2014款宝马i8高电压蓄电池单元(三)

◆文/山东 刘春晖

(接上期)

四、内部结构

1.电气和电子组件

通过图20所示的电路图中可以看出，除汇集在六个电池模块内的电池本身外，宝马i8的高电压蓄电池单元还包括的电气/电子部件有：

①蓄能器管理电子装置SME控制单元；

②十二个电池监控电子装置(电池监控电路CSC)；

③带接触器、传感器和过电流熔丝的安全盒。

除电气组件外，高电压蓄电池单元还包括制冷剂管路、冷却通道以及电池模块的机械固定元件。

(1)蓄能器管理电子装置SME

针对高电压蓄电池使用寿命的要求比较严格(车辆使用寿命)。为了满足这些要求，不能随意使用高电压蓄电池。而是必须在严格规定的范围内使用高电压蓄电池，从而确保其使用寿命和功率最大化。相关边界条件如下：

①在最佳温度范围内运行电池(通过冷却以及根据需要限制电流强度)；

②根据需要均衡所有电池的充电状态；

③在特定范围内用完可存储的蓄电池能量。

为了遵守这些边界条件，在宝马i8的高电压蓄电池单元内带有一个控制单元即蓄能器管理电子装置SME。SME控制单元需要执行以下任务：

①由电机电子装置EME根据要求控制高电压系统的启动和关闭；

②分析有关所有电池的电压和温度以及高电压电路内电流强度的测量信号；

③控制高电压蓄电池单元冷却系统；

④确定高电压蓄电池的充电状态(SoC)和老化状态(SoH)。

⑤确定高电压蓄电池的可用功率并根据需要对电机电子装置提出限制请求；

⑥安全功能(例如电压和温度监控、高电压触点监控，绝缘监控)；

⑦识别出故障状态，存储故障代码存储器记录并向电机电子装置发送故障状态。

原则上SME控制单元可通过诊断系统做出响应并进行编程。进行故障查询时必须清楚，在SME控制单元的故障代码存储器内不仅可存储控制单元故障，而且还可查阅高电压蓄电池单元内其他组件的故障记录。这些故障代码存储器记录根据严重程度和尚可提供的功能分为不同类型。

①立即关闭高电压系统：因出现故障影响高电压系统安全或产生高电压蓄电池损坏危险时，就会立即关闭高电压系统并断开电动机械式接触器触点。之后驾驶员可让车辆滑行并停在路面上。通过12V车载网络提供能量确保转向助力、制动助力和DSC调节。

②限制功率：高电压蓄电池无法继续提供最大功率或全部能量时，为了保护组件会限制驱动功率和可达里程。此时驾驶员可在驱动功率明显降低的情况下继续行驶较短距离，可行驶至最近的宝马维修站点，或将车辆停放在所选地点。

③对客户没有直接影响的故障：例如SME或CSC控制单元之间的通信短时受到干扰时，不表示功能受限或危及高电压系统安全。只会产生一个故障代码存储器记录，必须由宝马维修站点通过诊断系统对该记录进行分析。在此不显示检查控制信息。不会影响客户所使用的功能。

从高电压蓄电池单元外部无法接触到SME控制单元。为在出现故障时更换SME控制单元，必须事先打开高电压蓄电池单元。

SME控制单元的电气接口是：SME控制单元12V供电(车内配电盒的总线端30F和总线端31)；接触器12V供电(总线端30碰撞信号)；PT-CAN2；局域CAN1和2；车身域控制器BDC唤醒导线；高电压触点监控输入端和输出端；制冷剂循环回路内的截止和膨胀组合阀控制导线；制冷剂温度传感器。

由一个专用的12V导线为高电压蓄电池单元内的接触器供电，该导线称为总线端30碰撞信号，简称为总线端30C。总线端名称中的C表示发生事故(碰撞)时关闭该12V电压。该导线是安全型蓄电池接线柱的一个(第二个)输出端，即触发安全型蓄电池接线柱时也会断开该供电导线。

此外该导线穿过高电压安全插头，因此关闭高电压系统供电时也会关闭接触器供电。因此在上述两种情况下，高电压蓄电池单元内的两个接触器会自动断开。

局域CAN1使SME控制单元与电池监控电子装置CSC相互连接(另见下章)。局域CAN2用于实现SME控制单元与S盒之间的通信，通过该总线可传输测量的电流强度等信息。

(2)电池模块

如图21所示，高电压蓄电池单元由六个串联连接的电池模块构成，每个电池模块都分配了两个电池监控电子装置。电池模块自身由十六个串联连接的电池构成，每个电池的额定电压为3.7V，额定电容量为20Ah。电池模块的顺序是固定的，从前部下方开始。

图21 电池模块布置方式

电池监控电子装置名称中的“+”或“-”表示电池监控电子装置安装在电池模块的正极侧或负极侧。

注意：更换电池模块时必须按顺序进行，因为该顺序存储在诊断系统内用于将来进行分析。

(3)电池监控

每个高电压蓄电池单元内都带有电池监控电子装置(图22)。为确保宝马i8所用锂离子电池正常运行，必须遵守特定边界条件：电池电压和电池温度不允许低于或高于特定数值，否则可能导致电池持续损坏。因此高电压蓄电池单元带有十二个研发名称为电池监控短路CSC的电池监控电子装置。

