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新能源汽車專業(yè)規(guī)劃教材 十二五 職業(yè)教育國家規(guī)劃教材 引入 電池管理系統(tǒng) BatteryManagementSystem BMS 是用來對蓄電池組進行安全監(jiān)控及有效管理 提高蓄電池使用效率的裝置 對于電動車輛而言 通過該系統(tǒng)對電池組充放電的有效控制 可以達到增加續(xù)駛里程 延長使用壽命 降低運行成本的目的 并保證動力電池組應用的安全性和可靠性 動力電池管理系統(tǒng)已經(jīng)成為電動汽車不可缺少的核心部件之一 本章將重點介紹動力電池管理系統(tǒng)的構成 功能和工作原理 目錄 本章學習目標 1 掌握動力電池管理系統(tǒng)的功能2 掌握動力電池管理系統(tǒng)電壓 電流 溫度等參數(shù)采集方法3 掌握動力電池電量管理 電安全管理 均衡管理 熱管理等的實現(xiàn)方法 7 1動力電池管理系統(tǒng)功能及參數(shù)采集方法 7 2動力電池電量管理系統(tǒng) 7 3動力電池的均衡管理 7 4動力電池的熱管理 7 5動力電池的電安全管理及數(shù)據(jù)通訊 7 1動力電池管理系統(tǒng)功能及參數(shù)采集方法 學習目的 電池管理系統(tǒng)的功能 數(shù)據(jù)采集 電池狀態(tài)計算 能量管理 安全管理 熱管理 均衡控制 通信功能和人機接口 單體電壓采集方法 1 繼電器陣列法組成 端電壓傳感器 繼電器陣列 A D轉(zhuǎn)換芯片 光耦 多路模擬開關應用特點 所需要測量的電池單體電壓較高而且對精度要求也高的場合使用 單體電壓采集方法 2 恒流源法組成 運放和場效應管組合構成減法運算恒流源電路應用特點 結(jié)構較簡單 共模抑制能力強 采集精度高 具有很好的實用性 單體電壓采集方法 3 隔離運放采集法組成 隔離運算放大器 多路選擇器等應用特點 系統(tǒng)采集精度高 可靠性強 但成本較高 單體電壓采集方法 4 壓 頻轉(zhuǎn)換電路采集法組成 壓 頻轉(zhuǎn)換器 選擇電路和運算放大電路應用特點 壓控振蕩器中含有電容器 而電容器的相對誤差一般都比較大 而且電容越大相對誤差也越大 單體電壓采集方法 5 線性光耦合放大電路采集法應用特點 線性光耦合放大電路不僅具有很強的隔離能力和抗干擾能力 還使模擬信號在傳輸過程中保持較好線性度 電路相對較復雜 精度影響因素較多 基于線性光耦合元件TIL300的電池單體電壓采集電路原理圖 電池溫度采集方法 1 熱敏電阻采集法原理 利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化的特性 用一個定值電阻和熱敏電阻串聯(lián)起來構成一個分壓器 從而把溫度的高低轉(zhuǎn)化為電壓信號 再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到溫度的數(shù)字信息 特點 熱敏電阻成本低 但線性度不好 而且制造誤差一般也比較大 電池溫度采集方法 2 熱電偶采集法原理 采集雙金屬體在不同溫度下產(chǎn)生不同的熱電動勢 通過查表得到溫度的值 特點 由于熱電動勢的值僅和材料有關 所以熱電偶的準確度很高 但是由于熱電動勢都是毫伏等級的信號 所以需要放大 外部電路比較復雜 電池溫度采集方法 3 集成溫度傳感器采集法原理及特點 集成溫度傳感器雖然很多都是基于熱敏電阻式的 但都在生產(chǎn)的過程中進行校正 所以精度可以媲美熱電偶 而且直接輸出數(shù)字量 很適合在數(shù)字系統(tǒng)中使用 18B20 AD590 電池工作電流采集方法 7 2動力電池電量管理系統(tǒng) 學習目的 引入 電池電量管理是電池管理的核心內(nèi)容之一 對于整個電池狀態(tài)的控制 電動車輛續(xù)駛里程的預測和估計具有重要的意義由于動力電池荷電狀態(tài) SOC 的非線性 并且受到多種因素的影響 導致電池電量估計和預測方法復雜 準確估計SOC比較困難 電池SOC估算精度的影響因素 1 充放電電流大電流可充放電容量低于額定容量 反之亦然 2 溫度不同溫度下電池組的容量存在著一定的變化 3 電池容量衰減電池的容量在循環(huán)過程中會逐漸減少 4 自放電自放電大小主要與環(huán)境溫度有關 具有不確定性 5 一致性電池組的一致性差別對電量的估算有重要的影響 精確估計SOC的作用 1 保護蓄電池 準確控制電池SOC范圍 