电动汽车电池系统简介

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，例如车体内的有效包装以限度地提高容量。作为电动汽车重量的主要影响因素，设计人员还必须考虑电池在车辆内的放置位置，因为它会影响功率效率和车辆操控特性（这通常就是您经常看到电池放置在车辆底板下方的原因）。

以下概述了电动汽车电池设计中涉及的一些规格、安全注意事项和管理系统。

电动汽车电池规格：电压和容量

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

当前车辆中混合动力/插电式混合动力汽车的常见标称电池组电压范围为 100 V-200 V，纯电动汽车的标称电池组电压范围为 400 V 至 800 V 甚至更高。其原因是更高的电压允许在相同直径（和质量）的铜电缆上传输更多的功率，同时损失更少。

具有串联单个电池的电动汽车电池系统示例。

较高电压的缺点包括整个系统中需要更高额定电压的组件。它们还阻止使用较低电压的直流快速充电站，而不在车载充电器中加入某种类型的直流-直流升压转换器。

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。
电动汽车电池的安全性：接触器（和高温保险丝）
电池在设计以及电池内部存在的高电压方面面临着多重安全挑战。

保险丝位于电池组内部输出连接器之前，通常位于正极和负极侧。称为接触器的特殊高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）和接触器结构分解。图片由松下提供　

接触器具有牺牲触点等功能，以防止由于触点点蚀而导致电阻增加。它们还经常包含一个辅助触点来检测内部焊接，如果接触器在大电流通过时有意或无意地打开，则可能会发生内部焊接。

接触器线圈电源通常通过 HVIL（或高压互锁环路），该环路沿着高压电缆（通常合并到每个连接器中）沿着系统中的所有高压组件进行环路。因此，除非所有高压连接都牢固地插入电池，否则接触器无法接收电源来闭合。

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高电流路径完成之前检测到短路。

通常在主接触器的两侧对隔离进行持续监控。如果高压系统任一侧与底盘的隔离降至每伏 500 欧姆以下，就会发生故障。

Tesla 还在其 Model 3 和更新的电池组中加入了一种新的安全装置，称为热熔保险丝。如果接触器被焊接，该设备可能会被少量的烟火炸药炸开，这使得它们可以使用不太坚固的接触器。有时，电池的输出端会包含放电电阻器和接触器，以允许系统在关闭后主动放电至安全电压。

电动汽车电池监控 PCB

电池组的电池需要进行监控并保持平衡，电池组中包含专门的电路板来执行此任务。这些板必须包括一个隔离的通信接口，因为每个板的接地参考彼此之间以及与主电池管理系统之间都有数百伏的差异。

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

电池组内的电池块彼此之间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，某些模块的充电或放电速度会比其他模块稍快。为了解决这个问题，在充电过程中会执行平衡，从电压块消耗少量电力，以使它们靠近其他块。

这些块监控板还为电池组提供了额外的安全功能。它们可以非常地监控电池组内的电池和互连点的温度。如果电池损坏，这意味着可以在严重损坏甚至可能发生火灾之前出现故障。

电池管理系统

电池管理系统（通常称为 BMS）负责管理和控制电池组的各个方面。

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。接触器之前和之后的电压测量可以监控电池组系统电压。接触器控制和节能器电路管理接触器闭合，并在触点吸合后限度地减少通过线圈的静态电流。

BMS 还与区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。图片由德州仪器 (TI)提供

监控整个系统和连接器温度，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会受到持续监控，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提供通信接口（通常通过汽车以太网或 CAN 总线），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。