高压电池包类型、结构和原理

通过本课程的学习，达到下述课程目标：
了解锂离子电池的原理、种类和优点
重点掌握e550高压电池包的组成、各元件的作用、高压互锁回路
能描述其他PHEV动力电池的主要特点
重点掌握E50高压电池包的组成、各元件的作用
掌握Marvel和Ei5MCE高压电池包的结构与主要特点
熟悉各上汽新能源车型高压电池包的参数
了解典型高压电池包的故障诊断思路
1.锂离子电池介绍
1.1 主流二次电池比较
可充电的电池叫二次电池。

二次电池能够反复运用。

二次电池的种类也不少，就目前市场上主流产品而言，有4类电池：铅酸（LA）电池、镍镉（NiCd）电池、镍氢（NiMH）电池和锂离子（Li-ion ）电池。

电池类型工作电压
（V）质量比能量
（Wh/kg）
体积比能量
（Wh/L）循环次数
记忆
效应
自放电率
（%/月）
铅酸 2.0--400-600无3镍镉 1.250150400-500有25镍氢 1.260-80240-300＞500无20三元锂离子 3.7120-140300＞1000无10铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池特性的比较
1.2 锂离子电池原理
锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正极的二次电池。

电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路径不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。

以LiC o O2体系的锂离子二次电池为例说明其工作原理。

一般，锂离子二次电池是由正极、电解液、隔膜以及负极构成。

●充电时，正极中的锂离子从LiCoO2层状结构中脱出，C O元素的化合价由+Ⅲ升高到+Ⅳ，正极材料发生氧化反应，同时锂离子经过电解液迁移到电池的负极，在负极碳材料的层状结构内和碳化合生成LiC X。

●隔膜位于正负反应电极之间，隔膜可以透过离子，但却不允许电子透过，同时当电池正负极发生一定程度的微短路时，隔膜还起到阻断保护作用。

1.3 锂离子动力电池类型
1、按锂离子电池外形分类
方形电池占据市场主流，方形只要是EV 乘用车和客车领域，软包集中在乘用车市场，圆柱EV 专用车和客车。

荣威750混合动力使用圆柱电芯，e550/ei6等车型都使用软包装方形电芯，ERX5/Ei5/Marvel X 等车型都使用方型硬包装电芯。

2、按锂离子电池正极的材料不同分类
●钴酸锂电池
●锰酸锂电池
●磷酸铁锂电池
●镍酸锂电池名称圆柱电芯（Cylindrical ）软包电芯（Pouch ）方型硬壳电芯（VDA ）
仅特斯拉使用
适合于PHEV/HEV 产品适合于EV 产品优势
规模产品，价格优势比能量高，成本有优势集成方便，易于平台化劣势
集成难度大，效率低，管理系统复杂不易集成成本相对较高代表企业松下LG 、万向（A123）三星、CATL
●三元（镍钴锰/铝）电池
目前使用较多的锂动力电池有以下几类，以正极材料为划分依据。

上汽荣威MG新能源汽车电池：
●早起E50、e550使用磷酸铁锂
●目前在产的ei6、ERX5、Marvel X等所有车型都为三元锂。

3、各种锂离子电池
技术性能对比
材料类别钴酸锂锰酸锂镍钴锰酸锂磷酸铁锂克容量155mAh/g110mAh/g150mAh/g135mAh/g
电芯电压 3.7V 3.7V 3.7V 3.7V
循环寿命500-300-1000+3000+
高温性能较好较差较好较好
低温性能较好较好较好较差
安全性能最差较好一般非常好
价格最高最低较高一般
比能量最高较高较高稍低
1.4 英文缩写
LFP-磷酸铁锂电池LV-低压电
NCM-镍钴锰三元锂离子电池HV-高电压
Cell-电芯（电池单体）BMS-电池控制模块Module-模组（模块）CSM-电流采集模块
Pack-电池包MBB-监控均衡板（也叫CMU）SOC-荷电状态EDM-电气分配单元（继电器组）SOH-健康状态PHEV-插电混合动力汽车HVIL-高压互锁EV-纯电动汽车
ESS-能量存储系统（高压电池包）OBC-车载充电器
VCU-整车控制模块CAN-控制器局域网络
1.5 常用参数含义
●额定容量：是指在一定的放电条件下可以从电池获得的电量，单位用Ah表示。