可避免電池過充電和過放電2 提高整車性能 SOC不準確 電池性能不能充分發(fā)揮 整車性能降低3 降低對動力電池的要求 準確估算SOC 電池性能可充分使用 降低對動力電池性能的要求4 提高經(jīng)濟性 選擇較低容量的動力蓄電池組可以降低整車制造成本由于提高了系統(tǒng)的可靠性 后期維護成本降低 SOC估計常用的算法 1 開路電壓法隨著放電電池容量的增加 電池的開路電壓降低 可以根據(jù)一定的充放電倍率時電池組的開路電壓和SOC的對應曲線 通過測量電池組開路電壓的大小 插值估算出電池SOC的值 SOC估計常用的算法 2 容量積分法容量積分法是通過對單位時間內(nèi) 流入流出電池組的電池進行累積 從而獲得電池組每一輪放電能夠放出的電量 確定電池SOC的變化 SOC估計常用的算法 3 電池內(nèi)阻法電池內(nèi)阻有交流內(nèi)阻 常稱交流阻抗 和直流內(nèi)阻之分 它們都與SOC有密切關系 準確測量電池單體內(nèi)阻比較困難 這是直流內(nèi)阻法的缺點 在某些電池管理系統(tǒng)中 內(nèi)阻法與Ah計量法組合使用來提高SOC估算的精度 SOC估計常用的算法 4 模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡法模糊邏輯接近人的形象思維方式 擅長定性分析和推理 具有較強的自然語言處理能力 神經(jīng)網(wǎng)絡采用分布式存儲信息 具有很好的自組織 自學習能力 共同的特點 均采用并行處理結(jié)構 可從系統(tǒng)的輸入 輸出樣本中獲得系統(tǒng)輸入輸出關系 神經(jīng)網(wǎng)絡法適用于各種電池 其缺點是需要大量的參考數(shù)據(jù)進行訓練 估計誤差受訓練數(shù)據(jù)和訓練方法的影響很大 SOC估計常用的算法 5 卡爾曼濾波法核心思想 對動力系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估算 適用于各種電池 不僅給出了SOC的估計值 還給出了SOC的估計誤差 缺點 要求電池SOC估計精度越高 電池模型越復雜 涉及大量矩陣運算 工程上難以實現(xiàn)該方法對于溫度 自放電率以及放電倍率對容量的影響考慮的不夠全面 7 3動力電池的均衡管理 學習目的 引入 寶馬公司ActiveE混合動力汽車即采用了由PrehGmbH公司提供的帶有能量耗散式均衡系統(tǒng)的BMS 均衡系統(tǒng)的目的是什么 為了平衡電池組中單體電池的容量和能量差異 提高電池組的能量利用率 均衡系統(tǒng)如何分類 能量耗散型均衡和能量非耗散型 均衡系統(tǒng)的分類 能量耗散型均衡主要通過令電池組中能量較高的電池利用其旁路電阻進行放電的方式損耗部分能量 以期達到電池組能量狀態(tài)的一致 如混合動力汽車 能量非耗散型均衡能量非耗散式均衡電路拓撲結(jié)構目前已出現(xiàn)很多種 本質(zhì)上均是利用儲能元件和均衡旁路構建能量傳遞通道 將其從能量較高電池直接或間接轉(zhuǎn)移至能量較低的電池 能量耗散型均衡管理 通過單體電池的并聯(lián)電阻進行充電分流從而實現(xiàn)均衡電路結(jié)構簡單 均衡過程一般在充電過程中完成由于均衡電阻在分流的過程中 不僅消耗了能量 而且還會由于電阻的發(fā)熱引起電路的熱管理問題只適合在靜態(tài)均衡中使用 其高溫升等特點降低了系統(tǒng)的可靠性 不適用于動態(tài)均衡僅適合于小型電池組或者容量較小的電池組 能量耗散型均衡管理 恒定分流電阻均衡充電電路每個電池單體上都始終并聯(lián)一個分流電阻 可靠性高 分流電阻的值大 通過固定分流來減小由于自放電導致的單體電池差異無論電池充電還是放電過程 分流電阻始終消耗功率 能量損失大一般在能夠及時補充能量的場合適用 能量耗散型均衡管理 開關控制分流電阻均衡充電電路工作在充電期間 可以對充電時單體電池電壓偏高者進行分流 分流電阻通過開關控制當單體電池電壓達到截止電壓時 阻止其過充并將多余的能量轉(zhuǎn)化成熱能由于均衡時間的限制 導致分流時產(chǎn)生的大量熱量需要及時通過熱管理系統(tǒng)耗散 尤其在容量比較大的電池組中更加明顯 非能量耗散型均衡管理 1 能量轉(zhuǎn)換式均衡通過開關信號 將電池組整體能量對單體電池進行能量補充 或者將單體電池能量向整體電池組進行能量轉(zhuǎn)換 非能量耗散型均衡管理 2 能量轉(zhuǎn)移式均衡利用電感或電容等儲能元件 把電池組中容量高的單體電池 