新能源汽車動力蓄電池系統(tǒng)構造與檢修 課件 任務4-3 動力蓄電池狀態(tài)檢測與分析

項目四動力蓄電池管理系統(tǒng)認知與檢修新能源汽車動力蓄電池及管理技術1、掌握動力電池成組概念、動力電池成組電芯串并聯(lián)選用原則。2、了解幾種常見車型的動力電池參數(shù)；3、掌握動力電池系統(tǒng)的整體結構組成、（BMS）的功能4、掌握動力電池電量管理、均衡管理、熱管理、安全及通信管理的主要功能和基本原理；5、理解動力電池系統(tǒng)的檢測內容和工作模式及充電工作原理知識目標技能目標1、能進行電池組并聯(lián)與串聯(lián)的選用計算。2、能熟練介紹常見車型選用動力電池的技術特性。3、能認知動力電池系統(tǒng)的各組成部件及4、能簡單闡述BMS的基本功能及電池各項管理的基本原理5、能簡單闡述動力電池的工作模式6、能分析動力電池充電基本組成電路增強嚴格遵守標準規(guī)范的意識。具有團隊協(xié)作意識和吃苦耐勞精神，并樹立正確的理想信念。3、培養(yǎng)學生自主學習、查找資料、制定計劃的能力；4、培養(yǎng)學生具備從事汽車行業(yè)工作的職業(yè)素養(yǎng)。思政目標目錄CONTENTS動力蓄電池管理系統(tǒng)認知與檢修動力蓄電池成組技術認知任務1動力蓄電池管理系統(tǒng)認知與檢修任務2

動力蓄電池狀態(tài)檢測與分析任務3動力蓄電池熱管理系統(tǒng)構造與檢修任務4動力蓄電池充電管理認知與檢修任務5任務描述一輛純電動汽車，儀表上的動力電池故障燈常亮，讀取故障碼顯示“P118522單體電池電壓不均衡故障”?，F(xiàn)在車間主管安排你完成此任務，你應該如何檢修呢？任務引入一、基本信息采集（1）基本信息測量(蓄電池電壓、電流信號、蓄電池包溫度的檢測)蓄電池管理系統(tǒng)最基本的功能就是測量單體蓄電池的電壓、電流和溫度，這是所有蓄電池管理系統(tǒng)頂層計算、控制邏輯的基礎。1）單體蓄電池電壓測量和電壓監(jiān)控。單體蓄電池的電壓，對于蓄電池管理系統(tǒng)有幾種意義：①可以用來累加獲取整個蓄電池的電壓;②可以根據(jù)單體蓄電池電壓壓差來判斷單體蓄電池差異性;③可以用來檢測單體蓄電池的運行狀態(tài)。

單體蓄電池電壓的采集和保護，目前都用專用集成電路(ASIC)來完成，采集電壓的精度不僅受ASIC本身精度的影響，也受單體蓄電池電壓采樣線束、線束保護用熔絲、均衡狀態(tài)等的影響。一、基本信息采集2）電池包電壓測量

在計算SOC的時候，往往會用電池組的總電壓來核算，這是計算電池包參數(shù)重要參量之一；

如果由單體電壓采樣有一定的時間差異性，也沒辦法與電池傳感器的數(shù)據(jù)實現(xiàn)精確對齊，因此往往采集電池包電壓來作為主參數(shù)來進行運算。在診斷繼電器的時候，需要電池包內外電壓一起比較的。一、基本信息采集3）電池溫度

溫度對電池的參數(shù)有著很大的意義。在設計電池和模組的時候，電池內外的溫度差異、電池極耳和母線焊接處、模組內電池溫度差異和電池包內最大溫度差，都應進行先期控制了。

BMS在設計上考慮了溫度傳感器的放置點，以最后采集得到的溫度點表征整個蓄電池包的運行情況。溫度檢測的精度在不同溫度的情況下要求不同，如在-40C時，檢測精度不需要特別高，因為使用蓄電池系統(tǒng)本身就需要加熱；而在-10~10C時，溫度對蓄電池性能有重大影響，需要提高檢測精度;另外還有40C高溫臨近點，也是需要重點關心的溫度范圍。在設計的過程中，可以用上拉電阻、濾波電阻和溫度傳感器的本身的數(shù)值進行分析。一、基本信息采集