IP24用的A123电芯额定容量是20Ah，电池的总容量为40Ah。

在我国的国家标准中，用3h放电率容量（C3）来定义电动汽车用蓄电池的额定容量，用20h放电率容量（C20）来定义汽车用起动型蓄电池的额定容量。

●充（放）电倍率：是指电池在规定的时间内充满或放出其额定容量时所需要的的电流值，它在数据值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母C表示。

如电池的标称额定容量为40Ah为
1C（1倍率），20Ah则为0.5C，80Ah为2C（2倍率）。

●电池能量：电池在一定放电条件下，对外作功所能输出的电能，单位一般用Wh或KWh表示。

电池能量等于电压与容量的乘积。

例如：Ei5的电池容量100Ah，电池额定电压30V，电池能量
=100Ah*350V=35KWh=35度电
●放电深度：蓄电池的放电深度DOD（Depth of Discharge）
在数值上等于蓄电池已放出的量与蓄电池额定容量的比值，用于描述蓄电池在放电过程中所达到的放电深度。

●循环寿命：电池经历一次充放电称为一个周期或一次循环，电池在反复充放电后，容量会逐渐下降。

在一定的放电条件下，电池容量将至80%时，电池所经受的循环次数就是循环寿命。

●荷电状态：荷电状态（SOC）是电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。

反映电池容量的变化。

SOC=100%即表示电池充满状态。

一般电池放电高效率区为50%-80%SOC。

●比能量：比能量是指电池单位质量所能输出的电能，单位是Wh/kg。

常用比能量来比较不同的电池系统。

电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平。

电池的比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，是评价电动汽车的动力电池是否满足预定的续驶里程的重要指标。

●比功率：是指蓄电池单位质量所能输出的功率，单位为W/kg 或KWh/kg。

蓄电池的比功率越大，汽车的加速和爬坡性能就约好，最高车速也越高。

放电截止电压：指电池充满电后进行放电，放完电时达到的电压（若继续放电则为过度放电，对电池的寿命和性能有损伤）。

开路电压工作电压放电截止电压充电限制电压铅酸电池 2.1-2.2V 2.0V 1.7V 2.3V
铁板镉电池 1.4V 1.2V 1.0V
镍氢电池 1.4V 1.2V 1.0V
锂电池 4.1-4.2V 3.6-3.7V26-2.7 4.2-4.3V
1.6 与其他几款典型车辆电池比较
各类锂电池及其代表车型数据
车型特斯拉ModelS 普锐斯第三代通用
沃兰达比亚迪E6日产聆风MarvelX 正极材料三元锰酸锂三元磷酸铁锂锰酸锂三元电池供应商松下松下LG 600170CATL 电池质量（kg ）500801806024380电池能量（KWh ）85 4.416602452.5续航里程（Km ）426206230016040/370（四驱）能量密度（wh/kg ）
200
90
140
100
160
145
1.7荣威EV 车辆电池参数比较（仅供参考）
从图表中电池能量密度、百公里能耗等关键参数，可以看出电池水平的不断提升！
车型
电池类型
标称电压（V ）总容
量
（Ah ）
总能量（Kwh ）电芯排列能量密度（wh/kg ）电池
包重
量
（kg ）
冷却类型
最大续航里程（km ）
NEDC 综合续航里程（km ）
整备重量（kg ）最大车速（km/h ）0-100k m/h 加速
（s ）百公里能耗（kwh /100k m ）
E50三元锂30060183并93串117230水冷18014010801301612.8ERX5三元锂35014048.31并96串144.26367自然425320*********.515.49Ei5三元锂350
100
35
1并96串140.7
265
自然401
301
1420145
11.5
12.2
Marv el X 两驱三元锂
35015052.51并96串
145.76380自然
5004031759
1707.814.2
Marv el X 四驱三元锂
35015052.5
1并96串
145.76380
自然
500370
1870
170 4.814.2
Ei5M CE （个人版）
三元锂
35015052.5
1并96串
151.1362
水冷
570420
1555
15011.913.2
2.e550高压电池包
2.1e550电池包参数
参数高压电池包（A123电芯）高压电池包（LG电芯）可用能量11.8Kwh11.7Kwh
总容量40Ah33.1Ah
额定电压297Vdc355Vdc
防护等级IP67IP67
电池排列方式2并92串（184Cells）1并96串（96Cells）单体电芯额定电压 3.2 3.7V
2.2e550高压电池包系统布置图（A123）
1.高压电池模块
2.低压线束
3.电气分配模块（EDM）
4.保险丝座
5.电流采集模块（CSM）
6.水温传感器
7.进出水管
8.高压连接器
9.高压电池包泄压阀10.电池控制模块（BMS）11.手动维修开关底座12.手动维修开关（MSD）13.冷却板14.高压电池包托盘15.监控均衡板（MBB）16.密封圈17.高压电池包上盖
2.3 e550高压电池包结构（A123）
1.电池模块：包含M1-M4共4个电池模块
2.电池控制器（BNS）：汇总内部控制器采集的电池信息，通过一定的控制策略，向整车控制器提供电池运行状态的信息，响应整车高压回路通断命令，实现对电池的充放电和热管理
3.电流采集模块（CSM:Current Sense Module）：实现电流检测、各高压点电压监测、绝缘检测，与监控均衡板（MBB）通讯等功能
4.电气分配单元（EDM：Electrical Distribution Module）：共四个继电器，实现各个高压回路的控制
5.高低压线束及连接器
6.冷却系统附件：冷却板和冷却管路等
7.外壳
2.3 e550高压电池包结构（A123）
托盘和冷却水板低压线束
2个保险丝高压线束
水温传感器液位传感器（后期取消）
2.4 e550高压互锁回路总图
回路1：当收到维修开关拔出后，或惯性开关动作（触点断开），BMS系统会立即断开电池内部高压继电器，切断电池高压输出。

