捷豹I-PACE純電動汽車電力驅動系統（一）

計實

I-PACE是捷豹（Jaguar）的第一款中型高性能SUV純電動車（BEV）。I-PACE由兩個驅動電機驅動，一個電機驅動前軸，一個電機驅動后軸。這些驅動電機能夠從靜止狀態提供瞬時扭矩，從0加速到100km/h只需4.5s，從而提供跑車級性能，同時實現排氣管零排放。為了提供眾所期待的所有Jaguar 車輛都具備的公路性能，I-PACE 采用了全套駕駛技術。這些包括：

◆帶自適應動態系統的動態模式

◆制動控制扭矩矢量

◆自適應路面響應（AdSR）

◆主動式電子空氣懸架

本文在簡單介紹I-PACE電動汽車高壓部件的基礎上，對電力驅動系統作以詳細介紹。

一、蓄電池

1.捷豹（Jaguar）I-PACE高壓部件

捷豹（Jaguar）I-PACE高壓部件如圖1所示，包括：

◆高壓（HV）蓄電池

◆蓄電池充電控制模塊（BCCM）

◆高壓接線盒（HVJB）

◆直流/直流（DC/DC轉換器）

◆前電力驅動單元EDU（包括逆變器和電機）

◆后電力驅動單元EDU（包括逆變器和電機）

◆高壓冷卻液加熱器（HVCH）

┃ 圖1 高壓部件

◆電動空調壓縮機（EAC）

2.高壓.（HV）蓄電池

高壓（HV）蓄電池如圖2所示。高壓（HV）蓄電池為90kW時，為車輛提供了直流（DC）HV電源。當車輛連接至外部充電電源時，HV蓄電池存儲由蓄電池充電控制模塊（BCCM）供應的電能；當再生制動發生時，它將存儲來自電動驅動單元（EDU）的電能。HV蓄電池的重量為602kg，由于HV蓄電池容量和總成的尺寸的原因，它內置在車輛底盤下方的車輛結構中。HV蓄電池的外部殼體由鋁制成，形成了一個完全密封的部件。HV蓄電池鋁結構的底側裝有3mm厚的不銹鋼護板，用于防止磨損和提供碰撞保護。

┃ 圖2 高壓（HV）蓄電池

HV蓄電池包含432個鋰離子單體電池，這些單體電池以12排的形式連接在一起。這就形成了能夠存儲10.8V標稱電壓的模塊。一共有36個模塊，每個模塊都可以產生232Ah的電量，從而構成了8352Ah的HV蓄電池容量。HV蓄電池模塊通過一系列相連的母線排連接在一起。這些模塊串聯連接在一起，這就形成了HV蓄電池。HV蓄電池的標稱電壓為388.8V。注意：如果單個單體電池發生故障，則HV蓄電池系統將會關閉以保護HV系統。

HV蓄電池殼體的外部框架中含有一個冷卻液通道，該通道內置于HV蓄電池冷卻回路中，帶有進口和出口，二者的前端板上都配有一個溫度傳感器。這些傳感器用于監測和報告HV蓄電池的冷卻狀態，它們將這些數值報告給蓄電池電量控制模塊（BECM）。冷卻液流量由一個12V電動泵驅動，電動泵通過來自BECM的脈寬調制（PWM）信號進行管理。

HV蓄電池接口如圖3所示，高壓輸出端口如圖4所示，HV蓄電池有三個HV輸出：

┃ 圖3 HV蓄電池接口

┃ 圖4 蓄電池高壓輸出端

◆供應至后逆變器的電動驅動電路電源

◆供應至前逆變器的電動驅動電路電源

◆供應至HVJB 的輔助電源

HV蓄電池還有兩個低壓連接：

◆至外部HV蓄電池冷卻液溫度傳感器的連接

◆包括通信網絡和HVIL的18針低壓連接

HV蓄電池殼體中含有兩個包括防爆片的通風口。它們位于后部，如圖5所示。它們設計為在HV蓄電池殼體內出現過壓狀況（比大氣壓力高出約20kPa）時斷裂。這樣可以讓多余的壓力以受控方式從乘客區域釋放。您可以對其進行目測檢查，如果發生斷裂，請聯系經銷商技術支持。蓄電池后部安裝了一個通風管，以達到壓力平衡。通風管末端安裝了止回閥以確保無水進入。注意：在執行揭蓋維修后，可使用HV蓄電池的通風管連接對此蓄電池執行壓力測試。

