第七章--电动汽车

引入电池管理系统(BatteryManagementSystem，BMS)是用来对蓄电池组进行安全监控及有效管理，提高蓄电池使用效率的装置。对于电动车辆而言，通过该系统对电池组充放电的有效控制，可以达到增加续驶里程，延长使用寿命，降低运行成本的目的，并保证动力电池组应用的安全性和可靠性。动力电池管理系统已经成为电动汽车不可缺少的核心部件之一。本章将重点介绍动力电池管理系统的构成、功能和工作原理。目录第2章电动汽车动力电池基本知识第3章铅酸动力电池及其应用第4章碱性动力电池及其应用第5章锂离子动力电池及其应用第6章用于电动汽车的其他动力源第1章电动汽车与动力电池发展历程第7章电动汽车电源管理系统本章学习目标1.掌握动力电池管理系统的功能2.掌握动力电池管理系统电压、电流、温度等参数采集方法3.掌握动力电池电量管理、电安全管理、均衡管理、热管理等的实现方法第7章电动汽车电源管理系统7.1动力电池管理系统功能及参数采集方法7.2动力电池电量管理系统7.3动力电池的均衡管理7.4动力电池的热管理7.5动力电池的电安全管理及数据通讯7.1动力电池管理系统功能及参数采集方法掌握单体电压采集方法2掌握电池温度采集方法3掌握电池电流采集方法4能够正确分析各种参数采集法优缺点5掌握电池管理系统的功能1电池管理系统的功能数据采集、电池状态计算、能量管理、安全管理、热管理、均衡控制、通信功能和人机接口单体电压采集方法(1)继电器阵列法组成：端电压传感器、继电器阵列、A/D转换芯片、光耦、多路模拟开关应用特点：所需要测量的电池单体电压较高而且对精度要求也高的场合使用单体电压采集方法（2）恒流源法组成：运放和场效应管组合构成减法运算恒流源电路应用特点：结构较简单，共模抑制能力强，采集精度高，具有很好的实用性。单体电压采集方法(3)隔离运放采集法组成：隔离运算放大器、多路选择器等应用特点：系统采集精度高，可靠性强，但成本较高单体电压采集方法(4)压/频转换电路采集法组成：压/频转换器、选择电路和运算放大电路应用特点：压控振荡器中含有电容器，而电容器的相对误差一般都比较大，而且电容越大相对误差也越大单体电压采集方法(5)线性光耦合放大电路采集法应用特点：线性光耦合放大电路不仅具有很强的隔离能力和抗干扰能力，还使模拟信号在传输过程中保持较好线性度，电路相对较复杂，精度影响因素较多基于线性光耦合元件TIL300的电池单体电压采集电路原理图电池温度采集方法(1)热敏电阻采集法原理：利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性，用一个定值电阻和热敏电阻串联起来构成一个分压器，从而把温度的高低转化为电压信号，再通过模数转换得到温度的数字信息。特点：热敏电阻成本低，但线性度不好，而且制造误差一般也比较大。电池温度采集方法(2)热电偶采集法原理：采集双金属体在不同温度下产生不同的热电动势，通过查表得到温度的值。特点：由于热电动势的值仅和材料有关，所以热电偶的准确度很高。但是由于热电动势都是毫伏等级的信号，所以需要放大，外部电路比较复杂。电池温度采集方法(3)集成温度传感器采集法原理及特点：集成温度传感器虽然很多都是基于热敏电阻式的，但都在生产的过程中进行校正，所以精度可以媲美热电偶，而且直接输出数字量，很适合在数字系统中使用。18B20AD590电池工作电流采集方法项目分流器互感器霍尔元件电流传感器光纤传感器插入损耗有无无无布置形式需插入主电路开孔、导线传入开孔、导线传入-测量对象直流、交流、脉冲交流直流、交流、脉冲直流、交流电气隔离无隔离隔离隔离隔离使用方便性小信号放大、需控制处理使用较简单使用简单-使用场合小电流、控制测量交流测量、电网监控控制测量高压测量，店里系统常用价格较低低较高高普及程度普及普及较普及未普及7.2动力电池电量管理系统掌握精确估计SOC的作用2掌握电池SOC估计常用的算法3掌握电池SOC估算精度的影响因素1引入电池电量管理是电池管理的核心内容之一，对于整个电池状态的控制，电动车辆续驶里程的预测和估计具有重要的意义由于动力电池荷电状态(SOC)的非线性，并且受到多种因素的影响，导致电池电量估计和预测方法复杂，准确估计SOC比较困难。