回路2（整车）：任何一个插件未能插好，BMS系统会立即报警，并断开电池高压输出。

其中，整车（发动机舱）还有多个互锁开关，串联在BY088-6和BY088-9之间。

回路3：第三天HVIL回路仅与车载充电器相关。

如果插件未能插好，BMS系统也会立即报警，车载充电器不会工作，但车辆高压可以上电和挂挡行驶。

高压电池包ESS
2.5 e550高压电池包内部接线图（A123）
预充电接触器工作原理：
上电时，BMS先控制预充电接触器工作，然后高压正极接触器工作。

高压正极接触器工作后，预充电继电器停止工作。

它的作用是：PEB中有电容，预充电继电器主回路串联15Ω的电阻，减小电容充电的电流，避免电路和电气元件损坏。

2.6 e550电池模块结构(A123)
1.电池模块和电芯
以电池模块M4为例。

电池模块标识23S2P含义：每组两个电芯并联，23组电芯串联。

每个电芯的负极都有保险丝，提供电芯级别保护。

2.监控均衡板（MBB）
每个电池模块两侧各有一个MBB，也叫CMU。

电池模块正极
侧MBB负责11个电芯电压的监测，母连接器为黑色。

负极侧MBB负责12个电芯电压的监测，母连接器为灰色。

更换MBB，需要使用VDS进行刷新操作（高压电池包装车前）。

8个MBB为串联关系，通过内部CAN与BMS、CSM模块进行通讯。

2.7 LG高压电池包区别
●CSM集成在BMS中●共3个电池模块
2.8 e550高压电池系统控制图
3.PHEV动力电池比较
3.1 各PHEV车型动力电池参数汇总
e550
（A123电芯）
e550
（LG电芯）
e950
（LG/CATL）
eRX5
（LG/CATL）
ei6
（LG电芯/A123）
电芯类型碳酸铁锂三元锂
（NCM）三元锂（NCM）
三元锂
（NCM）三元锂（NCM）
可用能量11.8kwh11.7kwh11.7/12kwh11.8/12kwh
（总能量）9.2/9.1kwh 总容量40Ah33.1Ah33.1/37Ah33.1/37Ah25.9Ah
额定电压297V355Vd355.2/329V355/329V355V
防护等级IP67IP67IP67IP67IP67
电池排列2并92串1并96串1并96串/90串1并90串1并96串单体电芯额定
电压 3.2V 3.7V 3.7/3.65V 3.7/3.65V 3.7/3.65V 冷却方式水冷水冷水冷水冷水冷
综合工况纯电
续航里程58km60km60km60km53km 3.2 E950/eRX5动力电池特点
电池模块：采用了LG电芯和CATL电芯（三元锂离子）两种方案，其中阿里版车型只采用了CATL这一种电芯方案。

LG电芯包含8个模块，CATL电芯包含6个模块。

3.3 ei6/eMG6动力电池特点
电池模块：LG电芯，包含6组串联的模块（M10M6），已不再使用
A123电芯，包含4组串联的模块（M1-M4）
电气分配单元（EDM）
继电器模块还有预充功能和电流冗余检测功能
磁环及电容
电池包内共有三个磁环和一个电容，用于提高电池管理系统（BMS）的电磁兼容（EMC）性能
3.3 ei6/eMG6动力电池特点
1. 高压电池包上盖
2.手动维修开关底座
3.手动维修开关
4.电池管理系统（BMS）
5.低压线束
6.继电器模块
7.泄压阀8.接插件端板9.水温传感器
10.高压电池包托盘11.冷却水管12.冷却板
13.高压电池包密封条14.Y向电容15.高压线束
16.电池模组17.磁环18.高压电池包保险丝盒
3.4 ei6/eMG6高压互锁回路
高压互锁回路共分3路，即手动维修开关一路、车载充电器一路和发动机舱（整车）一路。

