动力电池管理系统技术难点-徐艳民-全国高校新能源汽车专业建设暨故障诊断与检测维修培训班讲义

动力电池管理系统技术难点主讲：徐艳民全国高校新能源汽车专业建设暨故障诊断与检测维修培训班动力电池管理系统开发流程动力电池的特性测试动力电池的剩余电量评估议题动力电池管理系统开发流程•电动汽车所需动力电池数量较多，需要根据动力电池系统的组成特点进行管理系统拓扑结构设计•在电池管理系统中，硬件电路通常被分为两个功能模块，即电池监测回路（BatteryMonitoringCircuit，简称BMC）和电池组控制单元（BatteryControlUnit，简称BCU）。•研究电池管理系统的拓扑结构，需要分两个层面来进行–BMC与各个单元电池之间的拓扑关系–BCU与BMC之间的拓扑关系动力电池管理系统开发流程•BMC与各个单元电池之间的拓扑关系•一个BMC对应一个单元电池–每个单元电池配置一块单独的监控电路板对电池的电压、温度、电流等物理量进行监测。根据需要可在BMC中加入通信、均衡等控制功能，以便向BCU报告有关信息，并通过旁路电阻的方式对所管辖的单元电池实施能量耗散型的均衡管理。其特点是BMC与单元电池距离较短，采集精度高，抗干扰性好，但成本较高，能耗较大。•一个BMC对应多个单元电池–一块BMC电路板负责多个单元电池的信息监测，平均成本降低，但采集线路较长，可能导致连线的复杂程度较高，抗干扰性能相对较差，电压采集精度较低。动力电池管理系统开发流程•BCU与BMC之间的拓扑关系•BCU与BMC共板–在某些电动汽车应用案例中，由于动力电池个数较少，电池管理系统的规模相对较小，BCU和BMC可以设计在同一块电路板上，对车上所有动力电池进行统一管理。•星型–BCU位于中央位置，通常带有一个总线集中模块，通过总线与BMC连接，使多个BMC能共享通信信道。优点是便于进行介质访问控制，缺点是通信线路较长，难维护，可扩展性差，受总线集中模块端口的限制，不能随意增加多个BMC单元。•总线型–每块BMC都是通信总线的一部分，用于通信信道的线材开销相对较小，连接方式更为灵活，可扩展性强，但存在通信线路的相互依赖性较高的问题。动力电池管理系统开发流程•理想的动力电池管理系统：能适应不同类型的动力电池，能适应不同的汽车动力系统。•现实问题：–不同类型的电池具有不同的工作特性，在电池的充放电保护门限电压、均衡措施的实现方式等方面存在很大差异–即使电池种类相同，不同厂家生产的电池产品或同一厂家不同批次的电池产品存在一定的差异性，造成电池剩余电量评估算法、均衡管理策略的不一致–动力电池可能面临不同的使用环境、工作条件，需要根据不同的环境、条件确定均衡电路等硬件，从而确定最终设计方案•解决方案–设计通用的简单保护板–为特定的电池定制较为复杂的解决方案动力电池管理系统开发流程•定制电池管理系统的步骤：•根据厂家提供的数据以及前期对电池样本评测的记录，掌握相关型号的动力电池的工作特性；•确定动力电池管理系统的基本设计方案，包括：–选择一种合适的拓扑结构形式–确定电池的安全保护策略–建立动力电池模型，设计剩余电量评估算法–确定均衡管理策略、能量控制策略•根据以上方案设计相应的软、硬件系统，并进行可靠性验证动力电池管理系统开发流程•谁来开发电池管理系统？–由电池生产企业开发：电池管理系统通用性较强，但未必能根据汽车的使用工况进行优化–由汽车生产企业开发：电池管理系统通用性差，同时企业需要耗费大量的时间去了解、掌握动力电池的特性，生产成本随之上升。–由第三方开发：所得的结果介于以上两者之间，第三方应配置一定的开发、试验、检测和验证所需的软件和硬件资源，即熟悉动力电池使用特性，又熟悉汽车运行特点。