動(dòng)力電池管理系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)-徐艷民-全國(guó)高校新能源汽車專業(yè)建設(shè)暨故障診斷與檢測(cè)維修培訓(xùn)班講義

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)-徐艷民-全國(guó)高校新能源汽車專業(yè)建設(shè)暨故障診斷與檢測(cè)維修培訓(xùn)班講義第一頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程動(dòng)力電池的特性測(cè)試動(dòng)力電池的剩余電量評(píng)估議題第二頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程電動(dòng)汽車所需動(dòng)力電池?cái)?shù)量較多，需要根據(jù)動(dòng)力電池系統(tǒng)的組成特點(diǎn)進(jìn)行管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在電池管理系統(tǒng)中，硬件電路通常被分為兩個(gè)功能模塊，即電池監(jiān)測(cè)回路（BatteryMonitoringCircuit，簡(jiǎn)稱BMC）和電池組控制單元（BatteryControlUnit，簡(jiǎn)稱BCU）。研究電池管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要分兩個(gè)層面來進(jìn)行BMC與各個(gè)單元電池之間的拓?fù)潢P(guān)系BCU與BMC之間的拓?fù)潢P(guān)系第三頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程BMC與各個(gè)單元電池之間的拓?fù)潢P(guān)系一個(gè)BMC對(duì)應(yīng)一個(gè)單元電池每個(gè)單元電池配置一塊單獨(dú)的監(jiān)控電路板對(duì)電池的電壓、溫度、電流等物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)需要可在BMC中加入通信、均衡等控制功能，以便向BCU報(bào)告有關(guān)信息，并通過旁路電阻的方式對(duì)所管轄的單元電池實(shí)施能量耗散型的均衡管理。其特點(diǎn)是BMC與單元電池距離較短，采集精度高，抗干擾性好，但成本較高，能耗較大。一個(gè)BMC對(duì)應(yīng)多個(gè)單元電池一塊BMC電路板負(fù)責(zé)多個(gè)單元電池的信息監(jiān)測(cè)，平均成本降低，但采集線路較長(zhǎng)，可能導(dǎo)致連線的復(fù)雜程度較高，抗干擾性能相對(duì)較差，電壓采集精度較低。第四頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程BCU與BMC之間的拓?fù)潢P(guān)系BCU與BMC共板在某些電動(dòng)汽車應(yīng)用案例中，由于動(dòng)力電池個(gè)數(shù)較少，電池管理系統(tǒng)的規(guī)模相對(duì)較小，BCU和BMC可以設(shè)計(jì)在同一塊電路板上，對(duì)車上所有動(dòng)力電池進(jìn)行統(tǒng)一管理。星型BCU位于中央位置，通常帶有一個(gè)總線集中模塊，通過總線與BMC連接，使多個(gè)BMC能共享通信信道。優(yōu)點(diǎn)是便于進(jìn)行介質(zhì)訪問控制，缺點(diǎn)是通信線路較長(zhǎng)，難維護(hù)，可擴(kuò)展性差，受總線集中模塊端口的限制，不能隨意增加多個(gè)BMC單元?？偩€型每塊BMC都是通信總線的一部分，用于通信信道的線材開銷相對(duì)較小，連接方式更為靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)，但存在通信線路的相互依賴性較高的問題。第五頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程理想的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)：能適應(yīng)不同類型的動(dòng)力電池，能適應(yīng)不同的汽車動(dòng)力系統(tǒng)。現(xiàn)實(shí)問題：不同類型的電池具有不同的工作特性，在電池的充放電保護(hù)門限電壓、均衡措施的實(shí)現(xiàn)方式等方面存在很大差異即使電池種類相同，不同廠家生產(chǎn)的電池產(chǎn)品或同一廠家不同批次的電池產(chǎn)品存在一定的差異性，造成電池剩余電量評(píng)估算法、均衡管理策略的不一致動(dòng)力電池可能面臨不同的使用環(huán)境、工作條件，需要根據(jù)不同的環(huán)境、條件確定均衡電路等硬件，從而確定最終設(shè)計(jì)方案解決方案設(shè)計(jì)通用的簡(jiǎn)單保護(hù)板為特定的電池定制較為復(fù)雜的解決方案第六頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程定制電池管理系統(tǒng)的步驟：根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)以及前期對(duì)電池樣本評(píng)測(cè)的記錄，掌握相關(guān)型號(hào)的動(dòng)力電池的工作特性；確定動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方案，包括：選擇一種合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式確定電池的安全保護(hù)策略建立動(dòng)力電池模型，設(shè)計(jì)剩余電量評(píng)估算法確定均衡管理策略、能量控制策略根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟、硬件系統(tǒng)，并進(jìn)行可靠性驗(yàn)證第七頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程誰來開發(fā)電池管理系統(tǒng)？