其他新能源车型高压互锁回路与e550类似。

1.高压互锁回路1（手动维修开关）
●e550和E50有惯性开关，惯性开关与手动维修开关的互锁开关串联。

●ei6、e950、eRX5、Ei5、ERX5车辆则没有惯性开关。

●互锁回路信号为12V。

2.高压互锁回路2（车载充电器）
●e550、E50、ERX5、Ei5单独一路。

●ei6、eMG6、e950、eRX5在手动维修开关旁有单独的保险丝盒（电动压缩机保险丝30A、车载充电器保险20A）。

该保险丝盒也有高压互锁开关，与车载充电器的高压互锁开关串联。

●如果断开高压互锁回路2，车辆可以启动和行驶。

3.5 ei6/eMG6高压电池系统控制图
4. E50高压电池包
4.1 E50电池包参数
E50E50MCE（2016款）最大/综合续航里程180km/120km220km/170km 电芯A123（碳酸铁锂）LG（三元锂）
总能量18kwh22.4
可用能量16kwh85%
总容量60Ah77.7Ah
防护等级IP67IP67
电池排列方式93S3P78S3P
总电压范围232.5V-334.8V234-319
单体电池容量20Ah25.9Ah
4.2 E50电池包组成电池包俯视图
E50电池包组成
4.2 E50电池包组成
1.电池模块：包含5个模块，其中3个模块（27S3P），2小模块（6S3P）。

大电池模块90V，小电池模块20V（实际上小模块由两个单独模块串联，每个最小的模块为10V），5个电池模块为串联关系
2.手动维修开关（MSD）
3.电池控制模块（BMS）
4.电气分配模块（EDM）：通过不同高压继电器的通断，共有5个继电器
5.电流采集模量（CSM）：实现电流检测和绝缘检测等功能。

6.电池采集和均衡模块（MBB或CMU）：实现电池电压和温度采集，电池均衡功能；每个大模块由2个电池采集和均衡模块管理，每个小模块由1个电池采集和均衡模块管理
7.高低压线束及接插件
8.冷却系统附件：冷却板和冷却管路等
9.外壳
4.3 E50电池包内部结构图（A123）
1.主继电器（高压供电或快充/慢充正极）
2.供电负极继电器
3.快充负极继电器
4.预充电继电器
5.慢充负极继电器
6.供电正极电缆电流传感器
4.4 E50电池系统控制图
5. Marvel X高压电池包
5.1 Marvel X高压电池包参数
额定能量52.5kwh
标称容量150Ah
防护等级IP67
额定电压350V
总电压范围268.8V-412V
重量约380Kg
电芯排列方式1并96串（三元锂电芯）
电芯厂商CATL
5.2 Marvel X高压电池包组成
1.高压电池包连接器说明
1.车载充电高压连接器
2.整车高压连接器/整车快充连接器
3.充电低压连接器
4.整车低压连接器
5.泄压阀
6.手动维修开关
2. 电池模块：电池包共包含24个模块，每个模块包含4节电芯。

