新能源汽车电池及管理系统检修PPT课件(共15单元)12电池管理系统认知

空白演示在此输入您的封面副标题学习任务一 电池管理系统认知学习场景五1.能够描述动力电池管理系统的功能。2.能够描述动力电池管理系统的结构组成。3.能够叙述动力电池管理系统控制逻辑。学习目标一电池管理系统的基本功能 BMS是整车能源管理系统的一个子系统，它可保护动力电池，合理地使用并管理电池组的电能，并为驾驶人提供并显示动力电池组的动态变化参数等，是电动汽车节能、减排和延长续驶里程的重要管理机构。动力电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，随时对动力电池的电压、电流、温度进行检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告 SOC（State of Charge，荷电状态）、SOH（State of Health，性能状态，也称健康状态），还根据动力电池的电压、电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大续驶里程，以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过 CAN 总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通信，以避免出现过放、过充、过热和单体电池电压不一致现象，最大限度地利用动力电池存储能力和循环寿命。一电池管理系统的基本功能二动力电池管理系统组成 动力电池管理系统主要由采集模块、主控模块、显示模块、漏电模块（有些车辆是集成在主控模块内）组成。1）采集模块：采集电压、电流、温度、单体主动/被动均衡。2）主控模块：主控模块完成对电池组总电压、总电流的检测，并通过 CAN 总线与采集模块、车载仪表系统及车载充电机等通信。3）显示模块：用于电池组的状态以及 SOC 等各种参数的显示、操作等，并可保存相关数据。4）电池均衡管理：当电池箱内电池电压不一致超过规定值时，在充电电流小于一定值后，可对电池进行均衡。二动力电池管理系统组成二动力电池管理系统组成 动力电池管理系统包括动力电池管理系统控制单元 MCU、动力电池单体电压和温度信号采集模块（BMU 模块）、总电流及总电压信号采集模块（UI 模块）、整车通信模块、高压电安全系统（高压接触器、熔断器）及电流均衡模块、热管理系统和检测单元（电流传感器、电压传感器和温度传感器）等。均衡功能包括电池单体电压及温度均衡两个方面，附带有监测并响应碰撞及电池渗漏的功能，当监测到影响安全的信号时，管理系统则立即切断高压电供给。三电池管理系统的工作模式 动力电池单体电压和温度信号采集模块（BMU 模块）主要用于采集电池单体的电压及温度信息，通过相应接口传至高压接触器控制及电流均衡模块，经控制策略算法，实现各接触器的动作，从而使动力电池管理系统进入不同的工作模式。动力电池管理系统可工作于下电模式、准备模式、放电模式、充电模式和故障模式。三电池管理系统的工作模式四电池管理系统的数据采集 数据采集功能作为电池管理系统中其他功能的基础与前提，其采集的精度和速度直接反映了电池管理系统的优劣。数据采集的对象一般为电压、电流、温度。管理系统中的其他功能，比如 SOC 状态分析、均衡管理等都是以采集获取的数据为基础进行分析及处理的。在实际使用过程中，电池在不同温度下的电化学性能不同，导致电池所放出的能量也是不同的。锂离子动力电池对电压和温度比较敏感，因此在对电池的 SOC 进行评估时必须考虑温度的影响。四电池管理系统的数据采集四电池管理系统的数据采集1.单体电压测量和电压监控 单体电压的测量，对于电池管理系统有如下意义：一是可以用来累计获得整个电池组的电压；二是可以根据单体电压压差来判断单体差异性；三是可以用来检测单体的运行状态。单体电压的采集和保护目前都用 ASIC 来完成，而考虑采集电压的精度不仅仅需要考虑ASIC 电路本身的精度，也需要考虑单体电压采样线束、线束保护用熔丝、均衡状态等多项内容。