第九节　日产Leaf纯电动车、三菱纯电动汽车

一、蓄电池组装于车身中部位

蓄电池组安装的最安全部位在车架的两纵梁之间和后桥之前、前桥之后，在很大程度上可减轻或防止来自前、后、左、右方向的碰撞造成的损伤。

FSV车的蓄电池组最初设计呈T字形，配置于后桥上2个车轮之间和排气管通道之间。后经仿真碰撞试验证明，电池组在碰撞时，可能受损，于是将其改为I字形，置于排气管通道位置。从而满足了车架的“两纵梁之间和后桥之前、前桥之后”的要求，如图2-95所示。

日产Leaf纯电动车的总体布置同样遵循“蓄电池组安装在车架的两纵梁之间和后桥之前、前桥之后”这一原则，如图2-96所示。

比亚迪E6蓄电池组的安装部位，如果也能满足上述原则，即使发生后撞，那么最先遭受撞击的是后保险杠—车架—备胎，其次是带车轮的后桥，冲击能量遭到很大削减后，才会传到蓄电池组。因此E6即使遭到撞击起火，由于时间短，有机电解液泄漏量不多，也不至于在数秒时间内产生熊熊大火，致使乘客座舱内的乘员无法逃离。

二、高压电力系统的安全防护

众所周知，人体安全电压值为36V。高电压是指直流电的工作电压值为60～1500V；交流电的工作电压值为30～1000V。高压电力系统是指工作电压值在上述范围内的高压电部件和电力线束以及插接件。纯电动汽车和混合动力汽车的电力驱动系统的工作电压，直流电的电压值普遍超过300V，交流电的工作电压则达345～800V，这就是说纯电动汽车驱动系统的电力系统是高压电力系统。

1.直接接触保护

在纯电动汽车中，乘员直接触及蓄电池组和其他高压电力系统的部件（包括DC/DC升压器、DC/AC逆变器、主线束/高压绝缘屏蔽电力电缆以及插接件）会导致触电，因此它们均需具有保护外套/障壁（包括橡胶绝缘、金属网屏障及塑料封闭外壳等）防护，避免乘员直接触及。最为重要的是，上述保护装置不得在未使用工具的情况下被打开、拆开或移除。而确认检验部位是否符合直接接触防护的做法，是用各类试验探头和试验探针来确定的。

2.间接接触保护

电绝缘的高压电路（包括动力蓄电池组、高压电部件和高压电力主线束以及插接件）在正常情况下，它们都是由障壁、保护外套、保护罩隔离的，车辆乘员触及不到它们。可是在电绝缘的高压电路由于故障，如发生碰撞或是由于某种外来冲击，使上述外套、护罩所保护的带电体漏电时，那些高压电部件会与车身间产生危险的电位差。为此必须将障壁、护套或护罩的裸露部分连接到低阻抗的带电底盘/车身，以使它们具有相同电位。因为与人体相比，带电的底盘/车身与高压部件间的电阻要低得多，所以几乎没有电流通过人体。三菱i-MiEV纯电动汽车的车载动力蓄电池组与底盘/车身就是连接在一起的，如图2-97所示。

为确保间接接触保护性能，当电流大于0.2A时，所有外露可导电部件与车身/底盘之间电阻值必须低于0.1Ω。

为满足直接接触保护和间接接触保护要求，三菱i-MiEV牌纯电动汽车的高压电力系统安全措施整车结构如图2-98所示。

3.确保绝缘阻抗

由于动量转换装置或其他电气装置的影响，使高压电路与带电底盘/车身（电路系统参考电位）间无法完全断开。为确保乘员安全，必须确保高压电力系统与车身之间绝缘阻抗大于法规值，即对于直流电源的电力主线束处于工作电压时应至少为100Ω/V（如三菱i-MiEV纯电动汽车的驱动电池组额定电压为330V，因此其绝缘电阻必须超过33kΩ）；对于交流电源的电力主线束处于工作电压时则至少为500Ω/V。

不论是直接接触导致的乘员触电，还是间接接触导致的乘员触电，乘员的人体都必须被防护，所以在纯电动汽车上必须设置漏电检测系统。当人体与高压电力系统中的部件存在电位差，可能形成闭合回路时，就会危及乘员的人身安全。所以必须避免形成上述闭合回路。为此必须监控高压电系统部件与带电底盘/车身间的绝缘电阻，当电阻值呈现低下时，漏电检测系统必须向用户发出警报。三菱i-MiEV牌纯电动汽车的漏电检测系统的原理如图2-99所示。

三、纯电动汽车的专用车身

车身必须对动力蓄电池组形成多重防护。由于纯电动汽车的被动安全性在很大程度上取决于对动力蓄电池组的防护程度，所以，纯电动汽车的车身除与传统汽车同样有对乘坐人员安全性保护外，更为重要的是对动力蓄电池组的防护。为了最大限度地防止车辆在碰撞时对动力电池组造成损伤，因此在设计、开发纯电动汽车的车身时必须采用多重防护结构。如图2-100所示，日产Leaf纯电动汽车的蓄电池组多重防护车身设计具有示范意义。

