北汽E150EV电动汽车动力电池系统的结构与检修

◆文/山东 刘春晖

一、动力电池系统的功能与组成

1.总体功能

动力电池系统的功能为接收和储存由车载充电机、发电机、制动能量回收装置和外置充电装置提供的高压直流电，并且为驱动电机控制器、DC/DC、电动空调、PTC等高压元件提供高压直流电。

2.组成

北汽E150EV电动汽车采用锂离子动力电池系统，其动力电池系统主要由动力电池模组、电池管理系统、动力电池箱及辅助元器件等4部分组成，如图1所示。

图1 北汽E150EV电动汽车动力电池系统的组成

(1)动力电池模组

①电池单体：构成动力电池模块的最小单元。一般由正极、负极、电解质及外壳等构成。可实现电能与化学能之间的直接转换。

②电池模块：一组并联的电池单体的组合。该组合额定电压与电池单体的额定电压相等，是电池单体在物理结构和电路上连接起来的最小分组，可作为一个单元替换。

③模组：由多个电池模块或单体电芯串联组成的一个组合体。

(2)电池管理系统(BMS)

①BMS的组成：按性质可分为硬件和软件，按功能分为数据采集单元和控制单元。

②BMS的硬件：主要是指主板、从板及高压盒，还包括采集电压线、电流、温度等数据的电子器件。

③BMS的软件：监测电池的电压、电流、SOC值(剩余电量)、绝缘电阻值、温度值，通过与VCU(整车控制器)、充电机的通信，来控制动力电池系统的充、放电。

④BMS的作用：电池保护和管理的核心部件，在动力电池系统中，它的作用就相当于人的大脑。它不仅要保证电池安全可靠地使用，而且要充分发挥电池的能力和延长其使用寿命，作为电池和VCU及驾驶者沟通的桥梁，通过控制接触器控制动力电池组的充、放电，并向VCU上报动力电池系统的基本参数及故障信息。

BMS通过电压、电流及温度检测等功能实现对动力电池系统的过压、欠压、过流、过高温和过低温保护、继电器控制、SOC估算、充放电管理、均衡控制、故障报警及处理、与其他控制器通信等功能；此外BMS还具有高压回路绝缘检测功能，以及为动力电池系统加热的功能。

(3)动力电池箱

图2所示为动力电池箱的实物图。

图2 动力电池箱

①动力电池箱的组成：支撑、固定、包围电池系统的组件，主要包含上盖和下托盘，还有辅助元器件，如过渡件、护板、螺栓等，动力电池箱有承载及保护动力电池组及电气元件的作用。

②技术要求：电池箱体用螺栓连接在车身地板下方，其防护等级为IP67，螺栓拧紧力矩为80～100N·m。整车维护时需观察电池箱体螺栓是否有松动，电池箱体是否有破损严重变形，密封法兰是否完整，确保动力电池可以正常工作。

③外观要求：电池箱体外表面颜色要求为银灰或黑色，亚光；电池箱体表面不得有划痕、尖角、毛刺、焊缝及残余油迹等外观缺陷，焊接处必须打磨圆滑。

(4)辅助元器件

辅助元器件主要包括动力电池系统内部的电子电器元件，如熔断器、继电器、分流器、接插件、紧急开关、烟雾传感器等，还包括维修开关以及电子电器元件以外的辅助元器件，如密封条、绝缘材料等。

二、C30DB动力电池系统

1.工作原理

动力电池模组放置在一个密封并且屏蔽的动力电池箱里面，动力电池系统使用可靠的高低压接插件与整车进行连接。系统内的BMS实时采集各电芯的电压值、各温度传感器的温度值、电池系统的总电压值和总电流值、电池系统的绝缘电阻值等数据，并根据BMS中设定的阀值判定电池系统工作是否正常，也对故障实时监控。动力电池系统通过BMS使CAN(控制器局域网络)与VCU或充电机之间进行通信，对动力电池系统进行充、放电等综合管理。

2.C30DB动力电池系统的充电

C30DB动力电池系统充电分为快充、慢充和制动能量回收三种方式。

(1)动力电池慢充状态说明

①充电时采用慢充(即车载充电)方式为宜。

②电芯的温度在0～55℃之间，才可以充电，当有温度点高于55℃或低于0℃时，BMS将自动切断充电回路，此时将无法充电。

③充电前检测箱体内部温度，若有低于0℃的温度点，启动加热模式，闭合加热片，进行加热内循环；待所有电芯温度点高于5℃，停止加热，启动充电程序；过程中出现加热片温度差高于20℃，则间歇停止加热；待加热片温度差低于15℃，则重启加热片。