•具体工作又有哪些？–优化硬件设计，综合考虑体积、重量、成本等多方面因素对硬件保护电路、均衡电路、电池组加热和散热组件等进行优化–软件系统的自适应性设计，能再汽车的正常使用过程中自适应地获取特性参数，具备较为智能化的SOC、SOH算法–低功耗设计，从软硬件两个方面努力，尽量降低管理系统的功耗–做好防水、防尘、抗震、安装固定、散热等方面的设计动力电池管理系统开发流程•动力电池管理系统开发的前期工作•确定BMS的各项功能–根据整车对动力电池及其管理系统所提出的需求，确定系统的全部功能，编写功能说明书•确定BMS的拓扑结构–根据整车对动力电池及其管理系统所提出的需求，确定BMC、BCU与所有单元电池之间的拓扑关系，绘制电池管理系统拓扑结构图•动力电池特性测试–对动力电池的充放电特性、容量特性、内阻特性等进行测试，以便相应地进行硬件保护电路设计、SOC评估算法设计以及能量管理策略设计等。动力电池管理系统开发流程•动力电池管理系统软硬件设计与实现•硬件设计及实现–BMS硬件设计除要考虑电路板设计、元器件选型工作以外，还需特别注意绝缘耐压设计、抗电磁干扰设计、电磁兼容设计、通风散热设计以及通信隔离设计等工作。•软件设计及实现–采用模块化结构，分别设计安全保护策略、能量控制策略、电池均衡控制策略、SOC评估算法、SOH评估算法等，同时要为通信及职能故障诊断机制留有足够的资源及保证足够快的响应时间。动力电池管理系统开发流程•BMS单元测试及动力电池组整体测试–在完成动力电池管理系统硬件设计、制作以及软件系统的编程调试以后，所制定的动力电池管理系统的各项基本功能基本确定，但具体效果如何仍需通过大量的测试工作进行验证。•BMS的单元测试–主要包括各项功能测试，即要测试BMS的各项策略、功能是否满足设计要求。此外还需要进行BMS的电磁兼容性测试、抗电磁干扰测试等。•动力电池组整体测试–按照动力电池系统实际使用环境和条件，与动力电池组同时进行工况测试，进一步检验电池管理系统的可靠性、稳定性等。动力电池管理系统开发流程动力电池选型对电池管理系统的要求整车对动力电池及其管理系统的需求动力电池特性测试动力电池性能测试硬件电路设计软件设计对动力电池的要求确定BMS的拓扑结构确定BMS的各项功能电池管理系统的测试动力电池及其管理系统整体测试动力电池管理系统结构设计实例电池管理系统通讯协议开发实例动力电池的特性测试•对动力电池的充放电特性、容量特性、内阻特性等进行测试，以便相应地进行硬件保护电路设计、SOC评估算法设计以及能量管理策略设计等。–特性测试与性能测试不同，着重了解动力电池的特点•测试项目包括但不限于以下几个方面：–实际容量测试–充放电效率测试–放电倍率特性测试–电动势曲线及等效内阻测试•相关标准：–中国汽车行业标准QC/T743-2006——电动汽车用锂离子蓄电池–SAEJ1798——电动车辆蓄电池组性能评价的推荐规程–IEC的61982-3——标准道路电动汽车用二次电池第三部分：性能与使用寿命测试–PNGV电车测试手册动力电池的特性测试•容量和充放电效率测试•所需设备：–恒温箱，实现测试温度的控制，温度设定特征值：0℃、20℃、40℃–可编程直流电子负载，实现恒定放电电流的设定和控制，充放电倍率特征值：0.2C、0.5C、1.0C–电池参数采集设备，能记录电池的电压、电流、温度等参数•测试步骤–第一次充满—第一次暂停—放电—第二次暂停—第二次充满–计算分析和测试报告输出动力电池的特性测试•放电倍率测试•所需设备：–恒温箱，实现测试温度的控制，温度设定特征值：0℃、20