┃ 圖5 通風管和爆裂通風口

3.HV蓄電池荷電狀態

HV蓄電池的額定容量為90kWh，但是其可用容量實際為84kWh。這是因為我們無法將HV蓄電池完全充電至100%，或者將電壓容量降至0，并且如果蓄電池完全放電，這也會影響到其性能和壽命。這個儲備電壓將會充當緩沖器來保護HV蓄電池。這些數值是在HV蓄電池管理系統中進行設置的，并且是壽命和性能之間的一種平衡?？蛻艨吹降臄抵狄赃@些數值的百分比形式顯示的，因此對于駕駛員來說，80%的HV蓄電池電量就顯示為100%，20%則顯示為0。

隨著HV蓄電池接收來自外部電源的電量，其內部電阻也會增大。這是因為外部電源會快速地將離子供應到HV蓄電池中，最高到約80% 荷電狀態。這將會導致電解液中“充滿”了離子。蓄電池電量控制模塊（BECM）將通過監測內部溫度的升高和容量比率的升高來識別該狀況。在將該狀況通知BCCM 后，后者將會關閉充電率，這就允許離子沉淀下來。在經過規定時間后，BCCM 將會再次開始低充電率充電，以便恢復HV蓄電池的充電。從80% 升至100%所花的時間會與HV蓄電池達到80%所花的時間一樣長。

HV蓄電池健康狀態由BECM持續進行監測，利用診斷工具可以顯示該數據。HV蓄電池的保修期為8年或160000km，將需要更換蓄電池的數值規定為HV蓄電池剩余壽命的70%。

4.單體電池平衡

蓄電池電量控制模塊（BECM）將會每小時對HV蓄電池中的所有單體電池執行一次單體電池平衡和溫度檢查。如果系統發現某個參數超出預定限值，則也會激活單體電池平衡。單體電池平衡會將單個模塊中的所有HV蓄電池單體電池的電壓降至電壓最低的那個單體電池的電壓水平。經過多次單體電池平衡操作后，HV蓄電池的荷電狀態會降低。為了避免荷電狀態降低，當長時間不使用車輛時，建議每30天內至少一次通過蓄電池充電控制模塊（BCCM）將車輛連接至一個外部電源。在車輛插接電源并進行充電時，如果系統發現內部溫度處于功能將被削弱的程度，就會激活加熱或冷卻策略。

HV蓄電池內有6個單體電池監控控制器（CSC）模塊，如圖6所示，這些模塊用于監測單個HV蓄電池模塊的荷電狀態、電壓容量和溫度。每個CSC都有由BECM直接提供的單獨電源和接地，而且還具有與HV蓄電池模塊的直接連接。來自BECM的電源由BECM 打開和關閉，但是從CSC至HV蓄電池模塊的連接是永久性的。每排單體電池都有兩個連接至CSC的電氣連接，允許控制各排單體電池以實現平衡目的。平衡功能是通過利用CSC 中的一系列電阻器實現的，在工作時，這些電阻器會吸收電壓并產生熱量。該項監測也能夠識別出在溫度為0時是否有任何單體電池的電壓超過4.2V或低于2V，如果發生這種情況，BECM將會請求主接觸器打開，這是為了防止HV蓄電池損壞。CSC模塊通過HS CAN電源模式0網絡連接在一起。

每排單體電池還有兩個溫度傳感器，這些傳感器用于監測模塊的內部環境。如果發現任何單體電池的溫度超過62℃，系統會向BECM 發送指令以請求主接觸器打開。該數值低于可能發生損壞的臨界水平。每個CSC模塊都連接至六個蓄電池模塊，這些蓄電池模塊反過來又通過HS CAN連接至其他CSC 模塊。發送至BECM的此數據用于HV蓄電池的內部監測和通過高速電源模式0（PMZ）HS CAN 進行的DTC記錄。這就允許監測HV蓄電池內部溫度和來自模塊內的每個單體電池的HV蓄電池單體電池電壓。

