混合動力電動汽車技術第5章-動力電池及其管理系統(tǒng)技術課件

11OZ4主編11OZ4主編第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀

5.2動力電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

5.3動力電池管理系統(tǒng)的關鍵技術

5.4動力電池及管理系統(tǒng)的測試與評價第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術圖5-1幾種車用電池比較第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術圖5-1幾種車用電池比較5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀5.1.1鋰離子電池的工作原理

5.1.2車用動力電池的要求

5.1.3電池模型

5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

5.1.5鋰離子電池系統(tǒng)存在的技術難題5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀5.1.1鋰離子電池的工作原理5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀表5-1目前幾種常用儲能式動力電池體系發(fā)展現(xiàn)狀比較5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀表5-1目前幾種常用儲能式動力5.1.1鋰離子電池的工作原理圖5-2鋰離子電池的工作原理5.1.1鋰離子電池的工作原理圖5-2鋰離子電池的工作原5.1.2車用動力電池的要求1)高的能量密度以提高運行效率和一次性充電行駛里程。

2)高的輸出功率密度以滿足駕駛性能要求。

3)寬廣的工作溫度范圍以滿足夏季高溫和冬季低溫的運行需要(-40～50℃)。

4)長的循環(huán)壽命以保證在車輛的全壽命時期內不更換電池(目前國家十二五“863”指南要求鋰離子電池使用壽命超過10年或20萬km)。

5)高的充放電效率以最大限度實現(xiàn)節(jié)能。

6)無記憶效應以滿足車輛在使用的時候常常處于非完全放電狀態(tài)下充電的需要。

7)低的自放電率以滿足車輛較長時間的擱置需求。5.1.2車用動力電池的要求1)高的能量密度以提高運行效率5.1.2車用動力電池的要求8)快速充電能力以提高車輛的運行時間和效率。

9)單體電池電壓高以減少串聯(lián)數(shù)量，防止電池一致性差產生的電池組故障。

10)體積小，重量輕，以有利于車輛的輕量化和小型化。5.1.2車用動力電池的要求8)快速充電能力以提高車輛的運1)高的能量密度以提高運行效率和一次性充電行駛里程。

1)高的能量密度以提高運行效率和一次性充電行駛里程。

2)高的輸出功率密度以滿足駕駛性能要求。

2)高的輸出功率密度以滿足駕駛性能要求。

3)寬廣的工作溫度范圍以滿足夏季高溫和冬季低溫的運行需要(-40～50℃)。

3)寬廣的工作溫度范圍以滿足夏季高溫和冬季低溫的運行需要(-4)長的循環(huán)壽命以保證在車輛的全壽命時期內不更換電池(目前國家十二五“863”指南要求鋰離子電池使用壽命超過10年或20萬km)。

4)長的循環(huán)壽命以保證在車輛的全壽命時期內不更換電池(目前國5)高的充放電效率以最大限度實現(xiàn)節(jié)能。

5)高的充放電效率以最大限度實現(xiàn)節(jié)能。

6)無記憶效應以滿足車輛在使用的時候常常處于非完全放電狀態(tài)下充電的需要。

6)無記憶效應以滿足車輛在使用的時候常常處于非完全放電狀態(tài)下7)低的自放電率以滿足車輛較長時間的擱置需求。

7)低的自放電率以滿足車輛較長時間的擱置需求。

8)快速充電能力以提高車輛的運行時間和效率。

8)快速充電能力以提高車輛的運行時間和效率。

9)單體電池電壓高以減少串聯(lián)數(shù)量，防止電池一致性差產生的電池組故障。

9)單體電池電壓高以減少串聯(lián)數(shù)量，防止電池一致性差產生的電池10)體積小，重量輕，以有利于車輛的輕量化和小型化。

10)體積小，重量輕，以有利于車輛的輕量化和小型化。

5.1.3電池模型1.簡化電化學模型

2.等效電路模型

3.神經網絡模型5.1.3電池模型1.簡化電化學模型

2.等效電路模型

35.1.3電池模型圖5-3電池的模型5.1.3電池模型圖5-3電池的模型1.簡化電化學模型

1.簡化電化學模型

2.等效電路模型圖5-4電池等效電路

a)Rint模型b)Thevenin模型c)RC模型d)PNGV模型2.等效電路模型圖5-4電池等效電路

a)Rint模型b3.神經網絡模型圖5-5神經網絡結構3.神經網絡模型圖5-5神經網絡結構5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1)三元材料-石墨體系電池由于其良好的能量密度和循環(huán)壽命，將長期在HEV上得到應用，當然也包括在部分PHEV上應用。

2)磷酸亞鐵鋰材料-石墨體系電池的優(yōu)勢是循環(huán)壽命長及安全性高，但由于電池工作電壓低，能量密度較低，并且低溫性能不好，隨著汽車對電池的要求越來越高，可能會逐步退出純電動汽車市場，但在能量和功率密度要求不高的HEV應該還能應用。

3)錳酸鋰材料-石墨體系電池，隨著錳酸鋰材料本身循環(huán)性能不斷改進，同時借助于與三元體系的混合,適合用于設計各種用途的車用動力電池。5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1)三元材料-石墨體5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢4)對于以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池，由于能量密度較低，現(xiàn)階段在純電動汽車上應用的可能性較小，而在續(xù)駛里程小的、同時對安全性要求苛刻的PHEV、HEV上應用是非常有優(yōu)勢的。5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢4)對于以鈦酸鋰為負5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢表5-2國內外主要的車用鋰離子電池供應商5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢表5-2國內外主要5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢圖5-6國外車用動力蓄電池伙伴關系概況5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢圖5-6國外車用動1)三元材料-石墨體系電池由于其良好的能量密度和循環(huán)壽命，將長期在HEV上得到應用，當然也包括在部分PHEV上應用。

1)三元材料-石墨體系電池由于其良好的能量密度和循環(huán)壽命，將2)磷酸亞鐵鋰材料-石墨體系電池的優(yōu)勢是循環(huán)壽命長及安全性高，但由于電池工作電壓低，能量密度較低，并且低溫性能不好，隨著汽車對電池的要求越來越高，可能會逐步退出純電動汽車市場，但在能量和功率密度要求不高的HEV應該還能應用。

2)磷酸亞鐵鋰材料-石墨體系電池的優(yōu)勢是循環(huán)壽命長及安全性高3)錳酸鋰材料-石墨體系電池，隨著錳酸鋰材料本身循環(huán)性能不斷改進，同時借助于與三元體系的混合,適合用于設計各種用途的車用動力電池。

3)錳酸鋰材料-石墨體系電池，隨著錳酸鋰材料本身循環(huán)性能不斷4)對于以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池，由于能量密度較低，現(xiàn)階段在純電動汽車上應用的可能性較小，而在續(xù)駛里程小的、同時對安全性要求苛刻的PHEV、HEV上應用是非常有優(yōu)勢的。

4)對于以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池，由于能量密度較低，現(xiàn)階段5.1.5鋰離子電池系統(tǒng)存在的技術難題1)自動化程度低，一致性差。

2)鋰電池過充電、過放電能力差。

3)電池的單體容量小，為了滿足整車需要，必須大量串并聯(lián)使用，從而造成內阻大，接觸不良。

4)提高續(xù)駛里程，緩解結構空間及輕量化的矛盾。

1)電池尺寸的標準化、系列化。

2)電池一致性的認識、控制和測試。

3)電池結構、連接件的改進和優(yōu)化。

4)電池組的功率性能、安全性、壽命、可靠性的提高。

5)生產設備自動化和質量閉環(huán)控制方法的研究。

1)電池的初始狀態(tài)不一致。5.1.5鋰離子電池系統(tǒng)存在的技術難題1)自動化程度低，一5.1.5鋰離子電池系統(tǒng)存在的技術難題2)電池性能衰退速度不一致。

1)過充電，過放電。

2)電流過大。

3)溫度過高。

4)短路或者漏電。5.1.5鋰離子電池系統(tǒng)存在的技術難題2)電池性能衰退速度1)自動化程度低，一致性差。

1)自動化程度低，一致性差。

2)鋰電池過充電、過放電能力差。

2)鋰電池過充電、過放電能力差。

3)電池的單體容量小，為了滿足整車需要，必須大量串并聯(lián)使用，從而造成內阻大，接觸不良。

3)電池的單體容量小，為了滿足整車需要，必須大量串并聯(lián)使用，4)提高續(xù)駛里程，緩解結構空間及輕量化的矛盾。

4)提高續(xù)駛里程，緩解結構空間及輕量化的矛盾。

1)電池尺寸的標準化、系列化。

1)電池尺寸的標準化、系列化。

2)電池一致性的認識、控制和測試。

2)電池一致性的認識、控制和測試。

3)電池結構、連接件的改進和優(yōu)化。

3)電池結構、連接件的改進和優(yōu)化。

4)電池組的功率性能、安全性、壽命、可靠性的提高。

4)電池組的功率性能、安全性、壽命、可靠性的提高。

5)生產設備自動化和質量閉環(huán)控制方法的研究。

5)生產設備自動化和質量閉環(huán)控制方法的研究。

1)電池的初始狀態(tài)不一致。

1)電池的初始狀態(tài)不一致。

2)電池性能衰退速度不一致。圖5-7動力電池組不一致性的成因及其傳遞過程2)電池性能衰退速度不一致。圖5-7動力電池組不一致性的成2)電池性能衰退速度不一致。表5-3電池生產和使用過程中出現(xiàn)的不一致性問題2)電池性能衰退速度不一致。表5-3電池生產和使用過程中出1)過充電，過放電。