通過儲能元件轉(zhuǎn)移到容量比較低的電池上 7 4動力電池的熱管理 學習目的 引入 電動汽車自燃事件頻出 究其原因主要與電池管理系統(tǒng)的熱管理有關 由于過高或過低的溫度都將直接影響動力電池的使用壽命和性能 并有可能導致電池系統(tǒng)的安全問題 并且電池箱內(nèi)溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊 單體間性能的不均衡 因此電池熱管理系統(tǒng)對于電動車輛動力電池系統(tǒng)而言是必需的 可靠 高效的熱管理系統(tǒng)對于電動車輛的可靠安全應用意義重大 動力電池熱管理系統(tǒng)的功能 電池溫度的準確測量和監(jiān)控 電池組溫度過高時的有效散熱和通風 低溫條件下的快速加熱 有害氣體產(chǎn)生時的有效通風 保證電池組溫度場的均勻分布 電池內(nèi)傳熱的基本方式 熱傳導指物質(zhì)與物體直接接觸而產(chǎn)生的熱傳遞 電池內(nèi)部的電極 電解液 集流體等都是熱傳導介質(zhì) 對流換熱電池表面的熱量通過環(huán)境介質(zhì) 一般為流體 的流動交換熱量 和溫差成正比輻射換熱主要發(fā)生在電池表面 與電池表面材料的性質(zhì)相關 電池組熱管理系統(tǒng)設計實現(xiàn) 按照傳熱介質(zhì)分空冷 液冷和相變材料冷卻空冷系統(tǒng)又分串行通風方式和并行通風方式兩種 電池組熱管理系統(tǒng)設計實現(xiàn) 按照是否有內(nèi)部加熱或制冷裝置可分為被動式和主動式兩種 被動加熱與散熱 外部空氣流通 被動加熱與散熱 內(nèi)部空氣流通 主動加熱與散熱 外部和內(nèi)部空氣流通 電池組熱管理系統(tǒng)設計實現(xiàn) 電池列前后纏繞硅膠加熱線 電池列間添加電熱膜 電池本體上包覆電熱膜 電池上 下添加加熱板 7 5動力電池的電安全管理及數(shù)據(jù)通訊 學習目的 引入 電動車輛動力電池系統(tǒng)電壓常用的有288V 336V 384V以及544V等 已經(jīng)大大超過了人體可以承受的安全電壓電動汽車動力電池系統(tǒng)電氣絕緣性能是電安全管理重要的內(nèi)容 絕緣性能的好壞不僅關系到電氣設備和系統(tǒng)能否正常工作 更重要的是還關系到人的生命財產(chǎn)安全 動力電池電安全管理系統(tǒng)的功能 主要包括煙霧報警 絕緣檢測 自動滅火 過電壓和過電流控制 過放電控制 防止溫度過高 在發(fā)生碰撞的情況下關閉電池等功能 動力電池在電動車輛上安裝應用 因此必須滿足車輛部件的耐振動 耐沖擊 耐跌落 耐鹽霧等強度要求 保證可靠應用 為滿足防水 防塵要求 電池包應滿足一定的IP防護等級在極端工況下 通過電池安全管理系統(tǒng)應能實現(xiàn)電池包的高壓斷電保護 過流斷開保護 過放電保護 過充電保護等功能 煙霧報警 在車輛行駛過程中由于路況復雜及電池本身的工藝問題 可能由于過熱 擠壓和碰撞等原因而導致電池出現(xiàn)冒煙或著火等極端惡劣的事故 若不能即使發(fā)現(xiàn)并得到有效處理 勢必導致事故的進一步擴大 對周圍電池 車輛以及車上人員構成威脅 嚴重影響帶車輛運行的安全性 動力電池管理系統(tǒng)中煙霧報警的報警裝置應安裝于駕駛員控制臺 在接收到報警信號時 迅速發(fā)出聲光報警和故障定位 保證駕駛員能夠及時發(fā)現(xiàn) 能接收報警器發(fā)出的報警信號 煙霧報警 由于煙霧的種類繁多 一種類型的煙霧傳感器不可能檢測所有的氣體 通常只能檢測某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧 在動力電池上應用 需要在了解電池燃燒產(chǎn)生的煙霧構成的基礎上進行傳感器的選擇 一般電池燃燒產(chǎn)生大量的CO和CO2 因此可以選擇對這兩種氣體敏感的傳感器 在傳感器的結(jié)構上需要適應于車輛長期應用的振動工況 防止由于路面灰塵 振動引起的傳感器誤動作 煙霧報警實例 車載煙塵報警系統(tǒng)的結(jié)構 絕緣檢測方法 1 漏電直測法將萬用表打到電流檔 串在電池組正極與設備外殼 或者地 之間 可檢測到電池組負極對殼體之間的漏電流將萬用表打到電流檔 串在電池組負極與殼體之間檢測電池組正極對殼體之間的漏電流 該方法簡單易行 在現(xiàn)場故障檢測 車輛例行檢查中常用 2 電流傳感法將電池系統(tǒng)的正極和負極動力總線一起同方向穿過電流傳感器 當沒有漏電流時 從正極流出的電流等于返回到電源負極的電流 因此 穿過電流傳感器的電流為零 