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1、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)( Battery Management System， BMS)是用來對蓄電池組進(jìn)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(dá)到增加續(xù)駛里程，延長使用壽命，降低運(yùn)行成本的目的，并保證動力電池組應(yīng)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(gòu)成、功能和工作原理。,目錄,,本章學(xué)習(xí)目標(biāo),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

2、、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(xué)習(xí)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(jī)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(guān) 應(yīng)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(yùn)放和場

3、效應(yīng)管組合構(gòu)成減法運(yùn)算恒流源電路 應(yīng)用特點：結(jié)構(gòu)較簡單，共模抑制能力強(qiáng)，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(yùn)放采集法 組成：隔離運(yùn)算放大器、多路選擇器等 應(yīng)用特點：系統(tǒng)采集精度高，可靠性強(qiáng)，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(yùn)算放大電路 應(yīng)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(yīng)用特點：線性光耦合放大電路不僅具有很強(qiáng)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(fù)雜，精度影響因素較多,

4、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(gòu)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(guān)，所以熱電偶的準(zhǔn)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(fù)雜。,電池溫度采集方法,(3)集成

5、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(jìn)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(xué)習(xí)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(yù)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(dǎo)致電池電量估計和預(yù)測方法復(fù)雜，準(zhǔn)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

6、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(guān)，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(hù)蓄電池。 準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jì)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(hù)成本降低,SOC估計常用的算法,（1

7、）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(yīng)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(jìn)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(guān)系。準(zhǔn)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

8、的算法,（4）模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)的自然語言處理能力； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用分布式存儲信息，具有很好的自組織、自學(xué)習(xí)能力。 共同的特點：均采用并行處理結(jié)構(gòu)，可從系統(tǒng)的輸入、輸出樣本中獲得系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法適用于各種電池，其缺點是需要大量的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，估計誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)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(fù)雜，涉及大量矩陣運(yùn)

9、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(xué)習(xí)目的,引入,寶馬公司 ActiveE 混合動力汽車即采用了由 Preh GmbH 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(jìn)行放電的方式損耗部分能量，以期達(dá)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)目前已出

10、現(xiàn)很多種，本質(zhì)上均是利用儲能元件和均衡旁路構(gòu)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(jìn)行充電分流從而實現(xiàn)均衡 電路結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的單體電池差異 無論電池充電

11、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(bǔ)充能量的場合適用,能量耗散型均衡管理,開關(guān)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(jìn)行分流，分流電阻通過開關(guān)控制 當(dāng)單體電池電壓達(dá)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(dǎo)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(guān)信號，將電池組整體能量對單體電池進(jìn)行能量補(bǔ)充，或者將單體電池能量向整體電池組進(jìn)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

12、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(xué)習(xí)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(guān)。 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(dǎo)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)對于電動車輛動力電池系統(tǒng)而言是必需的?？煽?、高效的熱管理系統(tǒng)對于電動車輛的可靠安全應(yīng)用意義重大。,動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的功能,電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控； 電池組溫度過高時的有效散熱和通風(fēng)； 低溫條件下的快速加熱； 有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)； 保證電池

13、組溫度場的均勻分布。,電池內(nèi)傳熱的基本方式,熱傳導(dǎo) 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(dǎo)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(guān),電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)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(fēng)方式和并行通風(fēng)方式兩種,電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)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(shè)計實現(xiàn),電池列前后纏繞

14、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(xué)習(xí)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(guān)系到電氣設(shè)備和系統(tǒng)能否正常工作，更重要的是還關(guān)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(guān)閉電池等功能。 動力電池在電動車輛上安裝應(yīng)用，因此必須滿足車輛部件的耐振

