◆文/江蘇 吳書龍

新能源汽車電池技術(shù)淺析(一)

◆文/江蘇 吳書龍

無論是混合動力汽車，還是純電動汽車最大的特點就是使用了高壓電池技術(shù)。目前所見的絕大多數(shù)新能源汽車均采用化學電池技術(shù)進行驅(qū)動，由于新能源汽車電池種類較多，其中很大部分已經(jīng)被目前市場所淘汰，且對其晦澀原理進行大篇幅講解并不能對新能源汽車實際維修帶來多大幫助，所以文章通過對鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池三種常見的化學電池進行詳細說明。

一、鎳氫電池技術(shù)

目前在美、日等發(fā)達國家的很多油電混合動力汽車均使用鎳氫(NiMH)電池組。鎳氫電池是由美國人斯坦福發(fā)明，其正極材料是氫氧化鎳(NiOH)，負極則是金屬氫化物，即儲氫合金(MH)，電解液是30%的氫氧化鉀水溶液。這里所謂“儲氫合金”是指具有很強“吸收”氫氣能力的金屬鎳，其單位體積儲氫的密度相當于儲存1 000個大氣壓的高壓氫氣。儲氫合金能穩(wěn)定的儲氣和放氣，其工作原理是利用水的氫離子移動反應(yīng)來獲得電流，這時氫氣在負極上被逐漸消耗掉。其能量密度(電動汽車的續(xù)航能力)與普通的鋰電池差距并不大，約為70～100Wh/kg。

1.外部特征

以豐田普銳斯為代表的很多混合動力汽車均采用此類電池作為儲能元件。第三代普銳斯的動力電池系統(tǒng)由動力電池模組、電池智能控制單元、接線盒、電池采樣線、冷卻風扇等組成，布置在行李箱內(nèi)，位置如圖1所示。

圖1 第三代豐田普銳斯動力電池組安裝位置

鎳氫電池具有不明顯的“記憶效應(yīng)”，所謂電池的“記憶效應(yīng)”是指若電池每次沒有放完電，如只放出40%，那么長期使用后，剩下的60%容量就無法放出，這就大大縮小了電池的儲存電容量，直接影響電池的使用。即電池在循環(huán)充放電過程中容量會出現(xiàn)衰減，而過度充電或放電，都可能加劇電池的容量損耗(鋰電池此項特性幾乎可忽略不計)。因此對于廠商來說，鎳氫電池控制系統(tǒng)在設(shè)定上都會主動避免過度充放電，如將電池的充放電區(qū)間人為控制在總?cè)萘康囊欢ò俜直确秶鷥?nèi)，以降低容量衰減速度。

2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通?；旌蟿恿ζ嚨碾姵亟M可能有一百多塊單體電池組成。帶充電系統(tǒng)的電動汽車電池組含多達數(shù)百個單體電池。第三代普銳斯動力電池組內(nèi)部由電池模組、傳感器、電池管理器、含接觸器的HV接線盒總成、動力電池冷卻風扇(無電刷)、維修開關(guān)等組成，如圖2所示。

圖2 普銳斯動力電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(1)電池模組

鎳氫單體電池的額定電壓為1.2V，通常由六個或十個單體電池構(gòu)成一塊電壓為7.2V或12V的電池模組。豐田普銳斯混合動力車型上就用了這種7.2V一節(jié)的電池，如圖3所示。電容量為6.5Ah，實測每節(jié)外形尺寸為274mm×106mm×20mm，質(zhì)量為1.1kg，有28節(jié)串聯(lián)共計201.6V。每個電池模組均不易泄漏且置于密封殼內(nèi)，更換電池模塊時必須按順序進行，因為該順序存儲在診斷系統(tǒng)內(nèi)用于將來進行分析。電解液吸附在蓄電池電池板內(nèi)，即使發(fā)生碰撞也不容易泄漏。

(2)電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)BMS俗稱為電池保姆或電池管家，主要就是為了智能化管理及維護各個電池模組，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。通過電壓、電流及溫度監(jiān)測等實現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)的過壓、欠壓、過流、過高溫和過低溫保護，繼電器控制、SOC估算、充放電管理、加熱或保溫、均衡控制、故障報警及處理、與其他控制器通信等功能。此外電池管理系統(tǒng)還具有高壓回路絕緣檢測功能以及為動力電池系統(tǒng)加熱功能。

圖3 豐田普銳斯動力電池組的構(gòu)成

(3)傳感器

動力電池組內(nèi)的BMS實時采集各電芯的電壓值、各溫度傳感器的溫度值、電池系統(tǒng)的總電壓值和總電流值及電池系統(tǒng)的絕緣電阻值等數(shù)據(jù)，并根據(jù)BMS中設(shè)定的閥值判定電池系統(tǒng)工作是否正常，對故障實時監(jiān)控。動力電池系統(tǒng)通過BMS使用CAN與整車控制器或充電機之間進行通訊，對動力電池系統(tǒng)進行充放電等綜合管理。

