動力電池梯次利用技術(shù) 課件 2.2鋰離子電池模組及其管理系統(tǒng)

動力電池梯次利用技術(shù)項目二新能源汽車蓄動力電池及其管理技術(shù)任務(wù)二鋰離子蓄電池模組及其管理系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)一、知識目標(biāo)1.了解動力電池管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。2.了解動力電池的安全保護(hù)功能。3.了解電池荷電狀態(tài)（SOC）估計的方法。4.了解動力電池的熱管理形式和均衡原理。二、技能目標(biāo)1.能正確識別電池管理系統(tǒng)主要部件。2.能夠?qū)恿﹄姵毓芾硐到y(tǒng)分類。3.能完成電池管理系統(tǒng)的電壓和電阻測量。三、素養(yǎng)目標(biāo)1.通過對動力電池系統(tǒng)的認(rèn)知學(xué)習(xí)，培養(yǎng)對新知識、新技能的學(xué)習(xí)能力。2.通過小組合作作業(yè)，培養(yǎng)團(tuán)隊意識與協(xié)作精神。3.進(jìn)行作業(yè)過程中養(yǎng)成服從管理、規(guī)范作業(yè)的習(xí)慣，培養(yǎng)安全意識。4．通過作業(yè)后反思，養(yǎng)成一絲不茍、精益求精的工作作風(fēng)5．嚴(yán)格執(zhí)行6S現(xiàn)場管理。學(xué)習(xí)目標(biāo)李某開著自己的比亞迪宋到4S店進(jìn)行檢修。李某：感覺自己的車最近續(xù)航里程下降了很多，請師傅幫忙檢修一下。技師小王：新能源電動汽車的續(xù)駛里程是廣大車主非常關(guān)心的問題。影響汽車?yán)m(xù)駛里程的主要原因除了常見的車輛行駛路況、車輛負(fù)載以外，還有動力電池系統(tǒng)性能、輔助系統(tǒng)能量消耗、環(huán)境溫度等因素。任務(wù)導(dǎo)入目錄電池管理系統(tǒng)的基本組成及功能01.電池荷電狀態(tài)（SOC）估計02.電池安全技術(shù)03.電池?zé)峁芾砑夹g(shù)04.conents相關(guān)知識電池均衡技術(shù)05.電池管理系統(tǒng)的測量任務(wù)實施電池管理系統(tǒng)的基本組成及功能01PARTONE動力電池單元由電池模組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池托盤、輔助電子元器件、冷卻系統(tǒng)等部分組成。動力電池單元的組成結(jié)構(gòu)動力電池單元結(jié)構(gòu)圖構(gòu)成動力電池模組的最小單元是電池單體，即電芯。動力電池模組安裝在防護(hù)等級IP67的動力電池包內(nèi)，通過可靠的高低壓插接件與整車的用電設(shè)備和控制系統(tǒng)連接，是由幾顆到數(shù)百顆電池單體經(jīng)并聯(lián)及串聯(lián)所組成的組合體。動力電池模組動力電池模組動力電池模組例如，純電動汽車的電池組成方式是3P91S，即該動力電池是由3個單體電池并聯(lián)組成一個模塊，再用91個這樣的模塊串聯(lián)成一個整體，構(gòu)成了動力電池總成。注意：字母P表示并聯(lián)，字母S表示串聯(lián)。動力電池模組動力電池模組電池3P3S模組連接方式電池管理系統(tǒng)（BMS）包含硬件和軟件兩部分，該系統(tǒng)的硬件由一個或多個電子控制器組成，包含電池管理器、高壓盒、電池信息采集器、接觸器、霍爾傳感器/分流器、熔斷器、手動維修開關(guān)（MSD）等電子元件組成。電池管理系統(tǒng)（BMS）電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（BMS）1.電池管理器功能（1）實時接收電池信息采集器采集的單體電壓、溫度信息；（2）接收高壓盒反饋的總電壓和電流情況；（3）電池管理系統(tǒng)與整車控制器進(jìn)行通信；（4）電池管理系統(tǒng)與直流充電樁進(jìn)行通訊；（5）電池管理器（BMC）控制主繼電器吸合或斷開、控制充/放電電流和電池加熱的大小情況；（6）喚醒電池管理系統(tǒng)的應(yīng)答。