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电动汽车电池系统简介

Erik Johnson 2019-09-04

任何电动汽车(EV)的基本部件都是电池。蓄电池的设计必须满足车辆使用的电机和充电系统的要求。 这包括物理限制,例如车辆车身内的有效包装以最大化容量。作为电动车重量的供能,设计人员还必须考虑电池在车辆中的位置,因为它们会影响电源效率和车辆操控特性(这通常是你经常看到电池放置在车辆底板下的原因)。以下是EV电池设计中一些规范、安全注意事项和管理系统的概述。M8A电子头条

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EV电池规格:电压和容量M8A电子头条

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电动汽车蓄电池通常由数百个小的、单独的电池组成,这些电池按串联/并联配置排列,以在最终电池组中实现所需的电压和容量。普通电池组由18到30个串联的并联电池组成,以获得所需的电压。例如,一个额定电压为400V的电池组通常有96个系列的电池组(如特斯拉3型电池组)。当前车辆的通用额定组电压范围为混合动力/插入式混合动力车辆的100V-200V,电动车辆的400V-800V及更高。这是因为较高的电压允许在相同直径(和质量)的铜电缆上以较小的损耗传输更多的电力。M8A电子头条

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单电池串联的电动汽车电池系统示例。M8A电子头条

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更高电压的缺点包括在整个系统中需要更高额定电压的元件。它们还可以防止在车载充电器中使用低电压的直流快速充电站,而无需在车载充电器中加入某种类型的直流直流升压转换器。 另一方面,常见的电池容量范围如下:混合动力汽车:0.5至2kWh;插电式混合动力汽车: 4至20kWh;电动车:30至100kWh或以上。M8A电子头条

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EV电池的安全性M8A电子头条

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在设计时,电池代表了对安全性的多重挑战,也代表了电池内永久存在的高压。在输出接头之前,蓄电池组内部通常有保险丝,通常位于正极和负极。特殊的大电流密封继电器称为接触器,它将内部保险丝连接到电池本身。M8A电子头条

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一系列松下电动汽车继电器/直流接触器(左)和一个接触器的结构故障。图片由松下提供M8A电子头条

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接触器具有牺牲接触等特性,以防止由于接触点蚀而增加的电阻。它们通常还包括一个辅助触点,以检测内部焊接,如果接触器在大电流通过时有意或无意地打开,可能会发生这种情况。接触器线圈电源通常通过HVIL或高压互锁回路,该回路沿高压电缆(通常包含在每个连接器中)在系统中的所有高压部件之间进行循环,从而使接触器无法接收电源以关闭。除非所有高压连接牢固地插入电池,否则关闭。M8A电子头条

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预充电接触器在主接触器之前闭合,以允许小电流通过大电阻流入系统。这限制了进入系统中所有大电容器的浪涌电流,并允许电池管理系统在高电流路径完成之前检测短路。通常在主接触器的两侧连续监测隔离,并且如果从高压系统的任一侧到底盘的隔离降低到小于500欧姆/伏,则将发生故障。M8A电子头条

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特斯拉还在他们的Model 3和更新的电池组中加入了一种新的安全装置,称为火焰保险丝。如果接触器被焊接,该装置可以通过小的烟火装料吹开,这允许它们使用不太坚固的接触器。有时在电池输出端包括放电电阻和接触器,以使系统在关闭后主动放电至安全电压。M8A电子头条

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EV电池监测PCBM8A电子头条

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电池的电池组需要被监测并保持平衡,电池组中包括专门的电路板来执行这项任务。这些电路板必须包括一个独立的通信接口,因为每个电路板的接地参考电压将是数百伏,彼此和主BMS(电池管理系统)不同。这些电路板监测每个模块的电压和温度以及模块之间互连的温度。它们还包含一小组电阻来执行平衡任务。M8A电子头条

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电池组内的电池块必须保持在几毫伏的范围内,以允许最大功率传输进出电池组。由于电池制造中的自然差异,一些电池块的充电或放电速度比其他电池块稍快。为了解决这一问题,在充电过程中,需要进行平衡,以从最高电压块中消耗少量的电源,使其靠近其他块。这些块监控板还提供了额外的电池组安全功能,可以非常精确地监控电池组内的电池温度和互连点。例如,在损坏的电池的情况下,这意味着可以在严重损坏之前发生故障,甚至可能发生火灾。M8A电子头条

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电池管理系统(BMS)M8A电子头条

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最后,电池管理系统或BMS管理监视和控制电池组各个方面的任务。当前分流器向BMS报告各种信息,包括传入和传出的总电荷。接触器之前和之后的电压测量允许监测电池组系统电压。接触器控制和节能器电路管理接触器闭合,并在接触器拉入后最小化通过线圈的静态电流。BMS还与块管理板持续通信,以监控电池电压和温度以及控制平衡。M8A电子头条

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400V电池组的参考设计框图。图片来自德州仪器M8A电子头条

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监测整个系统和连接器温度,以检测连接器或螺栓松动导致的任何高电阻连接。系统和包装隔离也会持续受到监控,其他可能的冗余安全功能也可以被整合。BMS还通过汽车以太网或CAN总线向车辆的其他部分提供通信接口,在该接口中,BMS与逆变器、充电器和其他系统进行通信。它计算并提供充电和放电电流限制、电池组健康状态和充电状态,并在接触器必须打开时通知其他系统,因此理想情况下它们可以在没有负载的情况下打开。M8A电子头条