④加热过程中，正常情况下充电桩电流显示为4～6A。

⑤充电过程中，充电桩电流显示为12～13A。

⑥如果单体压差大于300mV，则停止充电，报充电故障。

(2)动力电池能量回收状态说明

可接受最大回馈电压要求：动力电池可以承受由电机产生的最大365V的感应电动势；可接受回馈电流SOC范围要求：动力电池可以接受回馈电流的SOC范围为0～90%。

三、系统工作原理

高压系统工作原理如图3所示，低压系统工作原理如图4所示，绝缘监测回路工作原理如图5所示。动力电池系统的绝缘值分为两个：正极与外壳的绝缘值、负极与外壳的绝缘值。

图3 高压系统工作原理

图4 低压系统工作原理

图5 绝缘监测回路工作原理

测量方法为：在接触器断开的条件下，采用摇表测量正对地绝缘阻值及负对地绝缘阻值。判定标准：正对地绝缘阻值及负对地绝缘阻值均大于等于20MΩ为合格，小于20MΩ为不合格。

四、动力电池系统的使用条件

车辆行驶过程中，随着电量的消耗，SOC表上指针指示的数值会逐渐减小。当SOC减小到15%时，SOC表上的电量不足指示灯会点亮。应尽快对电池包进行充电。此时动力电池系统的能量即将耗尽。

当动力电池系统的SOC小于10%后，不要猛踩加速踏板，因为VCU已经降功率使用，准备进入跛行模式(限速9km/h)。在动力电池系统电量耗尽以后，要及时对电池包进行充电。动力电池系统属于化学电源，由于其自身能量转换时对温度的敏感，在电池包内部安装了加热单元。在温度较低的冬天，对电池包进行充电时，加热单元会首先启动对动力电池系统进行加热。当温度达到适用于充电的温度后，BMS会自动启动动力电池系统的充电程序。

如果动力电池系统的加热单元损坏，应及时进行维修。因为在低温条件下不加热，电池箱体内部达不到适应充电的温度，BMS不会启动程序，动力电池系统将不能进行正常充电。在搁置动力电池系统时，确保动力电池系统处于半电状态SOC(50%～60%)。动力电池系统在搁置过程中会发生自放电现象，每个月的电量都会降低4%左右。所以搁置时间过长时，动力电池系统的开路电压会降低到放电终止电压以下，此时BMS会进行报警。动力电池系统若长期处于低压状态，其使用寿命会受到影响。搁置动力电池系统的时间不要太长，最多不要超过3个月，搁置环境温度应该在-20～50℃范围之内，搁置过程中应该确保动力电池系统不被曝晒，也不会被雨水浇淋。

五、动力电池系统故障显示

1.动力电池系统的故障分级

三级故障：表明动力电池性能下降，电池管理系统降低最大允许充/放电电流。

二级故障：表明动力电池在此状态下功能已经丧失，请求其他控制器停止充电或者放电；其他控制器应在一定的延时时间内响应动力电池停止充电或放电请求。

一级故障：表明动力电池在此状态下功能已经丧失，请求其他控制器立即(1s内)停止充电或放电。如果其他控制器在指定时间内未作出响应，电池管理系统将在2s后主动停止充电或放电(即断开高压继电器)。

注意：其他控制器响应动力电池二级故障的延时时间建议少于60s，否则会引发动力电池上报一级故障。

2.故障显示

电池故障在仪表上会有显示。关于动力电池的故障，仪表上只显示动力电池故障、动力电池绝缘故障及动力电池系统断开3种故障信息。在仪表上显示的故障指示灯及含义见表1。

3.注意事项

①纯电动汽车故障灯大多数都是与普通汽车故障灯一样的。

②纯电动汽车故障灯也是分为指示灯、警告灯、指示/警告灯3类。

③纯电动汽车故障灯同样用颜色代表故障程度：红色=危险/重要提醒；黄色=警告/故障；绿色/蓝色/白色=指示/确认启用。

表1 仪表上显示的故障指示灯及含义