電池管理系統(tǒng)（BMS）電池管理器2.高壓盒高壓盒，又名絕緣檢測盒，作用是監(jiān)控動力電池的總電壓和絕緣性能，它的主要功能是監(jiān)控動力電池的總電壓（繼電器內(nèi)外4個監(jiān)測點）、檢測高壓系統(tǒng)絕緣性能、監(jiān)控高壓連接情況（含繼電器觸點閉合狀態(tài)檢查），然后將監(jiān)控到的數(shù)據(jù)反饋給電池管理器。電池管理系統(tǒng)（BMS）高壓盒3.電池信息采集器電池采集器，主要作用是電池電壓采樣、溫度采樣、電池均衡、采樣線異常檢測等，然后將采集到的數(shù)據(jù)反饋給電池管理器。電池管理系統(tǒng)（BMS）電池信息采集器4.霍爾傳感器霍爾傳感器一開始日系混合動力車上用的較多，現(xiàn)在慢慢有智能的分流器完成電壓和電流的采樣，通過串行總線傳輸，甚至可以在里面實現(xiàn)電池荷電狀態(tài)（SOC）的估算?；魻栯娏鱾鞲衅魈自诟邏耗妇€上，如圖1-2-7所示。同時霍爾傳感器在參數(shù)測量過程中能實現(xiàn)主電路回路和單片機系統(tǒng)的隔離，安全性更高。電池管理系統(tǒng)（BMS）高壓母線上嵌套霍爾電流傳感器電池系統(tǒng)內(nèi)的電池采集器（BIC）實時采集各單體的電壓值、各溫度傳感器的溫度值、通過電池子網(wǎng)CAN反饋給電池管理器（BMC）。BMC根據(jù)單體電池信息計算的總電壓、當(dāng)前電池系統(tǒng)的電流值以及絕緣漏電模塊采集的漏電故障轉(zhuǎn)換成電阻信號反饋給BMC。工作原理動力電池管理系統(tǒng)的工作原理動力電池管理系統(tǒng)的工作原理和主要功能BMC根據(jù)動力電池當(dāng)前的健康狀況給予相對應(yīng)的限功率/停機的控制策略，并根據(jù)直流充電樁通過槍端的S+、S-的電阻信號與BMS進(jìn)行通訊，控制直流充電的電壓、電流。同時電池系統(tǒng)內(nèi)的均衡模塊起到電池單體電壓及溫度均衡作用，附帶有監(jiān)測并響應(yīng)碰撞及電池滲漏的功能，當(dāng)監(jiān)測到影響安全的信號時，電池管理系統(tǒng)則立即切斷高壓電供給。工作原理動力電池管理系統(tǒng)的工作原理動力電池管理系統(tǒng)的工作原理和主要功能動力電池管理系統(tǒng)是整車能源管理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，為保護(hù)動力電池，合理地使用并管理電池組的電能，為駕駛?cè)颂峁┎@示動力電池組的動態(tài)變化參數(shù)等，是電動汽車節(jié)能、減排和延長續(xù)駛里程的重要管理機構(gòu)。主要功能動力電池管理系統(tǒng)的工作原理和主要功能某電動汽車動力電池管理系統(tǒng)的基本功能電池管理控制器充放電管理、接觸器控制、功率控制、電池異常狀態(tài)報警和保護(hù)、SOC/SOH計算、自檢以及通信功動力電池管理系統(tǒng)的工作原理和主要功能電池信息采集器電池電壓采樣、溫度采樣、電池均衡、采樣線異常檢測動力電池采樣線連接電池管理控制器和電池信息采集器，實現(xiàn)二者之間的通信及信息交換。1．集中式系統(tǒng)集中式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，中央控制數(shù)個數(shù)據(jù)采集單元等形成整個電源系統(tǒng)的管理單元，對電源系統(tǒng)的基本信息如電壓、電流、溫度進(jìn)行采樣，然后在BMS中央處理器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、計算、判斷和相應(yīng)控制。