1)過充電，過放電。

2)電流過大。

2)電流過大。

3)溫度過高。

3)溫度過高。

4)短路或者漏電。

4)短路或者漏電。

5.2動力電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀5.2.1BMS的發(fā)展歷程

5.2.2BMS的功能要求

5.2.3BMS的研究現(xiàn)狀

5.2.4BMS存在的問題5.2動力電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀5.2.1BMS的發(fā)展歷程5.2.1BMS的發(fā)展歷程1.無管理階段

2.簡單管理階段

3.全面管理階段5.2.1BMS的發(fā)展歷程1.無管理階段

2.簡單管理階段1.無管理階段

1.無管理階段

2.簡單管理階段1)BMS只是利用自動化檢測手段替代了傳統(tǒng)手工操作，只能發(fā)現(xiàn)問題并進行報警，并不能解決電池組的一致性問題，也沒有為電池的維護提供數(shù)據指導，所以電池維護的工作量和繁瑣程度并沒有減少。

2)BMS的設計人員多為電氣工程師，研究重點在于采用合理檢測方法，提高檢測精度、抗干擾能力和可靠性，而對電池的電化學本質并不了解，將電池看做是“黑匣子”，基于外部特性對其狀態(tài)和使用方法進行分析。2.簡單管理階段1)BMS只是利用自動化檢測手段替代了傳統(tǒng)手1)BMS只是利用自動化檢測手段替代了傳統(tǒng)手工操作，只能發(fā)現(xiàn)問題并進行報警，并不能解決電池組的一致性問題，也沒有為電池的維護提供數(shù)據指導，所以電池維護的工作量和繁瑣程度并沒有減少。

1)BMS只是利用自動化檢測手段替代了傳統(tǒng)手工操作，只能發(fā)現(xiàn)2)BMS的設計人員多為電氣工程師，研究重點在于采用合理檢測方法，提高檢測精度、抗干擾能力和可靠性，而對電池的電化學本質并不了解，將電池看做是“黑匣子”，基于外部特性對其狀態(tài)和使用方法進行分析。

2)BMS的設計人員多為電氣工程師，研究重點在于采用合理檢測3.全面管理階段1)實時監(jiān)測電池狀態(tài)。

2)高效利用電池能量，為電池使用、維護和均衡提供理論依據和數(shù)據支持。

3)防止電池過充電和過放電，保障使用過程的安全性，延長電池壽命。3.全面管理階段1)實時監(jiān)測電池狀態(tài)。

2)高效利用電池能量1)實時監(jiān)測電池狀態(tài)。

1)實時監(jiān)測電池狀態(tài)。

2)高效利用電池能量，為電池使用、維護和均衡提供理論依據和數(shù)據支持。

2)高效利用電池能量，為電池使用、維護和均衡提供理論依據和數(shù)3)防止電池過充電和過放電，保障使用過程的安全性，延長電池壽命。

3)防止電池過充電和過放電，保障使用過程的安全性，延長電池壽5.2.2BMS的功能要求(1)充電均衡在充電過程中，保證系統(tǒng)內所有電池的端電壓在每一時刻均有良好的一致性；當模塊達到調整極限仍然保證不了電池電壓一致性時，要通過聲光及通信方式將異常的電池編號報告到主控機并通過主控機報告到整車管理系統(tǒng)。

(2)過電流過電壓示警當出現(xiàn)電池的電流電壓超過保護標準的情況時，應示警指示；在過電流或是過電壓消失后，示警指示取消。

(3)電壓采樣模塊具有電壓采樣，并將采樣數(shù)據記錄下來，供模塊自身分析。

(4)充放電電流采樣模塊具有充電放電電流采樣，并將采樣數(shù)據記錄下來，供模塊自身分析。5.2.2BMS的功能要求(1)充電均衡在充電過程中，保5.2.2BMS的功能要求(5)自檢功能通過電壓、電流、溫度等數(shù)據，能分析電池是否正常工作，并能自動測試其他的功能是否正常。

(6)外電路故障保護當外部電路出現(xiàn)嚴重故障或失效時，模塊要能進行安全保護，使電池不致過放電、過充電、短路等，最關鍵是不能出現(xiàn)過充電和短路。

(7)溫度檢測與保護模塊能對電池的溫度進行測量與記錄，在溫度超過規(guī)定上限時，切斷電池充放電回路并給出聲光報警。

(8)通信功能模塊與系統(tǒng)主控部分通過SPI或電流環(huán)進行通信，所有單體電池的分析數(shù)據均能實時傳到主控單元。5.2.2BMS的功能要求(5)自檢功能通過電壓、電流、5.2.2BMS的功能要求表5-4電池管理系統(tǒng)的主要功能5.2.2BMS的功能要求表5-4電池管理系統(tǒng)的主要功能(1)充電均衡在充電過程中，保證系統(tǒng)內所有電池的端電壓在每一時刻均有良好的一致性；當模塊達到調整極限仍然保證不了電池電壓一致性時，要通過聲光及通信方式將異常的電池編號報告到主控機并通過主控機報告到整車管理系統(tǒng)。

(1)充電均衡在充電過程中，保證系統(tǒng)內所有電池的端電壓在每(2)過電流過電壓示警當出現(xiàn)電池的電流電壓超過保護標準的情況時，應示警指示；在過電流或是過電壓消失后，示警指示取消。

(2)過電流過電壓示警當出現(xiàn)電池的電流電壓超過保護標準的情(3)電壓采樣模塊具有電壓采樣，并將采樣數(shù)據記錄下來，供模塊自身分析。

(3)電壓采樣模塊具有電壓采樣，并將采樣數(shù)據記錄下來，供模(4)充放電電流采樣模塊具有充電放電電流采樣，并將采樣數(shù)據記錄下來，供模塊自身分析。

(4)充放電電流采樣模塊具有充電放電電流采樣，并將采樣數(shù)據(5)自檢功能通過電壓、電流、溫度等數(shù)據，能分析電池是否正常工作，并能自動測試其他的功能是否正常。

(5)自檢功能通過電壓、電流、溫度等數(shù)據，能分析電池是否正(6)外電路故障保護當外部電路出現(xiàn)嚴重故障或失效時，模塊要能進行安全保護，使電池不致過放電、過充電、短路等，最關鍵是不能出現(xiàn)過充電和短路。

(6)外電路故障保護當外部電路出現(xiàn)嚴重故障或失效時，模塊要(7)溫度檢測與保護模塊能對電池的溫度進行測量與記錄，在溫度超過規(guī)定上限時，切斷電池充放電回路并給出聲光報警。

(7)溫度檢測與保護模塊能對電池的溫度進行測量與記錄，在溫(8)通信功能模塊與系統(tǒng)主控部分通過SPI或電流環(huán)進行通信，所有單體電池的分析數(shù)據均能實時傳到主控單元。

(8)通信功能模塊與系統(tǒng)主控部分通過SPI或電流環(huán)進行通信5.2.3BMS的研究現(xiàn)狀(1)車載電池SOC的測量國外關于電池荷電狀態(tài)(SOC)的研究大多是通過測量電池的電流電壓等外界參數(shù)找出SOC與這些參數(shù)的關系，以間接地測出電池的SOC值。

(2)車載電池的動態(tài)監(jiān)控電池運行狀態(tài)的好壞關系到整個電動汽車的運行性能，故BMS的另一個功能是對車載電池進行動態(tài)監(jiān)控。

(3)車載電池的熱平衡管理溫度對鋰離子電池各方面的性能都有影響，包括電化學系統(tǒng)的工作狀況、循環(huán)效率、容量、效率、安全性、可靠性、一致性和壽命等，進而會影響到電動汽車的性能、可靠性、安全性和壽命等。5.2.3BMS的研究現(xiàn)狀(1)車載電池SOC的測量國外(1)車載電池SOC的測量國外關于電池荷電狀態(tài)(SOC)的研究大多是通過測量電池的電流電壓等外界參數(shù)找出SOC與這些參數(shù)的關系，以間接地測出電池的SOC值。

