宝马纯电动BMW i3 I01高压蓄电池技术解析(三)

◆文/吉林 李伟

(接上期)

2.电池模块

高电压蓄电池单元由八个串联连接的电池模块构成。每个电池模块都分配有一个电池监控电子装置。电池模块自身由十二个串联连接的电池构成。每个电池的额定电压为3.75V，额定电容量为60AH，电池模块额定电压为45V。电池模块的顺序是固定的，在背面从高电压插头开始，如图17所示。

图17 高压电池模块

为确保I01高压蓄电池所用锂离子电池正常运行，必须遵守特定边界条件：电池电压和电池温度不允许低于或高于特定数值，否则可能导致电池持续损坏。因此高电压蓄电池单元内带有八个研发名称为电池监控电路CSC的电池监控电子装置。在I01高电压蓄电池单元内，每个电池模块都有一个电池监控电子装置，控制电路如图18所示。

图18 电池监控电子装置控制电路

电池监控电子装置执行任务如下。

①测量和监控每个电池的电压；

②测量和监控电池模块多处的温度；

③将测量参数传输至 SME 控制单元；

④执行电池电压补偿过程。

在此以较高扫描率(每20ms测量一次)测量电池电压。通过测量电压可以识别充电过程或放电过程是否结束。温度传感器安装在电池模块上，根据其测量值可确定各电池的温度。借助电池温度可以识别是否过载或有电气故障。出现以上一种情况时必须立即降低电流强度或完全关闭高电压系统，以免电池进一步损坏。此外，测量温度还用于控制冷却系统，从而确保电池始终在最有利于自身功率和使用寿的温度范围内运行。由于电池温度是一个重要参数，因此每个电池模块装有四个NTC温度传感器，其中两个是另外两个的冗余装置。

电池监控电子装置通过局域CAN 1传输其测量值。该局域CAN 1使所有电池监控电子装置相互连接并与SME控制单元相连。在SME控制单元内对测量值进行分析并根据需要做出相应反应(例如控制冷却系统)。

两个局域CAN 1和2的传输速度为500kBit/s。与采用相同传输速度的CAN总线一样，总线导线采用绞线形式。此外，两个局域CAN端部采用终端形式。用于局域CAN 1两端分别120Ω的终端电阻位于SME控制单元内。用于局域 CAN 2两端分别120Ω的终端电阻位于SME 控制单元内和S盒控制单元内，控制电路如图19所示。

图19 高电压蓄电池单元局域CAN电路原理图

在故障查询期间测量局域CAN上的电阻时，在所有总线设备已连接且终端正常的情况下会得到大约60Ω的数值。

如果一个或多个电池的电压明显低于所有其他电池，高电压蓄电池的可用能量含量就会因此受限。因此放电时由“最弱”电池决定何时停止释放能量：最弱电池的电压降至放电限值时，即使其他电池还存有充足能量也必须结束放电过程。如果仍继续放电，最弱电池损坏会被损坏，因此高压蓄电池通过“电池对称”的功能将电池电压调节至相同水平。

在“电池对称”过程中，SME控制单元会将所有电池电压进行比较，并对电压明显高于其余的电池进行有针对性地放电，这时SME控制单元会通过局域CAN 1将请求发送至监控电子装置，然后启动放电过程。此外，每个电池监控电子装置都带有一个欧姆电阻，相应电子触点闭合后放电电流就会流过该电阻。电池监控电子装置负责执行启动放电过程，期间如果主控制单元切换为休眠模式，该电子装置会通过与总线端30F直接相连的蓄能器管理电子装置为CSC控制单元供电继续执行此过程。当所有电池的电压较低时，放电过程会自动结束，“电池对称”过程继续进行，直至所有电池达到相同电压水平，电路原理图及电池电压平衡如图20所示。

图20 电路原理图及电池电压平衡

平衡电池电压的过程会造成损失，但损失的电能非常小(＜0.1% SoC)，但它的优势在于可使续航里程和高电压蓄电池使用寿命最大化，因此总体而言平衡电池电压非常有利而且十分必要。当然只有车辆静止时才会执行该过程。

