电动汽车电池系统介绍

电动汽车设计是一个复杂的概念。以下是每辆电动汽车的：电池。

任何电动汽车 （EV） 的基本部件都是电池。电池的设计必须满足车辆使用的电机和充电系统的要求。

这包括物理限制，例如在车身内进行有效包装以限度地提高容量。作为 EV 重量的主要贡献者，设计师还必须考虑电池在车辆内的位置，因为它们会影响电源效率和车辆操控特性（这通常是为什么您经常会看到电池放置在车辆底板下方的原因） 。

以下是 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。

EV 电池规格：电压和容量

电动汽车电池通常由数百个以串联/并联配置排列的小型独立电池组成，以在终电池组中实现所需的电压和容量。一个普通电池组由 18-30 个串联的并联电池块组成，以达到所需的电压。例如，标称电压为 400V 的电池组通常有大约 96 个串联块（如 Tesla Model 3）。

当前车辆中常见的标称电池组电压范围为混合动力/插电式混合动力车辆的 100V-200V 和纯电动车辆的 400V 至 800V 甚至更高。这样做的原因是更高的电压允许在相同直径（和质量）的铜电缆上以更少的损耗传输更多的功率。

具有串联的单个电池的示例 EV 电池系统。

更高电压的缺点包括在整个系统中需要更高额定电压的组件。如果不在车载充电器中加入某种类型的 DC-DC 升压转换器，它们还会阻止使用较低电压的 DC 快速充电站的能力。

另一方面，常见的电池容量范围如下：

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100千瓦时或以上。

EV 电池的安全性：接触器（和 Pyro 保险丝）

电池在设计方面以及其中存在的高电压方面对安全性提出了多项挑战。

保险丝存在于输出连接器之前的电池组内部，通常位于正极和负极侧。称为接触器的特殊大电流密封继电器将内部保险丝连接到电池本身。

一系列松下EV继电器/直流接触器（左）和接触器的结构分解图。图片来自松下

接触器具有牺牲触点等功能，可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，用于检测内部焊接，如果接触器在大电流通过时有意或无意打开，则可能会发生这种情况。

接触器线圈供电通常通过 HVIL 或高压互锁回路，该回路与高压电缆（通常包含在每个连接器中）一起绕过系统中的所有高压组件，这样接触器就无法接收电源关闭，除非所有高压连接都牢固地插入电池。

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流入系统。这限制了进入系统中所有大电容器的浪涌电流，并允许电池管理系统在大电流路径完成之前检测短路。

持续监测隔离，通常是在主接触器的两侧，如果从高压系统任一侧到底盘的隔离下降到每伏 500 欧姆以下，就会发生故障。

特斯拉还在他们的 Model 3 和更新的电池组中加入了一种新的安全装置，称为热熔丝。如果接触器被焊接，这个装置可以被一个小的烟火炸药炸开，这使得他们可以使用不太坚固的接触器。放电电阻器和接触器有时会跨接在电池输出端，以允许系统在关机后主动放电至安全电压。

EV 电池监控 PCB

电池的电池块需要受到监控并保持平衡，电池组中包含专门的电路板来执行此任务。这些电路板必须包括一个隔离的通信接口，因为每块电路板的接地参考相互之间以及与主 BMS（电池管理系统）的接地参考电压将相差数百伏。

这些板监控每个块的电压和温度以及块之间互连的温度。它们还包含一小组电阻器来执行平衡任务。

电池组内的电池块之间的电压必须保持在几毫伏以内，以允许功率传入和传出电池组。由于电池制造的自然差异，一些块的充电或放电速度会比其他块稍快。为了解决这个问题，在充电期间，会执行平衡，从电压块中消耗少量功率，使它们靠近其他块。

这些块监控板还为电池组提供额外的安全功能，可以非常地监控电池组内的电池和互连点的温度。例如，在电池损坏的情况下，这意味着可以在严重损坏甚至可能发生火灾之前引发故障。

电池管理系统 （BMS）

，电池管理系统，或众所周知的 BMS，负责管理监视和控制电池组各个方面的任务。

电流分流器向 BMS 各种信息，包括传入和传出电池组的总电荷。接触器前后的电压测量允许监测电池组系统电压。接触器控制和经济器电路管理接触器闭合并在触点吸合后化通过线圈的静态电流。

BMS 还与块管理板保持持续通信，以监控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

监控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。

系统和电池组隔离也受到持续监控，并且可以合并其他潜在的冗余安全功能。BMS 还向车辆的其余部分公开了一个通信接口——通常通过汽车以太网或CAN 总线——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限制，包装健康状态和充电状态，并在接触器必须打开时通知其他系统，以便理想情况下它们可以在没有负载的情况下打开。