電動(dòng)汽車(chē)的心臟即電池組的探索

電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的概念。這是每個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的核心：電池。

任何電動(dòng)汽車(chē)（EV）的基本部件都是其電池。電池的設(shè)計(jì)必須滿足車(chē)輛使用的電動(dòng)機(jī)和充電系統(tǒng)的要求。這包括物理限制，例如在車(chē)體內(nèi)有效包裝以最大化容量。作為電動(dòng)汽車(chē)重量的主要貢獻(xiàn)者，設(shè)計(jì)人員還必須考慮電池在車(chē)輛中的放置，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響功率效率和車(chē)輛操縱特性（這通常就是為什么您經(jīng)?？吹诫姵胤胖迷谲?chē)輛地板下方的原因） 。

這是EV電池設(shè)計(jì)中的一些規(guī)范，安全注意事項(xiàng)和管理系統(tǒng)的概述。

電動(dòng)汽車(chē)電池規(guī)格：電壓和容量

電動(dòng)汽車(chē)電池通常由數(shù)百個(gè)以串聯(lián)/并聯(lián)配置布置的小型單個(gè)電池組成，以在最終電池組中實(shí)現(xiàn)所需的電壓和容量。一個(gè)公共電池組由串聯(lián)的18-30個(gè)并聯(lián)電池組成，以實(shí)現(xiàn)所需的電壓。例如，一個(gè)400V標(biāo)稱電池組通常會(huì)有大約96個(gè)串聯(lián)模塊（如Tesla Model 3）。

對(duì)于混合動(dòng)力/插電式混合動(dòng)力車(chē)輛，當(dāng)前車(chē)輛的常見(jiàn)標(biāo)稱組電壓范圍為100V至200V，對(duì)于純電動(dòng)車(chē)輛，其額定電壓范圍為400V至800V或更高。這樣做的原因是，在相同直徑（和質(zhì)量）的銅電纜上，較高的電壓可以傳輸更多的功率，而損失更少。

單個(gè)電池串聯(lián)的示例EV電池系統(tǒng)。

較高電壓的缺點(diǎn)包括在整個(gè)系統(tǒng)中必須使用額定電壓更高的組件。它們還阻止了在不將某些類型的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器集成到車(chē)載充電器中的情況下使用較低電壓的DC快速充電站的能力。

另一方面，普通電池的容量范圍如下：

混合動(dòng)力汽車(chē)：0.5至2 kWh

插電式混合動(dòng)力汽車(chē)：4至20 kWh

電動(dòng)汽車(chē)：30至100 kWh或更高。

電動(dòng)汽車(chē)電池的安全性：接觸器（和高溫保險(xiǎn)絲）

電池在設(shè)計(jì)時(shí)以及在其內(nèi)部永久存在的高壓方面，對(duì)安全性提出了許多挑戰(zhàn)。

保險(xiǎn)絲位于輸出連接器之前的電池組內(nèi)部，通常位于正極和負(fù)極。特殊的大電流密封繼電器（稱為接觸器）將內(nèi)部保險(xiǎn)絲連接到電池本身。

一系列Panasonic EV繼電器/ DC接觸器（左）和接觸器結(jié)構(gòu)的細(xì)分。松下圖片

接觸器具有諸如犧牲性觸點(diǎn)之類的功能，以防止由于觸點(diǎn)點(diǎn)蝕而增加電阻。它們通常還包含一個(gè)輔助觸點(diǎn)，以檢測(cè)內(nèi)部焊接，如果在大電流通過(guò)接觸器時(shí)有意或無(wú)意地?cái)嚅_(kāi)接觸器，則可能會(huì)發(fā)生內(nèi)部焊接。

接觸器線圈的電源通常通過(guò)HVIL或高壓互鎖回路，該回路穿過(guò)系統(tǒng)中的所有高壓組件以及高壓電纜（通常包含在每個(gè)連接器中），從而使接觸器無(wú)法接收電源。除非所有高壓連接均已牢固插入電池，否則請(qǐng)關(guān)閉電源。