動力電池管理系統(tǒng)的分類集中式BMS優(yōu)點02安全管理便利，簡化了對不同電池參數(shù)的調(diào)整與改寫，對參數(shù)的測量速度較快，動力電池管理系統(tǒng)的分類優(yōu)點01材料的成本低，可在電池管理系統(tǒng)之間無限制地通信。優(yōu)點03可靠性高，可以靈活計算，根據(jù)不同的情況在中央處理器內(nèi)修改軟件，滿足不同要求。集中式系統(tǒng)優(yōu)點缺點01需要解決串聯(lián)蓄電池的電壓測量中共地、隔離、測量精度等問題，技術(shù)難度大。缺點02對電池組進(jìn)行信號采集，而不能檢測到每個電池單體，精度差，對信號處理要求高。缺點03當(dāng)電池出現(xiàn)故障時只能替換整個電池組。適用于僅由一個電池包組成的車用動力電源系統(tǒng)。動力電池管理系統(tǒng)的分類集中式系統(tǒng)缺點2．分布式系統(tǒng)在分布式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是分布的，即每個電池包對應(yīng)一個采集單元，這些單元與中心的BMS通過一根母線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，充電控制、放電控制等單元也可能和中央處理單元分開，有的沒有總的BMS控制板，直接通過總線傳輸?shù)诫妱悠囍行目刂破?。動力電池管理系統(tǒng)的分類分布式BMS集中式系統(tǒng)優(yōu)點優(yōu)點01減少了布線，便于電源系統(tǒng)的擴展，可以分散安裝優(yōu)點02總線進(jìn)行連接與信息通信，采集的數(shù)據(jù)可以就近處理，精度高優(yōu)點03更好地計算電池的狀態(tài)，利于建立標(biāo)準(zhǔn)化的電源管理系統(tǒng)動力電池管理系統(tǒng)的分類集中式系統(tǒng)缺點缺點01成本比較高，靈活性差，修改麻煩，數(shù)據(jù)由串行總線傳輸，系統(tǒng)巡回檢測的速度受限制，數(shù)據(jù)的實時性不高缺點02采用分布式檢測系統(tǒng)時，由于采樣的下位板數(shù)目較多，造成電池包內(nèi)的走線較多，不利于對BMS動力系統(tǒng)的維護(hù)動力電池管理系統(tǒng)的分類主要適用于由多個電池包組成的電源系統(tǒng)，目前大多數(shù)專門進(jìn)行開發(fā)或生產(chǎn)BMS的企業(yè)制作的基本上是這種分布式系統(tǒng)。電池荷電狀態(tài)（SOC）估計02PARTTWO動力電池SOC估計方法大致可分為四類：基于表征參數(shù)的方法安時積分法基于模型的方法基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法SOC估計方法電池荷電狀態(tài)（SOC）估計SOC估計方法其荷電狀態(tài)不能通過直接測量得到，僅能根據(jù)電池的某些外特性，如電池的內(nèi)阻、開路電壓、溫度、電流等相關(guān)參數(shù)，利用相關(guān)的特性曲線或計算公式完成對荷電狀態(tài)的預(yù)測。SOC估計電池荷電狀態(tài)（SOC）是用戶評估當(dāng)前電動汽車?yán)m(xù)航里程的直接參數(shù)，是對電池剩余電量的評估。電池運行中因涉及過程的復(fù)雜性使得SOC評估易于出錯。電池荷電狀態(tài)（SOC）估計電池安全技術(shù)03PARTTHREE安全保護(hù)管理系統(tǒng)主要是在煙霧報警、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)生碰撞等危險情況下能夠自動關(guān)閉電源等保障車輛和人員安全的系統(tǒng)。電池安全技術(shù)電池安全技術(shù)過電流保護(hù)對于鋰離子電池來說，正負(fù)極材料的脫嵌鋰離子能力是一定的，當(dāng)充放電的電流大于正負(fù)極材料的脫嵌能力時，將導(dǎo)致電池的極化電壓增加，導(dǎo)致電池的實際容量減小影響電池使用壽命，嚴(yán)重時會影響電池的安全性。電池管理系統(tǒng)（BMS）會判斷電流值是否超過安全范圍，一旦超過則會采取相應(yīng)的安全保護(hù)措施。