四、E动力总成的安装部位和安装形式

纯电动汽车的E动力总成在车身中的安装部位和安装形式的最佳化，对于整车性能，特别是安全性具有重要意义。如同传统车的动力总成安装在一个辅助副车架上，日产Leaf车的E动力总成（包括驱动电动机+CVT金属带式无级变速器+蓄电池组管理系统BMS+高压绝缘屏蔽电力线束/电缆）也安装在一个副车架上，具有铝合金压铸件外壳的逆变器安装在驱动电动机上方的骨架上。而E动力总成均安装于前端骨架中，因而得到可靠防护，如图2-101、图2-102所示。

日产Leaf纯电动汽车的高压动力主线束外部由绝缘护套保护，处于车身底板下的动力电池组、电压高达345V的驱动电动机、DC/AC逆变器均被前围与乘客座舱隔开，从而确保了乘员安全。

五、动力蓄电池组总成

在纯电动汽车中，动力蓄电池组就相当于传统内燃机汽车中的燃料。燃料需要容器——燃油箱，那么动力蓄电池组也同样需要容器。在传统汽车的总布置设计中，燃油箱在车身中的安装是有严格要求的——不论遭受来自哪个方向的撞击，只允许燃油箱旋转，绝不允许燃油箱变形。这一要求同样也适于纯电动汽车的动力蓄电池组总成（含动力蓄电池组Pack+动力蓄电池组支架+动力蓄电池组管理系统BMS+封装动力蓄电池组容器）。日产Leaf车的动力蓄电池组总成容器外形如图2-103所示。注意，日产Leaf纯电动汽车使用锂离子全固体蓄电池，由48个电堆（含192个电芯）组成，其额定端电压为360V，电池组质量为294kg。

Leaf车的动力蓄电池组及电力主线束和BMS电池组管理系统均封装在具有水密性的容器中，不仅动力电池组和高压电系统得到可靠的防碰撞安全性，避免动力蓄电池组及高压电力系统因碰撞造成的二次事故，而且可确保Leaf车的浅涉水安全性，如图2-104所示。

六、碰撞时高压电断开系统

纯电动汽车在总体设计和车身设计阶段，不仅要充分考虑发生碰撞后避免乘员和救护者触电，而且还要在检测到遭受碰撞后，立即将高压电部件和蓄电池组断开，以切断发烟、失火的祸患根源。纯电动汽车在车身前、后端和左、右两侧均安装有碰撞传感器，当碰撞强度水平超过一定强度值（指加速度值）时，车内的EVECU单元便会发出指令，通过接触器使动力蓄电池组内的高压电回路断开。三菱i-MiEV牌纯电动汽车搭载的封装在蓄电池组总成内的高压电部件断开系统如图2-105所示。其中，SRSECU由中央安全气囊传感器、点火控制驱动电路、安全传感器、备用电源、诊断电路、记忆电路和安全电路组成，用于接收前气囊碰撞传感器输入的信号，判断是否需要引爆气囊充气，并对SRS系统具有故障诊断功能。EV ECU的功能有，动力电池管理系统；高压电控制系统；续驶里程控制系统；牵引力控制系统；平滑启动控制系统；动力蓄电池容量推测系统；再生制动控制系统；节能控制系统。

Leaf车电力系统的高压电断开系统的方框图如图2-106所示。当车辆发生碰撞时，安装于蓄电池组上碰撞系统中的A/B传感器工作，通过车辆控制模块VCM，切断接线盒J/B中的主继电器RLY，从而实现动力蓄电池组的高压电防护；当检测、校准电力系统时，需接通主继电器，以便全面检测、校准系统正常工作参数；当维修、保养蓄电池组的各电芯、电堆（共96处）和电池组的总电压时，需使用维修保养断开连接开关SD/SW。使用车载充电器还是外接快速充电器进行充电，只需通过操作相关继电器即可。

七、局域网与电力、电子系统

纯电动汽车的局域网LAN（24V弱电系统）必须与动力蓄电池组所属电力驱动系统的控制系统相连接，其主控制单元HU必须与通信单元CU连接，而专门设置的通信单元不仅可通过无线电方式［如全球定位仪GPS、伽利略卫星通信系统（Galileo-使用SIS信号）、多频音发生器UMTG（UniversalMultifrequencyToneGenerator）、3G、4G和车载通信/专用短程通信/窄域通信DSRC（DedicatedShortRangeCommunications，主要用于高速公路交通管理）］实现通信，而且还具有与电力驱动系统的控制系统的接口，实现对电力驱动系统（特别是对蓄电池组）的控制。纯电动汽车虽然没有自诊系统OBDⅡ，但必须使充电电缆与外部电源直接进行通信联系。Leaf车的LAN拓扑结构如图2-107所示。三菱i-MiEV纯电动汽车的电力、电子系统原理如图2-108所示。

