2014款寶馬i8高電壓蓄電池單元(三)

◆文/山東 劉春暉

(接上期)

四、內部結構

1.電氣和電子組件

通過圖20所示的電路圖中可以看出，除匯集在六個電池模塊內的電池本身外，寶馬i8的高電壓蓄電池單元還包括的電氣/電子部件有：

①蓄能器管理電子裝置SME控制單元；

②十二個電池監控電子裝置(電池監控電路CSC)；

③帶接觸器、傳感器和過電流熔絲的安全盒。

除電氣組件外，高電壓蓄電池單元還包括制冷劑管路、冷卻通道以及電池模塊的機械固定元件。

(1)蓄能器管理電子裝置SME

針對高電壓蓄電池使用壽命的要求比較嚴格(車輛使用壽命)。為了滿足這些要求，不能隨意使用高電壓蓄電池。而是必須在嚴格規定的范圍內使用高電壓蓄電池，從而確保其使用壽命和功率最大化。相關邊界條件如下：

①在最佳溫度范圍內運行電池(通過冷卻以及根據需要限制電流強度)；

②根據需要均衡所有電池的充電狀態；

③在特定范圍內用完可存儲的蓄電池能量。

為了遵守這些邊界條件，在寶馬i8的高電壓蓄電池單元內帶有一個控制單元即蓄能器管理電子裝置SME。SME控制單元需要執行以下任務：

①由電機電子裝置EME根據要求控制高電壓系統的啟動和關閉；

②分析有關所有電池的電壓和溫度以及高電壓電路內電流強度的測量信號；

③控制高電壓蓄電池單元冷卻系統；

④確定高電壓蓄電池的充電狀態(SoC)和老化狀態(SoH)。

⑤確定高電壓蓄電池的可用功率并根據需要對電機電子裝置提出限制請求；

⑥安全功能(例如電壓和溫度監控、高電壓觸點監控，絕緣監控)；

⑦識別出故障狀態，存儲故障代碼存儲器記錄并向電機電子裝置發送故障狀態。

原則上SME控制單元可通過診斷系統做出響應并進行編程。進行故障查詢時必須清楚，在SME控制單元的故障代碼存儲器內不僅可存儲控制單元故障，而且還可查閱高電壓蓄電池單元內其他組件的故障記錄。這些故障代碼存儲器記錄根據嚴重程度和尚可提供的功能分為不同類型。

①立即關閉高電壓系統：因出現故障影響高電壓系統安全或產生高電壓蓄電池損壞危險時，就會立即關閉高電壓系統并斷開電動機械式接觸器觸點。之后駕駛員可讓車輛滑行并停在路面上。通過12V車載網絡提供能量確保轉向助力、制動助力和DSC調節。

②限制功率：高電壓蓄電池無法繼續提供最大功率或全部能量時，為了保護組件會限制驅動功率和可達里程。此時駕駛員可在驅動功率明顯降低的情況下繼續行駛較短距離，可行駛至最近的寶馬維修站點，或將車輛停放在所選地點。

③對客戶沒有直接影響的故障：例如SME或CSC控制單元之間的通信短時受到干擾時，不表示功能受限或危及高電壓系統安全。只會產生一個故障代碼存儲器記錄，必須由寶馬維修站點通過診斷系統對該記錄進行分析。在此不顯示檢查控制信息。不會影響客戶所使用的功能。

從高電壓蓄電池單元外部無法接觸到SME控制單元。為在出現故障時更換SME控制單元，必須事先打開高電壓蓄電池單元。

SME控制單元的電氣接口是：SME控制單元12V供電(車內配電盒的總線端30F和總線端31)；接觸器12V供電(總線端30碰撞信號)；PT-CAN2；局域CAN1和2；車身域控制器BDC喚醒導線；高電壓觸點監控輸入端和輸出端；制冷劑循環回路內的截止和膨脹組合閥控制導線；制冷劑溫度傳感器。

由一個專用的12V導線為高電壓蓄電池單元內的接觸器供電，該導線稱為總線端30碰撞信號，簡稱為總線端30C。總線端名稱中的C表示發生事故(碰撞)時關閉該12V電壓。該導線是安全型蓄電池接線柱的一個(第二個)輸出端，即觸發安全型蓄電池接線柱時也會斷開該供電導線。

此外該導線穿過高電壓安全插頭，因此關閉高電壓系統供電時也會關閉接觸器供電。因此在上述兩種情況下，高電壓蓄電池單元內的兩個接觸器會自動斷開。

局域CAN1使SME控制單元與電池監控電子裝置CSC相互連接(另見下章)。局域CAN2用于實現SME控制單元與S盒之間的通信，通過該總線可傳輸測量的電流強度等信息。

(2)電池模塊

如圖21所示，高電壓蓄電池單元由六個串聯連接的電池模塊構成，每個電池模塊都分配了兩個電池監控電子裝置。電池模塊自身由十六個串聯連接的電池構成，每個電池的額定電壓為3.7V，額定電容量為20Ah。電池模塊的順序是固定的，從前部下方開始。

圖21 電池模塊布置方式

電池監控電子裝置名稱中的“+”或“-”表示電池監控電子裝置安裝在電池模塊的正極側或負極側。

注意：更換電池模塊時必須按順序進行，因為該順序存儲在診斷系統內用于將來進行分析。

(3)電池監控

每個高電壓蓄電池單元內都帶有電池監控電子裝置(圖22)。為確保寶馬i8所用鋰離子電池正常運行，必須遵守特定邊界條件：電池電壓和電池溫度不允許低于或高于特定數值，否則可能導致電池持續損壞。因此高電壓蓄電池單元帶有十二個研發名稱為電池監控短路CSC的電池監控電子裝置。