①電壓檢測電路

動力電池組的電壓傳感器能在電池組的多個測量點進行電壓測量，并且比較電池模組不同部分的性能，以確認電池模組有無失去平衡。電壓傳感器測量單個電池的電壓，也測量電池模組或動力電池組的電壓。這使BMS能夠?qū)﹄姵剡M行分段監(jiān)測，每一段的電壓和電量應(yīng)該大致相同。BMS與每個檢測點(通常是被測的單體電池或電池模組的正負極端子)之間通過電壓傳感采樣線相連接。

普銳斯電池管理器在14個位置上監(jiān)視電池模組電壓。各電池模組由2個模塊組成，如圖4所示。當各電池模組電壓低于2.5V時，汽車的顯示屏可能會顯示故障診斷代碼(DTC)，保存在電池管理器中。由于失效保護值的代替，低于2.0V的值可能不會顯示在數(shù)據(jù)表中。

圖4 豐田普銳斯電壓檢測電路

②溫度傳感器

當計算電池組荷電量(SOC)、充放電比功率、動力電池的溫度時使用多個溫度傳感器來監(jiān)測電池溫度。如圖5所示普銳斯動力電池組上面有三個電池溫度傳感器是卡裝結(jié)構(gòu)，小巧的傳感器貼緊在電池表面，十分牢固不會脫落，但不能單獨更換，如有損壞只能更換動力電池總成。

圖5 豐田普銳斯溫度傳感器

③電流傳感器

有許多類型的傳感器，例如互感器或分流器，可被用來測量動力電池組的輸入和輸出總電流。電流傳感器一般都是安裝在靠近電池組的位置，通常是在電池組的密封箱內(nèi)。如圖6所示普銳斯動力電池電流傳感器安裝在動力電池組總成的正極電纜側(cè)，用于檢測流入動力電池組的安培數(shù)。混合動力汽車和純電動汽車通常將動力電池組的電流表示成正或負值，單位為A(例如：42A，-87A)，以顯示電池組處于充電狀態(tài)還是處于放電狀態(tài)。

圖6 豐田普銳斯動力電池組電流傳感器

如圖7所示，普銳斯電池管理器從電流傳感器端將信號電壓輸入端子IB，該電壓與安培數(shù)成比例并在0和5V之間變化。電流傳感器的輸出電壓低于2.5V表示動力電池組正在放電，高于2.5V表示動力電池組正在充電。動力管理控制ECU根據(jù)從電池管理器輸入其端子IB的信號來確定動力電池組的充電和放電安培數(shù)，并通過累計的安培數(shù)計算動力電池組的SOC充電狀態(tài)。

圖7 豐田普銳斯動力電池組電流監(jiān)控原理

④含接觸器的高壓接線盒總成

混合動力汽車或純電動汽車的動力電池組通過高壓繼電器與車輛的變頻器相連，至少一個高壓主繼電器。汽車制造商使用各種術(shù)語來描述高壓主繼電器，有些制造商可能把它們稱為接觸器，工作原理與繼電器相同。通過接觸器接通的功率非常高，接通范圍從五百瓦至幾百千瓦。

豐田普銳斯含接觸器的高壓接線盒總成，如圖8所示。通常包含3個主接觸器：SMRB負責控制高壓供電正極、SMRG負責控制高壓供電負極、SMRP通預充電組一起負責給高壓系統(tǒng)預充電。由于供電初期要對變頻器中的電容充電，如果不加以限制導致充電電流過大，會對高壓部件產(chǎn)生很大的沖擊，因此需要預充電阻對充電電流進行限制。

高壓主接觸器通常具有以下幾個功能：

●汽車上電時(READY UP)，將動力電池組連接到變頻器；

●汽車上電時(READY UP)，監(jiān)控電池組和變頻器之間的高壓電路；

● 允許高壓電流在電池組和變頻器之間流通；

● 驅(qū)動系統(tǒng)被關(guān)閉時，斷開動力電池組與變頻器的連接；

● 車輛緊急停機時，斷開動力電池組與變頻器的連接。

圖8 普銳斯含接觸器的高壓接線盒總成

根據(jù)來自動力管理控制單元(HV ECU)的指令閉合或斷開高壓主接觸器(包括3個SMR和1個預充電電阻器)，如圖9所示。車輛啟動時由HV ECU接收啟動信號后首先閉合SMRP和SMRG，預充電接觸器通過預充電阻，將動力電池組連接到變頻器上，作為高壓系統(tǒng)的一個自檢程序。如果系統(tǒng)的某項自檢沒有通過，預充電繼電器會立即斷開，并生成一個故障診斷代碼(DTC)。動力電池組的電流流經(jīng)預充電阻，以規(guī)定的速率為變頻器電容充電，以連接高壓動力系統(tǒng)，然后閉合SMRB后斷開SMRP。

圖9 高壓主接觸器控制邏輯

如果車輛被斷電(READY OFF)，或者若車輛驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出緊急停機命令，高壓主接觸器將斷開，把動力電池組與高壓供電電路隔開。(未完待續(xù))

(作者吳書龍工作單位：江蘇省無錫汽車工程中等專業(yè)學校)