八、动力蓄电池组的管理系统BMS

1.有机电解液锂离子蓄电池组的管理系统　BMS

在动力蓄电池组总成内部必须设置蓄电池组管理系统BMS，防止各电芯、电堆过充电和防止碰撞时发生短路，如图2-109所示。

在液态电解质锂离子蓄电池组实际使用过程中，可能在某些意外的情况下，如受到外部冲击等各种原因，造成上述保护控制管理系统BMS损坏，导致电芯充电电压过高（或放电电压过低），于是剩余的一部分锂离子就会从正极经电解质、在负极表面以金属锂形成沉积。而金属锂的表面欠电位沉积，极易形成“枝晶”，从而刺穿隔膜，造成正负极在电芯内短路，使电源系统产生数十安培的短路电流，这会引起起火爆炸等安全事故。其次，由于电源系统的某元件出现故障，例如某电芯温度局部过高或者壳体破损接触空气，造成电源系统电流超过数十安培的过电流，金属锂又非常活泼，熔点也低，这就非常危险，易于导致安全事故。所以在动力蓄电池组内部必须设置过电流保护和短路保护系统，避免整个电池组损坏、失效。

2.全固体锂离子蓄电池组　BMS

全固体锂离子蓄电池组的电芯结构中已不含有隔膜。现以三菱i-MiEV牌纯电动汽车为例，为防止碰撞时发生电池内部短路，设置可检测电池电芯电压与温度的电芯监测单元CMU（CellMonitorUnit），并监控由多个电芯串联所构成电堆的电压与电流和各平衡电芯之间的电压，CMU直接安装在由8个电芯构成的模块上，如图2-110所示。

CMU的基板由带电压传感器的高电压部分和顶部装有通信部件的低电压部分构成，中间使用绝缘元件传递信息，如图2-111所示。

每辆车有数个CMU，它们可通过控制器局域网CAN通信对电池组管理控制单元BMU传递信息数据。电池组的信息数据传输全部由低压配线完成，即使车辆遭受过度冲击，系统受到损伤，系统也能实现防止发烟和着火。一旦电池处于过充电状态，就可能发烟、着火，所以掌握充电状态就成为提高电池组安全、可靠性的重要手段。由CMU通过CAN通信向BMU传递电压信息，如果通信中断和发生不可预见故障，在通信数据“凝固”的情况下，要求系统仍能不过充电，如图2-112所示。

由多个CMU传来的电压信息数据，它们带有来自各CMU的ID编码数据，定期地发送到BMU，接收上述电压数据的BMU，不断监视所收到的电压数据，不得漏掉ID。如果超过一定的时间，还没有接收到本应接收到的ID编码数据，则可判定通信线路已中断，必须立即停止向高压电力系统通电，并接通警示装置。

在电池组或电堆均由电芯串联构成的情况下，充电时，所有电芯均流过同等电流，所以监视有代表性的电芯电压，就等于监视了其他电芯的充电状态。不过在这种情况下，要求各电芯处于同样充电状态，要求全电池组充电电源波形平滑化。在三菱纯电动汽车中，某个CMU内实装的电芯具有电压平滑化的机能，假如某个CMU的电压数据“凝固”，那么根据其他CMU的电压数据进行控制充电，也可确保防止过充电，这种由数个CMU构成的系统即使发生局部数据“凝固”，仍可防止“过充电”。特别是当所有由CMU传递的数据均处于“凝固”状态的情况下，通过检测其他高电压部件的总电压，也可检测出系统处于过电压状态，从而停止充电，并接通警示装置。

由于具有上述二重、三重保护，所以三菱i-MiEV纯电动汽车的动力蓄电池组管理系统具有防过充电的“顽强性”。

此外，必须强调的是，在高共模电压和高达200A的电子开关瞬变的情况下，电池组管理系统BMS可对不同的电芯进行精确测量。系统的精度必须达到毫伏级，采样必须在严格的延迟时间范围内保持同步。采样速度和精度都会影响整个系统的效率。

三菱i-MiEV牌纯电动汽车的动力蓄电池组的管理系统如图2-113所示。

日产Leaf纯电动汽车的动力蓄电池也为全固体锂离子蓄电池，其动力蓄电池组的管理系统BMS具有的功能有，对电池组的下述参数连续进行监控；每个电芯的电压、充电状态SOC、蓄电池温度、蓄电池组硬件条件；为BMS优化提供电力需求的条件（蓄电池组按车辆工况所需提供功率并使其最佳化）；蓄电池组管理系统BMS对意外情况的响应，根据安全模式或在过充电、温度过高、电芯损坏、碰撞情况下完全关闭。

九、日产Leaf纯电动汽车仪表、充电显示

日产Leaf纯电动汽车的仪表显示、充电接口、充电显示（充电时的电池电量指示灯，驾驶员充电时可以从车头直接看到电池的充电状态）如图2-114～图2-116所示。