电动汽车的心脏即电池组的探索

汽车电子硬件设计 发表于 2020-11-17 14:52:17 收藏 已收藏
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电动汽车的心脏即电池组的探索

汽车电子硬件设计 发表于 2020-11-17 14:52:17

电动汽车设计是一个复杂的概念。这是每个电动汽车的核心: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动机和充电系统的要求。这包括物理限制,例如在车体内有效包装以最大化容量。作为电动汽车重量的主要贡献者,设计人员还必须考虑电池在车辆中的放置,因为它们会影响功率效率和车辆操纵特性(这通常就是为什么您经常看到电池放置在车辆地板下方的原因) 。

这是EV电池设计中的一些规范,安全注意事项和管理系统的概述。

电动汽车电池规格:电压和容量

电动汽车电池通常由数百个以串联/并联配置布置的小型单个电池组成,以在最终电池组中实现所需的电压和容量。一个公共电池组由串联的18-30个并联电池组成,以实现所需的电压。例如,一个400V标称电池组通常会有大约96个串联模块(如Tesla Model 3)。

对于混合动力/插电式混合动力车辆,当前车辆的常见标称组电压范围为100V至200V,对于纯电动车辆,其额定电压范围为400V至800V或更高。这样做的原因是,在相同直径(和质量)的铜电缆上,较高的电压可以传输更多的功率,而损失更少。

单个电池串联的示例EV电池系统。

较高电压的缺点包括在整个系统中必须使用额定电压更高的组件。它们还阻止了在不将某些类型的DC-DC升压转换器集成到车载充电器中的情况下使用较低电压的DC快速充电站的能力。

另一方面,普通电池的容量范围如下:

混合动力汽车:0.5至2 kWh

插电式混合动力汽车:4至20 kWh

电动汽车:30至100 kWh或更高。

电动汽车电池的安全性:接触器(和高温保险丝)

电池在设计时以及在其内部永久存在的高压方面,对安全性提出了许多挑战。

保险丝位于输出连接器之前的电池组内部,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)将内部保险丝连接到电池本身。

一系列Panasonic EV继电器/ DC接触器(左)和接触器结构的细分。松下图片

接触器具有诸如牺牲性触点之类的功能,以防止由于触点点蚀而增加电阻。它们通常还包含一个辅助触点,以检测内部焊接,如果在大电流通过接触器时有意或无意地断开接触器,则可能会发生内部焊接。

接触器线圈的电源通常通过HVIL或高压互锁回路,该回路穿过系统中的所有高压组件以及高压电缆(通常包含在每个连接器中),从而使接触器无法接收电源。除非所有高压连接均已牢固插入电池,否则请关闭电源。

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器流入系统。这限制了流入系统中所有大型电容器的浪涌电流,并使电池管理系统能够在大电流路径完成之前检测到短路。

通常在主接触器的两侧都对隔离进行监视,如果从高压系统的任一侧到机架的隔离降低到每伏500欧姆以下,就会发生故障。

特斯拉还在其Model 3和更新的包装中加入了一种新的安全装置,称为高温保险丝。如果接触器被焊接,则可以用少量的烟火药将其吹开,这使得它们可以使用强度较低的接触器。有时会在电池的输出端包括放电电阻器和接触器,以使系统在关机后可以主动放电至安全电压。

电动汽车电池监控PCB

需要监视电池的电池块并使其保持平衡,并且包装中包括专用电路板以执行此任务。这些板必须包括一个隔离的通信接口,因为每个板的接地参考点之间的电压和主BMS(电池管理系统)的电压将相差数百伏。

这些板监视每个模块的电压和温度以及模块之间互连的温度。它们还包含少量电阻器以执行平衡任务。

电池组内部的电池块必须保持在几毫伏之间,以允许最大功率进出电池组。由于电池制造过程中的自然差异,某些电池块的充电或放电速度会比其他电池块快一些。为了解决这个问题,在充电期间,执行平衡操作,该平衡操作从最高电压模块中消耗少量功率,以使它们彼此接近。

这些块监控板还提供了包装的附加安全功能,可以非常精确地监控包装中电池的温度和互连点。例如,在电池损坏的情况下,这意味着在严重损坏甚至可能发生火灾之前可以引发故障。

电池管理系统(BMS)

最后,众所周知的电池管理系统或BMS管理着监视和控制电池组各个方面的任务。

当前的分流器向BMS报告各种信息,包括进出包的总电荷。接触器之前和之后的电压测量可以监视电池组系统的电压。接触器控制和节能器电路可在接触器拉入后管理接触器的闭合并最大程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,以监视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(Texas Instruments)

监视整个系统和连接器的温度,以检测由松动的连接器或螺栓引起的任何高电阻连接。

系统和包装的隔离也得到持续监控,并且可以合并其他潜在的冗余安全功能。BMS还通过汽车以太网或CAN总线向车辆的其余部分公开通信接口,在该处它与逆变器,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极限,电池组的健康状态和充电状态,并在接触器必须断开时通知其他系统,因此理想情况下它们可以在没有负载的情况下断开。

至此,我们对电动汽车的心脏即电池组的探索结束了。

责任编辑:lq

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