平衡电池电压的满足条件如下。

①总线端15关闭且车辆或车载网络处于休眠状态，且高电压系统已关闭；

②电池电压或各电池SoC的偏差大于相应限值，高电压蓄电池的总SoC大于相应限值。

当上述条件得到满足时就会完全自动进行电池电压平衡，因此客户既看不到检查控制信息，也无需为此进行特殊操作，即使更换电池模块后，SME控制单元也会自动识别出电池电压平衡需求。如果电池电压的偏差过大或电池电压平衡没有顺利进行，SME控制单元会生成一个故障代码存储器记录,以便提醒客户注意这种车辆状态。

3.安全盒(S盒)

每个高电压单元内都有带独立壳体的接口单元，该单元称为开关盒或简称为S盒，由于它位于高电压蓄电池单元内部，因此只允许由具有“BMW I扩展型蓄电池服务”或“BMW I全方位服务”服务形式的经销商对其进行更换。

安全盒内集成了以下组件：蓄电池负极电流路径内的电流传感器；蓄电池正极电流路径内的保险丝；两个电动机械式接触器(每个电流路径一个开关触点)；用于缓慢启动高电压系统的预充电电路；用于监控开关触点、测量蓄电池总电压和监控绝缘电阻的电压传感器。

在带有选装配置SA494驾驶员和前乘客座椅加热装置的车辆上，高电压蓄电池单元还带有一个电气加热装置。安全盒内带有加热装置微控制器和供电电子装置，其中的微控制器通过一个局域CAN 2与SME控制单元相连，接收控制请求和相关运行功率要求。随后微控制器通过Power MOSFET接通和关闭加热装置，通过进行脉冲宽度调制调节所需加热功率。加热装置所需能量来自于高电压车载网络，如果从高电压蓄电池自身获取所需能量，续航里程就会明显降低，因此只有与外部电网连接进行充电时才会对高电压蓄电池进行加热。

4.拆卸电池模块

(1)打印诊断系统位置图

拆卸电池模块或电池监控电子装置前必须打印诊断系统位置图，遵守安全规定并断开电池模块4与壳体上所固定导线之间的高电压导线，按照位置图用防水销(EDDING)对所有电池模块和电池监控电子装置(CSC)进行编号，然后松开相关电池模块上的螺栓并取下隔板。另外，有必要大范围的松开CSC环形导线束，必要时可以使用鱼骨进行辅助，但切勿使用带有尖锐棱边的物体。

(2)抬出电池模块

拔下相关电池模块的高电压插头并稍稍弯向一侧，确保能够非常顺畅地抬出电池模块，然后用磁套筒头松开电池模块的螺母，然后小心抬出电池模块及电池监控电子装置，此时要注意保证电池模块之间的高电压导线可以顺畅通过，可以将电池模块底部向下以防滑防倒方式放在一个洁净平面上，如图21所示。

5.安装电池模块

(1)前期准备工作

安装新电池模块前必须使新电池模块的充电状态达到之前读取的剩余电池模块水平，高压蓄电池位置如图22所示。更换所有电池模块时，可将一个电池模块的电压作为所有其他电池模块的额定充电电压，从而确保充电时间最小化(通过充电器读取)。

将已拆卸电池模块的电池监控电子装置(CSC)安装到新电池模块上，然后用酒精、风挡玻璃清洗液、玻璃清洗液、蒸馏水等清洁剂清洁冷却通道部分和下部电池模块，存在粗杂质时，可以用带塑料盖的普通吸尘器进行清洁。最后，将导热剂涂覆于露出的冷却通道部分，把新电池模块的序列号记录在位置图上，稍后将其输入至诊断系统内。

(2)安装电池模块

使用专用工具小心抬起电池模块及电池监控电子装置，在此要注意相邻部件，尤其是高电压导线；然后用磁套筒头安装电池模块的螺母并按规定力矩拧紧，并把CSC导线束的插头与电池监控电子装置连接在一起；接着安装并固定拆下的隔板，注意插上相关电池模块的高电压插头。最后，连接电池模块4与壳体上所固定导线之间的高电压导线。

注意将新电池模块的序列号及其在高电压蓄电池单元内的安装位置记录在从诊断系统中打印的单子上，诊断系统ISTA内有一项服务功能用于高电压蓄电池单元试运行，执行过程中必须将新电池模块的序列号输入蓄能器管理电子装置内。

图21 用于抬出电池模块的专用工具

图22 高压蓄电池位置