(1)車載電池SOC的測量國外關于電池荷電狀態(tài)(SOC)的(2)車載電池的動態(tài)監(jiān)控電池運行狀態(tài)的好壞關系到整個電動汽車的運行性能，故BMS的另一個功能是對車載電池進行動態(tài)監(jiān)控。

(2)車載電池的動態(tài)監(jiān)控電池運行狀態(tài)的好壞關系到整個電動汽(3)車載電池的熱平衡管理溫度對鋰離子電池各方面的性能都有影響，包括電化學系統(tǒng)的工作狀況、循環(huán)效率、容量、效率、安全性、可靠性、一致性和壽命等，進而會影響到電動汽車的性能、可靠性、安全性和壽命等。1)電池溫度的準確測量和監(jiān)控。

2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風。

3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作。

4)有害氣體產生時的有效通風。

5)保證電池組溫度場的均勻分布。(3)車載電池的熱平衡管理溫度對鋰離子電池各方面的性能都有1)電池溫度的準確測量和監(jiān)控。

1)電池溫度的準確測量和監(jiān)控。

2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風。

2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風。

3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作。

3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作。

4)有害氣體產生時的有效通風。

4)有害氣體產生時的有效通風。

5)保證電池組溫度場的均勻分布。

5)保證電池組溫度場的均勻分布。

5.2.4BMS存在的問題1.檢測方面存在的問題

2.電池方面存在的問題

3.SOC估算方面存在的問題

4.電池組一致性評價和均衡方面存在的問題5.2.4BMS存在的問題1.檢測方面存在的問題

2.電池1.檢測方面存在的問題(1)跨多學科電池管理技術橫跨電化學、電學和熱學相關知識。

(2)多變量影響電池性能受到環(huán)境溫度、工作電流、荷電狀態(tài)、運行工況、老化程度等多種因素的影響。

(3)非線性各種變量對電池性能的影響呈現(xiàn)明顯的非線性。

(4)強耦合以溫度為例，溫度差異會直接耦合到電池的放電容量、能量以及能量利用效率、自放電、容量下降速度等。

(5)電池組的非一致性即便是同一廠家、同一批次的電池，在自放電特性、溫度特性、容量、內阻等方面的參數(shù)都存在較大的差異。1.檢測方面存在的問題(1)跨多學科電池管理技術橫跨電化學(1)跨多學科電池管理技術橫跨電化學、電學和熱學相關知識。

(1)跨多學科電池管理技術橫跨電化學、電學和熱學相關知識。(2)多變量影響電池性能受到環(huán)境溫度、工作電流、荷電狀態(tài)、運行工況、老化程度等多種因素的影響。

(2)多變量影響電池性能受到環(huán)境溫度、工作電流、荷電狀態(tài)、(3)非線性各種變量對電池性能的影響呈現(xiàn)明顯的非線性。

(3)非線性各種變量對電池性能的影響呈現(xiàn)明顯的非線性。

(4)強耦合以溫度為例，溫度差異會直接耦合到電池的放電容量、能量以及能量利用效率、自放電、容量下降速度等。

(4)強耦合以溫度為例，溫度差異會直接耦合到電池的放電容量(5)電池組的非一致性即便是同一廠家、同一批次的電池，在自放電特性、溫度特性、容量、內阻等方面的參數(shù)都存在較大的差異。

(5)電池組的非一致性即便是同一廠家、同一批次的電池，在自2.電池方面存在的問題1)電池的模型參數(shù)(包括直流內阻和極化電壓)隨著電池的溫度、SOC、運行工況以及老化程度等參數(shù)的變化而變化。

2)電池的模型階次與極化深度密切相關，所以采用固定的模型階次和模型參數(shù)對電池狀態(tài)進行估算時，存在較大的誤差。2.電池方面存在的問題1)電池的模型參數(shù)(包括直流內阻和極化1)電池的模型參數(shù)(包括直流內阻和極化電壓)隨著電池的溫度、SOC、運行工況以及老化程度等參數(shù)的變化而變化。

1)電池的模型參數(shù)(包括直流內阻和極化電壓)隨著電池的溫度、2)電池的模型階次與極化深度密切相關，所以采用固定的模型階次和模型參數(shù)對電池狀態(tài)進行估算時，存在較大的誤差。

2)電池的模型階次與極化深度密切相關，所以采用固定的模型階次3.SOC估算方面存在的問題1)單體電池的SOC定義方法與工況嚴重耦合，這大大增加了電池SOC估算的難度，甚至出現(xiàn)矛盾。

2)將串聯(lián)電池組看做是一個整體，成組電池的SOC定義方法和含義不明確，當電池組出現(xiàn)一致性問題后，SOC不能有效地為電池組使用提供數(shù)據支持。3.SOC估算方面存在的問題1)單體電池的SOC定義方法與工1)單體電池的SOC定義方法與工況嚴重耦合，這大大增加了電池SOC估算的難度，甚至出現(xiàn)矛盾。

1)單體電池的SOC定義方法與工況嚴重耦合，這大大增加了電池2)將串聯(lián)電池組看做是一個整體，成組電池的SOC定義方法和含義不明確，當電池組出現(xiàn)一致性問題后，SOC不能有效地為電池組使用提供數(shù)據支持。

2)將串聯(lián)電池組看做是一個整體，成組電池的SOC定義方法和含4.電池組一致性評價和均衡方面存在的問題1)電池直流內阻、極化電壓、最大可用容量和SOC差異都會導致電池外電壓的差異，而前三者并不能通過均衡得到改善，所以有時均衡后電池組的最大可用容(能)量的增加效果并不明顯，成組電池的壽命仍然達不到單只電池的水平。

2)電池開路電壓和SOC之間呈現(xiàn)非線性，當SOC處于中間段時，少量電壓差異對應較大的SOC差異；而在SOC兩端，少量SOC差異即會造成較大的電壓差異，所以基于外電壓差異電池組一致性的評價方法只有當電池接近充滿電或者放完電時才表現(xiàn)得更加明顯，對應的均衡器才會發(fā)揮作用，可見均衡器容量并沒有得到充分利用。4.電池組一致性評價和均衡方面存在的問題1)電池直流內阻、極1)電池直流內阻、極化電壓、最大可用容量和SOC差異都會導致電池外電壓的差異，而前三者并不能通過均衡得到改善，所以有時均衡后電池組的最大可用容(能)量的增加效果并不明顯，成組電池的壽命仍然達不到單只電池的水平。

1)電池直流內阻、極化電壓、最大可用容量和SOC差異都會導致2)電池開路電壓和SOC之間呈現(xiàn)非線性，當SOC處于中間段時，少量電壓差異對應較大的SOC差異；而在SOC兩端，少量SOC差異即會造成較大的電壓差異，所以基于外電壓差異電池組一致性的評價方法只有當電池接近充滿電或者放完電時才表現(xiàn)得更加明顯，對應的均衡器才會發(fā)揮作用，可見均衡器容量并沒有得到充分利用。

2)電池開路電壓和SOC之間呈現(xiàn)非線性，當SOC處于中間段時5.3動力電池管理系統(tǒng)的關鍵技術5.3.1BMS的組成

5.3.2電池SOC估計

5.3.3電池SOH估計

5.3.4電池安全技術

5.3.5電池熱管理技術

5.3.6故障診斷技術

5.3.7鋰電池充電技術

5.3.8電池均衡技術

5.3.9BMS硬件方案設計5.3動力電池管理系統(tǒng)的關鍵技術5.3.1BMS的組成

5.3.1BMS的組成1.電池管理單元

2.電池模塊5.3.1BMS的組成1.電池管理單元

2.電池模塊1.電池管理單元(1)SOC、SOH、SOE預測在實時充放電過程中，能在線監(jiān)測電池組的荷電狀態(tài)、能量狀態(tài)以及健康狀態(tài)。

(2)自檢在電源接通時，對系統(tǒng)自檢，若一切正常，發(fā)出可以正常工作信號；若有問題，發(fā)出故障信號，并切斷強電開關。

(3)過電流、過電壓、溫度保護在電池(包括系統(tǒng)整體和各個模塊)發(fā)生過電流、過電壓、和溫度超標時，能將電池的充放電回路切斷，給出聲光示警信號，并通知給整體管理系統(tǒng)，當被保護電池的保護因素消失，則保護功能要取消。