電池本身由內(nèi)阻工作時發(fā)熱熱量積聚，溫度上升熱穩(wěn)定性下降電池安全技術(shù)在充電過程中，充電電壓超過電池截止充電電壓導(dǎo)致過度充電，電池內(nèi)正極晶格結(jié)構(gòu)會被破壞，導(dǎo)致電池容量變小，并且電壓過高時會增加正負(fù)極短路發(fā)生爆炸的隱患，因此電壓過高是被嚴(yán)格禁止的。檢測電池電壓超過充電限制電壓時斷開充電回路保護(hù)電池系統(tǒng)過充電保護(hù)電池安全技術(shù)過放電保護(hù)在放電過程中，放電電壓低于電池放電截止電壓導(dǎo)致過度放電，電池負(fù)極上的金屬集流體被溶解，給電池造成不可逆的損害。過度放電的電池充電時可能會有內(nèi)部短路或者漏液的情況。保證電池安全超過放電限制自動斷開放電回路電池安全技術(shù)長時間處在高溫環(huán)境下，電池材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會變差從而縮短電池使用壽命。低溫下電池活性受限會造成可用容量減小，尤其是充電容量將變得很低，同時可能產(chǎn)生安全隱患。結(jié)合熱管理進(jìn)行溫度不同，電池活性不同超出限制溫度，禁止充放電保護(hù)電池系統(tǒng)過溫保護(hù)電池安全技術(shù)絕緣監(jiān)測電池管理系統(tǒng)（BMS）會實時監(jiān)測總正極和總負(fù)極對車身搭鐵的絕緣阻值，如果出現(xiàn)絕緣阻值低于安全范圍，則會上報故障并斷開高壓電。電池系統(tǒng)高壓漏電危險絕緣阻值低于安全范圍自動斷高壓電池安全技術(shù)由于電動汽車動力電池系統(tǒng)電壓平臺有300V和600V，大大超過了人體可以承受的安全電壓，并且電池起火也是純電動車推廣受限的一大難點。彈匣電池系統(tǒng)電池安全技術(shù)（彈匣電池系統(tǒng)）由于電動汽車動力電池系統(tǒng)電壓平臺有300V和600V，大大超過了人體可以承受的安全電壓，并且電池起火也是純電動車推廣受限的一大難點。解決電池安全是各大車企的當(dāng)務(wù)之急，例如，廣汽埃安發(fā)布了新一代動力電池安全技術(shù)——彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)（以下簡稱“彈匣電池”）彈匣電池系統(tǒng)電池安全技術(shù)（彈匣電池系統(tǒng)）由于電動汽車動力電池系統(tǒng)電壓平臺有300V和600V，大大超過了人體可以承受的安全電壓，并且電池起火也是純電動車推廣受限的一大難點。基于“防止電芯內(nèi)短路，短路后防止熱失控，以及熱失控后防止熱蔓延”的設(shè)計思路，彈匣電池采用類似安全艙的設(shè)計，可有效阻隔熱失控電芯的蔓延、當(dāng)偵測到電芯電壓或溫度等出現(xiàn)異常時，自動啟動電池速冷降溫系統(tǒng)為電池降溫。電池?zé)峁芾砑夹g(shù)04PARTFOUR車輛熱管理指從系統(tǒng)集成和整體角度，統(tǒng)籌熱管理系統(tǒng)與熱管理對象、整車的關(guān)系，采用綜合控制和系統(tǒng)管理的方法，將各個系統(tǒng)或部件集成一個有效的熱管理系統(tǒng)，控制和優(yōu)化車輛的熱傳遞過程。換言之則是系統(tǒng)管理車輛各個部位的熱能，能有效降低廢熱排放，提高能源利用效率，減少環(huán)境污染。電池?zé)峁芾砑夹g(shù)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同運行情況下，電池在輸出功率和電能的同時，由于其自身有一定的內(nèi)阻，電池自身會產(chǎn)生一定的熱量。