动力电池管理系统的核心功能新颖有效

动力电池管理系统的主要功能包括数据采集、电池状态估算、能量管理、电池热管理系统、安全管理、通信管理等,如图3-3-3所示。

1.数据采集

数据采集是动力电池管理系统所有功能的基础,需要采集的数据信息有电池组的电压、电流、温度等,如图3-3-4所示。动力电池管理系统的所有算法均以采集的动力电池数据作为输入,采集速率、精度和前置滤波特性是影响电池系统性能的重要指标。电动汽车电池管理系统的采样速率一般要求大于200 Hz(50 ms)。目前,数据采集系统有3种拓扑结构,即分布式、集中控制式和主从控制式。

图3-3-3

图3-3-4

(1)电压监测

单体电池电压采集的目的是了解当前电池中任意一个电池的电压情况来判断每个单体电池的充电终止和放电终止条件,防止过充电和过放电,保护电池的安全。单体电池电压采集信息量较大,大部分电动汽车采用电池模块电压来实现对电池模块和单体电池的监测。常见的电压采集法有继电器阵列法、恒流源法、隔离运放采集法、压/频转换电路采集法、线性光耦合放大电路采集法,如图3-3-5所示。

图3-3-5

(2)温度监测

目前,动力电池都是由众多的单体电池通过组装而成,在充放电过程中单体电池会产生热量,局部会造成热量累积,造成各处温度不均匀,影响单体电池的一致性,从而降低电池充电循环效率,影响电池的功率和能量发挥,严重时还将导致热失控,影响系统的安全性和可靠性。同时,电池在充放电过程中如果温度过低,会导致电池的容量降低、车辆行驶里程缩短等。为了使电池组发挥最佳的性能和寿命,需要对电池进行热管理,将电池包温度控制在合理的范围内。常见的温度采集方法有热敏电阻采集法、热电偶采集法、集成温度传感器采集法,如图3-3-6所示。

(3)电流监测

几乎所有的BMS都具备电流测量功能,BMS将测量到的电流传递给主控制器,形成闭环反馈控制,一方面可以准确控制充电过程中充电机的输出电流,实现既定充电策略;另一方面控制负载放电电流,保护电池放电过程中的安全。BMS对电流测量的精度要求很高,许多BMS的剩余电量估算基于电流计算,高精度的电流测量才能保障高精度的SOC计算。常见的电流检测方式有分流器检测、互感器检测、霍尔元件电流传感器检测和光纤传感器检测,如图3-3-7所示。

图3-3-6

图3-3-7

(4)绝缘监测

动力电池是电动汽车的动力来源。车辆使用环境恶劣,随着电池的使用、电池组自身或电池组之间的连接线老化等多种原因,会导致电池组和车辆底盘之间的绝缘出现问题。电动汽车动力电池系统电压常用的有288 V、336 V、384 V、544 V等,大大超过了人体可以承受的安全电压。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电气设备和系统能否正常工作,还关系人的生命财产安全。常见的绝缘监测方法有平衡桥式检测、直流检测和交流检测3种。

2.电池状态估算

电池状态估算包括SOC估计和SOH(电池组健康状态)估计,SOC提供电池剩余电量的信息,是计算和估算汽车续使里程的基础。同时,SOC是防止动力电池过充电和过放电的主要依据,只有准确估算电池组的SOC才能有效提高动力电池组的利用效率,保证动力电池的使用寿命,提高整车性能,提高经济性。SOH提供电池健康状态的信息,目前的动力电池管理系统实现了SOC估算功能,SOH估算技术尚不成熟。

SOC估算常用的算法:

①开路电压法:是最简单的测量方法,主要根据电池组开路电压判断SOC的大小。

②电流积分法(库仑计数法):是通过对单位时间内,流入流出电池组的电流进行累积,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。

③模糊逻辑方法和神经网络法:模糊逻辑推理和神经网络是人工智能领域的两个分支,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。

④支持向量机法:展示了优于神经网络法的优势,包括不需要去选择神经元的数量,不需要识别神经元的网络拓扑和较少的拟合过程。此外,神经网络法和支持向量机法只在恒定电流下才会有一个很好的结果。在动态的情况下,估算出的结果比较差,甚至误差在不可接受的范围内。

⑤卡尔曼滤波法:卡尔曼滤波理论的核心思想是对动力系统的状态作出最小方差意义上的最优估算。卡尔曼滤波法应用于电池SOC估算,电池称动力系统,SOC是系统的一个内部状态。

几种SOC估算方法对比见表3-3-1。

表3-3-1

续表

影响SOC估算精度的因素如图3-3-8所示。

3.能量管理

电池的能量管理包括电池的充电控制管理、电池的放电控制管理以及电池的均衡控制管理。其作用是利用从电动汽车各子系统采集运行的数据,控制完成电池的充放电、显示电池荷电状态、预测剩余行驶里程、检测电池的状态、调节电池内部温度、调节车灯亮度以及回收再生制动能量为蓄电池充电等,实时进行优化控制,如图3-3-9所示。

图3-3-8

4.电池热管理系统

电池热管理系统是指根据热管理控制策略进行工作,以使电池组处于最优工作温度范围。电池发热和在热环境工作时,电池性能受到较大的影响,会导致电池容量衰减,电池老化加速,电池寿命缩短,甚至引起燃烧或爆炸。在电池工作温度超过正常工作温度时,对其管理控制,进行冷却,如图3-3-10所示。

图3-3-9

在电池温度低于适宜的工作温度时,对其进行加热,使电池始终处于适宜的工作温度范围,并在电池组工作过程中总是保持电池单体间温度均衡,充分发挥电池的性能。对大功率放电和高温条件下使用动力电池,热管理尤为重要。