由于对电压采集精度的敏感度，与电池化学体系和 SOC 范围（SOC 两端的需求往往较高）都有关系，实际上的 ASIC 采集得到的电压数据需要经过还原成接近电池本身的电压。四电池管理系统的数据采集2.电池组电压测量 在后续计算 SOC 的时候，往往会用电池组的总电压来核算，这是评价电池组性能的重要参数之一。若采用单体电压累加计量而成本身电池单体电压采样会存在有一定的时间差异性，这个差异无法与电池传感器的数据实现精确对齐，因此往往采集电池组电压作为主参数来进行运算。在诊断继电器的时候，是需要电池组内外电压一起比较的，所以一般测量电池组电压至少进行两路测量。四电池管理系统的数据采集3.电池温度 温度对电池的参数有着很大的意义，因此从设计到使用都应该进行严格精确的考虑。在设计电池和模组的时候，单体电池内外的温度差异、电池极耳和母线焊接处的材料对温度的要求、模组内单体电池温度差异和电池组内最大温度差，这些参数在设计整个电池组的时候必须进行先期控制。在国标 GB/T 314862015电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法中关于电池模块在高温和低温下的性能要求为：1）在 202下的 1C 放电容量不低于初始容量的 70%。2）在 552下的 1C 放电容量不低于初始容量的 90%。3）在 552下 100%SOC 存储 7 天后，其荷电保持率不低于初始容量的 85%，容量恢复应不低于初始容量的 90%。四电池管理系统的数据采集4.电池组流体温度检测 电池组流体温度检测一般检测流体入口和出口的温度，检测电路与单体检测类似。通常采用以下检测方法：1）热敏电阻采集法。成本低，线性度不好，制造误差比较大。2）热电偶采集法。准确度高、外部电路复杂，一般用于高温测量。3）集成温度传感器采集法。基于热敏电阻，精度媲美热电偶，直接输出数值，很适合在数字系统中使用。四电池管理系统的数据采集5.电流测量 电池组的电流是引起单体温度变化的主要原因，作用在内阻和化学发热一起构成了电池发热；电流变化的时候也会引起电压的变化，与时间一起，这三项是核算电池状态的必备元素。电池组内的单体电池以串联的形式为整车提供电能，因此电流测量一般只需要测量动力电池母线电流即可反映。由于电池系统需要处理的电流数值，往往瞬时很大，比如车辆加速所需要的放电电流和能量回收时的充电电流，因此评估测量电池组的输出电流（放电）和输入电流（充电）的量程和精度，是一件极其精确的工作。四电池管理系统的数据采集 动力电池母线电流检测一般常见两种检测方法：一种是在高压回路串联电流传感器，如图5-1-3 所示；另一种是用霍尔电流传感器套在高压母线上，如图 5-1-4 所示。四电池管理系统的数据采集 6.绝缘电阻检测 绝缘电阻是反映电池供电安全的重要指标，根据人体所能够承受最大的电压，绝缘电阻一旦低于 500/V，电池管理系统就应该对驾乘人员做出安全警告或者切断高压接触器停止供电。在电池管理系统内，一般需要对整个电池系统和高压系统进行绝缘检测，采用比较简单的测量方式是依靠电桥来测量总线正极和负极对地线的绝缘电阻。而高压回路绝缘状态监测点，一般设置在正极母线和负极母线接触器主接触点处，动力电池金属底壳与车身搭铁也必须保持良好。通过检测高压回路正负母线对车辆底盘的绝缘电阻，也可以反映高压电气系统的绝缘性能。四电池管理系统的数据采集 根据国家推荐的电动汽车绝缘电阻计算方法，绝缘电阻计算硬件原理如图所示。R+和 R 为待计算的正负母线对地的绝缘电阻；R0 为计算绝缘电阻而设置的偏置电阻；虚线框中的部分则为计算正负母线对地电压所采用的电阻分压采样电路。通过控制器的循环控制，交替将 R0 并接到正负母线对地电阻上并测得相应的 V+和 V，根据基尔霍夫电压和电流定律即可计算出正负母线对地电阻。四电池管理系统的数据采集7.高压互锁检测（HVIL）高压互锁的目的主要是用来确认整个高压系统的完整性，当高压系统回路断开或者完整性受到破坏的时候，电池管理系统必须启动高压安全保护措施。