(4)與整車通信采用CAN總線的方式與整車管理系統(tǒng)進行通信。1.電池管理單元(1)SOC、SOH、SOE預測在實時充放1.電池管理單元(5)故障預警在電池使用過程中，隨時記錄電池使用參數(shù)，通過一定的數(shù)學模型并判斷電池的有效性，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有電池失效或是將要失效或是與其他電池不一致性增大，則要有聲光示警并通過通訊方式通知到整車管理系統(tǒng)。

(6)充電控制當電池的荷電量不足時，根據當前電壓，對充電電流提出要求，滿足限壓變流的充電方式，并能記錄充入的電量，當達到或是超過設定的荷電量時，停止充電請求。1.電池管理單元(5)故障預警在電池使用過程中，隨時記錄電(1)SOC、SOH、SOE預測在實時充放電過程中，能在線監(jiān)測電池組的荷電狀態(tài)、能量狀態(tài)以及健康狀態(tài)。

(1)SOC、SOH、SOE預測在實時充放電過程中，能在線(2)自檢在電源接通時，對系統(tǒng)自檢，若一切正常，發(fā)出可以正常工作信號；若有問題，發(fā)出故障信號，并切斷強電開關。圖5-8電池管理系統(tǒng)構成(2)自檢在電源接通時，對系統(tǒng)自檢，若一切正常，發(fā)出可以正(3)過電流、過電壓、溫度保護在電池(包括系統(tǒng)整體和各個模塊)發(fā)生過電流、過電壓、和溫度超標時，能將電池的充放電回路切斷，給出聲光示警信號，并通知給整體管理系統(tǒng)，當被保護電池的保護因素消失，則保護功能要取消。

(3)過電流、過電壓、溫度保護在電池(包括系統(tǒng)整體和各個模(4)與整車通信采用CAN總線的方式與整車管理系統(tǒng)進行通信。

(4)與整車通信采用CAN總線的方式與整車管理系統(tǒng)進行通信(5)故障預警在電池使用過程中，隨時記錄電池使用參數(shù)，通過一定的數(shù)學模型并判斷電池的有效性，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有電池失效或是將要失效或是與其他電池不一致性增大，則要有聲光示警并通過通訊方式通知到整車管理系統(tǒng)。

(5)故障預警在電池使用過程中，隨時記錄電池使用參數(shù)，通過(6)充電控制當電池的荷電量不足時，根據當前電壓，對充電電流提出要求，滿足限壓變流的充電方式，并能記錄充入的電量，當達到或是超過設定的荷電量時，停止充電請求。

(6)充電控制當電池的荷電量不足時，根據當前電壓，對充電電2.電池模塊(1)充電均衡在充電過程中，保證系統(tǒng)內所有電池的電池端電壓在每一時刻有良好的一致性；當模塊的達到調整極限仍然保證不了電池電壓一致性時，要通過聲光及通信方式將異常的電池編號報告到主控機并通過主控機報告到整車管理系統(tǒng)。

(2)過電流過電壓示警當出現(xiàn)電池的電流或電壓超過保護標準時，示警指示；在過電流或是過電壓消失后，示警指示取消。

(3)電壓采樣模塊具有電壓采樣功能，并將采樣數(shù)據記錄下來，供模塊自身分析。

(4)充放電電流采樣模塊具有充電放電電流采樣功能，并將采樣數(shù)據記錄下來，供模塊自身分析。2.電池模塊(1)充電均衡在充電過程中，保證系統(tǒng)內所有電池2.電池模塊(5)自檢功能通過電壓、電流、溫度等數(shù)據，能分析電池是否正常工作，并能有手段自動測試其他的功能是否正常，在每隔一定的時間周期時，均要進行自檢。

(6)外電路故障保護當外部電路出現(xiàn)嚴重故障或失效時，模塊要能產生安全保護，使電池不致過放電、過充電、短路等，最關鍵的是不能出現(xiàn)過充電和短路。

(7)溫度檢測與保護模塊能對電池的溫度進行測量與記錄，在溫度超過規(guī)定上限時，切斷電池充放電回路并給出聲光報警。

(8)通信功能模塊與系統(tǒng)主控部分通過SPI或電流環(huán)進行通信，所有單體電池的分析數(shù)據均能實時傳到主控單元。2.電池模塊(5)自檢功能通過電壓、電流、溫度等數(shù)據，能分(1)充電均衡在充電過程中，保證系統(tǒng)內所有電池的電池端電壓在每一時刻有良好的一致性；當模塊的達到調整極限仍然保證不了電池電壓一致性時，要通過聲光及通信方式將異常的電池編號報告到主控機并通過主控機報告到整車管理系統(tǒng)。

(1)充電均衡在充電過程中，保證系統(tǒng)內所有電池的電池端電壓(2)過電流過電壓示警當出現(xiàn)電池的電流或電壓超過保護標準時，示警指示；在過電流或是過電壓消失后，示警指示取消。

(2)過電流過電壓示警當出現(xiàn)電池的電流或電壓超過保護標準時(3)電壓采樣模塊具有電壓采樣功能，并將采樣數(shù)據記錄下來，供模塊自身分析。

(3)電壓采樣模塊具有電壓采樣功能，并將采樣數(shù)據記錄下來，(4)充放電電流采樣模塊具有充電放電電流采樣功能，并將采樣數(shù)據記錄下來，供模塊自身分析。

(4)充放電電流采樣模塊具有充電放電電流采樣功能，并將采樣(5)自檢功能通過電壓、電流、溫度等數(shù)據，能分析電池是否正常工作，并能有手段自動測試其他的功能是否正常，在每隔一定的時間周期時，均要進行自檢。

(5)自檢功能通過電壓、電流、溫度等數(shù)據，能分析電池是否正(6)外電路故障保護當外部電路出現(xiàn)嚴重故障或失效時，模塊要能產生安全保護，使電池不致過放電、過充電、短路等，最關鍵的是不能出現(xiàn)過充電和短路。

(6)外電路故障保護當外部電路出現(xiàn)嚴重故障或失效時，模塊要(7)溫度檢測與保護模塊能對電池的溫度進行測量與記錄，在溫度超過規(guī)定上限時，切斷電池充放電回路并給出聲光報警。

(7)溫度檢測與保護模塊能對電池的溫度進行測量與記錄，在溫(8)通信功能模塊與系統(tǒng)主控部分通過SPI或電流環(huán)進行通信，所有單體電池的分析數(shù)據均能實時傳到主控單元。圖5-9動力電池管理系統(tǒng)組成(8)通信功能模塊與系統(tǒng)主控部分通過SPI或電流環(huán)進行通信5.3.2電池SOC估計1.放電實驗法

2.安時計量法

3.開路電壓法

4.負載電壓法

5.內阻法

6.線性模型法

7.神經網絡法

8.卡爾曼濾波法5.3.2電池SOC估計1.放電實驗法

2.安時計量法

31.放電實驗法

1.放電實驗法

2.安時計量法

2.安時計量法

3.開路電壓法

3.開路電壓法

4.負載電壓法

4.負載電壓法

5.內阻法

5.內阻法

6.線性模型法

6.線性模型法

7.神經網絡法

7.神經網絡法

8.卡爾曼濾波法表5-5幾種主要SOC估算方法列表對比分析8.卡爾曼濾波法表5-5幾種主要SOC估算方法列表對比分析5.3.3電池SOH估計1)內阻、阻抗、電導率。

2)容量。

3)電壓。

4)自放電率。

5)可充電能力。

6)充電、放電循環(huán)次數(shù)。

1)基于卡爾曼濾波算法的壽命狀態(tài)估計。

2)基于其他數(shù)字濾波算法的壽命狀態(tài)估計。5.3.3電池SOH估計1)內阻、阻抗、電導率。

2)容量5.3.3電池SOH估計(1)放電測試把充滿電的電池，以標定倍率放電，將所能放出的電量與額定容量比較，即可得出電池的SOH值；這種方法會中斷BMS的工作而且浪費電池的能量，所以在HEV中不適合采用。

(2)電化學測試通過測量電池的電極腐蝕程度和電解液密度來估計SOH值。

(3)歐姆測試對電池的電阻、電導或阻抗進行測試，結合模糊邏輯算法來估計SOH。

(4)部分放電法采用部分放電法得到電池的各項參數(shù)，再將這些參數(shù)與性能完好的電池參數(shù)相比較，即可估計得到SOH值。5.3.3電池SOH估計(1)放電測試把充滿電的電池，以1)內阻、阻抗、電導率。

