捷豹I-PACE纯电动汽车电力驱动系统（一）

计实

I-PACE是捷豹（Jaguar）的第一款中型高性能SUV纯电动车（BEV）。I-PACE由两个驱动电机驱动，一个电机驱动前轴，一个电机驱动后轴。这些驱动电机能够从静止状态提供瞬时扭矩，从0加速到100km/h只需4.5s，从而提供跑车级性能，同时实现排气管零排放。为了提供众所期待的所有Jaguar 车辆都具备的公路性能，I-PACE 采用了全套驾驶技术。这些包括：

◆带自适应动态系统的动态模式

◆制动控制扭矩矢量

◆自适应路面响应（AdSR）

◆主动式电子空气悬架

本文在简单介绍I-PACE电动汽车高压部件的基础上，对电力驱动系统作以详细介绍。

一、蓄电池

1.捷豹（Jaguar）I-PACE高压部件

捷豹（Jaguar）I-PACE高压部件如图1所示，包括：

◆高压（HV）蓄电池

◆蓄电池充电控制模块（BCCM）

◆高压接线盒（HVJB）

◆直流/直流（DC/DC转换器）

◆前电力驱动单元EDU（包括逆变器和电机）

◆后电力驱动单元EDU（包括逆变器和电机）

◆高压冷却液加热器（HVCH）

┃ 图1 高压部件

◆电动空调压缩机（EAC）

2.高压.（HV）蓄电池

高压（HV）蓄电池如图2所示。高压（HV）蓄电池为90kW时，为车辆提供了直流（DC）HV电源。当车辆连接至外部充电电源时，HV蓄电池存储由蓄电池充电控制模块（BCCM）供应的电能；当再生制动发生时，它将存储来自电动驱动单元（EDU）的电能。HV蓄电池的重量为602kg，由于HV蓄电池容量和总成的尺寸的原因，它内置在车辆底盘下方的车辆结构中。HV蓄电池的外部壳体由铝制成，形成了一个完全密封的部件。HV蓄电池铝结构的底侧装有3mm厚的不锈钢护板，用于防止磨损和提供碰撞保护。

┃ 图2 高压（HV）蓄电池

HV蓄电池包含432个锂离子单体电池，这些单体电池以12排的形式连接在一起。这就形成了能够存储10.8V标称电压的模块。一共有36个模块，每个模块都可以产生232Ah的电量，从而构成了8352Ah的HV蓄电池容量。HV蓄电池模块通过一系列相连的母线排连接在一起。这些模块串联连接在一起，这就形成了HV蓄电池。HV蓄电池的标称电压为388.8V。注意：如果单个单体电池发生故障，则HV蓄电池系统将会关闭以保护HV系统。

HV蓄电池壳体的外部框架中含有一个冷却液通道，该通道内置于HV蓄电池冷却回路中，带有进口和出口，二者的前端板上都配有一个温度传感器。这些传感器用于监测和报告HV蓄电池的冷却状态，它们将这些数值报告给蓄电池电量控制模块（BECM）。冷却液流量由一个12V电动泵驱动，电动泵通过来自BECM的脉宽调制（PWM）信号进行管理。

HV蓄电池接口如图3所示，高压输出端口如图4所示，HV蓄电池有三个HV输出：

┃ 图3 HV蓄电池接口

┃ 图4 蓄电池高压输出端

◆供应至后逆变器的电动驱动电路电源

◆供应至前逆变器的电动驱动电路电源

◆供应至HVJB 的辅助电源

HV蓄电池还有两个低压连接：

◆至外部HV蓄电池冷却液温度传感器的连接

◆包括通信网络和HVIL的18针低压连接

HV蓄电池壳体中含有两个包括防爆片的通风口。它们位于后部，如图5所示。它们设计为在HV蓄电池壳体内出现过压状况（比大气压力高出约20kPa）时断裂。这样可以让多余的压力以受控方式从乘客区域释放。您可以对其进行目测检查，如果发生断裂，请联系经销商技术支持。蓄电池后部安装了一个通风管，以达到压力平衡。通风管末端安装了止回阀以确保无水进入。注意：在执行揭盖维修后，可使用HV蓄电池的通风管连接对此蓄电池执行压力测试。