4）電池包流體溫度檢測電池管理系統(tǒng)在整個電池包熱控制里面，一般的作用是匯報溫度，以及流體入口和出口的溫度，檢測電路與單體檢測類似。一、基本信息采集5）電流測量電池包的往往僅在單體這一層級做并聯(lián)(最極端的是特斯拉的小電池的75個并聯(lián))，電池包內的單體串聯(lián)給整車提供電能，所以一般只需要測量一個電流。電流測量手段主要分兩種智能分流器或霍爾電流傳感器。由于電池系統(tǒng)需要處理的電流數(shù)值，往往瞬時很大，比如車輛加速所需要的放電電流和能量回收時候的充電電流，因此評估測量電池包的輸出電流(放電)和輸入電流(充電)的量程和精度，這是一件需要仔細檢查的工作。電流是引起單體溫度變化的主要原因，作用在內阻和化學發(fā)熱一起構成了電池發(fā)熱;電流變化的時候也會引起電壓的變化，與時間一起，這三項是核算電池狀態(tài)的必備元素?；魻杺鞲衅饕婚_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)SOC的估算。一、基本信息采集2.絕緣電阻檢測

電池管理系統(tǒng)內，一般需要對整個電池系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)進行絕緣檢測，比較簡單的是依靠電橋來測量總線正極和負極對地線的絕緣電阻?，F(xiàn)在在電池包里面用的比較多的是主動信號注入，主要是可以檢測電池單體對系統(tǒng)的絕緣電阻。一、基本信息采集3.高壓互鎖檢測(HVIL)

高壓互鎖的目的是，用來確認整個高壓系統(tǒng)的完整性的，當高壓系統(tǒng)回路斷開或者完整性受到破壞的時候，就需要啟動安全措施了。a)HVIL的存在，可以使得在高壓總線上電之前，就知道整個系統(tǒng)的完整性，也就是說在電池系統(tǒng)主、負繼電器閉合給電之前就防患于未然。b)HVIL的存在，是需要整個系統(tǒng)構成的，主要通過連接器的低壓連接回路上完成的，電池管理單元一般需要提供電路的檢測回路。HVIL源有三種不同的方式，5V、12V和PWM波。一、基本信息采集15動力電池包對外上電過程控制,以及單體電壓監(jiān)測與模組溫度監(jiān)測一、基本信息采集16動力電池母線電流監(jiān)測一、基本信息采集一、基本信息采集18SK電池構造主要由：電芯，主保險，總正繼電器，總負繼電器預充繼電器，預充電電阻，電流傳感器，BMS，高壓接口，低壓接口。一、基本信息采集SK電池控制單元主要功能：1.與外部通訊（VCU、充電機、快充樁）2.控制負極繼電器3.檢測內、外部總電壓4.檢測充、放電電流5.監(jiān)測單體電壓和電芯溫度6.保護電池壽命和安全7.控制預充繼電器注：正極繼電器由由VCU控制一、基本信息采集SK電池構造：繼電器集成器（PRA）負繼電器預充繼電器預充電阻正繼電器內部電壓檢測點外部電壓檢測點一、基本信息采集SK電池構造電壓、溫度采集板（PCB），壓裝在模組上：采集單體電壓和電芯溫度實物圖二維圖一、基本信息采集單體信息的采集，與整車通訊的低壓連接一、基本信息采集一、基本信息采集24電池模組串聯(lián)形成高壓的連接路徑1stModule91stModule一、基本信息采集關鍵元器件一、基本信息采集電池單體電壓采樣檢測電阻陣列一、基本信息采集電池電壓采集盒動力電池模組動力電池箱正極繼電器負極繼電器高壓保險預充電電阻預充電繼電器電流檢測主控盒電池電壓采集盒絕緣檢測盒普萊德動力電池波士頓電芯一、基本信息采集1.SOC和SOH估計