1)內阻、阻抗、電導率。

2)容量。

2)容量。

3)電壓。

3)電壓。

4)自放電率。

4)自放電率。

5)可充電能力。

5)可充電能力。

6)充電、放電循環(huán)次數(shù)。

6)充電、放電循環(huán)次數(shù)。

1)基于卡爾曼濾波算法的壽命狀態(tài)估計。

1)基于卡爾曼濾波算法的壽命狀態(tài)估計。

2)基于其他數(shù)字濾波算法的壽命狀態(tài)估計。圖5-10等效物理模型2)基于其他數(shù)字濾波算法的壽命狀態(tài)估計。圖5-10等效物理2)基于其他數(shù)字濾波算法的壽命狀態(tài)估計。圖5-11遞推最小二乘算法原理2)基于其他數(shù)字濾波算法的壽命狀態(tài)估計。圖5-11遞推最小(1)放電測試把充滿電的電池，以標定倍率放電，將所能放出的電量與額定容量比較，即可得出電池的SOH值；這種方法會中斷BMS的工作而且浪費電池的能量，所以在HEV中不適合采用。

(1)放電測試把充滿電的電池，以標定倍率放電，將所能放出的(2)電化學測試通過測量電池的電極腐蝕程度和電解液密度來估計SOH值。

(2)電化學測試通過測量電池的電極腐蝕程度和電解液密度來估(3)歐姆測試對電池的電阻、電導或阻抗進行測試，結合模糊邏輯算法來估計SOH。

(3)歐姆測試對電池的電阻、電導或阻抗進行測試，結合模糊邏(4)部分放電法采用部分放電法得到電池的各項參數(shù)，再將這些參數(shù)與性能完好的電池參數(shù)相比較，即可估計得到SOH值。

(4)部分放電法采用部分放電法得到電池的各項參數(shù)，再將這些5.3.4電池安全技術1.電池安全

2.高壓互鎖回路HVL

3.絕緣電阻測量

4.碰撞安全5.3.4電池安全技術1.電池安全

2.高壓互鎖回路HVL1.電池安全(1)內部短路鈷酸鋰鋰電池在過充電時(甚至正常充放電時)，鋰離子在負極堆積形成枝晶，刺穿隔膜，形成內部短路。

(2)產生大電流包括外部短路時，電池瞬間大電流放電，產生巨大熱量，內部短路，隔膜穿透，溫度上升，短路擴大，形成惡性循環(huán)。

(3)氣體排放如有機電解液在大電流，高溫條件下電解，產生氣體，導致內壓升高，嚴重時沖破殼體。

(4)燃燒在殼體破裂時金屬鋰與空氣接觸，導致燃燒，同時引燃電解質發(fā)生爆炸。1.電池安全(1)內部短路鈷酸鋰鋰電池在過充電時(甚至正常(1)內部短路鈷酸鋰鋰電池在過充電時(甚至正常充放電時)，鋰離子在負極堆積形成枝晶，刺穿隔膜，形成內部短路。

(1)內部短路鈷酸鋰鋰電池在過充電時(甚至正常充放電時)，(2)產生大電流包括外部短路時，電池瞬間大電流放電，產生巨大熱量，內部短路，隔膜穿透，溫度上升，短路擴大，形成惡性循環(huán)。

(2)產生大電流包括外部短路時，電池瞬間大電流放電，產生巨(3)氣體排放如有機電解液在大電流，高溫條件下電解，產生氣體，導致內壓升高，嚴重時沖破殼體。

(3)氣體排放如有機電解液在大電流，高溫條件下電解，產生氣(4)燃燒在殼體破裂時金屬鋰與空氣接觸，導致燃燒，同時引燃電解質發(fā)生爆炸。

(4)燃燒在殼體破裂時金屬鋰與空氣接觸，導致燃燒，同時引燃2.高壓互鎖回路HVL

2.高壓互鎖回路HVL

3.絕緣電阻測量

3.絕緣電阻測量

4.碰撞安全

4.碰撞安全

5.3.5電池熱管理技術1)電池溫度的準確測量和監(jiān)控。

2)電池主動制冷和主動制熱功能。

3)電池組溫度過高時的有效散熱和通風。

4)低溫條件下的快速加熱，滿足電池低溫起動性能要求。

5)有害氣體產生時的有效通風。

6)保證電池組溫度場的均勻分布。

7)電池滿功率工作的溫度區(qū)間定義，電池降功率工作區(qū)間定義。

8)電池隔熱功能。

1)考慮熱管理系統(tǒng)的設計目標和制約因素。

2)測量和估計電池模塊的生熱率以及熱容量。5.3.5電池熱管理技術1)電池溫度的準確測量和監(jiān)控。

25.3.5電池熱管理技術3)熱管理系統(tǒng)首輪評估(包括設計加熱或散熱系統(tǒng)等)。

4)預測電池包的熱場分布。

5)初步設計熱管理系統(tǒng)。

6)設計熱管理系統(tǒng)并進行試驗。

7)熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化。5.3.5電池熱管理技術3)熱管理系統(tǒng)首輪評估(包括設計加1)電池溫度的準確測量和監(jiān)控。

1)電池溫度的準確測量和監(jiān)控。

2)電池主動制冷和主動制熱功能。

2)電池主動制冷和主動制熱功能。

3)電池組溫度過高時的有效散熱和通風。

3)電池組溫度過高時的有效散熱和通風。

4)低溫條件下的快速加熱，滿足電池低溫起動性能要求。

4)低溫條件下的快速加熱，滿足電池低溫起動性能要求。

5)有害氣體產生時的有效通風。

5)有害氣體產生時的有效通風。

6)保證電池組溫度場的均勻分布。

6)保證電池組溫度場的均勻分布。

7)電池滿功率工作的溫度區(qū)間定義，電池降功率工作區(qū)間定義。

7)電池滿功率工作的溫度區(qū)間定義，電池降功率工作區(qū)間定義。

8)電池隔熱功能。圖5-12風冷形式

a)串行冷卻方式b)并行冷卻方式8)電池隔熱功能。圖5-12風冷形式

a)串行冷卻方式b1)考慮熱管理系統(tǒng)的設計目標和制約因素。

1)考慮熱管理系統(tǒng)的設計目標和制約因素。

2)測量和估計電池模塊的生熱率以及熱容量。

2)測量和估計電池模塊的生熱率以及熱容量。

3)熱管理系統(tǒng)首輪評估(包括設計加熱或散熱系統(tǒng)等)。

3)熱管理系統(tǒng)首輪評估(包括設計加熱或散熱系統(tǒng)等)。

4)預測電池包的熱場分布。

4)預測電池包的熱場分布。

5)初步設計熱管理系統(tǒng)。

5)初步設計熱管理系統(tǒng)。

6)設計熱管理系統(tǒng)并進行試驗。

6)設計熱管理系統(tǒng)并進行試驗。

7)熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化。圖5-13電池熱管理系統(tǒng)設計流程7)熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化。圖5-13電池熱管理系統(tǒng)設計流程5.3.6故障診斷技術1.BMS的重要診斷內容(診斷內容分充電過程、放電過程)

2.BMS的診斷策略與失效處理的基本策略5.3.6故障診斷技術1.BMS的重要診斷內容(診斷內容分1.BMS的重要診斷內容(診斷內容分充電過程、放電過程)1)起動過程BMS硬件故障診斷。

2)起動過程傳感器信號的合理性診斷。

3)起動過程電池組電壓信號合理性診斷。

4)起動過程電池模塊電壓的合理性診斷。

5)起動過程電流信號的合理性診斷。

6)起動過程溫度信號的合理性診斷。

7)電壓波動診斷。

8)無模塊電壓診斷。

9)無電池組電壓診斷。

10)無溫度信號診斷。

11)電流故障診斷。1.BMS的重要診斷內容(診斷內容分充電過程、放電過程)1)1.BMS的重要診斷內容(診斷內容分充電過程、放電過程)12)流量傳感器故障診斷。

13)模塊電壓一致性故障診斷。

14)過電流故障診斷。

15)通信系統(tǒng)故障診斷。

16)通風機故障診斷。

17)高壓電控制故障診斷。

18)模塊電壓的過充診斷。

19)電池組電壓的過充電診斷。

20)模塊電壓變化率的過充診斷。

21)電池組電壓變化率的過充電診斷。

22)SOC的過充電診斷。1.BMS的重要診斷內容(診斷內容分充電過程、放電過程)121.BMS的重要診斷內容(診斷內容分充電過程、放電過程)23)傳感器溫度的過充電診斷。

24)平均溫度的過充電診斷。

25)傳感器溫度變化率的過充電診斷。

26)平均溫度變化率的過充電診斷。

27)模塊電壓的過放電診斷。

28)電池組電壓的過放電診斷。

29)模塊電壓變化率的過放電診斷。

30)電池組電壓變化率的過放電診斷。

31)SOC的過放電診斷。

32)傳感器溫度的過放電診斷。

33)平均溫度的過放電診斷。1.BMS的重要診斷內容(診斷內容分充電過程、放電過程)231.BMS的重要診斷內容(診斷內容分充電過程、放電過程)34)傳感器溫度變化率的過放電診斷。