由電池生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)：電池管理系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，但未必能根據(jù)汽車的使用工況進(jìn)行優(yōu)化由汽車生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)：電池管理系統(tǒng)通用性差，同時(shí)企業(yè)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間去了解、掌握動(dòng)力電池的特性，生產(chǎn)成本隨之上升。由第三方開發(fā)：所得的結(jié)果介于以上兩者之間，第三方應(yīng)配置一定的開發(fā)、試驗(yàn)、檢測(cè)和驗(yàn)證所需的軟件和硬件資源，即熟悉動(dòng)力電池使用特性，又熟悉汽車運(yùn)行特點(diǎn)。具體工作又有哪些？?jī)?yōu)化硬件設(shè)計(jì)，綜合考慮體積、重量、成本等多方面因素對(duì)硬件保護(hù)電路、均衡電路、電池組加熱和散熱組件等進(jìn)行優(yōu)化軟件系統(tǒng)的自適應(yīng)性設(shè)計(jì)，能再汽車的正常使用過程中自適應(yīng)地獲取特性參數(shù)，具備較為智能化的SOC、SOH算法低功耗設(shè)計(jì)，從軟硬件兩個(gè)方面努力，盡量降低管理系統(tǒng)的功耗做好防水、防塵、抗震、安裝固定、散熱等方面的設(shè)計(jì)第八頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)的前期工作確定BMS的各項(xiàng)功能根據(jù)整車對(duì)動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)所提出的需求，確定系統(tǒng)的全部功能，編寫功能說明書確定BMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)整車對(duì)動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)所提出的需求，確定BMC、BCU與所有單元電池之間的拓?fù)潢P(guān)系，繪制電池管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖動(dòng)力電池特性測(cè)試對(duì)動(dòng)力電池的充放電特性、容量特性、內(nèi)阻特性等進(jìn)行測(cè)試，以便相應(yīng)地進(jìn)行硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)、SOC評(píng)估算法設(shè)計(jì)以及能量管理策略設(shè)計(jì)等。第九頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程動(dòng)力電池管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)BMS硬件設(shè)計(jì)除要考慮電路板設(shè)計(jì)、元器件選型工作以外，還需特別注意絕緣耐壓設(shè)計(jì)、抗電磁干擾設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)以及通信隔離設(shè)計(jì)等工作。軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)采用模塊化結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)安全保護(hù)策略、能量控制策略、電池均衡控制策略、SOC評(píng)估算法、SOH評(píng)估算法等，同時(shí)要為通信及職能故障診斷機(jī)制留有足夠的資源及保證足夠快的響應(yīng)時(shí)間。第十頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程BMS單元測(cè)試及動(dòng)力電池組整體測(cè)試在完成動(dòng)力電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、制作以及軟件系統(tǒng)的編程調(diào)試以后，所制定的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的各項(xiàng)基本功能基本確定，但具體效果如何仍需通過大量的測(cè)試工作進(jìn)行驗(yàn)證。BMS的單元測(cè)試主要包括各項(xiàng)功能測(cè)試，即要測(cè)試BMS的各項(xiàng)策略、功能是否滿足設(shè)計(jì)要求。此外還需要進(jìn)行BMS的電磁兼容性測(cè)試、抗電磁干擾測(cè)試等。動(dòng)力電池組整體測(cè)試按照動(dòng)力電池系統(tǒng)實(shí)際使用環(huán)境和條件，與動(dòng)力電池組同時(shí)進(jìn)行工況測(cè)試，進(jìn)一步檢驗(yàn)電池管理系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性等。第十一頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)開發(fā)流程第十二頁，共23頁。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例第十三頁，共23頁。電池管理系統(tǒng)通訊協(xié)議開發(fā)實(shí)例第十四頁，共23頁。動(dòng)力電池的特性測(cè)試對(duì)動(dòng)力電池的充放電特性、容量特性、內(nèi)阻特性等進(jìn)行測(cè)試，以便相應(yīng)地進(jìn)行硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)、SOC評(píng)估算法設(shè)計(jì)以及能量管理策略設(shè)計(jì)等。