宝马纯电动BMW i3 I01高压蓄电池技术解析(一)

◆文/吉林 李伟

一、I01高压蓄电池概述

在I01高电压蓄电池内使用的蓄电池组属于锂离子电池类型(电池类型为NMC/LMO混合)，以下也简称为高电压蓄电池。锂离子电池的阴极材料基本上是锂金属氧化物。“NMC/LMO 混合”这一名称说明了这种电池类型使用的金属一种是镍、锰和钴的“混合物”；另一种是锂锰氧化物，通过选择阴极材优化了电动车所用的高电压蓄电池特性(能量密度较高、使用寿命较长)。像往常一样使用石墨作为阴极材料，放电时锂离子存储在石墨内。根据所使用的材料，电池额定电压为3.75V。I01高电压蓄电池单元的技术参数如图1所示。

图1 I01高压蓄电池单元的技术参数

I01的高电压蓄电池单元由以下主要组件构成：带有实际电池的电池模块、电池监控电子装置、带有冷却通道和加热装置的热交换器、蓄能器管理电子装置SME、导线束、安全盒、接口(电气、制冷剂、排气)壳体和固定部件等。电池由韩国公司Samsung SD提供给BMW Dingolfing工厂 。在此将电池组装成电池模块并与其他组件一起安装为完整的高电压蓄电池单元。SME控制单元和电池监控电子装置的制造商是 Preh公司。

高电压蓄电池单元除高电压接口外还带有一个低电压接口。此外还为集成式控制单元提供电压、总线信号、传感器信号和监控信号。为对高电压蓄电池进行冷却将其接入制冷剂循环回路内。高电压蓄电池单元上的提示牌向相关组件作业的人员说明所用技术及可能存在的电气和化学危险。

高电压蓄电池单元位于车内空间以外，如图2所示。如果由于严重故障导致电池产生过压，不必通过排气管向外排出所产生的气体。通过高电压蓄电池单元壳体上的一个排气口便可进行压力补偿。与当前BMW ActiveHybrid车辆一样，高电压安全插头(售后服务时断开连接)不是高电压蓄电池单元的组成部分,它位于发动机室盖下方。高电压蓄电池单元的系统电路图如图3所示。

图2 高电压蓄电池单元的安装位置

图3 高电压蓄电池单元系统电路图

二、机械接口

高电压蓄电池单元的壳体通过26个螺栓以机械方式与I01的“Drive”模块连接在一起。通过这种方式可使重力以及行驶期间产生的加速力作用在车身上。固定螺栓可直接从下方接触到，不必事先拆卸底部饰板。拆卸高电压蓄电池单元时必须首先进行维修说明中规定的所有准备工作(诊断、切换为无电压等)。松开固定螺栓前必须将下降高度专用工具(可移动总成升降台MHT1200)固定在高电压蓄电池单元下方,通过另一个电位补偿螺栓在壳体与 “Drive”模块之间建立电气连接，如图4所示。

图4 将高电压蓄电池单元固定在Drive模块上

进行多次拆卸和安装后无法再按规定力矩拧紧电位补偿螺栓时，应针对电位补偿螺栓重新钻孔，如图5所示。

图5 电位补偿螺栓孔

与带有框架结构的车辆相似，“Life Drive”方案由两个平行分开的独立模块构成。“Life”模块主要由碳纤维增强塑料(CFK)制成的高强度超轻乘员区构成。“Drive”模块即底盘构成了集成有高电压蓄电池单元的稳定基础。“Drive”模块前端和后端铝合金制成的碰撞主动式结构确保发生正面和尾部碰撞时提供额外安全保护。为了提供最佳保护将蓄电池安装在车辆底板内，因为发生碰撞事故时车辆在此区域内的变形程度最小。发生侧面碰撞时，“Life”模块的碰撞特性也有助于保护高电压蓄电池单元，因为在此已吸收全部能量不会使其传输至蓄能器。高强度CFK乘员区和“Life Drive”模块内的智能化作用力分配共同构成了最佳乘员保护的前提条件。

在I01的高电压蓄电池单元上装有三个提示牌，即一个型号铭牌和两个警告提示牌。型号铭牌提供逻辑信息(例如零件编号)和最重要的技术数据(例如额定电压)。两个警告提示牌上标注了信息以提醒大家注意高电压蓄电池单元采用锂离子技术且电压较高，同时还标注了其它可能存在的相关危险。高电压蓄电池单元上的三个提示牌及其安装位置如图6所示。

图6 高电压蓄电池单元上的三个提示牌及其安装位置

三、电气接口

1.高电压接口

在高电压蓄电池单元上有一个2芯高电压接口，高电压蓄电池单元通过该接口与高电压车载网络连接，如图7、8所示。围绕高电压导线的两个电气触点还各有一个屏蔽触点,这样可使高电压导线屏蔽层(每根导线各有一个屏蔽层)一直持续到高电压蓄电池单元壳体内，从而有助于确保电磁兼容性(EMV)。此外高电压接口还可防止接触导电部件,实际触点带有塑料外套，因此人员无法直接接触,只有连接导线时才会压开外套并进行接触，塑料滑块用于机械锁止插头。此外它还是安全功能的组成部分：未连接高电压导线时，滑块盖住高电压触点监控电桥的接口。只有按规定连接了高电压导线且插头已锁止时，才能接触到这个接口并插上电桥。这样可以确保，只有连接了高电压导线时高电压触点监控电路才闭合。