這些熱量的聚集會使電池溫度升高，而由于空間布置的不同使得電池組各處溫度不一致電池?zé)峁芾砑夹g(shù)某模組熱分析結(jié)果功能一功能二功能三功能四功能五保證電池組組內(nèi)溫度均勻電池組溫度過高時進(jìn)行有效散熱和通風(fēng)低溫條件下對電池組快速加熱有害氣體產(chǎn)生時進(jìn)行有效通風(fēng)準(zhǔn)確測量和監(jiān)控電池溫度電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的功能電池內(nèi)熱傳遞方式有熱傳導(dǎo)、對流換熱和輻射換熱三種方式熱輻射指物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，主要發(fā)生在電池表面，與電池表面材料的性質(zhì)相關(guān)。熱傳導(dǎo)物體與物體直接接觸而產(chǎn)生的熱傳遞。熱對流指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，它和溫差成正比。電池內(nèi)傳熱的基本方式對于單體電池內(nèi)部而言，熱輻射和熱對流的影響很小，熱量的傳遞主要是由熱傳導(dǎo)決定的。電池自身吸熱的大小是與其材料的比熱容有關(guān)，比熱容越大，散熱越多，電池的溫升越小。如果散熱量大于或等于產(chǎn)生的熱量，則電池溫度不會升高。如果散熱量小于所產(chǎn)生的熱量，熱量將會在電池體內(nèi)產(chǎn)生熱積累，電池溫度升高。熱傳遞電池內(nèi)傳熱的基本方式按照傳熱介質(zhì)來分類，可將電池組熱管理系統(tǒng)分為空冷、液冷和相變材料冷卻三種冷卻系統(tǒng)。考慮到材料的研發(fā)以及制造成本等問題，目前最有效且最常用的散熱系統(tǒng)是采用空氣和冷卻液作為散熱介質(zhì)。過電流保護(hù)按照散熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)不同，空氣冷卻系統(tǒng)可分為串行通風(fēng)方式和并行通風(fēng)方式兩種。現(xiàn)在高速電動汽車為了增大散熱量常采用冷卻液強制循環(huán)冷卻方式，利用大量冷卻液的循環(huán)流動帶走動力電池自身熱量。電池組熱管理系統(tǒng)形式例如吉利EV450車輛電芯加熱策略就采用只在充電模式下啟動加熱系統(tǒng)，按照動力電池系統(tǒng)的溫度范圍和充電類型劃分以下情況：單體電芯平均溫度Tavg＜0℃車載交流充電模式下進(jìn)行充電前預(yù)熱，即只啟動加熱系統(tǒng)不充電單體電芯平均溫度Tavg＜10℃車載交流充電模式下與直流充電模式下邊充電邊啟動加熱系統(tǒng)單體電芯平均溫度Tavg＞10℃不啟動加熱系統(tǒng)不啟動加熱系統(tǒng)電池組熱管理系統(tǒng)形式電池均衡技術(shù)05PARTFIVE意義利用電力電子技術(shù)，使鋰離子電池單體電壓或電池組電壓偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，從而保證每個單體電池在正常的使用時保持相同狀態(tài)，以避免過充、過放的現(xiàn)象發(fā)生。均衡類別電池均衡一般分為主動均衡、被動均衡兩種。均衡管理有助于電池容量的保持和放電深度的控制。如何均衡均衡控制是當(dāng)發(fā)生某個電池單體充滿電，而其他電池單體沒有充滿電；或者某個最小電量的單體電池放電截止時，其他電池還沒有達(dá)到放電截止限制的情況時，使各單體電池電壓趨于均衡一致的控制策略，以此避免因串聯(lián)電池組中各單體電池的充放電特性的差異影響電池組的壽命。電池均衡原理這也是一種電池自我保護(hù)的特性，也是為了防止出現(xiàn)電池過充電或者過放電的現(xiàn)象，導(dǎo)致電池內(nèi)部會發(fā)生一些不可逆的化學(xué)反應(yīng)使電池的性質(zhì)受到影響，從而影響電池的使用壽命。電池均衡原理按照均衡管理中的電路結(jié)構(gòu)和控制方式這兩個方面來歸納，前者分為集中式均衡和分布式均衡，后者分為主動均衡和被動均衡。均衡方式均衡方式集中式均衡是指電池組內(nèi)所有的電池單體共用一個均衡器來進(jìn)行均衡控制，而分布式均衡是一個或若干個電池單體專用一個均衡器。將能量高的電池單體中的能量轉(zhuǎn)移到能量低的單體上以達(dá)到能量均