图3-3-10

电池热管理系统有以下功能:电池温度的准确测量和监控、电池组温度过高时的有效散热和通风、低温条件下的快速加热、有害气体产生时的有效通风及保证电池组温度场的均匀分布。

电池内“活性物质”在电池充电和放电时,在电化学反应的氧化过程中会产生热量,热量对电池的性能有较大的影响。一般动力电池采用空气冷却或水冷却,保证电池正常工作。

5.安全管理

安全管理主要用于监控电池电压、电流、温度等是否超过正常范围,防止电池组过充电、过放电。目前,在对电池组进行整组监控的同时,多数电池管理系统已经发展到对极端单体电池进行过充电、过放电、温度过高等安全状态管理。

动力电池安全管理系统的功能:安全管理系统主要包括烟雾报警、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源等功能。

动力电池箱体的作用为承载并保护动力电池及内部的电气设备,需要电池箱体具有较高的强度和刚度并且防尘防水。电池箱体的防护等级为IP67。

其中,IP为标记字母,数字6为第一标记数字,7为第二标记数字。

第一标记数字表示接触保护和外来物保护等级,各级别定义如下:

0——无防护。(www.xing528.com)

1——防直径为50 mm甚至更大的固体颗粒物物体尖端或50 mm直径的固体颗粒物不能完全穿透。

2——防直径为12.5 mm甚至更大的固体颗粒物物体尖端或12.5 mm直径的固体颗粒物不能完全穿透。

3——防直径为2.5 mm甚至更大的固体颗粒物物体尖端或2.5 mm直径的固体颗粒物不能完全穿透。

4——防直径为1 mm甚至更大的固体颗粒物物体尖端或1 mm直径的固体颗粒物不能完全穿透。

5——灰尘防护:并不能完全防止尘埃进入,但不会达到妨碍仪器正常运转及降低安全性的程度。

6——灰尘禁锢:尘埃无法进入物体,整个直径不能超过外壳的空隙。第二标记数字表示防水保护等级,各等级的含义如下:

0——无防护。

1——防垂直下坠的水滴:垂直下坠的水滴不会造成有害影响。

2——当外壳翘起可达15°时防垂直下坠的水滴:当外壳在任何一垂直侧以任何角度翘起不超过15°时,垂直下坠的水滴不会造成有害影响。

3——防水雾:在任何一垂直侧以任何不超过60°的角度喷雾不会造成有害影响。

4——防泼水:对着外壳从任何方向泼水都不会造成有害影响。

5——防喷水:对着外壳从任何方向喷水都不会造成有害影响。

6——防强力喷水:对着外壳从任何方向强力喷水都不会造成有害影响。

7——防短时浸泡:常温常压下,当外壳暂时浸泡在1 m深的水里将不会造成有害影响。

8——防持续浸泡:在厂家和用户都同意,但是条件比较严酷的条件下,持续浸泡在水里将不会造成有害影响。

6.通信管理

通过电池管理系统实现电池参数和信息与车载设备或非车载设备的通信,为充放电控制、整车控制提供数据依据是电池管理系统的重要功能之一。根据应用需要,数据交换可采用不同的通信接口,如模拟信号、PWM信号、CAN总线或I2 C串行接口。

7.均衡控制

电池的一致性差异导致电池组的工作状态由最差单体电池的状态决定,在电池组各个电池之间设置均衡电路,实施均衡控制是为了使各单体电池充放电工作情况尽量一致,提高整体电池组的工作性能。

8.漏电管理

电池组的漏电检测由漏电检测传感器来检测电池组与车身间的漏电电流。

9.人机接口

根据实际需要设置显示信息以及控制按钮等。

10.电磁兼容

电动汽车面临复杂电磁环境,要求BMS必须具有良好的抗电磁干扰能力,同时要求BMS对外辐射小。

任务检测

一、填空题

1.电池管理系统由______、______、______3个子系统组成。

2.动力电池的监测功能主要是对电池组内的______、______、______进行监测。

3.电池状态主要包括______、______两个方面。

4.热管理系统主要用于电池温度高于适宜工作温度上限时对电池进行______,低于适宜工作温度下限时进行______。

5.电池组的工作状态是由组内______决定的。

二、选择题

1.能量计算功能要求控制SOC在(　　)范围内。

A.30%～70%　　　B.20%～80%　　　C.20%～90%　　　D.10%～90%

2.汽车启动时的工作模式为(　　)。

A.纯油模式　B.纯电模式　C.混动模式　D.以上都有

3.(　　)是影响电池系统性能的重要指标。

A.采样速率　B.精度　C.前置滤波特性　D以上都要

4.动力电池管理系统的主要功能有(　　)。(多选)

A.采集数据　B.电池能量管理　C.热管理　D.电池状态估算

5.汽车工作有(　　)。(多选)

A.纯电模式　B.纯油模式　C.混动模式　D.充电模式

三、选择题

1.电池管理系统的所有算法均以采集的动力电池数据作为输入。(　　)

2.SOH用来表示电池技术状态,预计可使用寿命等健康状态参数。(　　)

3.SOC是用来提示动力电池组剩余电量,是计算和估算汽车续使里程的基础。(　　)

4.电池的一致性差异不会影响电池组的性能。(　　)

5.电池组系统需要对每个单体电池的电流、电压、温度等进行监测。(　　)

四、简答题

1.什么是电池管理系统的均衡控制?

2.热管理系统的主要功能有哪些?

3.汽车在全速行驶(爬陡坡、超车)的状况下是如何工作的?

4.电池组管理系统的主要功能有哪些?

5.什么是电池管理系统的控制功能?