电动汽车电池系统简介

电动汽车设计是一个复杂的概念。这是每辆电动汽车的核心：电池。

电动汽车设计是一个复杂的概念。这是每辆电动汽车的核心：电池。

任何电动汽车 (EV) 的基本部件都是其电池。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，例如在车身内进行有效包装以最大限度地提高容量。作为 EV 重量的主要贡献者，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（这通常是您经常看到电池放置在车辆底板下方的原因） .

下面概述了电动汽车电池设计中的一些规范、安全注意事项和管理系统。

EV 电池规格：电压和容量

电动汽车电池通常由数百个以串联/并联配置排列的小型独立电池组成，以在最终电池组中实现所需的电压和容量。一个普通的电池组由 18-30 个并联电池块串联组成，以达到所需的电压。例如，标称 400V 的电池组通常有大约 96 个串联块（如特斯拉 Model 3）。

当前车辆中常见的标称电池组电压范围为混合动力/插电式混合动力汽车的 100V-200V 和纯电动汽车的 400V 至 800V 及更高。这样做的原因是，在相同直径（和质量）的铜缆上，更高的电压允许传输更多的功率，而损耗更少。

单个电池串联的示例 EV 电池系统。

更高电压的缺点包括整个系统中需要更高额定电压的组件。它们还阻止了使用较低电压的直流快速充电站的能力，而无需在车载充电器中加入某种类型的 DC-DC 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 2 千瓦时
• 插电式混合动力汽车： 4 至 20 千瓦时
• 电动汽车： 30 到 100 千瓦时或更多。

电动汽车电池的安全性：接触器（和火焰式保险丝）

电池在设计以及电池内部永久存在的高电压方面面临着多重安全挑战。

保险丝位于电池组内部输出连接器之前，通常在正极和负极两侧。称为接触器的特殊大电流密封继电器将内部保险丝连接到电池本身。

松下电动汽车继电器/直流接触器系列（左）和接触器结构分解图。图片来自松下

接触器结合了诸如牺牲触点之类的功能，以防止由于接触点蚀引起的电阻增加。它们通常还包含一个辅助触点来检测内部焊接，如果在大电流通过时有意或无意地打开接触器可能会发生内部焊接。

接触器线圈电源通常通过一个 HVIL 或高压互锁回路，该回路将系统中所有的高压元件与高压电缆（通常并入每个连接器）一起通过系统中的所有高压元件，这样接触器就无法接收电源以除非所有高压连接都牢固地插入电池，否则关闭。

预充电接触器在主接触器之前闭合，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大电流路径完成之前检测到短路。

隔离度受到持续监控，通常在主接触器的两侧，如果高压系统任一侧到机箱的隔离度下降到低于 500 ohms/V 就会发生故障。

特斯拉还在他们的 Model 3 和更新的包装中加入了一种新的安全装置，称为热熔保险丝。如果接触器被焊接，这个设备可以被一个小的烟火炸药炸开，这允许他们使用不太坚固的接触器。有时，电池输出端会包含放电电阻器和接触器，以允许系统在关机后主动放电至安全电压。

EV 电池监控 PCB

需要监控电池组的单元格并保持平衡，并且电池组中包含专门的电路板来执行此任务。这些板必须包括一个隔离的通信接口，因为每块板的接地参考彼此之间以及与主 BMS（电池管理系统）的电压相差数百伏。

这些板监控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器来执行平衡任务。

电池组内的电池块必须彼此保持在几毫伏以内，以允许最大功率传入和传出电池组。由于电池制造过程中的自然差异，某些块的充电或放电速度会比其他块略快。为了解决这个问题，在充电过程中，会执行平衡，从最高电压块消耗少量功率，使它们靠近其他块。

这些块监控板还为电池组提供了额外的安全功能，可以非常精确地监控电池组内的电池和互连点的温度。例如，在电池损坏的情况下，这意味着可以在严重损坏甚至可能发生火灾之前引发故障。

电池管理系统 (BMS)

最后，电池管理系统，即众所周知的 BMS，负责管理电池组各个方面的监控任务。

电流分流器向 BMS 报告各种信息，包括传入和传出电池组的总电荷。接触器前后的电压测量允许监控电池组系统电压。接触器控制和经济器电路管理接触器闭合，并在触点吸合后最大限度地减少通过线圈的静态电流。

BMS 还与模块管理板保持持续通信，以监控电池电压和温度并控制平衡。

400V 电池组的参考设计框图。图片来自德州仪器

监控整个系统和连接器的温度，以检测由连接器或螺栓松动引起的任何高电阻连接。

系统和电池组隔离也受到持续监控，并且可以结合其他潜在的冗余安全功能。 BMS 还向车辆的其余部分公开了一个通信接口——通常通过汽车以太网或 CAN 总线——在那里它与逆变器、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，以便它们可以在没有负载的情况下打开。

我们对电动汽车的核心——电池组的探索到此结束。如果您想了解更多关于电动汽车的解剖结构，请在下面的评论中告诉我们！