【干货】新能源汽车动力电池详解

动力电池系统指用来给电动汽车的驱动提供能量的一种能量储存装置，由一个或多个电池包以及电池管理（控制）系统组成。

动力电池组成

动力电池系统由四部分组成：动力电池箱、动力电池组、电池管理系统、辅助元器件。

动力电池系统结构图示

动力电池箱

支撑、固定、包围电池系统的组件，主要包含上盖和下托盘，还有其他辅助器件，如过渡件，护板，螺栓等，动力电池箱有承载及保护动力电池组及电气元件的作用。

动力电池箱的主要功能（1）帮助电池通风散热；（2）使电池绝缘与防水；（3）保护电池免受碰撞碰。

电池箱安装在车辆底板下方，下壳体材质为铸铝或钢板，上壳体材质为玻璃钢，上下壳体之间有密封胶，后侧面设有高压插接器、低压插接器，上方设有维修开关。电池箱密封等级IP67及以上，“6”表示防护灰尘进入，“7”表示在深1m的水中防浸泡30min。

动力电池组

动力电池的作用是接收和储存充电装置的高压直流电，并为电动汽车提供高压直流电。

动力电池的主要组成部分包括电芯、模组和电池包。电芯是电池的基本单元，模组则是将多个电芯按一定方式组装在一起，而电池包则是进一步将多个模组和管理系统集成在一起的完整电池系统。这些组件共同构成了一个完整的动力电池系统，能够满足不同应用场景下的能量需求和性能要求。

电芯：动力电池的最小单体，动力电池系统由许多电池单体组成，每个电池单体通常由正极、负极、隔膜和电解液组成。正极和负极之间的反应通过电解液的离子传输实现，提供了电池的能量，电池单体即电芯，按正极材料来分，主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等。按电芯的结构形状来分，主要分为圆柱电芯和方形电芯以及软包这三种，各自的优缺点也十分明显。在一定程度上，电芯的性能决定了电池模组的性能进而影响整个动力电池系统的性能。

电芯图示

动力电池模组是指动力电池单体经由串并联方式组合并加保护线路板及外壳后，能够直接提供电能的组合体，是组成动力电池系统的次级结构之一。模组是并联的电池单体的组合，该组合额定电压与电池单体的额定电压相等，是电池单体在物理结构和电路连接起来的最小分组，然后多个相同的电池模块再进行串联形成电池模组。

模组图示

在电池的组装过程中，模组可以对电芯起到支撑、固定和保护作用，所以其设计要求需要满足机械强度、电性能、散热性能、故障处理能力四个方面的要求。这些也是评判电池模组优劣的标准。虽然模组有很大的作用，但是它也会占用和消耗一定的空间。组装模组时，需要增加端板、侧板以及用于固定模组的螺钉等紧固件；组装电池包时，需要增加电池管理系统、高低压线束、绝缘板、箱体等结构件，这就导致电池的体积和质量变大，而使电池包的能量密度降低。

电池模组设计需要考虑以下几个方面：

1、电池成组的固定连接方式要根据动力电池系统设计的整体要求对选定好的电芯结构形状进行。

2、电池模块的装配要求松紧度适中，各结构部件具有足够的强度，防止因电池内外部力的作用而发生变形或破坏。

3、电芯及电池模块要有专门的固定装置，结构紧凑且要根据电池箱体的散热情况设置通风散热通道。

4、电池单体之间的导电连接距离尽量短，连接可靠，最好是柔性连接，各导电连接部位的导电能力要满足用电设备的最大过流能力。

5、充分考虑电池串并联高压连接之间的绝缘保护问题，例如绝缘间隙等。

电池包：由多个电池模组串联组成的一个组合体，即可得到电动汽车的动力电池总成。电池组由多个电池模块组成，通常包括电池模块的电气连接、冷却系统、绝缘保护等。电池组是整个动力电池系统的关键组成部分。