圖22 電池監控電子裝置

寶馬i8高電壓蓄電池單元內的每個電池模塊都有兩個電池監控電子裝置。這樣做是為了確保一個電池監控電子裝置最多可監控八個電池。因此裝有兩個電池監控電子裝置，每個電池監控電子裝置負責一個電池模塊的八個電池。

電池監控電子裝置執行的任務包括：①測量和監控每個電池的電壓；②測量和監控電池模塊多處的溫度；③將測量參數傳輸給SMS控制單元；④執行電池電壓補償過程。

在此以較高掃描率(每20ms測量一次)測量電池電壓。通過電壓測量可以識別出充電和放電過程結束。溫度傳感器安裝在電池模塊上，根據其測量值可確定各電池的溫度。借助電池溫度可以識別是否過載或有電氣故障。出現以上一種情況時必須立即降低電流強度或完全關閉高電壓系統，以免電池進一步損壞。此外，測得的溫度還用于控制冷卻系統，以便電池始終在工作性能和使用壽命最佳的溫度范圍內運行。由于電池溫度是一個重要參數，因此每個電池模塊裝有六個NTC溫度傳感器，其中三個是另外三個的冗余裝置。

高電壓蓄電池單元局域CAN電路原理圖如圖23所示，電池監控電子裝置通過局域CAN1傳輸其測量值。該局域CAN1使所有電池監控電子裝置相互連接并與SME控制單元相連。在SME控制單元內對測量值進行分析并根據需要做出相應反應(例如控制冷卻系統)。

圖23 高電壓蓄電池單元局域CAN電路原理圖

局域CAN1和2的傳輸速度均為500kBit/s。與采用相同傳輸速度的CAN總線一樣，總線導線采用絞線形式。此外，兩個局域CAN端部采用終端形式。用于局域CAN1兩端分別120Ω的終端電阻位于SME控制單元內。

用于局域CAN2兩端分別120Ω的終端電阻位于SME控制單元內和S盒控制單元內。

在查詢故障期間測量局域CAN上的電阻時，在所有總線設備已連接且終端正常的情況下會得到大約60Ω的數值。

如果一個或多個電池的電壓明顯低于其他電池，高電壓蓄電池的可用能量含量就會因此受限。因此放電時由最弱的電池決定何時停止釋放能量：如果最弱電池的電壓降至放電限值，即使其他電池還存有充足能量也必須結束放電過程。如果仍繼續放電過程，就會因此造成最弱電池損壞。因此可通過一項功能使電池電壓調節至幾乎相同的水平。該過程也稱為電池對稱。

為此SME控制單元將所有電池電壓進行相互比較。在此過程中對電壓明顯高于其余的電池進行有針對性地放電。SME控制單元通過局域CAN1將相關請求發送至這些電池的電池監控電子裝置，從而啟動放電過程。為此每個電池監控電子裝置都針對各電池帶有一個歐姆電阻，相應電子觸點閉合后放電電流就會流過該電阻。啟動放電過程后由電池監控電子裝置負責執行該過程，或在期間主控控制單元切換為休眠模式的情況下繼續執行該過程。

電池電壓平衡原理電路圖如圖24所示，通過與總線端30F直接相連的蓄能器管理電子裝置為CSC控制單元供電來實現這一點。所有電池的電壓處于規定的較小范圍內時，放電過程就會自動結束。電池對稱繼續進行，直至所有電池達到相同電壓水平。

圖24 電池電壓平衡原理電路圖

平衡電池電壓的過程會造成損失，但損失的電能非常小(小于0.1%SoC)。而優勢在于可使可達里程和高電壓蓄電池使用壽命最大化，因此總體而言平衡電池電壓非常有利而且十分必要。當然只有車輛靜止時才會執行該過程。

平衡電池電壓的具體條件包括：總線端15關閉且車輛或車載網絡處于休眠狀態，且高電壓系統已關閉，且電池電壓或各電池SoC的偏差大于相應限值，且高電壓蓄電池的總SoC大于相應限值。

如果滿足所述條件，就會自動進行電池電壓平衡。因此客戶既看不到檢查控制信息，也無需為此進行特殊操作。即使更換電池模塊后，SME控制單元也會自動識別出電池電壓平衡需求。

如果電池電壓的偏差過大或電池電壓平衡未順利進行，就會在SME控制單元內生成一個故障代碼存儲器記錄。通過一條檢查控制信息提醒客戶注意這種車輛狀態。之后必須通過診斷系統對故障代碼存儲器進行分析并進行相應修理工作。

(4)安全盒(S盒)

每個高電壓單元內都有帶獨立殼體的接口單元，該單元稱為開關盒或簡稱為S盒。

安全盒內集成的組件包括：蓄電池負極電流路徑內的電流傳感器，蓄電池正極電流路徑內的熔絲，兩個電動機械式接觸器(每個電流路徑一個開關觸點)，用于緩慢啟動高電壓系統的預充電電路，用于監控開關觸點、測量蓄電池總電壓和監控絕緣電阻的電壓傳感器。

(5)導線束

在高電壓蓄電池單元內帶有兩個導線束：用于連接CSC與SME控制單元的導線束，用于連接S盒與外圍設備的導線束，用于連接SME與12V車載網絡接口的導線束。不允許對導線束進行維修，如果電纜與插頭之間的連接損壞或松動，必須更換整個導線束。

2.機械組件

高電壓蓄電池單元的機械組件包括：①殼體上部件和下部件；②兩部分殼體之間的密封件；③維修蓋的密封件；④上部和下部熱交換器；⑤排氣單元；⑥模塊連接器；⑦模塊連接橋；⑧散熱器隔板；⑨SME支架；⑩S盒支架。

(未完待續)