┃ 图5 通风管和爆裂通风口

3.HV蓄电池荷电状态

HV蓄电池的额定容量为90kWh，但是其可用容量实际为84kWh。这是因为我们无法将HV蓄电池完全充电至100%，或者将电压容量降至0，并且如果蓄电池完全放电，这也会影响到其性能和寿命。这个储备电压将会充当缓冲器来保护HV蓄电池。这些数值是在HV蓄电池管理系统中进行设置的，并且是寿命和性能之间的一种平衡。客户看到的数值以这些数值的百分比形式显示的，因此对于驾驶员来说，80%的HV蓄电池电量就显示为100%，20%则显示为0。

随着HV蓄电池接收来自外部电源的电量，其内部电阻也会增大。这是因为外部电源会快速地将离子供应到HV蓄电池中，最高到约80% 荷电状态。这将会导致电解液中“充满”了离子。蓄电池电量控制模块（BECM）将通过监测内部温度的升高和容量比率的升高来识别该状况。在将该状况通知BCCM 后，后者将会关闭充电率，这就允许离子沉淀下来。在经过规定时间后，BCCM 将会再次开始低充电率充电，以便恢复HV蓄电池的充电。从80% 升至100%所花的时间会与HV蓄电池达到80%所花的时间一样长。

HV蓄电池健康状态由BECM持续进行监测，利用诊断工具可以显示该数据。HV蓄电池的保修期为8年或160000km，将需要更换蓄电池的数值规定为HV蓄电池剩余寿命的70%。

4.单体电池平衡

蓄电池电量控制模块（BECM）将会每小时对HV蓄电池中的所有单体电池执行一次单体电池平衡和温度检查。如果系统发现某个参数超出预定限值，则也会激活单体电池平衡。单体电池平衡会将单个模块中的所有HV蓄电池单体电池的电压降至电压最低的那个单体电池的电压水平。经过多次单体电池平衡操作后，HV蓄电池的荷电状态会降低。为了避免荷电状态降低，当长时间不使用车辆时，建议每30天内至少一次通过蓄电池充电控制模块（BCCM）将车辆连接至一个外部电源。在车辆插接电源并进行充电时，如果系统发现内部温度处于功能将被削弱的程度，就会激活加热或冷却策略。

HV蓄电池内有6个单体电池监控控制器（CSC）模块，如图6所示，这些模块用于监测单个HV蓄电池模块的荷电状态、电压容量和温度。每个CSC都有由BECM直接提供的单独电源和接地，而且还具有与HV蓄电池模块的直接连接。来自BECM的电源由BECM 打开和关闭，但是从CSC至HV蓄电池模块的连接是永久性的。每排单体电池都有两个连接至CSC的电气连接，允许控制各排单体电池以实现平衡目的。平衡功能是通过利用CSC 中的一系列电阻器实现的，在工作时，这些电阻器会吸收电压并产生热量。该项监测也能够识别出在温度为0时是否有任何单体电池的电压超过4.2V或低于2V，如果发生这种情况，BECM将会请求主接触器打开，这是为了防止HV蓄电池损坏。CSC模块通过HS CAN电源模式0网络连接在一起。

每排单体电池还有两个温度传感器，这些传感器用于监测模块的内部环境。如果发现任何单体电池的温度超过62℃，系统会向BECM 发送指令以请求主接触器打开。该数值低于可能发生损坏的临界水平。每个CSC模块都连接至六个蓄电池模块，这些蓄电池模块反过来又通过HS CAN连接至其他CSC 模块。发送至BECM的此数据用于HV蓄电池的内部监测和通过高速电源模式0（PMZ）HS CAN 进行的DTC记录。这就允许监测HV蓄电池内部温度和来自模块内的每个单体电池的HV蓄电池单体电池电压。