綜上，BECM 接收來自位于EV蓄電池內的6個蓄電池單元監控電路（CSC）模塊的EV蓄電池模塊數據。每個CSC模塊連接至6個EV蓄電池模塊。 EV蓄電池模塊提供來自2個溫度傳感器的數據和EV蓄電池單元電壓。來自6個CSC模塊的EV蓄電池模塊數據通過專用控制器局域網（CAN）總線發送至 BECM。

5.蓄電池電量模塊（BEM）

蓄電池電量模塊（BEM）是容納HV蓄電池管理系統的工作部件的主殼體。這其中包括蓄電池電量控制模塊（BECM），該模塊容納了主要HV接觸器和保險絲以保護HV蓄電池電路。如圖7所示，BEM 位于后排乘客座椅底座下方，帶有一個蓋板。BEM中保險絲、接觸器等部件是可維修部件，如圖8所示。蓄電池接觸器框圖如圖9所示。BEM內的主要部件包括：

◆ 驅動電路保險絲（2個，規格為450A）

┃ 圖6 單體電池監控控制器（CSC）拓撲圖

┃ 圖7 蓄電池電量模塊（BEM）

┃ 圖8 BEM可維修部件

┃ 圖9 蓄電池接觸器

◆ 輔助電路保險絲（規格為315A）

◆ 主正極接觸器、主負極接觸器和主正極輔助接觸器

◆ 預充電電路板

◆ 2個電流傳感器

6.蓄電池電量控制模塊（BECM）

蓄電池電量控制模塊（BECM）是電動車（EV）蓄電池的組成部分。如圖10所示，蓄電池電量控制模塊（BECM）位于BEM 模塊的下部，安裝在BEM安裝板上。BECM監控以下內容：

◆ EV 蓄電池模塊蓄電池單元的電壓

◆ 內部 EV 蓄電池模塊的溫度

┃ 圖10 蓄電池電量控制模塊（BECM）

◆ 高壓（HV）互鎖回路

◆ 蓄電池電量模塊（BEM）中不同點的高壓直流（DC）電壓

◆ BEM 中的 HVDC BEM 電流傳感器

◆ 冷卻液進口和出口連接中的EV 蓄電池冷卻液溫度傳感器

BECM 控制以下 EV 蓄電池溫度控制部件：

◆ EV 蓄電池冷卻液泵

◆EV 蓄電池換向閥

BECM還控制BEM中的接觸器，在高壓互鎖回路受損或取下維修斷開裝置（SDU）鑰匙時隔離EV蓄電池。BECM通過高速（HS）控制器局域網（CAN）電源模式 0 系統總線與高壓（HV）系統和其他車輛系統進行通信。如果與BECM之間的通信中斷，則主接觸器將被強制打開。即使車輛在負載下行駛時，這種情況也可能會出現，因為HV蓄電池的狀態必須始終得到監測。此時，車輛將仍然在控制之下，因為轉向和制動系統由12V輔助蓄電池備用電源提供支持。

7.高壓安全系統（高壓互鎖回路）

高壓互鎖回路（HVIL）是一個安全系統，用于防止HV電纜在斷開時帶電。HVIL 監測HV接頭與其對應的部件之間的完好性。HVIL 由BECM進行監測，與之相關的DTC將會記錄在該模塊中。每個HVIL 電路都由一個12V10ms電源和一個電流感應電阻器組成。BECM 監測流過電阻器的電流以檢測是否存在斷路或對接地或12V電源短路。HVIL 電路電纜并不沿著HV電纜的長度布設，每個HV接頭中都有一個回路連接，這就使得電路回路變得完整。如果部件發生意外損壞或意外斷開，則這將防止斷開的HV接頭中存在高壓。高壓互鎖回路連接到以下部件的高壓直流（DC）接頭：