35)平均溫度變化率的過放電診斷。1.BMS的重要診斷內容(診斷內容分充電過程、放電過程)341)起動過程BMS硬件故障診斷。

1)起動過程BMS硬件故障診斷。

2)起動過程傳感器信號的合理性診斷。

2)起動過程傳感器信號的合理性診斷。

3)起動過程電池組電壓信號合理性診斷。

3)起動過程電池組電壓信號合理性診斷。

4)起動過程電池模塊電壓的合理性診斷。

4)起動過程電池模塊電壓的合理性診斷。

5)起動過程電流信號的合理性診斷。

5)起動過程電流信號的合理性診斷。

6)起動過程溫度信號的合理性診斷。

6)起動過程溫度信號的合理性診斷。

7)電壓波動診斷。

7)電壓波動診斷。

8)無模塊電壓診斷。

8)無模塊電壓診斷。

9)無電池組電壓診斷。

9)無電池組電壓診斷。

10)無溫度信號診斷。

10)無溫度信號診斷。

11)電流故障診斷。

11)電流故障診斷。

12)流量傳感器故障診斷。

12)流量傳感器故障診斷。

13)模塊電壓一致性故障診斷。

13)模塊電壓一致性故障診斷。

14)過電流故障診斷。

14)過電流故障診斷。

15)通信系統(tǒng)故障診斷。

15)通信系統(tǒng)故障診斷。

16)通風機故障診斷。

16)通風機故障診斷。

17)高壓電控制故障診斷。

17)高壓電控制故障診斷。

18)模塊電壓的過充診斷。

18)模塊電壓的過充診斷。

19)電池組電壓的過充電診斷。

19)電池組電壓的過充電診斷。

20)模塊電壓變化率的過充診斷。

20)模塊電壓變化率的過充診斷。

21)電池組電壓變化率的過充電診斷。

21)電池組電壓變化率的過充電診斷。

22)SOC的過充電診斷。

22)SOC的過充電診斷。

23)傳感器溫度的過充電診斷。

23)傳感器溫度的過充電診斷。

24)平均溫度的過充電診斷。

24)平均溫度的過充電診斷。

25)傳感器溫度變化率的過充電診斷。

25)傳感器溫度變化率的過充電診斷。

26)平均溫度變化率的過充電診斷。

26)平均溫度變化率的過充電診斷。

27)模塊電壓的過放電診斷。

27)模塊電壓的過放電診斷。

28)電池組電壓的過放電診斷。

28)電池組電壓的過放電診斷。

29)模塊電壓變化率的過放電診斷。

29)模塊電壓變化率的過放電診斷。

30)電池組電壓變化率的過放電診斷。

30)電池組電壓變化率的過放電診斷。

31)SOC的過放電診斷。

31)SOC的過放電診斷。

32)傳感器溫度的過放電診斷。

32)傳感器溫度的過放電診斷。

33)平均溫度的過放電診斷。

33)平均溫度的過放電診斷。

34)傳感器溫度變化率的過放電診斷。

34)傳感器溫度變化率的過放電診斷。

35)平均溫度變化率的過放電診斷。

35)平均溫度變化率的過放電診斷。

2.BMS的診斷策略與失效處理的基本策略1)根據各故障原因，對各種故障診斷分別設置了診斷程序的進入與退出條件。

2)采用分時診斷流程，節(jié)約CPU時間資源。

3)根據電池充電倍率，動態(tài)調節(jié)充電診斷過程參數(shù)。

4)根據電池放電倍率，動態(tài)調節(jié)放電診斷過程參數(shù)。

5)故障診斷分三種不同級別進行(報警、故障與危險)。

6)故障診斷結果通過CAN總線送至整車控制器。

7)故障診斷結果參與電池實際工作電流的控制。

8)故障診斷結果參與高壓電控制。2.BMS的診斷策略與失效處理的基本策略1)根據各故障原因，1)根據各故障原因，對各種故障診斷分別設置了診斷程序的進入與退出條件。

1)根據各故障原因，對各種故障診斷分別設置了診斷程序的進入與2)采用分時診斷流程，節(jié)約CPU時間資源。

2)采用分時診斷流程，節(jié)約CPU時間資源。

3)根據電池充電倍率，動態(tài)調節(jié)充電診斷過程參數(shù)。

3)根據電池充電倍率，動態(tài)調節(jié)充電診斷過程參數(shù)。

4)根據電池放電倍率，動態(tài)調節(jié)放電診斷過程參數(shù)。

4)根據電池放電倍率，動態(tài)調節(jié)放電診斷過程參數(shù)。

5)故障診斷分三種不同級別進行(報警、故障與危險)。

5)故障診斷分三種不同級別進行(報警、故障與危險)。

6)故障診斷結果通過CAN總線送至整車控制器。

6)故障診斷結果通過CAN總線送至整車控制器。

7)故障診斷結果參與電池實際工作電流的控制。

7)故障診斷結果參與電池實際工作電流的控制。

8)故障診斷結果參與高壓電控制。

8)故障診斷結果參與高壓電控制。

5.3.7鋰電池充電技術1.恒流恒壓充電法

2.脈沖充電法5.3.7鋰電池充電技術1.恒流恒壓充電法

2.脈沖充電法1.恒流恒壓充電法圖5-14恒流恒壓充電方法示意圖1.恒流恒壓充電法圖5-14恒流恒壓充電方法示意圖2.脈沖充電法圖5-15脈沖充電法示意圖2.脈沖充電法圖5-15脈沖充電法示意圖5.3.8電池均衡技術1.均衡算法

2.均衡電路設計5.3.8電池均衡技術1.均衡算法

2.均衡電路設計1.均衡算法

1.均衡算法

2.均衡電路設計(1)被動均衡小容量電池組往往采用一種簡單的被動平衡方法，旨在最大限度地降低成本。

(2)主動均衡主動平衡意味著電荷在電池之間往返運動，且最終不會作為熱量而被浪費掉。2.均衡電路設計(1)被動均衡小容量電池組往往采用一種簡單2.均衡電路設計圖5-16幾種常用的均衡電路2.均衡電路設計圖5-16幾種常用的均衡電路(1)被動均衡小容量電池組往往采用一種簡單的被動平衡方法，旨在最大限度地降低成本。圖5-17基于電容器的均衡電路(1)被動均衡小容量電池組往往采用一種簡單的被動平衡方法，(2)主動均衡主動平衡意味著電荷在電池之間往返運動，且最終不會作為熱量而被浪費掉。圖5-18基于變壓器的均衡電路(2)主動均衡主動平衡意味著電荷在電池之間往返運動，且最終5.3.9BMS硬件方案設計(1)基于分立器件的BMS，這種BMS利用光耦合器來切換采集通道，然后通過多路A/D轉換器來轉換，這樣，采樣頻率低，周期長，并且在切換過程中會有干擾，采集精度低，這就影響整個系統(tǒng)性能的提高，并且對硬件工程師的布置設計水平要求較高。

(2)基于芯片的BMS這種BMS一般將前端采集電路、均衡電路以及電量計量算法、通信功能等集成在芯片中，輔以外圍電路完成對電池的管理功能。5.3.9BMS硬件方案設計(1)基于分立器件的BMS，這(1)基于分立器件的BMS，這種BMS利用光耦合器來切換采集通道，然后通過多路A/D轉換器來轉換，這樣，采樣頻率低，周期長，并且在切換過程中會有干擾，采集精度低，這就影響整個系統(tǒng)性能的提高，并且對硬件工程師的布置設計水平要求較高。

(1)基于分立器件的BMS，這種BMS利用光耦合器來切換采集(2)基于芯片的BMS這種BMS一般將前端采集電路、均衡電路以及電量計量算法、通信功能等集成在芯片中，輔以外圍電路完成對電池的管理功能。圖5-19LTC6803典型應用示意圖(2)基于芯片的BMS這種BMS一般將前端采集電路、均衡電5.4動力電池及管理系統(tǒng)的測試與評價5.4.1鋰離子動力電池測試概況

5.4.2國內電池測試技術概況

5.4.3電池管理系統(tǒng)測試與評價5.4動力電池及管理系統(tǒng)的測試與評價5.4.1鋰離子動力5.4.1鋰離子動力電池測試概況(1)基本特性測試包括靜態(tài)容量測試、動態(tài)放電性能測試、功率特性測試、自放電特性測試、低溫起動功率測試、能量效率測試、內阻特性測試、生熱特性測試和壽命測試。