图22 电池监控电子装置

宝马i8高电压蓄电池单元内的每个电池模块都有两个电池监控电子装置。这样做是为了确保一个电池监控电子装置最多可监控八个电池。因此装有两个电池监控电子装置，每个电池监控电子装置负责一个电池模块的八个电池。

电池监控电子装置执行的任务包括：①测量和监控每个电池的电压；②测量和监控电池模块多处的温度；③将测量参数传输给SMS控制单元；④执行电池电压补偿过程。

在此以较高扫描率(每20ms测量一次)测量电池电压。通过电压测量可以识别出充电和放电过程结束。温度传感器安装在电池模块上，根据其测量值可确定各电池的温度。借助电池温度可以识别是否过载或有电气故障。出现以上一种情况时必须立即降低电流强度或完全关闭高电压系统，以免电池进一步损坏。此外，测得的温度还用于控制冷却系统，以便电池始终在工作性能和使用寿命最佳的温度范围内运行。由于电池温度是一个重要参数，因此每个电池模块装有六个NTC温度传感器，其中三个是另外三个的冗余装置。

高电压蓄电池单元局域CAN电路原理图如图23所示，电池监控电子装置通过局域CAN1传输其测量值。该局域CAN1使所有电池监控电子装置相互连接并与SME控制单元相连。在SME控制单元内对测量值进行分析并根据需要做出相应反应(例如控制冷却系统)。

图23 高电压蓄电池单元局域CAN电路原理图

局域CAN1和2的传输速度均为500kBit/s。与采用相同传输速度的CAN总线一样，总线导线采用绞线形式。此外，两个局域CAN端部采用终端形式。用于局域CAN1两端分别120Ω的终端电阻位于SME控制单元内。

用于局域CAN2两端分别120Ω的终端电阻位于SME控制单元内和S盒控制单元内。

在查询故障期间测量局域CAN上的电阻时，在所有总线设备已连接且终端正常的情况下会得到大约60Ω的数值。

如果一个或多个电池的电压明显低于其他电池，高电压蓄电池的可用能量含量就会因此受限。因此放电时由最弱的电池决定何时停止释放能量：如果最弱电池的电压降至放电限值，即使其他电池还存有充足能量也必须结束放电过程。如果仍继续放电过程，就会因此造成最弱电池损坏。因此可通过一项功能使电池电压调节至几乎相同的水平。该过程也称为电池对称。

为此SME控制单元将所有电池电压进行相互比较。在此过程中对电压明显高于其余的电池进行有针对性地放电。SME控制单元通过局域CAN1将相关请求发送至这些电池的电池监控电子装置，从而启动放电过程。为此每个电池监控电子装置都针对各电池带有一个欧姆电阻，相应电子触点闭合后放电电流就会流过该电阻。启动放电过程后由电池监控电子装置负责执行该过程，或在期间主控控制单元切换为休眠模式的情况下继续执行该过程。

电池电压平衡原理电路图如图24所示，通过与总线端30F直接相连的蓄能器管理电子装置为CSC控制单元供电来实现这一点。所有电池的电压处于规定的较小范围内时，放电过程就会自动结束。电池对称继续进行，直至所有电池达到相同电压水平。

图24 电池电压平衡原理电路图

平衡电池电压的过程会造成损失，但损失的电能非常小(小于0.1%SoC)。而优势在于可使可达里程和高电压蓄电池使用寿命最大化，因此总体而言平衡电池电压非常有利而且十分必要。当然只有车辆静止时才会执行该过程。

平衡电池电压的具体条件包括：总线端15关闭且车辆或车载网络处于休眠状态，且高电压系统已关闭，且电池电压或各电池SoC的偏差大于相应限值，且高电压蓄电池的总SoC大于相应限值。

如果满足所述条件，就会自动进行电池电压平衡。因此客户既看不到检查控制信息，也无需为此进行特殊操作。即使更换电池模块后，SME控制单元也会自动识别出电池电压平衡需求。

如果电池电压的偏差过大或电池电压平衡未顺利进行，就会在SME控制单元内生成一个故障代码存储器记录。通过一条检查控制信息提醒客户注意这种车辆状态。之后必须通过诊断系统对故障代码存储器进行分析并进行相应修理工作。

(4)安全盒(S盒)

每个高电压单元内都有带独立壳体的接口单元，该单元称为开关盒或简称为S盒。

安全盒内集成的组件包括：蓄电池负极电流路径内的电流传感器，蓄电池正极电流路径内的熔丝，两个电动机械式接触器(每个电流路径一个开关触点)，用于缓慢启动高电压系统的预充电电路，用于监控开关触点、测量蓄电池总电压和监控绝缘电阻的电压传感器。

(5)导线束

在高电压蓄电池单元内带有两个导线束：用于连接CSC与SME控制单元的导线束，用于连接S盒与外围设备的导线束，用于连接SME与12V车载网络接口的导线束。不允许对导线束进行维修，如果电缆与插头之间的连接损坏或松动，必须更换整个导线束。

2.机械组件

高电压蓄电池单元的机械组件包括：①壳体上部件和下部件；②两部分壳体之间的密封件；③维修盖的密封件；④上部和下部热交换器；⑤排气单元；⑥模块连接器；⑦模块连接桥；⑧散热器隔板；⑨SME支架；⑩S盒支架。

(未完待续)