（1）EV 蓄電池

◆ EV 蓄電池左前方的HVDC 接頭（至前電力變頻轉換器EPIC）

◆ EV 蓄電池右前方的HVDC 接頭（至高壓接線盒 HVJB）

◆ EV 蓄電池后部蓄電池電量模塊（BEM）上部的HVDC 接頭（至EPIC）

（2）通過接線線束連接以下部件外部高壓互鎖回路

◆ 電動空調（A/C）壓縮機

◆ HV內部加熱器

◆ 直流/直流（DC/DC）轉換器

◆ 有線車載充電模塊

HVIL 電路的起點和終點都在BECM處，HVIL電路經過的HV部件如圖11所示。由圖可知，共有3支HVIL 電路，分別是：

（1）HVIL A

◆HV蓄電池處的后逆變器電源連接

（2）HVIL B

◆ BCCM

◆HV蓄電池處的前逆變器電源連接

◆直流/直流轉換器

◆ EAC 壓縮機

◆ HVJB

◆ HVCH

（3）HVIL C

◆維修斷開裝置（SDU）

從前后逆變器至EDU 的三相連接并未包含在HVIL 電路中。這些連接由逆變器及其相關的每個EDU以數字方式進行監測，每個EDU 還會通過FlexRay 網絡向PCM 發送此狀態。

┃ 圖11 高壓互鎖回路HVIL

如果在車輛靜止不動時檢測到HVIL 故障，則HV接觸器將被打開，HV電路將被放電。如果在駕駛員嘗試起步時檢測到HVIL 故障，則HV蓄電池HV接觸器將被閉合，車輛可以行駛。這是因為駕駛員處于車內，接觸到暴露的HV電路的風險極小。在HVIL 中識別為斷路的HV部件將不工作，盡管只要HV連接存在，功能就不會得到削弱，但是將會記錄DTC。如果在車輛行駛時出現故障，則車輛將會繼續行駛，直至車輛停止，然后根據故障的位置，將會出現安全響應。這將導致功能下降，具體取決于發生故障的位置處的部件。如果在充電時發生HVIL 故障，則充電將被停止。作為HVIL 測試功能的組成部分，HVIL 電路將會受到持續監測。

8.斷路監測

與HVIL 測試相關的是一項稱為斷路監測的系統檢查。該檢查用于在向系統施加全部HV之前測試HV電路。該檢查通過防止將全部HV施加給斷開的電路來確保系統的安全操作。該檢查會將來自HV電路末端的每個部件的電壓讀數與在蓄電池接頭上測得的電壓進行比較。如果電路上沒有電壓，則所有電壓都將為0，因此您將無法檢測到是否存在斷路或是否電壓剛好均為0。為了能夠在向電路施加HV之前檢測到是否斷路，HV蓄電池輸出一個23V的測試電壓。注意：這是一個高得足以檢測到實際斷路的電壓，但是低于50V危險電壓臨界值，因此如果存在斷路，則不會帶來危險。HV電路的測試區域包括：

◆主HV蓄電池電壓

◆主逆變器輸出電壓

◆主輔助輸出電壓

◆維修斷開裝置，包括保險絲狀態

◆熔斷的前逆變器保險絲的識別

◆熔斷的后逆變器保險絲的識別

◆熔斷的輔助逆變器保險絲的識別

◆電壓交叉檢查，旨在識別粘連的接觸器

斷路測試如圖12、表1所示。表1是斷路測試邏輯表，它顯示了BECM在BEM 模塊中的哪個電路位置獲取測量值。該邏輯表用于部件監測，包括HV接觸器和保險絲。

9.HV電路絕緣監測

┃ 圖12 斷路測試示意圖

表1 斷路測試說明

BECM 的HV接觸器元件中包含自診斷功能。該功能利用HV蓄電池電壓本身監測HV電路與車輛底盤之間的電阻。這稱為絕緣測試。如果電阻降至225kΩ以下，則表示檢測到故障。該功能最多花費10s即可檢測到故障。單純失去絕緣性能不會產生電擊的風險。失去絕緣意味著其中一個HV端子有效連接至車輛底盤，如果其他端子也暴露出來（失去絕緣），則會存在電擊風險。如果在車輛靜止不動時發現這種情況，則HV電路將被關閉，駕駛員將會看到一條警告，同時BECM 中會記錄一個DTC。如果在車輛行駛時發生絕緣故障，則車輛將會繼續行駛，同時駕駛員會看到一條警告。絕緣測試將會持續進行以確保HV電路的安全。注意：如果接收到來自約束控制模塊（RCM）的碰撞信號，則在5s內將會停止絕緣測試電壓，測試電壓將會消失。

