2020 款宝马iX3 纯电动汽车高电压系统解析（一）

常州交通技师学院 施锌涛

2020款宝马iX3纯电动汽车（图1）采用宝马第5.0代高电压系统，高压蓄电池（SE16）的额定电压约为345 V，重量为518 kg，可储存的能量为80 kWh，峰值功率为210 kW，峰值转矩为400 N•m，最高车速为180 km/h。根据WLTP（全球统一的轻型车排放测试规程）测试循环，该车续航里程约为460 km。下面笔者跟大家一起来了解该车的高电压系统。

图1 2020款宝马iX3纯电动汽车外观

1 高电压系统的组成

如图2所示，2020款宝马iX3纯电动汽车高电压系统主要由高压蓄电池（SE16）、电气化驱动单元（EAE）、联合充电单元（CCU）、直流（DC）充电接口、交流（AC）充电接口、电动空调压缩机（EKK）、用于高压蓄电池单元的电加热装置及用于车内空间的电子暖风装置等组件组成。高电压系统的电路布局如图3所示。

图2 2020款宝马iX3纯电动汽车高电压系统的组成

图3 2020款宝马iX3纯电动汽车高电压系统的电路布局

2 高压组件的功能

2.1 高压蓄电池（SE16）

SE16为高压蓄电池的开发序列代号，第1位“S”代表电能储存系统（Electrical Energy Storage System），第2位“E”表示纯电动汽车（“H”表示混合动力汽车，“P”表示插电式混合动力汽车）；后2位为高压蓄电池的研发编号。如2020款宝马X5 xDrive45e插电式混合动力汽车（PHEV）采用的高压蓄电池的开发序列代号为SP44。

高压蓄电池（SE16）总重量为518 kg，包含188块锂离子单格电池，额定电压约为345 V，允许电压范围为263.8 V~ 394.8 V，容量为232 Ah，可储存的能量为80 kWh。

采用扁平式结构的高压蓄电池（SE16）大面积地安装在前桥与后桥之间的底板上。如图4所示，高压蓄电池（SE16）组件由带有单格电池的电池单元模块、电池监控电子设备（CSC）、存储器电子管理系统（SME）、带有热交换器和冷却液管的调温系统、电缆束、高压导线、接口（电气系统和冷却液）、排气单元及外壳和紧固件等部分组成。

图4 高压蓄电池（SE16）的结构

2.1.1 电池单元模块

电池单元模块是将多个单格电池组合成一个单元。单格电池的额定电压为3.67 V，由宁德时代公司生产。如图5所示，电池单元模块的组成部分还包括单格电池触点系统、单格电池触点系统饰盖、连接元件及热交换器等。电池单元模块不允许进行拆解，如果损坏，必须整个更换。

图5 电池单元模块的组成

如图6所示，电池单元模块中的单格电池成对且相互呈180°夹角布置，这样使正极和负极成对交替贴靠在一起，然后通过单格电池触点系统将正极和负极相互连接，从而形成由2个并联单格电池组成的串联电路。

图6 11s2p电池单元模块的单格电池接线

如图7所示，高压蓄电池（SE16）共由10个串联的电池单元模块组成，其中2个11s2p电池单元模块和8个9s2p电池单元模块，各电池单元模块按编号顺序串联。11s2p和9s2p提示的是电池单元模块中单格电池的接线方式，其中“s”为series（串联）的缩写，“p”为parallel（并联）的缩写。11s2p表示11个单格电池串联的同时每2个单格电池并联在一起（称为“双电池单元模块”），11s2p电池单元模块共安装了22个单格电池；同理，9s2p表示9个单格电池串联的同时每2个单格电池并联在一起，9s2p电池单元模块共安装了18个单格电池。因此，高压蓄电池（SE16）共由188（2×22+8×18=188）个单格电池组成。

图7 电池单元模块的布局及接线方式

单格电池串联可以增加电池单元模块的电压，并联可以增加电池单元模块的容量。单格电池的额定电压为3.67 V，容量为116 Ah，因此9s2p电池单元模块的额定电压为33.03 V（3.67 V×9=33.03 V），11s2p电池单元模块的额定电压为40.37 V（3.67 V×11=40.37 V），容量均为232 Ah（116 Ah×2=232 Ah），高压蓄电池（SE16）的额定电压约为345 V（33.03 V×8+40.37 V×2=344.98 V≈345 V）。

无论是11s2p电池单元模块还是9s2p电池单元模块，每个电池单元模块都拥有2个用来确定单格电池温度的温度传感器（负温度系数电阻）。虽然只有2种电池单元模块，但基于热交换器不同的连接位置，电池单元模块有4个不同的零件号码。

2.1.2 电池监控电子设备（CSC）

电池监控电子设备（CSC，图8）安装在11s2p电池单元模块1上方的支架上。如图9所示，电池监控电子设备（CSC）负责测量和监控双电池单元模块（2个并联的单格电池）的电压和温度，然后数据通过CSC-CAN通信传输至存储器电子管理系统（SME），由存储器电子管理系统（SME）执行单格电池电压的调整，即所谓的“电池电量均衡”。

图8 电池监控电子设备（CSC）

图9 电池监控电子设备（CSC）电路

为了确保高压蓄电池（SE16）中使用的锂离子单格电池正常运行，必须满足特定的边界条件。单格电池电压和温度不允许低于或高于特定的数值，否则单格电池可能会受到永久性的损坏。通过单格电池的温度可以识别过载或电气故障，在这种情况下，会立即减小电流强度或在必要的情况下完全关闭高电压系统，以避免单格电池进一步受损。除此以外，测得的温度还被用于控制调温系统，以使单格电池始终在允许温度范围内运行，从而确保其性能和使用寿命。