高压互锁检测系统的存在，可以使得在高压总线上电之前，保证整个系统的完整性，也就是说在电池系统主、负继电器闭合给电之前就可以防患于未然。HVIL 的存在，是需要整个系统构成的，主要通过插接器的低压连接回路完成的，电池管理单元一般需要提供电路的检测回路。四电池管理系统的数据采集 高压互锁装置采用低压导线作为信号线，与高压电源线并联在高压线束护套管内，并将所有高压部件串联起来形成回路。由于高压互锁插头中高压电源的正、负极端子与中间互锁端子的物理长度不同，如图所示，所以当连接高压插头时，高压插头的电源端子会先于中间互锁端子完成连接。断开高压插头时，中间互锁端子则先于高压电源的正、负极端子脱开，从而避免了高压环境下电弧的产生。四电池管理系统的数据采集 同时，高压互锁装置内还配备了用于监测高压部件盖板是否可靠关闭的行程开关以及车辆碰撞和翻转信号监测装置，用于触发断电信号，确保在毫秒级时间内断开高压回路，并利用高压系统放电电路将汽车高压部件电容端的电压短时间内放掉，避免漏电或火灾事故的发生。四电池管理系统的数据采集 比亚迪 E5 车型高压互锁电路结构如图，该车高压互锁电路由电池管理系统（BMS）、动力电池组、电机控制器（VTOG）及空调加热器（PTC）组成。五电池管理系统的控制策略1.状态分析 对电池状态的分析主要是电池剩余电量（SOC 评估）及电池衰减程度（SOH 评估）两方面。通过 SOC评估能够直观地显示电池剩余电量对续驶里程的影响。为确保 SOC 的分析准确度，必须考虑电池在使用过程中的所有影响因素。而 SOC 的分析会受到 SOH 的影响，电池的 SOH 在使用过程中受到温度、电流等持续影响而需要不断进行分析，以确保 SOC 分析的准确性。在对 SOC 的分析上，主要有电荷计量法、开路电压法、卡尔曼滤波法、人工神经网络算法和模糊逻辑法等。在此只对电荷计量法和开路电压法这两种方法做简单介绍。五电池管理系统的控制策略（1）电荷计量法 电荷计量法是通过对一段时间内电池充入、放出的电荷进行统计，即电流在时间上的累积来计算得到 SOC。虽然这是最常用的一种计量方法，然而会受到很多因素的影响，包括数据采用精度、自放电问题等。例如，由于采用的电流传感器的精度不足，用于积分计算的电流与真实值之间存在误差，使得 SOC 的结果偏差越来越大。因此，在采用电荷计量法时需要用到一些修正算法对各种影响因素进行校正，减少计算分析结果的误差。五电池管理系统的控制策略（2）开路电压法 开路电压法是在电池处于静置状态下测量电池的开路电压来计算电池的 SOC。但需要注意的是，采用开路电压法时一般认为 SOC 与电动势有一定的线性关系，任意一个 SOC 值都只对应一个电动势值。在采用开路电压法必须要考虑到电压回弹效应，在电压没有回弹到稳定值时计算得到的 SOC 会偏小。与电荷计量法相比较，开路电压法在电池正常工作时不能使用，这是它最大的问题。五电池管理系统的控制策略2.均衡控制 由于生产制造和工作环境的影响会造成电池单体的不一致性，在电压、容量、内阻等性质上出现差别，导致每个单体电池在实际使用过程中有效容量和充放电电量是不一样的。因此，为保证电池系统的整体性能和延长使用寿命，为减少单体电池之间的差异性而对电池进行均衡控制是十分必要的。均衡管理有助于电池容量的保持和放电深度的控制。根据电池自身储电与放电特性，当某个电池单体充满电而其他电池单体没有充满时，或者某个最小电量的单体电池放电截止而其他电池还没有达到放电截止限制时，对电池组的充放电进行控制。这也是一种电池自我保护的特性，也是为了防止出现电池过充或者过放电的现象，导致电池内部会发生一些不可逆的化学反应使电池的性质受到影响，从而影响电池的使用寿命。五电池管理系统的控制策略 按照均衡管理中的电路结构和控制方式这两个方面来归纳，前者分为集中式均衡和分布式均衡，后者分为主动均衡和被动均衡。集中式均衡是指电池组内所有的电池单体共用一个均衡器来进行均衡控制，而分布式均衡是一个或若干个电池单体专用一个均衡器。前者通信简单直接，进行均衡速度快。但电池单体与均衡器之间的线束排布复杂，不适合单体数量多的电池系统。后者能够解决前者线束方面的问题，缺点是成本高。主动均衡