电池包图示

动力电池安装位置：电动汽车的动力电池一般位于车辆底部前、后桥及两侧纵梁之间。

安装在此处的有以下好处:

1、能够使其具有较高碰撞安全性2、降低车辆重心，使车辆操控性更好;3、方便拆装操作，避免动力电池分散安装;4、减少动力电池之间高压连接线束的使用，避免线路连接过多的问题，节约成本。

电池管理系统

电池管理系统(Battery Management System，BMS)：监视蓄电池的状态(温度、电压、荷电状态)，可以为蓄电池提供通讯、安全、电芯均衡及管理控制，并提供与应用设备通讯接口的系统。电池管理系统组成：包括硬件和软件，硬件由主控盒BMS、从控盒、高压盒、电压采集线、电流传感器、温度传感器、电池内部CAN总线等组成。软件由监测电压、监测电流、监测温度、监测绝缘电阻、SOC估算等程序组成。主控盒的作用：接收从控盒发来的实时模块电压和模组温度，并计算最大值和最小值；接收高压盒发来的总电压和总电流；通过新能源CAN与VCU、充电机等通信，通过快充CAN与直流充电桩、数据采集终端通信；；控制充放电电流（执行部件是车载充电机、直流快充桩和电机控制器）；控制动力电池加热。从控盒作用：实时监控每个模块电压；实时监测每个模组的温度；监测SCO值；将监测到的数据传送给主控盒。高压盒作用：1、监控动力电池总电压，包括主继电器的内外四个监测点（主正继电器内、主正继电器外、主负继电器内、主负继电器外）；2、监测充放电电流；3、监控高压系统绝缘性；4、监控高压连接情况；5、将监测到的数据传送给主控盒。电池管理系统是连接动力电池和电动汽车的重要纽带，它主要的功能包括：电池物理参数实时监测、电池状态估计、在线诊断与预警、充放电与预充控制均衡管理、热管理等。

1、数据采集

实时采集动力电池中每个电池模块的端电压、充放电电流、电池组总电压及温度等信息，此数据信息是BMS所有算法的输入。

2、电池状态计算

电池状态计算主要包括电池组荷电状态(State ofCharge，SOc)和电池组健康状态(State ofHealth，SOH)两方面。SOC用来提示动力电池组剩余电量，是计算和估计电动汽车续驶里程的基础。SOH是用来提示电池技术状态，预估电池可用寿命等健康状态的参数。容量（SOC）预测功能全程实时计算每节电池和整组容量，并找出容量较低的电池向采集盒发出均衡命令，同时累计单节电池容量。均衡过程中接收采集盒返回的状态信息。能随时给出电池组整个系统的剩余容量。(满足混合动力公交车的SOC要求)，并控制显示屏显示。最大容量检测：>5000AH，精度不高于5%。

3、能量管理

主要包括以电流、电压、温度、SOC和SOH为输入进行充电过程控制，以SOC、SOH和温度等参数为条件进行放电功率控制两个部分。

4、安全管理

监视电池电压、电流、温度是否超过正常范围，防止电池组过充、过放。现在，对于电池组进行整组监控的同时，多数电池管理系统已经发展到对极端单体电池进行过充电、过放电、过热等安全状态管理。

5、通讯功能

通过CAN总线建立BMS与整车控制器、电机控制器、车载充电机及显示仪表之间的通讯。1个CAN-A接口，与采集模块和显示屏通讯（符合BMS内部通讯协议标准）；1个CAN-B接口，与整车通讯（需符合各厂家协议要求）；1个RS232接口，与上位机互动，同时用于下载数据。