(2)安全性/濫用測試包括機械安全性測試、電安全性測試、熱安全性測試，具體包括在電池不爆炸、不起火的情況下，進行短路、擠壓、針刺、跌落、熱/機械沖擊試驗。

(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括大電流充放電特性測試、HPPC脈沖測試、庫倫效率測試和動態(tài)模擬工況循環(huán)測試等。5.4.1鋰離子動力電池測試概況(1)基本特性測試包括靜(1)基本特性測試包括靜態(tài)容量測試、動態(tài)放電性能測試、功率特性測試、自放電特性測試、低溫起動功率測試、能量效率測試、內阻特性測試、生熱特性測試和壽命測試。

(1)基本特性測試包括靜態(tài)容量測試、動態(tài)放電性能測試、功率(2)安全性/濫用測試包括機械安全性測試、電安全性測試、熱安全性測試，具體包括在電池不爆炸、不起火的情況下，進行短路、擠壓、針刺、跌落、熱/機械沖擊試驗。

(2)安全性/濫用測試包括機械安全性測試、電安全性測試、熱(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括大電流充放電特性測試、HPPC脈沖測試、庫倫效率測試和動態(tài)模擬工況循環(huán)測試等。1)SAEJ1798—1997電動車輛用電池組性能測試推薦規(guī)程。

2)SAEJ1798—2008電動汽車電池模塊性能級別推薦規(guī)程。

3)SAEJ2288—2008電動汽車電池模塊壽命周期試驗。

4)SAEJ2380—1998電動汽車電池振動試驗。

5)SAEJ2464—1999電動汽車電池濫用試驗。

6)ISO/DIS12405-1—2009電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)測試規(guī)程—第1部分:高功率應用。

7)ISO/DIS12405-2—2009電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)測試規(guī)程—第2部分:高能量應用。

8)ETAHTP008—2001電池充電。

9)ETAHTP012—2001電動汽車車載電池能源管理系統(tǒng)評估。(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括大電流充放電特性測試、HPPC脈沖測試、庫倫效率測試和動態(tài)模擬工況循環(huán)測試等。10)JEVSD710—2002電動汽車用電池的充電效率試驗方法。

11)JEVSZ105—1988電動汽車能量消耗量工況試驗方法。

12)JEVSZ111—1995電動汽車參考能量消耗的測量(電池輸出)。

13)JEVSZ807—1988電動汽車術語—電池。

14)JEVSTGZ101—1999電動汽車電能量測量方法。

15)PNGV電池試驗手冊。

16)USABC電池試驗規(guī)程手冊。

17)FreedomCAR42V電池測試手冊。

18)FreedomCAR電力輔助型混合動力汽車電池測試手冊。

1)電池常規(guī)測試。(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括大電流充放電特性測試、HPPC脈沖測試、庫倫效率測試和動態(tài)模擬工況循環(huán)測試等。2)電池壽命/疲勞測試規(guī)范。

3)電池管理系統(tǒng)軟、硬件測試。

1)電流、電壓、溫度測試精度驗證。

2)SOC、SOH估計能力驗證。

3)電池組均衡功能驗證。

4)診斷功能驗證。

5)高壓短路保護功能驗證。

6)基于CAN總線殘余總線仿真測試。(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括大電流充放電特性測試、HPPC脈沖測試、庫倫效率測試和動態(tài)模擬工況循環(huán)測試等。圖5-20AVL電池測試內容(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括大電流充放電特性測試、HPPC脈沖測試、庫倫效率測試和動態(tài)模擬工況循環(huán)測試等。表5-6動力電池測試內容(3)研究性測試主要針對電池狀態(tài)估計方法研究設計試驗，包括1)SAEJ1798—1997電動車輛用電池組性能測試推薦規(guī)程。

1)SAEJ1798—1997電動車輛用電池組性能測試推薦2)SAEJ1798—2008電動汽車電池模塊性能級別推薦規(guī)程。

2)SAEJ1798—2008電動汽車電池模塊性能級別推薦3)SAEJ2288—2008電動汽車電池模塊壽命周期試驗。

3)SAEJ2288—2008電動汽車電池模塊壽命周期試驗4)SAEJ2380—1998電動汽車電池振動試驗。

4)SAEJ2380—1998電動汽車電池振動試驗。

5)SAEJ2464—1999電動汽車電池濫用試驗。

5)SAEJ2464—1999電動汽車電池濫用試驗。

6)ISO/DIS12405-1—2009電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)測試規(guī)程—第1部分:高功率應用。

6)ISO/DIS12405-1—2009電動汽車用鋰離子7)ISO/DIS12405-2—2009電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)測試規(guī)程—第2部分:高能量應用。

7)ISO/DIS12405-2—2009電動汽車用鋰離子8)ETAHTP008—2001電池充電。

8)ETAHTP008—2001電池充電。

9)ETAHTP012—2001電動汽車車載電池能源管理系統(tǒng)評估。

9)ETAHTP012—2001電動汽車車載電池能源管理系10)JEVSD710—2002電動汽車用電池的充電效率試驗方法。

10)JEVSD710—2002電動汽車用電池的充電效率試11)JEVSZ105—1988電動汽車能量消耗量工況試驗方法。

11)JEVSZ105—1988電動汽車能量消耗量工況試驗12)JEVSZ111—1995電動汽車參考能量消耗的測量(電池輸出)。

12)JEVSZ111—1995電動汽車參考能量消耗的測量13)JEVSZ807—1988電動汽車術語—電池。

13)JEVSZ807—1988電動汽車術語—電池。

14)JEVSTGZ101—1999電動汽車電能量測量方法。

14)JEVSTGZ101—1999電動汽車電能量測量方法15)PNGV電池試驗手冊。

15)PNGV電池試驗手冊。

16)USABC電池試驗規(guī)程手冊。

16)USABC電池試驗規(guī)程手冊。

17)FreedomCAR42V電池測試手冊。

17)FreedomCAR42V電池測試手冊。

18)FreedomCAR電力輔助型混合動力汽車電池測試手冊。圖5-21阿崗試驗室的電池硬件在環(huán)測試系統(tǒng)18)FreedomCAR電力輔助型混合動力汽車電池測試手冊1)電池常規(guī)測試。

1)電池常規(guī)測試。

2)電池壽命/疲勞測試規(guī)范。

2)電池壽命/疲勞測試規(guī)范。

3)電池管理系統(tǒng)軟、硬件測試。

3)電池管理系統(tǒng)軟、硬件測試。

1)電流、電壓、溫度測試精度驗證。

1)電流、電壓、溫度測試精度驗證。

2)SOC、SOH估計能力驗證。

2)SOC、SOH估計能力驗證。

3)電池組均衡功能驗證。

3)電池組均衡功能驗證。

4)診斷功能驗證。

4)診斷功能驗證。

5)高壓短路保護功能驗證。

5)高壓短路保護功能驗證。

6)基于CAN總線殘余總線仿真測試。圖5-22CATARC混合動力和BMS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)6)基于CAN總線殘余總線仿真測試。圖5-22CATARC6)基于CAN總線殘余總線仿真測試。圖5-23電池試驗流程圖6)基于CAN總線殘余總線仿真測試。圖5-23電池試驗流程6)基于CAN總線殘余總線仿真測試。圖5-24電池試驗規(guī)程圖6)基于CAN總線殘余總線仿真測試。圖5-24電池試驗規(guī)程5.4.2國內電池測試技術概況1.單體電池試驗及要求

2.模塊電池試驗及要求

3.電池包測試及要求5.4.2國內電池測試技術概況1.單體電池試驗及要求

2.1.單體電池試驗及要求1)擠壓方向：垂直于蓄電池極板方向施壓

2)擠壓頭面積：不小于20cm

3)擠壓程度：直至蓄電池殼體破裂或內部短路(蓄電池電壓變?yōu)?V)1.單體電池試驗及要求1)擠壓方向：垂直于蓄電池極板方向施壓1.單體電池試驗及要求表5-7單體電池試驗及要求1.單體電池試驗及要求表5-7單體電池試驗及要求1.單體電池試驗及要求表5-7單體電池試驗及要求1.單體電池試驗及要求表5-7單體電池試驗及要求1)擠壓方向：垂直于蓄電池極板方向施壓

1)擠壓方向：垂直于蓄電池極板方向施壓

2)擠壓頭面積：不小于20cm

2)擠壓頭面積：不小于20cm

3)擠壓程度：直至蓄電池殼體破裂或內部短路(蓄電池電壓變?yōu)?V)

3)擠壓程度：直至蓄電池殼體破裂或內部短路(蓄電池電壓變?yōu)?2.模塊電池試驗及要求(1)能量型蓄電池

(2)功率型蓄電池2.模塊電池試驗及要求(1)能量型蓄電池

(2)功率型蓄電池2.模塊電池試驗及要求表5-8模塊電池試驗及要求2.模塊電池試驗及要求表5-8模塊電池試驗及要求(1)能量型蓄電池表格(1)能量型蓄電池表格(2)功率型蓄電池1)放電電流：1I3(A)；