電流傳感器輸出電壓為零 當發(fā)生漏電現(xiàn)象時 電流傳感器的輸出電壓不為零 根據(jù)該電壓的正負可以進一步判斷該漏電電流是來自于電源正極還是負極 應用這種檢測方法的前提是待測動力電池組必須處于工作狀態(tài) 要有工作電流的流入和流出 它無法在系統(tǒng)空載的情況下評價電池系統(tǒng)對地的絕緣性能 絕緣檢測方法 3 絕緣電阻表測量法絕緣電阻表俗稱兆歐表 絕緣電阻表大多采用手搖發(fā)電機供電 故又稱搖表 它的刻度是以絕緣電阻為單位的 是電工常用的一種測量儀表用絕緣電阻表可直接測量絕緣電阻的阻值電路測量方法常用的直流電壓絕緣測量原理 動力電池數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 數(shù)據(jù)通信是電池管理系統(tǒng)的重要組成部分之一 電池管理系統(tǒng)內(nèi)部主控板與檢測板之間的通信電池管理系統(tǒng)與車載主控制器 非車載充電機等設備間的通信在有參數(shù)設定功能的電池管理系統(tǒng)上 還有電池管理系統(tǒng)主控板與上位機的通信 CAN通信方式是現(xiàn)階段電池管理系統(tǒng)通信應用的主流RS232 RS485總線等方式在電池管理系統(tǒng)內(nèi)部通信中也有應用 動力電池數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實例 BJ6123C7C4D純電動客車電池管理系統(tǒng)通信方式示意圖 動力電池數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 車載運行模式下的電池管理系統(tǒng)的結(jié)構 應急充電模式下電池管理系統(tǒng)結(jié)構圖 電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證 一 實訓目標1 鞏固車用電池電源管理系統(tǒng)的功能 原理和組成 2 熟悉車用電池電源管理系統(tǒng)功能測試操作流程 3 鞏固車用電池電源管理系統(tǒng)性能特點 4 能根據(jù)測試結(jié)果分析車用電池電源管理系統(tǒng)是否有功能故障及故障原因 二 實驗設備1 XP EVBT400 150型動力電池測試系統(tǒng) 2 車用鋰離子動力電池 3 車用鋰離子動力電池管理系統(tǒng) 4 快速充電機 5 萬用表 絕緣扳手 絕緣手套等工具及護具若干 電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證 三 操作步驟及工作要點電源管理系統(tǒng)功能試驗驗證1 準備工作按要求連接XP EVBT400 150型動力電池測試系統(tǒng)的電源柜和采樣柜 動力電池包 電源管理系統(tǒng) 2 確認電池管理系統(tǒng)觸摸顯示屏與主控箱正確連接 接通電池管理系統(tǒng)輔助電源 此時會聽到電池管理系統(tǒng)主控箱中繼電器觸點動作聲音 電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證 3 輔助電源接通后電源管理系統(tǒng)開始工作 觸摸顯示屏將顯示電池相關參數(shù) 電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證 4 通過觸摸屏上的按鈕 電池信息 查看電池的參數(shù) 電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證 5 查看和記錄電池管理系統(tǒng)報警參數(shù)和保護限值參數(shù) 電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證 采用圖形化界面查看時系統(tǒng)界面和圖標說明 電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證 6 查看電池管理系統(tǒng)與充電機之間的通訊情況 電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證 7 配置充電控制參數(shù) 電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證 8 連接電池與充電機 按照正確操作流程對電池進行充電 充電模式選擇 BMS 模式 檢查電池管理系統(tǒng)對充電過充的監(jiān)測和