6、热管理

动力电池由多个单体锂电池组成，锂电池的最佳工况温度在0~40℃，而动力电池在整车的运行环境温度复杂多变，为了使动力电池包发挥最佳性能和寿命，就需要对其进行热管理，控制电池始终在一个相对适宜的环境温度运行。温度对电池性能和寿命有重要影响。动力电池系统通常配备了温度管理系统，但包括冷却和加热功能，以确保电池在适宜的温度范围内工作。电池加热：温度低于0℃时，锂电池的放电能力就会相应降低。而且温度越低，电池的电离活性越差，就会导致充电效率降低即“充电难，容量低”等问题。电池散热：在环境温度以及动力电池自身的工作特性(工作电流会产生大量热量)的影响下，温度过高，动力电池的容量会衰减，也会增加热失控的风险。

7、均衡控制

由于电池的一致性差异导致电池组的工作状态是由最差电池单体决定的。在电池组各个电池之间设置均衡电路实施均衡控制是为了使各单体电池充放电的工作情况尽量一致，提高整体电池组的工作性能。每个电池都有自己的“个性”。要说均衡，得先从电池谈起。即使是同一厂家同一批次生产的电池，也都有自己的生命周期、自己的“个性”——每个电池的容量不可能完全一致。这种不一致性有两类原因：电芯生产的不一致性；电化学反应的不一致性。

8、保护——故障诊断和报警

BMS监控与电气系统硬件匹配，针对电池的不同表现情况，区分为不同的故障等级（轻微故障、严重故障、致命故障），并且在不同故障等级情况下采取不同的处理措施：警告，限功率或直接切断高压。故障包括数据采集及合理性故障、电气故障(传感器和执行器)、通讯故障及电池状态故障等。

辅助元器件

包括动力电池系统内部的电子电器：主正继电器、预充继电器、预充电阻、主负继电器、高压熔断器、加热继电器、加热熔断器、电流传感器、高压插座、低压插座，还包括密封条、绝缘材料等。 主正继电器：由BMS控制，作用是接通／断开动力电池正极。预充继电器、预充电阻，预充动作发生在充放电初期，闭合预充继电器进行预充，预充完成后断开预充继电器，预充继电器就是控制预充回路的断开、闭合，而预充电阻的作用是限流：由BMS控制，作用是接通／断开动力电池预充正极。预充电阻一般为100Ω，目的是通入小电流，预充电时检测单体电池有无短路；上电时先用小电流给电机控制器和电动压缩机控制器的电容器充电，因为电容器在充电开始时处于短路状态。主负继电器：由整车vcu控制，接通／断开动力电池负极。

继电器图示高压熔断器：作用是防止放电过电流，防止能量回收过电流。内部是银熔断片和石英砂，具有快速熔断的特点，一般规格为250A，500V。直流熔断器不同于交流熔断器，交流电正弦波交替传导，每周波有过零点，此时电量值最低电弧容易熄灭。直流电是恒定电压，当出现短路故障，依靠熔断片迅速熔化以及石英砂扩散吸附和冷却熄灭电弧。带有维修开关的纯电动车，高压熔断器装在维修开关内，方便更换。电流传感器：型式有分流器和霍尔传感器两种，分流器是一个阻值很小的电阻，当有直流电通过电阻时产生电压降，根据欧姆定律，电流＝电压／电阻，就可计算出电流值。霍尔传感器是半导体材料制成的磁电转换器件，高压电缆穿过该器件，电缆周围产生磁场；传感器输入端通入电流，输出端产生与高压电缆电流成比例的霍尔电势，就可计算出电流值。 加热继电器与加热熔断器：适用磷酸铁锂电池，该电池低温充放电性能差，在低温如不加热充电或放电，会降低电池循环寿命，电池温度范围为0～50℃。