2)振動方向：上下單振動；

3)振動頻率：10～55Hz；

4)最大加速度：30m/s;

5)掃頻循環(huán)：10次；

6)振動時間：2h。(2)功率型蓄電池1)放電電流：1I3(A)；

2)振動方向(2)功率型蓄電池表格(2)功率型蓄電池表格1)放電電流：1I3(A)；

1)放電電流：1I3(A)；

2)振動方向：上下單振動；

2)振動方向：上下單振動；

3)振動頻率：10～55Hz；

3)振動頻率：10～55Hz；

4)最大加速度：30m/s;

4)最大加速度：30m/s;

5)掃頻循環(huán)：10次；

5)掃頻循環(huán)：10次；

6)振動時間：2h。

6)振動時間：2h。

3.電池包測試及要求表5-9高功率鋰離子動力電池包和系統(tǒng)的測試項目3.電池包測試及要求表5-9高功率鋰離子動力電池包和系統(tǒng)的5.4.3電池管理系統(tǒng)測試與評價1)電池管理系統(tǒng)應具有對電池單體或者電池模塊的數(shù)據采集、信息傳遞和安全管理的功能。

2)電池管理系統(tǒng)應能檢測電池與熱和電相關的數(shù)據，相關數(shù)據至少包括電池單體或者電池模塊的電壓、電池組回路電流和電池包內部溫度等參數(shù)。

3)電池管理系統(tǒng)應能對動力電池的荷電狀態(tài)(SOC)進行實時估算。

4)電池管理系統(tǒng)應能對電池系統(tǒng)進行故障診斷，并可以根據具體故障內容啟動相應的故障處理機制，比如故障碼上報、實時警示和故障保護等。5.4.3電池管理系統(tǒng)測試與評價1)電池管理系統(tǒng)應具有對電5.4.3電池管理系統(tǒng)測試與評價5)電池管理系統(tǒng)應有與車輛的其他控制器基于總線通信方式的信息交互功能。

6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通信或者其他信號交互方式實現(xiàn)對充電過程的控制和管理。5.4.3電池管理系統(tǒng)測試與評價5)電池管理系統(tǒng)應有與車輛1)電池管理系統(tǒng)應具有對電池單體或者電池模塊的數(shù)據采集、信息傳遞和安全管理的功能。

1)電池管理系統(tǒng)應具有對電池單體或者電池模塊的數(shù)據采集、信息2)電池管理系統(tǒng)應能檢測電池與熱和電相關的數(shù)據，相關數(shù)據至少包括電池單體或者電池模塊的電壓、電池組回路電流和電池包內部溫度等參數(shù)。

2)電池管理系統(tǒng)應能檢測電池與熱和電相關的數(shù)據，相關數(shù)據至少3)電池管理系統(tǒng)應能對動力電池的荷電狀態(tài)(SOC)進行實時估算。

3)電池管理系統(tǒng)應能對動力電池的荷電狀態(tài)(SOC)進行實時估4)電池管理系統(tǒng)應能對電池系統(tǒng)進行故障診斷，并可以根據具體故障內容啟動相應的故障處理機制，比如故障碼上報、實時警示和故障保護等。

4)電池管理系統(tǒng)應能對電池系統(tǒng)進行故障診斷，并可以根據具體故5)電池管理系統(tǒng)應有與車輛的其他控制器基于總線通信方式的信息交互功能。

5)電池管理系統(tǒng)應有與車輛的其他控制器基于總線通信方式的信息6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通信或者其他信號交互方式實現(xiàn)對充電過程的控制和管理。表5-10電池管理系統(tǒng)試驗項目及技術要求6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通信或者其他信號交互方式實現(xiàn)對充電過程的控制和管理。表格6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通信或者其他信號交互方式實現(xiàn)對充電過程的控制和管理。表格6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通信或者其他信號交互方式實現(xiàn)對充電過程的控制和管理。表格6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通信或者其他信號交互方式實現(xiàn)對充電過程的控制和管理。表格6)電池管理系統(tǒng)應能通過與車載充電機或者非車載充電機的實時通11OZ4主編11OZ4主編第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀

5.2動力電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

5.3動力電池管理系統(tǒng)的關鍵技術

5.4動力電池及管理系統(tǒng)的測試與評價第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術圖5-1幾種車用電池比較第5章動力電池及其管理系統(tǒng)技術圖5-1幾種車用電池比較5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀5.1.1鋰離子電池的工作原理

5.1.2車用動力電池的要求

5.1.3電池模型

5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

5.1.5鋰離子電池系統(tǒng)存在的技術難題5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀5.1.1鋰離子電池的工作原理5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀表5-1目前幾種常用儲能式動力電池體系發(fā)展現(xiàn)狀比較5.1車用電池技術研究現(xiàn)狀表5-1目前幾種常用儲能式動力5.1.1鋰離子電池的工作原理圖5-2鋰離子電池的工作原理5.1.1鋰離子電池的工作原理圖5-2鋰離子電池的工作原5.1.2車用動力電池的要求1)高的能量密度以提高運行效率和一次性充電行駛里程。

2)高的輸出功率密度以滿足駕駛性能要求。

3)寬廣的工作溫度范圍以滿足夏季高溫和冬季低溫的運行需要(-40～50℃)。

4)長的循環(huán)壽命以保證在車輛的全壽命時期內不更換電池(目前國家十二五“863”指南要求鋰離子電池使用壽命超過10年或20萬km)。

5)高的充放電效率以最大限度實現(xiàn)節(jié)能。

6)無記憶效應以滿足車輛在使用的時候常常處于非完全放電狀態(tài)下充電的需要。

7)低的自放電率以滿足車輛較長時間的擱置需求。5.1.2車用動力電池的要求1)高的能量密度以提高運行效率5.1.2車用動力電池的要求8)快速充電能力以提高車輛的運行時間和效率。

9)單體電池電壓高以減少串聯(lián)數(shù)量，防止電池一致性差產生的電池組故障。

10)體積小，重量輕，以有利于車輛的輕量化和小型化。5.1.2車用動力電池的要求8)快速充電能力以提高車輛的運1)高的能量密度以提高運行效率和一次性充電行駛里程。

1)高的能量密度以提高運行效率和一次性充電行駛里程。

2)高的輸出功率密度以滿足駕駛性能要求。

2)高的輸出功率密度以滿足駕駛性能要求。

3)寬廣的工作溫度范圍以滿足夏季高溫和冬季低溫的運行需要(-40～50℃)。

3)寬廣的工作溫度范圍以滿足夏季高溫和冬季低溫的運行需要(-4)長的循環(huán)壽命以保證在車輛的全壽命時期內不更換電池(目前國家十二五“863”指南要求鋰離子電池使用壽命超過10年或20萬km)。

4)長的循環(huán)壽命以保證在車輛的全壽命時期內不更換電池(目前國5)高的充放電效率以最大限度實現(xiàn)節(jié)能。

5)高的充放電效率以最大限度實現(xiàn)節(jié)能。

6)無記憶效應以滿足車輛在使用的時候常常處于非完全放電狀態(tài)下充電的需要。

6)無記憶效應以滿足車輛在使用的時候常常處于非完全放電狀態(tài)下7)低的自放電率以滿足車輛較長時間的擱置需求。

7)低的自放電率以滿足車輛較長時間的擱置需求。

8)快速充電能力以提高車輛的運行時間和效率。

8)快速充電能力以提高車輛的運行時間和效率。

9)單體電池電壓高以減少串聯(lián)數(shù)量，防止電池一致性差產生的電池組故障。

9)單體電池電壓高以減少串聯(lián)數(shù)量，防止電池一致性差產生的電池10)體積小，重量輕，以有利于車輛的輕量化和小型化。

10)體積小，重量輕，以有利于車輛的輕量化和小型化。

5.1.3電池模型1.簡化電化學模型

2.等效電路模型

3.神經網絡模型5.1.3電池模型1.簡化電化學模型

2.等效電路模型

35.1.3電池模型圖5-3電池的模型5.1.3電池模型圖5-3電池的模型1.簡化電化學模型

1.簡化電化學模型

2.等效電路模型圖5-4電池等效電路

a)Rint模型b)Thevenin模型c)RC模型d)PNGV模型2.等效電路模型圖5-4電池等效電路

a)Rint模型b3.神經網絡模型圖5-5神經網絡結構3.神經網絡模型圖5-5神經網絡結構5.1.4車用動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1)三元材料-石墨體系電池由于其良好的能量密度和循環(huán)壽命，將長期在HEV上得到應用，當然也包括在部分PHEV上應用。

2)磷酸亞鐵鋰材料-石墨體系電