特性測(cè)試與性能測(cè)試不同，著重了解動(dòng)力電池的特點(diǎn)測(cè)試項(xiàng)目包括但不限于以下幾個(gè)方面：實(shí)際容量測(cè)試充放電效率測(cè)試放電倍率特性測(cè)試電動(dòng)勢(shì)曲線及等效內(nèi)阻測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：中國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T743-2006——電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池SAEJ1798——電動(dòng)車輛蓄電池組性能評(píng)價(jià)的推薦規(guī)程IEC的61982-3——標(biāo)準(zhǔn)道路電動(dòng)汽車用二次電池第三部分：性能與使用壽命測(cè)試PNGV電車測(cè)試手冊(cè)第十五頁，共23頁。動(dòng)力電池的特性測(cè)試容量和充放電效率測(cè)試所需設(shè)備：恒溫箱，實(shí)現(xiàn)測(cè)試溫度的控制，溫度設(shè)定特征值：0℃、20℃、40℃可編程直流電子負(fù)載，實(shí)現(xiàn)恒定放電電流的設(shè)定和控制，充放電倍率特征值：0.2C、0.5C、1.0C電池參數(shù)采集設(shè)備，能記錄電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)測(cè)試步驟第一次充滿—>第一次暫停—>放電—>第二次暫?！?gt;第二次充滿計(jì)算分析和測(cè)試報(bào)告輸出第十六頁，共23頁。動(dòng)力電池的特性測(cè)試放電倍率測(cè)試所需設(shè)備：恒溫箱，實(shí)現(xiàn)測(cè)試溫度的控制，溫度設(shè)定特征值：0℃、20℃、40℃可編程直流電子負(fù)載，實(shí)現(xiàn)放電電流的調(diào)節(jié)和控制電池參數(shù)采集設(shè)備，能記錄電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)測(cè)試步驟設(shè)定初始放電倍率—>將被測(cè)電池充滿—>暫停—>高倍率放電—>暫?！?gt;暫停且減小放電倍率—>判斷是否繼續(xù)循環(huán)—>釋放剩余電量計(jì)算分析和測(cè)試報(bào)告輸出第十七頁，共23頁。動(dòng)力電池的特性測(cè)試充放電平衡電動(dòng)勢(shì)曲線及等效內(nèi)阻測(cè)試所需設(shè)備：恒溫箱，實(shí)現(xiàn)測(cè)試溫度的控制，溫度設(shè)定特征值：0℃、20℃、40℃可編程直流電子負(fù)載，實(shí)現(xiàn)放電電流的調(diào)節(jié)和控制電池參數(shù)采集設(shè)備，能記錄電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)測(cè)試步驟充滿—>暫停—>大電流放電—>暫?！?gt;涓流放電—>暫停—>測(cè)試結(jié)束計(jì)算分析和測(cè)試報(bào)告輸出第十八頁，共23頁。動(dòng)力電池的特性測(cè)試動(dòng)力電池的循環(huán)測(cè)試特點(diǎn)：耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)每個(gè)樣本的測(cè)試具有一定的不可逆性放電倍率的選擇——固定倍率法、工況法基于固定倍率的循環(huán)測(cè)試方法所需設(shè)備：恒溫箱，每個(gè)循環(huán)的測(cè)試溫度設(shè)定為20℃可編程直流電子負(fù)載，開關(guān)電源或可編程直流電源電池參數(shù)采集設(shè)備，能記錄電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)基于標(biāo)準(zhǔn)工況的循環(huán)測(cè)試方法：如GB/T18386-2005等第十九頁，共23頁。動(dòng)力電池的剩余電量評(píng)估剩余電量評(píng)估是動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中最為重要的功能之一，系統(tǒng)中的許多其他功能都依賴于剩余電量評(píng)估的結(jié)果。廣義的剩余電量：在不損壞電池的前提下，選擇適當(dāng)?shù)臏囟群头烹姳堵仕芊懦龅碾姾傻淖畲笾氮M義的剩余電量：在限定的溫度條件和放電倍率下，電池所能放出的電荷的多少實(shí)際應(yīng)用中，在常溫和小倍率放電的前提下，廣義和狹義剩余電量幾乎相等。但對(duì)于電動(dòng)汽車而言，剩余電量的評(píng)估是為了估算電動(dòng)汽車所能行駛的剩余里程，而電動(dòng)汽車動(dòng)力電池工作環(huán)境溫度變化和放電倍率可能較大，使用廣義剩余電量的概念顯然是不合適的。荷電狀態(tài)SOC：電池中剩余電量的可用狀態(tài)經(jīng)典的評(píng)估方法：電荷累積法、開路電壓法第二十頁，共23頁。動(dòng)力電池的剩余電量評(píng)估剩余電量評(píng)估的困難電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確對(duì)評(píng)估造成的困難1、傳感器精度引起的狀態(tài)監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確2、由電磁干擾引起的狀態(tài)監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確電池的不一致性對(duì)評(píng)估造成的困難1、樣本與實(shí)際的不一致2、電池組內(nèi)各電池不一致電動(dòng)汽車實(shí)際工況的不確定性對(duì)評(píng)估造成的困難對(duì)電池歷史使用情況的不明確對(duì)評(píng)估造成的困難完全獲取動(dòng)力電池的歷史信息是困難的對(duì)每個(gè)電池的歷史信息進(jìn)行保存時(shí)困難的即使記錄了電池的全部歷史信息，處理起來也是困難的第二十一頁，共23頁。動(dòng)力電池的剩余電量評(píng)估剩余電量評(píng)估需要考慮的實(shí)際問題針對(duì)汽車安全性的問題建議：