该原理适用于I01的所有高电压接口，即高电压蓄电池单元上、电机电子装置上、便捷充电电子装置和增程电机电子装置上的高电压接口。因此只有连接所有高电压导线后，高电压系统才会启用。这样可以额外防止接触可能带电的接触面。像高电压蓄电池单元的所有其他组件一样，高电压接口可作为独立部件进行更换。

图7 高电压蓄电池单元左侧接口

图8 高电压接口

2.低电压接口

在I01的高电压蓄电池单元上带有两个低电压接口：SME控制单元导线接口、2膨胀和截止组合阀控制接口，如图9所示。

SME控制单元接口带有以下导线：通过总线端30F和总线端31为SME控制单元供电、用于为电动机械式接触器供电的总线端30C、车身域控制器唤醒导线、高电压触点监控导线的输入端和输出端、用于控制膨胀和截止组合阀(未配备“热力泵”)的输出端(+12V和接地)、PT.CAN2和两个未使用的信号(仅用于研发)。

未配备“热力泵”时，从SME控制单元连出的膨胀和截止组合阀控制导线首先接入车辆导线束内，从此处可重新直接连接至该阀，没有其他车辆电气组件会对该控制信号产生影响。配备“热力泵”时，由热力泵控制单元而非SME控制单元控制膨胀和截止组合阀。SME控制单元仅发送高电压蓄电池冷却要求，之后由 IHKA/IHKR控制单元和热力泵控制单元具体执行。

图9 高电压蓄电池单元右侧接口

3.排气口

排气口有两个任务。排气口的第一个任务是补偿高电压蓄电池单元内部和外部的较大压力差，只有某一电池损坏时才会产生这种压力差。出于安全原因，损坏电池的电池模块壳体会打开，以便降低压力。气体首先存在于高电压蓄电池单元壳体内，从此处可通过排气口排到外面排气口的第二个任务是向外输送高电压蓄电池单元内部产生的冷凝物。在高电压蓄电池单元内部除技术组件外还有空气。通过较低环境温度或启用冷却功能后通过制冷剂对空气或壳体进行冷却时，空气中的部分水蒸气就会冷凝。因此在高电压蓄电池单元内部可能会形成少量液态水，这不会对功能产生任何影响。空气或壳体再次受热时水就会重新蒸发，同时壳体内的压力稍稍增大。排气口可通过向外排出受热空气进行压力补偿，同时会将空气中包含的水蒸气(通过这种方式也将之前的液态冷凝物)一同向外排出。

为了完成上述任务，排气口(图10)带有一个透气(和水蒸气)但不透水的隔膜。在隔膜上方有一个两件式盖板，可防止粗杂质进入隔膜，维修时可将排气单元作为一个整体进行更换，排气单元污染严重或出现机械损伤时需要进行更换。

图10 排气口

四、加热装置和冷却系统

为了尽可能延长高电压蓄电池的使用寿命并获得最大功率，需在规定温度范围内使用蓄电池。40～50℃时，高电压蓄电池处于可运行状态。但这些温度限值是指实际电池温度而非车外温度。就温度特性而言，高电压蓄电池单元是一个惰性系统，即电池需要几个小时才能达到环境温度。因此在极其炎热或寒冷的环境下短暂停留并不表示电池也已经达到同样温度。

但就使用寿命和功率而言的最佳电池温度范围明显受限，为+25～40℃。尤其在电池温度持续显著超出该范围、同时要求提供较高功率时，会降低电池使用寿命。为了消除该影响并在任何车外温度条件下确保最大功率，I01的高电压蓄电池单元带有自动运行的加热装置和冷却装置。

I01 标配用于高电压蓄电池的冷却系统。为此像在当前BMW ActiveHybrid车辆上一样，将其接入空调系统制冷剂循环回路内。如果客户订购了选装配置SA494驾驶员和前乘客座椅加热装置，则其I01 也带有高电压蓄电池加热装置。可利用电流的热效应对高电压蓄电池进行加热。该加热装置包括控制装置位于高电压蓄电池单元内部。车外温度或电池温度及所连充电电缆温度极低时，会根据需要自动启用加热装置从而对电池进行加热。通过这种方式可以明显改善在极低温度下受到限制的功率输出并提高可达里程。电压蓄电池单元加热和冷却的整个系统概览如图11所示。

1.高电压蓄电池冷却系统

(1)I01 的高电压蓄电池单元直接通过制冷剂进行冷却。因此空调系统的制冷剂循环回路由两个“ 并联” 支路构成。一个用于车内冷却，一个用于高电压蓄电池单元冷却。两个支路各有一个膨胀和截止组合阀，用于相互独立地控制冷却功能，如图12所示。蓄能器管理电子装置可通过施加电压控制并打开膨胀和截止组合阀。这样可使制冷剂流入高电压蓄电池单元内，在此膨胀、蒸发和冷却。车内冷却同样根据需要来进行。蒸发器前的膨胀和截止组合阀同样可以电气方式进行控制，但由数字式发动机电气电子系统EDME 进行控制。

进行冷却时，电池将热量传至制冷剂。因此在电池冷却期间，制冷剂变热。电动制冷剂压缩机压缩制冷剂，在冷凝器内使其重新变为液态聚集状态。这样可使制冷剂重新能够吸收热量。通过这种方式可产生约1 000 W的最大冷却功率，反过来说：高电压蓄电池可排放出最高1 000W的热功率。当然只有在车外温度极高且驱动功率较高的情况下才需要上述最大冷却功率。

图11 高电压蓄电池单元的冷却系统

图12 高电压蓄电池的整个加热/冷却系统