預(yù)充電接觸器在主接觸器之前閉合，以允許小電流通過(guò)大電阻器流入系統(tǒng)。這限制了流入系統(tǒng)中所有大型電容器的浪涌電流，并使電池管理系統(tǒng)能夠在大電流路徑完成之前檢測(cè)到短路。

通常在主接觸器的兩側(cè)都對(duì)隔離進(jìn)行監(jiān)視，如果從高壓系統(tǒng)的任一側(cè)到機(jī)架的隔離降低到每伏500歐姆以下，就會(huì)發(fā)生故障。

特斯拉還在其Model 3和更新的包裝中加入了一種新的安全裝置，稱為高溫保險(xiǎn)絲。如果接觸器被焊接，則可以用少量的煙火藥將其吹開(kāi)，這使得它們可以使用強(qiáng)度較低的接觸器。有時(shí)會(huì)在電池的輸出端包括放電電阻器和接觸器，以使系統(tǒng)在關(guān)機(jī)后可以主動(dòng)放電至安全電壓。

電動(dòng)汽車(chē)電池監(jiān)控PCB

需要監(jiān)視電池的電池塊并使其保持平衡，并且包裝中包括專用電路板以執(zhí)行此任務(wù)。這些板必須包括一個(gè)隔離的通信接口，因?yàn)槊總€(gè)板的接地參考點(diǎn)之間的電壓和主BMS（電池管理系統(tǒng)）的電壓將相差數(shù)百伏。

這些板監(jiān)視每個(gè)模塊的電壓和溫度以及模塊之間互連的溫度。它們還包含少量電阻器以執(zhí)行平衡任務(wù)。

電池組內(nèi)部的電池塊必須保持在幾毫伏之間，以允許最大功率進(jìn)出電池組。由于電池制造過(guò)程中的自然差異，某些電池塊的充電或放電速度會(huì)比其他電池塊快一些。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在充電期間，執(zhí)行平衡操作，該平衡操作從最高電壓模塊中消耗少量功率，以使它們彼此接近。

這些塊監(jiān)控板還提供了包裝的附加安全功能，可以非常精確地監(jiān)控包裝中電池的溫度和互連點(diǎn)。例如，在電池?fù)p壞的情況下，這意味著在嚴(yán)重?fù)p壞甚至可能發(fā)生火災(zāi)之前可以引發(fā)故障。

電池管理系統(tǒng)（BMS）

最后，眾所周知的電池管理系統(tǒng)或BMS管理著監(jiān)視和控制電池組各個(gè)方面的任務(wù)。

當(dāng)前的分流器向BMS報(bào)告各種信息，包括進(jìn)出包的總電荷。接觸器之前和之后的電壓測(cè)量可以監(jiān)視電池組系統(tǒng)的電壓。接觸器控制和節(jié)能器電路可在接觸器拉入后管理接觸器的閉合并最大程度地減少通過(guò)線圈的靜態(tài)電流。

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

400V電池組的參考設(shè)計(jì)框圖。圖片來(lái)自德州儀器（Texas Instruments）

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

系統(tǒng)和包裝的隔離也得到持續(xù)監(jiān)控，并且可以合并其他潛在的冗余安全功能。BMS還通過(guò)汽車(chē)以太網(wǎng)或CAN總線向車(chē)輛的其余部分公開(kāi)通信接口，在該處它與逆變器，充電器和其他系統(tǒng)進(jìn)行通信。它計(jì)算并提供充電和放電電流極限，電池組的健康狀態(tài)和充電狀態(tài)，并在接觸器必須斷開(kāi)時(shí)通知其他系統(tǒng)，因此理想情況下它們可以在沒(méi)有負(fù)載的情況下斷開(kāi)。

至此，我們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的心臟即電池組的探索結(jié)束了。

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