℃、40℃–可编程直流电子负载，实现放电电流的调节和控制–电池参数采集设备，能记录电池的电压、电流、温度等参数•测试步骤–设定初始放电倍率—将被测电池充满—暂停—高倍率放电—暂停—暂停且减小放电倍率—判断是否继续循环—释放剩余电量–计算分析和测试报告输出动力电池的特性测试•充放电平衡电动势曲线及等效内阻测试•所需设备：–恒温箱，实现测试温度的控制，温度设定特征值：0℃、20℃、40℃–可编程直流电子负载，实现放电电流的调节和控制–电池参数采集设备，能记录电池的电压、电流、温度等参数•测试步骤–充满—暂停—大电流放电—暂停—涓流放电—暂停—测试结束–计算分析和测试报告输出动力电池的特性测试•动力电池的循环测试•特点：–耗费时间长–每个样本的测试具有一定的不可逆性–放电倍率的选择——固定倍率法、工况法•基于固定倍率的循环测试方法•所需设备：–恒温箱，每个循环的测试温度设定为20℃–可编程直流电子负载，开关电源或可编程直流电源–电池参数采集设备，能记录电池的电压、电流、温度等参数•基于标准工况的循环测试方法：如GB/T18386-2005等动力电池的剩余电量评估•剩余电量评估是动力电池管理系统中最为重要的功能之一，系统中的许多其他功能都依赖于剩余电量评估的结果。–广义的剩余电量：在不损坏电池的前提下，选择适当的温度和放电倍率所能放出的电荷的最大值–狭义的剩余电量：在限定的温度条件和放电倍率下，电池所能放出的电荷的多少•实际应用中，在常温和小倍率放电的前提下，广义和狭义剩余电量几乎相等。但对于电动汽车而言，剩余电量的评估是为了估算电动汽车所能行驶的剩余里程，而电动汽车动力电池工作环境温度变化和放电倍率可能较大，使用广义剩余电量的概念显然是不合适的。•荷电状态SOC：电池中剩余电量的可用状态•经典的评估方法：电荷累积法、开路电压法动力电池的剩余电量评估•剩余电量评估的困难•电池状态监测不准确对评估造成的困难–1、传感器精度引起的状态监测不准确–2、由电磁干扰引起的状态监测不准确•电池的不一致性对评估造成的困难–1、样本与实际的不一致–2、电池组内各电池不一致•电动汽车实际工况的不确定性对评估造成的困难•对电池历史使用情况的不明确对评估造成的困难–完全获取动力电池的历史信息是困难的–对每个电池的历史信息进行保存时困难的–即使记录了电池的全部历史信息，处理起来也是困难的动力电池的剩余电量评估•剩余电量评估需要考虑的实际问题•针对汽车安全性的问题•建议：–针对汽车安全性设置冗余–BMS中必须另外设置一套不依赖于SOC的保护机制•实现可行性的问题•建议：–从软件算法角度考虑技术可行性–从硬件的角度考虑成本可行性•针对驾驶员需求的实际问题–显示的信息量与准确性–考虑驾驶员的主观感受：对驾驶员显示的数据不能有太大的跳跃性；非正常的数值回弹将影响驾驶员对系统的信任度；在电池放电末期驾驶员对误差的敏感程度上升；显示信息均匀性感受等。动力电池的剩余电量评估•动力电池剩余电量常见的复杂评估方法•模糊逻辑算法–从含糊的、模棱两可或不确定的电池信息中提炼出确切结论，与数值算法相比，该算法开发相对简单•卡尔曼滤波算法–卡尔曼滤波适用于多输入系统，其目的是从数据流中除去噪声干扰，它是通过预测新的状态和它的不确定性，用新的测量值校准预测值来实现的。•人工神经网络算法–人工神经网络是效仿人脑神经元系统而建模的计算机体系结构，模仿人脑信息处理、记忆、学习的过程，模仿大脑的分类模式以及从试验和错误中学习的能力，分辨和提取出表现出来的数据和隐藏其后的信息之间的关系。•基于扩展卡尔曼滤波器的评估方法–在状态变量、观测变量等关系为非线性时采用