电池SOC估算精度的影响因素(1)充放电电流大电流可充放电容量低于额定容量，反之亦然。(2)温度不同温度下电池组的容量存在着一定的变化。(3)电池容量衰减电池的容量在循环过程中会逐渐减少。(4)自放电自放电大小主要与环境温度有关，具有不确定性。(5)一致性电池组的一致性差别对电量的估算有重要的影响。精确估计SOC的作用1)保护蓄电池。准确控制电池SOC范围，可避免电池过充电和过放电2)提高整车性能。SOC不准确，电池性能不能充分发挥，整车性能降低3)降低对动力电池的要求。准确估算SOC，电池性能可充分使用，降低对动力电池性能的要求4)提高经济性。选择较低容量的动力蓄电池组可以降低整车制造成本由于提高了系统的可靠性，后期维护成本降低SOC估计常用的算法（1）开路电压法随着放电电池容量的增加，电池的开路电压降低。可以根据一定的充放电倍率时电池组的开路电压和SOC的对应曲线，通过测量电池组开路电压的大小，插值估算出电池SOC的值SOC估计常用的算法(2)容量积分法容量积分法是通过对单位时间内，流入流出电池组的电池进行累积.从而获得电池组每一轮放电能够放出的电量，确定电池SOC的变化。0tMMQidtSOCQSOC估计常用的算法(3)电池内阻法电池内阻有交流内阻(常称交流阻抗)和直流内阻之分，它们都与SOC有密切关系。准确测量电池单体内阻比较困难，这是直流内阻法的缺点。在某些电池管理系统中，内阻法与Ah计量法组合使用来提高SOC估算的精度。SOC估计常用的算法（4）模糊逻辑推理和神经网络法模糊逻辑接近人的形象思维方式，擅长定性分析和推理，具有较强的自然语言处理能力；神经网络采用分布式存储信息，具有很好的自组织、自学习能力。共同的特点：均采用并行处理结构，可从系统的输入、输出样本中获得系统输入输出关系。神经网络法适用于各种电池，其缺点是需要大量的参考数据进行训练，估计误差受训练数据和训练方法的影响很大。SOC估计常用的算法（5）卡尔曼滤波法核心思想：对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估算。适用于各种电池，不仅给出了SOC的估计值，还给出了SOC的估计误差。缺点：要求电池SOC估计精度越高，电池模型越复杂，涉及大量矩阵运算，工程上难以实现该方法对于温度、自放电率以及放电倍率对容量的影响考虑的不够全面。7.3动力电池的均衡管理掌握非能量耗散型均衡管理2电池均衡管理系统应用中存在的问题3掌握能量耗散型均衡管理1引入宝马公司ActiveE混合动力汽车即采用了由PrehGmbH公司提供的带有能量耗散式均衡系统的BMS。均衡系统的目的是什么？为了平衡电池组中单体电池的容量和能量差异，提高电池组的能量利用率。均衡系统如何分类？能量耗散型均衡和能量非耗散型。均衡系统的分类能量耗散型均衡主要通过令电池组中能量较高的电池利用其旁路电阻进行放电的方式损耗部分能量，以期达到电池组能量状态的一致。如混合动力汽车。能量非耗散型均衡能量非耗散式均衡电路拓扑结构目前已出现很多种，本质上均是利用储能元件和均衡旁路构建能量传递通道，将其从能量较高电池直接或间接转移至能量较低的电池能量耗散型均衡管理通过单体电池的并联电阻进行充电分流从而实现均衡电路结构简单，均衡过程一般在充电过程中完成由于均衡电阻在分流的过程中，不仅消耗了能量，而且还会由于电阻的发热引起电路的热管理问题只适合在静态均衡中使用，其高温升等特点降低了系统的可靠性，不适用于动态均衡仅适合于小型电池组或者容量较小的电池组。能量耗散型均衡管理恒定分流电阻均衡充电电路每个电池单体上都始终并联一个分流电阻。