综上，BECM 接收来自位于EV蓄电池内的6个蓄电池单元监控电路（CSC）模块的EV蓄电池模块数据。每个CSC模块连接至6个EV蓄电池模块。 EV蓄电池模块提供来自2个温度传感器的数据和EV蓄电池单元电压。来自6个CSC模块的EV蓄电池模块数据通过专用控制器局域网（CAN）总线发送至 BECM。

5.蓄电池电量模块（BEM）

蓄电池电量模块（BEM）是容纳HV蓄电池管理系统的工作部件的主壳体。这其中包括蓄电池电量控制模块（BECM），该模块容纳了主要HV接触器和保险丝以保护HV蓄电池电路。如图7所示，BEM 位于后排乘客座椅底座下方，带有一个盖板。BEM中保险丝、接触器等部件是可维修部件，如图8所示。蓄电池接触器框图如图9所示。BEM内的主要部件包括：

◆ 驱动电路保险丝（2个，规格为450A）

┃ 图6 单体电池监控控制器（CSC）拓扑图

┃ 图7 蓄电池电量模块（BEM）

┃ 图8 BEM可维修部件

┃ 图9 蓄电池接触器

◆ 辅助电路保险丝（规格为315A）

◆ 主正极接触器、主负极接触器和主正极辅助接触器

◆ 预充电电路板

◆ 2个电流传感器

6.蓄电池电量控制模块（BECM）

蓄电池电量控制模块（BECM）是电动车（EV）蓄电池的组成部分。如图10所示，蓄电池电量控制模块（BECM）位于BEM 模块的下部，安装在BEM安装板上。BECM监控以下内容：

◆ EV 蓄电池模块蓄电池单元的电压

◆ 内部 EV 蓄电池模块的温度

┃ 图10 蓄电池电量控制模块（BECM）

◆ 高压（HV）互锁回路

◆ 蓄电池电量模块（BEM）中不同点的高压直流（DC）电压

◆ BEM 中的 HVDC BEM 电流传感器

◆ 冷却液进口和出口连接中的EV 蓄电池冷却液温度传感器

BECM 控制以下 EV 蓄电池温度控制部件：

◆ EV 蓄电池冷却液泵

◆EV 蓄电池换向阀

BECM还控制BEM中的接触器，在高压互锁回路受损或取下维修断开装置（SDU）钥匙时隔离EV蓄电池。BECM通过高速（HS）控制器局域网（CAN）电源模式 0 系统总线与高压（HV）系统和其他车辆系统进行通信。如果与BECM之间的通信中断，则主接触器将被强制打开。即使车辆在负载下行驶时，这种情况也可能会出现，因为HV蓄电池的状态必须始终得到监测。此时，车辆将仍然在控制之下，因为转向和制动系统由12V辅助蓄电池备用电源提供支持。

7.高压安全系统（高压互锁回路）

高压互锁回路（HVIL）是一个安全系统，用于防止HV电缆在断开时带电。HVIL 监测HV接头与其对应的部件之间的完好性。HVIL 由BECM进行监测，与之相关的DTC将会记录在该模块中。每个HVIL 电路都由一个12V10ms电源和一个电流感应电阻器组成。BECM 监测流过电阻器的电流以检测是否存在断路或对接地或12V电源短路。HVIL 电路电缆并不沿着HV电缆的长度布设，每个HV接头中都有一个回路连接，这就使得电路回路变得完整。如果部件发生意外损坏或意外断开，则这将防止断开的HV接头中存在高压。高压互锁回路连接到以下部件的高压直流（DC）接头：