动力电池电气原理

动力电池进行充放电等过程，需要各系统间进行通讯及数据处理后，发送相关指令给继电器等执行器进行动作。动力电池模块与直流充电口、交流充电口通过高压线束直接或间接连接，其中BMS与整车控制器(VCU)、车载充电机(OBC)、辅助控制模块(ACM)通过CAN线通讯，当BMS接收到唤醒信号，检测内部电池符合要求，便会控制相关继电器闭合，进行充电、放电等工作。动力电池充电过程，是将外接电源的电能输入电动汽车的动力电池的过程，充电过程需要汽车各系统协调工作。动力电池的充电方式有交流慢充和直流快充两种，交流慢充是电网的交流电经车载充电机整流成高压直流电，再输入到动力电池，直流快充是充电桩输出的高压直流电直接输入到动力电池。慢充电。BMS通过新能源CAN连接VCU、驱动电机控制器、车载充电机、DC/DC控制器、PTC控制器、电动压缩机控制器、诊断接口。早期有的车型BMS通过慢充总线连接车载充电机、数据采集终端。当插上慢充枪，VCU唤醒BMS由睡眠状态转为工作状态，VCU接通电池箱内的主负继电器，BMS先接通预充继电器，再接通主正继电器而断开预充继电器。BMS根据动力电池总电压、模块电压、模组温度，由充电机调节充电电流，慢充电过程需要8～10h（常温25℃，0→100%SOC）。快充电。BMS通过快充CAN连接直流快充桩、RMS数据采集终端、诊断接口。当插上快充枪，BMS将充电需求送给直流快充桩，由直流快充桩调节充电电流，快充电过程需要30～45min（常温 25℃，30%→80%SOC）。

充电过程

在对动力电池进行交流慢充时，一般需要经过三个阶段:预加热、预充、开始充电。充电前预加热从控盒测量每个模块实时温度，反馈给主控盒，如低于设定值，主控盒指令加热继电器闭合，高压电流通过加热熔断器和加热膜。充电前BMS检测箱体内部温度:若有低于设定值的温度点，启用加热模式；闭合加热片，进行加热内循环，待所有电芯温度点高于设定值，停止加热；启动充电程序后，过程中出现加热片温度差高于某一设定值，则间接停止加热，待加热温度差低于某一设定值，则重启加热片。（1）慢充加热回路：交流充电桩→车载充电机→高压盒＋→加热继电器触点→加热膜→加热熔断器→高压盒－→车载充电机→交流充电桩。（2）快充加热回路：直流充电桩→高压盒＋→升加热继电器触点→加热膜→加热熔断器→高压盒→升直流充电桩。预充动力电池慢充充电时，由于需要与车载充电机构成充电回路，因此首先由BMS闭合预充继电器和负继电器进行短暂的预充电，目的是为了给车载充电机内部的电容进行充电，防止因瞬间电流过大而损坏。（1）慢充预充电回路：交流充电桩一车载充电机一高压+一预充继电器触点-预充电阻一电池模组一维修开关(内有熔断器)一电池模组一电流传感器→主负继电器触点一高压-→车载充电机→交流充电桩。（2）快充预充电，是由直流充电桩提供电源。 开始充电预充完成后，预充继电器断开，高压正极继电器替代预充继电器闭合，动力电池内部高压回路与外部车载充电机高压回路接通，开始充电。（1）慢充回路：交流充电桩→车载充电机→高压+→主正继电器触点→电池模组→维修开关（内有熔断器）→电池模组→电流传感器→主负继电器触点→高压－→车载充电机－交流充电桩。（2）快充回路：直流充电桩→高压＋→主正继电器触点→电池模组→维修开关（内有熔断器）→电池模组→电流传感器→主负继电器触点→高压－→直流充电桩

放电过程

动力电池放电过程需要经过两个阶段：预充电和放电。预充电放电过程也需要进行预充，此时动力电池对各高压部件内的电容进行充电;BMS系统对动力电池内部电芯的电压、温度及母线的绝缘检测合格后，动力电池控制器才接通预充继电器，这时车载动力电池为外部负载所有电容器进行充电，当充电电压与动力电池电压差值小于一定的比例时，预充结束。放电系统控制正极继电器闭合，对外负载上电，正极继电器闭合10ms后预充继电器断开，仪表显示OK或Ready，上电结束，动力电池对外输出电能，开始放电。放电时，动力电池放电内部回路: 动力电池组→正极继电器→高压控制盒→负极继电器→动力电池组。

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