黑色主电池模块上面装有CMU，12个CMU之间串联，信号传递给BMS。

灰色从电池模块将电压、温度、电量等信息传递给主电池模块。

3.电池管理模块（BMS）
除控制功能外，具有高压绝缘监测功能。

4.电容
说明:电容连接在主正和供电负之间，用于屏蔽PEB对电池包的高频影响。

5.电气分配模块（EDM）
它通过主正、主负、快充、慢充和预充共5个继电器控制电池包所有的高压电路输出，还具有电流冗余检测功能。

说明：
●两个电阻用于继电器黏连检测
●电容用于PEB对电池包的高频影响
6.Ei5 MCE高压电池包
6.1 Ei5 MCE高压电池包参数
参数MY18MCE出租版MCE个人版额定能量，kwh3550.852.5
标称容量，Ah100145150
防护等级IP67IP67IP67
额定电压，V350350350
总电压范围，V268-412268.8-412.8268.8-412.8重量，kg265359362
电芯排列方式1并96串1并96串1并96串综合续航里程301400420
60KM/H等速401540570
6.2 Ei MCE高压电池包（个人版）外部连接器
1.出水口
2.进水口
3.整车低压连接器
4.整车高压连接器
5.充电高压连接器
6.手动维修开关
7.泄压阀
6.3 Ei5 MCE高压电池包（个人版）
1.电池模块：共24个，每个模块含4个电芯
2.电池管理系统（BMS）
3.电气分配单元（EDM）
4.高低压线束及接插件
5.手动维修开关（MSD）：小型，无保险丝
6.冷却系统：通过水冷的方式控制电池在各
种工况下，工作在合适的温度范围
7.外壳
6.3 Ei5 MCE高压电池包组成（个人版）电气分配单元结构
共含4个继电器，无慢充负极继电器。

电气分配单元反面图
6.4 Ei5 MCE高压电池包
每个电池模块包括4个电芯。

每个电池模块上部有一个MBB。

监控均衡板也叫CMU，负责4个电芯电压的监测。

MBB连接器其中两根和BMS通讯，剩余两根和下一个MBB连接，依次把剩余MBB全部串联，最后一个MBB两根线。

6.5 Ei5 MCE高压电池包内部接线图（个人版）
7. 高压电池包典型案例分析
案例1
C03xx-IP24（AT）-2013-15S4U-NE-P0A0D
故障现象：
混动警告灯亮，无法高压上电。

维修经过：
1）读DTC，HCU报P1AF6-高压互锁故障（下电）、BMS报
P0A0D-整车高压互锁回路故障（高）；
2）测量BY088插件（线束端）6#和9#之间的阻值为1.7欧，短接BY088接插件6#和9#后故障依旧；
3）电池包开盖，电阻档逐段测量互锁线路（高压接插件接上状态），发现主高压接插件互锁短路。

解决方案：
更换主高压接插件插座。

案例小结：
1）按照国际要求，所有高压接插件中设有高压互锁。

从下图可以了解高压互锁A的回路，从BMS-ACP-PEB-整车-BMS 回路中（红色箭头），任意一点开路都将报高压互锁故障。

2）电池包每一对高压接插件中都有互锁触点（或断路销），如触点接触不良，亦会造成互锁故障。

案例2
C03xx-IP24(AT)-2013-15S4U-NE-P0A95
故障现象：
行驶中混动警告灯亮；故障间歇性出现，在大电流输出时容易复现。

维修经过：
1）读DTC，BMS报P0A95-高压主回路保险丝故障；
2）检测MSD安装（手动维修开关）及内部保险丝均正常；尝试倒换MSD后故障扔可复现。

3）电池包开盖，用万用表测量1#和2#模块的电压为151V；3#和4#模块的电压为150.7V。

4）进一步拆检发现MSD插座处的高压采用线束的螺帽没有紧固到位，且采样线束在大电流作用下有轻微烧蚀，导致个别工况下电压采样异常引发故障。

解决方案：
更换MSD底座、高压采样线束和高压线。

案例小结：
1）csm_fuse_ls和csm_fuse_hs两个压差超过10V以上会报该故障。

2）维修电池包时，务必按照维修手册规定的扭矩进行拧紧，并进行二次确认。

应避免因修不当而导致的衍生故障。

案例3
C03xx-IP24(AT)-2015-15S4U-NE-P0AA7
故障现象：
混动警告灯亮，仪表提升动力电池故障。

维修经过：
1）读DTC，BMS报P0AA7-高压绝缘检测硬件故障；2）读BMS实时数据绝缘电阻数据正常；
解决方案：
更换CSM后故障排除。

案例小结：
此类问题，后期的BMS标定可以修复该故障。

案例4
C03xx-IP24(AT)-2013-15S4U-NE-P0AD9
故障现象：
混动警告灯和动力电池故障灯亮，无法高压上电。

维修经过：
1）读DTC，BMS报P0AD9-主正继电器控制回路开路；
2）电池包开盖，主正接触器无法用12V电源单独闭合；
3）测量主正接触器线圈阻值是7兆欧，异常；
4）更换EDM后故障排除
解决方案：
更换EDM。

案例小结：
1）针对IP24车型，主正、主负接触器线圈正常阻值为3欧姆左右；预充、慢充接触器线圈阻值为25欧姆左右。

注：常温下测量。

2）针对IP24MCE车型，因EDM增加一个电容，上述测量方法不适用与IP24MCE车型。

下图左为IP24车型EDM；右图为IP24MCE车型的EDM。