何影響。空氣或殼體再次受熱時水就會重新蒸發，同時殼體內的壓力稍稍增大。排氣口可通過向外排出受熱空氣進行壓力補償，同時會將空氣中包含的水蒸氣(通過這種方式也將之前的液態冷凝物)一同向外排出。

為了完成上述任務，排氣口(圖10)帶有一個透氣(和水蒸氣)但不透水的隔膜。在隔膜上方有一個兩件式蓋板，可防止粗雜質進入隔膜，維修時可將排氣單元作為一個整體進行更換，排氣單元污染嚴重或出現機械損傷時需要進行更換。

圖10 排氣口

四、加熱裝置和冷卻系統

為了盡可能延長高電壓蓄電池的使用壽命并獲得最大功率，需在規定溫度范圍內使用蓄電池。40～50℃時，高電壓蓄電池處于可運行狀態。但這些溫度限值是指實際電池溫度而非車外溫度。就溫度特性而言，高電壓蓄電池單元是一個惰性系統，即電池需要幾個小時才能達到環境溫度。因此在極其炎熱或寒冷的環境下短暫停留并不表示電池也已經達到同樣溫度。

但就使用壽命和功率而言的最佳電池溫度范圍明顯受限，為+25～40℃。尤其在電池溫度持續顯著超出該范圍、同時要求提供較高功率時，會降低電池使用壽命。為了消除該影響并在任何車外溫度條件下確保最大功率，I01的高電壓蓄電池單元帶有自動運行的加熱裝置和冷卻裝置。

I01 標配用于高電壓蓄電池的冷卻系統。為此像在當前BMW ActiveHybrid車輛上一樣，將其接入空調系統制冷劑循環回路內。如果客戶訂購了選裝配置SA494駕駛員和前乘客座椅加熱裝置，則其I01 也帶有高電壓蓄電池加熱裝置。可利用電流的熱效應對高電壓蓄電池進行加熱。該加熱裝置包括控制裝置位于高電壓蓄電池單元內部。車外溫度或電池溫度及所連充電電纜溫度極低時，會根據需要自動啟用加熱裝置從而對電池進行加熱。通過這種方式可以明顯改善在極低溫度下受到限制的功率輸出并提高可達里程。電壓蓄電池單元加熱和冷卻的整個系統概覽如圖11所示。

1.高電壓蓄電池冷卻系統

(1)I01 的高電壓蓄電池單元直接通過制冷劑進行冷卻。因此空調系統的制冷劑循環回路由兩個“ 并聯” 支路構成。一個用于車內冷卻，一個用于高電壓蓄電池單元冷卻。兩個支路各有一個膨脹和截止組合閥，用于相互獨立地控制冷卻功能，如圖12所示。蓄能器管理電子裝置可通過施加電壓控制并打開膨脹和截止組合閥。這樣可使制冷劑流入高電壓蓄電池單元內，在此膨脹、蒸發和冷卻。車內冷卻同樣根據需要來進行。蒸發器前的膨脹和截止組合閥同樣可以電氣方式進行控制，但由數字式發動機電氣電子系統EDME 進行控制。

進行冷卻時，電池將熱量傳至制冷劑。因此在電池冷卻期間，制冷劑變熱。電動制冷劑壓縮機壓縮制冷劑，在冷凝器內使其重新變為液態聚集狀態。這樣可使制冷劑重新能夠吸收熱量。通過這種方式可產生約1 000 W的最大冷卻功率，反過來說：高電壓蓄電池可排放出最高1 000W的熱功率。當然只有在車外溫度極高且驅動功率較高的情況下才需要上述最大冷卻功率。

圖11 高電壓蓄電池單元的冷卻系統

圖12 高電壓蓄電池的整個加熱/冷卻系統