在理论的理想情况下，串联的所有单格电池始终具有相同的电压，所有单格电池在充电时始终会同时达到充电终止电压，或者在放电时达到放电终止电压。这样一来，就可以理想地利用每一块单格电池的能量。然而，实际上单格电池具有各自的电压，它和其他单格电池之间会存在差别（即使是最微小的差别），电压最高的单格电池决定充电结束点，电压最低的单格电池决定放电结束点，单格电池之间的电压差决定了不可利用的电量。随着时间的推移，如果不执行电池电量均衡，则单格电池之间的电压差会扩大。

2个单格电池并联为1个双电池单元模块，因此只能测量这对单格电池的电压。也就是说，对于一个永久性的并联电路，不能测定每个单格电池的电压。这样一来，同样也只能够针对双电池单元模块开展电池电量均衡。在电池电量均衡时，首先会测量所有双电池单元模块的电压，并且由存储器电子管理系统（SME）进行相互比较。如果所有双电池单元模块相互之间的电压差高于8 mV，则会由存储器电子管理系统（SME）启动电池电量均衡过程。1个双电池单元模块的最低单格电池电压决定了电池电量均衡的目标值，所有比其他双电池单元模块电压更高的双电池单元模块会在此过程中进行针对性的放电。

如图10所示，电池监控电子设备（CSC）通过放电电阻对每个双电池单元模块进行放电，直至达到规定的电压。一旦配套的触点闭合，放电电流就会流过放电电阻。在启动放电过程后，即使期间主控制单元切换至休眠模式，电池监控电子设备（CSC）仍然会负责放电过程的执行或延续。为此，电池监控电子设备（CSC）会从存储器电子管理系统（SME）获得供电，而存储器电子管理系统（SME）则直接由总线端30供电。如果1个双电池单元模块的电压水平达到了目标电压，则放电过程自动结束。电池电量均衡会一直持续，直至所有双电池单元模块达到相同的电压水平为止。

图10 电池电量均衡过程

对于双电池单元模块电压的调整，具体的条件如下。

（1）车辆处于休眠状态。

（2）高电压系统已关闭（没有激活的充电过程）。

（3）双电池单元模块之间的电压偏差超过8 mV。

（4）高压蓄电池（SE16）的电量高于一个给定的最小阈值。

如果双电池单元模块电压的偏差过大，或者双电池单元模块电压的调整未成功进行，则会在存储器电子管理系统（SME）中生成相应的故障记录。

2.1.3 存储器电子管理系统（SME）

存储器电子管理系统（SME）上的接口如图11所示，它具有以下功能。

图11 存储器电子管理系统（SME）上的接口

（1）在联合充电单元（CCU）发出请求的情况下，控制高电压系统的启动和关闭。

（2）分析所有单格电池的电压、温度及高电压电路中的电流强度。

（3）为高压蓄电池（SE16）控制调温系统。

（4）确定高压蓄电池（SE16）的电量（State of Charge，SoC）和老化状态（State of Health，SoH）。

（5）确定高压蓄电池（SE16）的可用功率，并且在必要时向联合充电单元（CCU）发出限制请求。

（5）安全监测，例如电压和温度监控、绝缘监控及高压安全插头的状态识别等。

（6）识别故障状态，保存故障记录，并且将故障状态传输至联合充电单元（CCU）。

存储器电子管理系统（SME）的故障存储器中不仅能够记录控制单元故障，而且也会提示高压蓄电池（SE16）中其他组件的故障。故障记录分为不同的类别，具体取决于其严重程度。

（1）如果与存储器电子管理系统（SME）或电池监控电子设备（CSC）之间的通信短暂受到干扰，这并不意味着高电压系统的任何功能性限制或其安全受到威胁。此时只会生成相应的故障记录，可以借助诊断系统加以分析，不会出现任何检查控制信息。

（2）如果高压蓄电池（SE16）不能提供全部功率或全部电量，则为了保护组件，会对驱动功率和续航里程加以限制。在这种情况下，驾驶人可以在驱动功率显著减小的情况下继续行驶一小段路程。

（3）如果高电压系统的安全由于故障受到影响，或者故障可能会导致高压蓄电池单（SE16）损坏，则会立即关闭高电压系统，并且电磁接触器的触点会断开。

如图12所示，存储器电子管理系统（SME）中集成有高压负极导线中的电流和电压传感器、高压负极导线中的熔丝（150 A）、用于高电压系统的3个主电磁接触器（主电磁接触器HV+、主电磁接触器HV-和预充电电磁接触器）及预充电电阻、用于直流充电高压接口的2个电磁接触器（直流充电电磁接触器HV+和直流充电电磁接触器HV-）、用于接触器位置监控和总电压测量的电压传感器；用于监控接触器温度的2个温度传感器（直流充电电磁接触器的温度传感器和主电磁接触器的温度传感器）、用于绝缘监控的监测电路、高压负极导线中的燃爆式安全开关PSS1和PSS4。

图12 存储器电子管理系统（SME）内部电路

存储器电子管理系统（SME）连接到3个CAN总线上，分别为与电池监控电子设备（CSC）进行通信的SCSCAN 总线、内部通信SME-CAN总线、与车辆接口通信的CAN-FD总线。CSC-CAN总线和SME-CAN总线的传输速率为500 kbit/s，CAN-FD总线的传输速率为2 Mbit/s。

（未完待续）