10.HV接觸器控制

蓄電池電量控制模塊（BECM）負責執行HV電路的電壓預充電。為此，它將會向HV電路施加受控的電量，從而在閉合主正極接觸器之前，將HV電路電壓升至與HV蓄電池電壓相差的6V之內，這有助于防止HV接觸器受到高浪涌電流的影響。此程序將確保降低HV接觸器的接觸器表面處受到損壞的風險。該流程由BECM 的內部軟件進行完全管理，并且沒有直接診斷連接。BECM 將會記錄在此電路中識別的故障。

在向電路施加預充電電壓之前，系統將會執行自檢，它通過監測電壓增長時間來完成此操作。如果在200ms內未發生此操作，則預充電接觸器閉合序列將被中止，此時需要執行全面的BECM 斷電。HV接觸器的工作序列如下：

◆主負極接觸器閉合

◆預充電接觸器閉合，并通過電阻器組和BECM 使電路接通

◆執行電路自檢以檢查保險絲和HV接線電路的完整性

◆如果自檢通過，則主正極接觸器閉合；如果未通過，則它將會記錄一個DTC，并在規定時間內繼續執行自檢程序

┃ 圖13 維修斷開裝置（SDU）

◆預充電接觸器打開，留下主接觸器閉合，將HV蓄電池組最高電壓和電流傳輸至HV部件系統

11.BECM故障反應策略

BECM 將HV蓄電池溫度告知供暖、通風和空調模塊，以便根據需要啟用HV蓄電池回路的冷卻或加熱。如果系統檢測到HV蓄電池內部溫度超出正常工作溫度范圍，則它可能會限制輸送或供應給HV電路的電量。HV蓄電池的溫度控制對于確保最佳性能至關重要，該溫度由BECM 進行控制。當車輛行駛時，以及當車輛通過BCCM和充電插座連接至外部電源時，溫度調節都會工作。如果單體電池溫度之間的差異超過15℃，則HV蓄電池溫度控制也將被激活。與監測部分配合，BECM 也可以限制可用功率。它將會利用一系列策略來完成此任務，這些策略根據狀況的嚴重程度而有所不同。降低功率的請求通過PCM發送至HV部件。如果導致功率受限的狀況已得到解決，則該策略將會恢復正常操作。在降低功率無效的緊急情況下，BECM 將請求發出CAT6 警告。在打開HV接觸器前，系統將會向車輛提供2.5s的警告。這就允許HV電路釋放電路中存在的電壓。這種情況將會要求車輛完成關閉。如果BECM收到碰撞信號，則系統將會發出CAT7警告。這將會產生立即打開HV接觸器的即刻請求。BECM 故障反應策略如下：

CAT3：向駕駛員顯示維修信息，具備自我清除功能。

CAT4：在未向駕駛員發送警告消息的情況下降低額定功率，具備自我清除功能。

CAT5：意外斷電，HV接觸器保持打開10s，同時執行HV主動放電，具備延時自我清除功能。

CAT6：所有HV接觸器將會在2.5s延時后打開，需要關閉系統才能清除警告。

CAT7：立即打開HV接觸器，需要關閉系統才能清除警告。

11.維修斷開裝置（SDU）

維修斷開裝置（SDU）如圖13所示，SDU位于電動車（EV）蓄電池的后頂部，左側后排乘客座椅下方。通過第二排座椅坐墊下方的可拆卸蓋板，可以接觸到 SDU 鑰匙。SDU可直接斷開蓄電池正極線路處的正極電路。當車輛處于帶電狀態時，除非緊急情況需要拆卸該部件，否則嚴禁拆卸該部件。將SDU 鑰匙轉動90°并向上抬起，即可取下該鑰匙。作為HV斷電程序的組成部分，在該程序期間需要斷開SDU。必須始終遵循正確的程序。請參考維修手冊以了解相應的程序。

（待續）