電池系統(tǒng)中最核心也是最難的一部分就是SOC和SOH的估計。

SOC估算常見的有安時積分法(SOCI)，和開路電壓標定法(SOCV)，安時積分最大的問題是隨著時間的推移誤差會越來越大，開路電壓標定的問題是，電池需要在靜置很長時間以后的開路電壓對應的SOC才是準確的，汽車在行駛的時候采集的電壓用來標定SOC那是不準確的。實際的使用中，一般以SOCV為主用SOCI，在實際使用中也在用一定的卡爾曼濾波法，神經(jīng)網(wǎng)絡法來提高SOC的計算，但是限于MCU的運算速度和能力，整個算法的復雜度是有限制的。二、狀態(tài)估計通過SOC可以知道目前的電量狀態(tài)。若沒有準確的soc，會出現(xiàn)的情況：1）過充/過放導致蓄電池壽命縮短，或發(fā)生故障等。2）均衡的-致性效果不理想，輸出功率降低，動力性能降低。二、狀態(tài)估計

目前SOC主流估算方法有放電法、安時積分法、開路電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、卡爾曼濾波法。放電法即是對蓄電池做放電實驗，以放出電量的多少判斷蓄電池容量，但實際行車情況中用來行駛的是剩余電量，無法單純以放電結果作為電量預估標準。安時積分法是通過初始狀態(tài)與運行狀態(tài)下電流和時間積分的和來計算當前電量，其公式為：當前SOC精度主要依賴初始和瞬時電流的精度，但是隨著時間延長，誤差累計嚴重，且無法單獨修正。二、狀態(tài)估計2.均衡

一個串聯(lián)的電池包，由于電池和電池管理的原因，總是會出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象。在實際使用過程中，每個串聯(lián)的輸出容量是不一樣的。而電池，不僅有過放電和過充電的限制，而且在不同溫度和不同SOC下，輸入和輸出的功率也存在限制。1）電池包內各個單體電池之間的個體差異：單體容量差異、單體內阻差異、單體自放電差異、工作時候電流差異和休眠時候電流差異。2）電池包內隨著時間變化:單體容量差異、單體內阻差異、單體自放電差異。3）客戶使用充電時間、放電時間。4）外部環(huán)境同溫度下的自放電、不同SOC下的自放電。5）系統(tǒng)相互影響:BMS的工作狀況，這個因素和BMS的工作狀態(tài)有關系。二、狀態(tài)估計3.電池功率限制

新能源汽車中的電池容量是不同的，鋰電池系統(tǒng)為整車特別是電機提供能量，需要滿足電機的功率要求。而一定容量的電池電池在不同的SOC，不同的溫度下，其輸入和輸出的功率是有一定限制的。實際的運行中，混合動力電池包SOC窗口開的很小，純電動汽車用的非常寬，用完就結束使用，而插電式混合動力在電池耗盡的時候，則需要考慮輸出功率的限制。電池管理系統(tǒng)需要發(fā)送給整車控制器一個功率限制參數(shù)，這是根據(jù)一個三維表核算出來，包含溫度、SOC、電池容量。二、狀態(tài)估計輔助系統(tǒng)功能一般與整車控制系統(tǒng)或者其他相關的系統(tǒng)聯(lián)合使用。（1）繼電器控制功能

蓄電池包內一般有多個繼電器，蓄電池管理系統(tǒng)至少要完成對繼電器的驅動供給和狀態(tài)檢測，繼電器控制往往是和整車控制器協(xié)調后確認控制器狀態(tài)。

例如安全氣囊控制器輸出的碰撞信號一般與繼電器控制器斷開直接掛鉤。蓄電池包內繼電器一般有主正、主負、預充和充電繼電器，在蓄電池包外還有獨立的配電盒對整個電流分配進行更細致的保護。閉合、斷開的狀態(tài)以及開關的順序對蓄電池包的繼電器控制都很重要。三、輔助系統(tǒng)（2）熱管理控制功能

蓄電池的化學性能受環(huán)境的溫度影響非常大，為了保證蓄電池的使用壽命，必須讓蓄電池工作在合理的溫度范圍之內，并根據(jù)不同的溫度為整車控制器提供其所能輸出和輸人的最大功率。蓄電池管理系統(tǒng)的溫度控制主要用到CFD仿真分析，即如何使用最少的溫度傳感器來有效地監(jiān)測整個蓄電池包的溫度分布，并將監(jiān)測信息反饋給蓄電池管理系統(tǒng)和整個蓄電池溫度管理系統(tǒng)，從而控制整車和蓄電池