電動汽車電池系統(tǒng)介紹

電動汽車設計是一個復雜的概念。以下是每輛電動汽車的：電池。

任何電動汽車 （EV） 的基本部件都是電池。電池的設計必須滿足車輛使用的電機和充電系統(tǒng)的要求。

這包括物理限制，例如在車身內進行有效包裝以限度地提高容量。作為 EV 重量的主要貢獻者，設計師還必須考慮電池在車輛內的位置，因為它們會影響電源效率和車輛操控特性（這通常是為什么您經常會看到電池放置在車輛底板下方的原因） 。

以下是 EV 電池設計中的一些規(guī)范、安全注意事項和管理系統(tǒng)的概述。

EV 電池規(guī)格：電壓和容量

電動汽車電池通常由數(shù)百個以串聯(lián)/并聯(lián)配置排列的小型獨立電池組成，以在終電池組中實現(xiàn)所需的電壓和容量。一個普通電池組由 18-30 個串聯(lián)的并聯(lián)電池塊組成，以達到所需的電壓。例如，標稱電壓為 400V 的電池組通常有大約 96 個串聯(lián)塊（如 Tesla Model 3）。

當前車輛中常見的標稱電池組電壓范圍為混合動力/插電式混合動力車輛的 100V-200V 和純電動車輛的 400V 至 800V 甚至更高。這樣做的原因是更高的電壓允許在相同直徑（和質量）的銅電纜上以更少的損耗傳輸更多的功率。

具有串聯(lián)的單個電池的示例 EV 電池系統(tǒng)。

更高電壓的缺點包括在整個系統(tǒng)中需要更高額定電壓的組件。如果不在車載充電器中加入某種類型的 DC-DC 升壓轉換器，它們還會阻止使用較低電壓的 DC 快速充電站的能力。

另一方面，常見的電池容量范圍如下：

混合動力汽車： 0.5 至 2 kWh

插電式混合動力汽車： 4 至 20 kWh

電動汽車： 30至100千瓦時或以上。

EV 電池的安全性：接觸器（和 Pyro 保險絲）

電池在設計方面以及其中存在的高電壓方面對安全性提出了多項挑戰(zhàn)。

保險絲存在于輸出連接器之前的電池組內部，通常位于正極和負極側。稱為接觸器的特殊大電流密封繼電器將內部保險絲連接到電池本身。

一系列松下EV繼電器/直流接觸器（左）和接觸器的結構分解圖。圖片來自松下

接觸器具有犧牲觸點等功能，可防止由于觸點點蝕而增加電阻。它們通常還包含一個輔助觸點，用于檢測內部焊接，如果接觸器在大電流通過時有意或無意打開，則可能會發(fā)生這種情況。

接觸器線圈供電通常通過 HVIL 或高壓互鎖回路，該回路與高壓電纜（通常包含在每個連接器中）一起繞過系統(tǒng)中的所有高壓組件，這樣接觸器就無法接收電源關閉，除非所有高壓連接都牢固地插入電池。

預充電接觸器在主接觸器之前閉合，以允許小電流通過大電阻流入系統(tǒng)。這限制了進入系統(tǒng)中所有大電容器的浪涌電流，并允許電池管理系統(tǒng)在大電流路徑完成之前檢測短路。

持續(xù)監(jiān)測隔離，通常是在主接觸器的兩側，如果從高壓系統(tǒng)任一側到底盤的隔離下降到每伏 500 歐姆以下，就會發(fā)生故障。

特斯拉還在他們的 Model 3 和更新的電池組中加入了一種新的安全裝置，稱為熱熔絲。如果接觸器被焊接，這個裝置可以被一個小的煙火炸藥炸開，這使得他們可以使用不太堅固的接觸器。放電電阻器和接觸器有時會跨接在電池輸出端，以允許系統(tǒng)在關機后主動放電至安全電壓。

EV 電池監(jiān)控 PCB

電池的電池塊需要受到監(jiān)控并保持平衡，電池組中包含專門的電路板來執(zhí)行此任務。這些電路板必須包括一個隔離的通信接口，因為每塊電路板的接地參考相互之間以及與主 BMS（電池管理系統(tǒng)）的接地參考電壓將相差數(shù)百伏。

這些板監(jiān)控每個塊的電壓和溫度以及塊之間互連的溫度。它們還包含一小組電阻器來執(zhí)行平衡任務。

電池組內的電池塊之間的電壓必須保持在幾毫伏以內，以允許功率傳入和傳出電池組。由于電池制造的自然差異，一些塊的充電或放電速度會比其他塊稍快。為了解決這個問題，在充電期間，會執(zhí)行平衡，從電壓塊中消耗少量功率，使它們靠近其他塊。

這些塊監(jiān)控板還為電池組提供額外的安全功能，可以非常地監(jiān)控電池組內的電池和互連點的溫度。例如，在電池損壞的情況下，這意味著可以在嚴重損壞甚至可能發(fā)生火災之前引發(fā)故障。

電池管理系統(tǒng) （BMS）

，電池管理系統(tǒng)，或眾所周知的 BMS，負責管理監(jiān)視和控制電池組各個方面的任務。

電流分流器向 BMS 各種信息，包括傳入和傳出電池組的總電荷。接觸器前后的電壓測量允許監(jiān)測電池組系統(tǒng)電壓。接觸器控制和經濟器電路管理接觸器閉合并在觸點吸合后化通過線圈的靜態(tài)電流。

BMS 還與塊管理板保持持續(xù)通信，以監(jiān)控電池電壓和溫度并控制平衡。

400V 電池組的參考設計框圖。圖片來自德州儀器

監(jiān)控整個系統(tǒng)和連接器的溫度，以檢測由松動的連接器或螺栓引起的任何高電阻連接。

系統(tǒng)和電池組隔離也受到持續(xù)監(jiān)控，并且可以合并其他潛在的冗余安全功能。BMS 還向車輛的其余部分公開了一個通信接口——通常通過汽車以太網或CAN 總線——它與逆變器、充電器和其他系統(tǒng)進行通信。它計算并提供充電和放電電流限制，包裝健康狀態(tài)和充電狀態(tài)，并在接觸器必須打開時通知其他系統(tǒng)，以便理想情況下它們可以在沒有負載的情況下打開。