（1）EV 蓄电池

◆ EV 蓄电池左前方的HVDC 接头（至前电力变频转换器EPIC）

◆ EV 蓄电池右前方的HVDC 接头（至高压接线盒 HVJB）

◆ EV 蓄电池后部蓄电池电量模块（BEM）上部的HVDC 接头（至EPIC）

（2）通过接线线束连接以下部件外部高压互锁回路

◆ 电动空调（A/C）压缩机

◆ HV内部加热器

◆ 直流/直流（DC/DC）转换器

◆ 有线车载充电模块

HVIL 电路的起点和终点都在BECM处，HVIL电路经过的HV部件如图11所示。由图可知，共有3支HVIL 电路，分别是：

（1）HVIL A

◆HV蓄电池处的后逆变器电源连接

（2）HVIL B

◆ BCCM

◆HV蓄电池处的前逆变器电源连接

◆直流/直流转换器

◆ EAC 压缩机

◆ HVJB

◆ HVCH

（3）HVIL C

◆维修断开装置（SDU）

从前后逆变器至EDU 的三相连接并未包含在HVIL 电路中。这些连接由逆变器及其相关的每个EDU以数字方式进行监测，每个EDU 还会通过FlexRay 网络向PCM 发送此状态。

┃ 图11 高压互锁回路HVIL

如果在车辆静止不动时检测到HVIL 故障，则HV接触器将被打开，HV电路将被放电。如果在驾驶员尝试起步时检测到HVIL 故障，则HV蓄电池HV接触器将被闭合，车辆可以行驶。这是因为驾驶员处于车内，接触到暴露的HV电路的风险极小。在HVIL 中识别为断路的HV部件将不工作，尽管只要HV连接存在，功能就不会得到削弱，但是将会记录DTC。如果在车辆行驶时出现故障，则车辆将会继续行驶，直至车辆停止，然后根据故障的位置，将会出现安全响应。这将导致功能下降，具体取决于发生故障的位置处的部件。如果在充电时发生HVIL 故障，则充电将被停止。作为HVIL 测试功能的组成部分，HVIL 电路将会受到持续监测。

8.断路监测

与HVIL 测试相关的是一项称为断路监测的系统检查。该检查用于在向系统施加全部HV之前测试HV电路。该检查通过防止将全部HV施加给断开的电路来确保系统的安全操作。该检查会将来自HV电路末端的每个部件的电压读数与在蓄电池接头上测得的电压进行比较。如果电路上没有电压，则所有电压都将为0，因此您将无法检测到是否存在断路或是否电压刚好均为0。为了能够在向电路施加HV之前检测到是否断路，HV蓄电池输出一个23V的测试电压。注意：这是一个高得足以检测到实际断路的电压，但是低于50V危险电压临界值，因此如果存在断路，则不会带来危险。HV电路的测试区域包括：

◆主HV蓄电池电压

◆主逆变器输出电压

◆主辅助输出电压

◆维修断开装置，包括保险丝状态

◆熔断的前逆变器保险丝的识别

◆熔断的后逆变器保险丝的识别

◆熔断的辅助逆变器保险丝的识别

◆电压交叉检查，旨在识别粘连的接触器

断路测试如图12、表1所示。表1是断路测试逻辑表，它显示了BECM在BEM 模块中的哪个电路位置获取测量值。该逻辑表用于部件监测，包括HV接触器和保险丝。

9.HV电路绝缘监测

┃ 图12 断路测试示意图

表1 断路测试说明

BECM 的HV接触器元件中包含自诊断功能。该功能利用HV蓄电池电压本身监测HV电路与车辆底盘之间的电阻。这称为绝缘测试。如果电阻降至225kΩ以下，则表示检测到故障。该功能最多花费10s即可检测到故障。单纯失去绝缘性能不会产生电击的风险。失去绝缘意味着其中一个HV端子有效连接至车辆底盘，如果其他端子也暴露出来（失去绝缘），则会存在电击风险。如果在车辆静止不动时发现这种情况，则HV电路将被关闭，驾驶员将会看到一条警告，同时BECM 中会记录一个DTC。如果在车辆行驶时发生绝缘故障，则车辆将会继续行驶，同时驾驶员会看到一条警告。绝缘测试将会持续进行以确保HV电路的安全。注意：如果接收到来自约束控制模块（RCM）的碰撞信号，则在5s内将会停止绝缘测试电压，测试电压将会消失。