可靠性高，分流电阻的值大，通过固定分流来减小由于自放电导致的单体电池差异无论电池充电还是放电过程，分流电阻始终消耗功率，能量损失大一般在能够及时补充能量的场合适用能量耗散型均衡管理开关控制分流电阻均衡充电电路工作在充电期间，可以对充电时单体电池电压偏高者进行分流，分流电阻通过开关控制当单体电池电压达到截止电压时，阻止其过充并将多余的能量转化成热能由于均衡时间的限制，导致分流时产生的大量热量需要及时通过热管理系统耗散，尤其在容量比较大的电池组中更加明显非能量耗散型均衡管理（1）能量转换式均衡通过开关信号，将电池组整体能量对单体电池进行能量补充，或者将单体电池能量向整体电池组进行能量转换。非能量耗散型均衡管理（2）能量转移式均衡利用电感或电容等储能元件，把电池组中容量高的单体电池，通过储能元件转移到容量比较低的电池上7.4动力电池的热管理了解电池内传热的基本方式2了解电池组热管理系统设计实现3掌握动力电池热管理系统的功能1引入电动汽车自燃事件频出，究其原因主要与电池管理系统的热管理有关。由于过高或过低的温度都将直接影响动力电池的使用寿命和性能，并有可能导致电池系统的安全问题，并且电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体间性能的不均衡，因此电池热管理系统对于电动车辆动力电池系统而言是必需的。可靠、高效的热管理系统对于电动车辆的可靠安全应用意义重大。动力电池热管理系统的功能①电池温度的准确测量和监控；②电池组温度过高时的有效散热和通风；③低温条件下的快速加热；④有害气体产生时的有效通风；⑤保证电池组温度场的均匀分布。电池内传热的基本方式热传导指物质与物体直接接触而产生的热传递。电池内部的电极、电解液、集流体等都是热传导介质。对流换热电池表面的热量通过环境介质（一般为流体）的流动交换热量，和温差成正比辐射换热主要发生在电池表面，与电池表面材料的性质相关电池组热管理系统设计实现按照传热介质分空冷、液冷和相变材料冷却空冷系统又分串行通风方式和并行通风方式两种电池组热管理系统设计实现按照是否有内部加热或制冷装置可分为被动式和主动式两种被动加热与散热-外部空气流通被动加热与散热-内部空气流通主动加热与散热-外部和内部空气流通电池组热管理系统设计实现电池列前后缠绕硅胶加热线电池列间添加电热膜电池本体上包覆电热膜电池上、下添加加热板7.5动力电池的电安全管理及数据通讯了解电池内烟雾报警方式2了解电池组绝缘检测方法3掌握动力电池电安全管理系统的功能1了解动力电池数据通信系统4引入电动车辆动力电池系统电压常用的有288V、336V、384V以及544V等，已经大大超过了人体可以承受的安全电压电动汽车动力电池系统电气绝缘性能是电安全管理重要的内容，绝缘性能的好坏不仅关系到电气设备和系统能否正常工作，更重要的是还关系到人的生命财产安全。动力电池电安全管理系统的功能主要包括烟雾报警、绝缘检测、自动灭火、过电压和过电流控制、过放电控制、防止温度过高、在发生碰撞的情况下关闭电池等功能。动力电池在电动车辆上安装应用，因此必须满足车辆部件的耐振动、耐冲击、耐跌落、耐盐雾等强度要求，保证可靠应用。为满足防水、防尘要求，电池包应满足一定的IP防护等级在极端工况下，通过电池安全管理系统应能实现电池包的高压断电保护、过流断开保护、过放电保护、过充电保护等功能。烟雾报警在车辆行驶过程中由于路况复杂及电池本身的工艺问题，可能由于过热、挤压和碰撞等原因而导致电池出现冒烟或着火等极端恶劣的事故，若不能即使发现并得到有效处理，势必导致事故的进一步扩大，对周围电池、车辆以及车上人员构成威胁，严重影响带车辆运行的安全性。动力电池管理系统中烟雾报警的报警装置应安装于驾驶员控制台，在接收到报警信号时，迅速发出声光报警和故障定位，保证驾驶员能够及时发现，能接收报警器发出的报警信号。烟雾报警由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。在动力电池上应用，需