15、動、 耐沖擊、耐跌落、耐鹽霧等強(qiáng)度要求，保證可靠應(yīng)用。 為滿足防水、防塵要求，電池包應(yīng)滿足一定的IP防護(hù)等級 在極端工況下，通過電池安全管理系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)電池包的高壓斷電保護(hù)、過流斷開保護(hù)、過放電保護(hù)、過充電保護(hù)等功能。,煙霧報警,在車輛行駛過程中由于路況復(fù)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(dǎo)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(dǎo)致事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，對周圍電池、車輛以及車上人員構(gòu)成威脅，嚴(yán)重影響帶車輛運(yùn)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(yīng)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

16、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(yīng)用，需要在了解電池燃燒產(chǎn)生的煙霧構(gòu)成的基礎(chǔ)上進(jìn)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(gòu)上需要適應(yīng)于車輛長期應(yīng)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(gòu),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(shè)備外殼(或者地)之間， 可檢測到電池組負(fù)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(fù)極與

17、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(fù)極動力總線一起同方向穿過電流傳感器，當(dāng)沒有漏電流時，從正極流出的電流等于返回到電源負(fù)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(dāng)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(fù)可以進(jìn)一步判斷該漏電電流是來自于電源正極還是負(fù)極。 應(yīng)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

18、緣電阻表大多采用手搖發(fā)電機(jī)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(jī)等設(shè)備間的通信 在有參數(shù)設(shè)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(jī)的通信。 CAN通信方式是現(xiàn)階段電池管理系統(tǒng)通信應(yīng)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(yīng)用。,動力電池數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實例,,BJ6123C7C4D純電動客車電池

19、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(yùn)行模式下的電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),應(yīng)急充電模式下電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證,一、實訓(xùn)目標(biāo) 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(shè)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(jī)； 5.萬用表、絕緣扳手、絕緣手套等工具及護(hù)具若干。,電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試

20、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(zhǔn)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(rèn)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(guān)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(hù)限值參數(shù),電動汽車電源管

21、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(biāo)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(jī)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(jī)，按照正確操作流程對電池進(jìn)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)測和控制情況。測試過程中隨時查看和記錄充電機(jī)充電電流和電壓，并及時了解各模塊電池是否出現(xiàn)異常。測試完畢后斷開充電機(jī)電源，斷開充電機(jī)與動力電池之間的電纜。,電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證,9.XP-EVBT400-150 型動力電池測試系統(tǒng)電源柜上電

22、，等待AFE READY 指示燈亮后按下RUN按鈕，此時AFE RUN 指示燈應(yīng)亮起；IVC工作，IVC指示燈亮。 10.打開蓄電池測試系統(tǒng)客戶端,電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證,11.串口通訊設(shè)置為選擇“BMS”，獲取電池管理系統(tǒng)參數(shù)，與原電池管理系統(tǒng)參數(shù)對比。,電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證,12.修改串口配置，選擇“電壓采集板”模式，通過XP-EVBT400-150 型動力電池測試系統(tǒng)采樣柜獲取的電池參數(shù)信息與原電池管理系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行對比，靜態(tài)下，確認(rèn)電池管理系統(tǒng)各功能是否正常。,電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證,13.新建和編輯工步文件動態(tài)驗證電池管理系統(tǒng) 充放電過程中測量精度測試 過充、過放電壓保護(hù)失效報警或顯示測試 過充、過放電流和電壓保護(hù)測試 輸出短路保護(hù)測試 超溫保護(hù)功能測試 耐充電電源極性反接功能測試 自檢報警或顯示功能測試 溫度測試,電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證,14.測試完畢后按下“啟動/停止測試”按鈕，停止測試。 15.測試完畢按下停止按鈕，關(guān)閉總電源開關(guān)。 16.斷開電源柜電源線，斷開采樣柜與動力電池的接線。 17.關(guān)閉上位機(jī)電腦。 18.通過電源管理系統(tǒng)確認(rèn)電池狀態(tài)，如果電池電量不足，則使用充電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充充電。 19.整理、清潔實驗室。,電動汽車電源管理系統(tǒng)功能試驗與驗證,