10.HV接触器控制

蓄电池电量控制模块（BECM）负责执行HV电路的电压预充电。为此，它将会向HV电路施加受控的电量，从而在闭合主正极接触器之前，将HV电路电压升至与HV蓄电池电压相差的6V之内，这有助于防止HV接触器受到高浪涌电流的影响。此程序将确保降低HV接触器的接触器表面处受到损坏的风险。该流程由BECM 的内部软件进行完全管理，并且没有直接诊断连接。BECM 将会记录在此电路中识别的故障。

在向电路施加预充电电压之前，系统将会执行自检，它通过监测电压增长时间来完成此操作。如果在200ms内未发生此操作，则预充电接触器闭合序列将被中止，此时需要执行全面的BECM 断电。HV接触器的工作序列如下：

◆主负极接触器闭合

◆预充电接触器闭合，并通过电阻器组和BECM 使电路接通

◆执行电路自检以检查保险丝和HV接线电路的完整性

◆如果自检通过，则主正极接触器闭合；如果未通过，则它将会记录一个DTC，并在规定时间内继续执行自检程序

┃ 图13 维修断开装置（SDU）

◆预充电接触器打开，留下主接触器闭合，将HV蓄电池组最高电压和电流传输至HV部件系统

11.BECM故障反应策略

BECM 将HV蓄电池温度告知供暖、通风和空调模块，以便根据需要启用HV蓄电池回路的冷却或加热。如果系统检测到HV蓄电池内部温度超出正常工作温度范围，则它可能会限制输送或供应给HV电路的电量。HV蓄电池的温度控制对于确保最佳性能至关重要，该温度由BECM 进行控制。当车辆行驶时，以及当车辆通过BCCM和充电插座连接至外部电源时，温度调节都会工作。如果单体电池温度之间的差异超过15℃，则HV蓄电池温度控制也将被激活。与监测部分配合，BECM 也可以限制可用功率。它将会利用一系列策略来完成此任务，这些策略根据状况的严重程度而有所不同。降低功率的请求通过PCM发送至HV部件。如果导致功率受限的状况已得到解决，则该策略将会恢复正常操作。在降低功率无效的紧急情况下，BECM 将请求发出CAT6 警告。在打开HV接触器前，系统将会向车辆提供2.5s的警告。这就允许HV电路释放电路中存在的电压。这种情况将会要求车辆完成关闭。如果BECM收到碰撞信号，则系统将会发出CAT7警告。这将会产生立即打开HV接触器的即刻请求。BECM 故障反应策略如下：

CAT3：向驾驶员显示维修信息，具备自我清除功能。

CAT4：在未向驾驶员发送警告消息的情况下降低额定功率，具备自我清除功能。

CAT5：意外断电，HV接触器保持打开10s，同时执行HV主动放电，具备延时自我清除功能。

CAT6：所有HV接触器将会在2.5s延时后打开，需要关闭系统才能清除警告。

CAT7：立即打开HV接触器，需要关闭系统才能清除警告。

11.维修断开装置（SDU）

维修断开装置（SDU）如图13所示，SDU位于电动车（EV）蓄电池的后顶部，左侧后排乘客座椅下方。通过第二排座椅坐垫下方的可拆卸盖板，可以接触到 SDU 钥匙。SDU可直接断开蓄电池正极线路处的正极电路。当车辆处于带电状态时，除非紧急情况需要拆卸该部件，否则严禁拆卸该部件。将SDU 钥匙转动90°并向上抬起，即可取下该钥匙。作为HV断电程序的组成部分，在该程序期间需要断开SDU。必须始终遵循正确的程序。请参考维修手册以了解相应的程序。

（待续）