电池管理系统.ppt
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1、电动汽车电池管理系统电动汽车电池管理系统1引言引言v电池管理系统电池管理系统(Battery Management System(Battery Management System,BMS)BMS)是用来对蓄电池组进行安全监控及有效管理,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,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的目的,并保证动力电池组
2、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。理系统的构成、功能和工作原理。2学习内容学习内容v1.掌握动力电池管理系统的功能掌握动力电池管理系统的功能v2.掌握动力电池管理系统电压、电流、温度等参掌握动力电池管理系统电压、电流、温度等参数采集方法数采集方法v3.掌握动力电池电量管理、电安全管理、均衡管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理、热管理等的实现方法3电池管理系统的功能电池管理系统的功能v数
3、据采集、电池状态计算、能量管理、安全管理、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热管理、均衡控制、通信功能和人机接口4单体电压采集方法单体电压采集方法v(1)继电器阵列法继电器阵列法组成: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5单体电压采集方法单体电压采集方法v(2)恒流源法)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。6单体电压采集方法单体电压采集方法v(3)隔离运放采集隔离运放采集法法
4、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7单体电压采集方法单体电压采集方法v(4)压压/频转换电频转换电路采集法路采集法组成: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8单体电压采集方法单体电压采集方法v(5)线性光耦合放大电路采集法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基于线性光耦合元件TIL300的电池单体电压采集电路原理图的电
5、池单体电压采集电路原理图9电池温度采集方法电池温度采集方法v(1)热敏电阻采集法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。10电池温度采集方法电池温度采集方法v(2)热电偶采集法热电偶采集法原理: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。11电池温度
6、采集方法电池温度采集方法v(3)集成温度传感器采集法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。18B20AD59012电池工作电流采集方法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
7、用价格较低低较高高普及程度普及普及较普及未普及137.2 7.2 动力电池电量管理系统动力电池电量管理系统掌握精确估计掌握精确估计SOC的作用的作用2掌握电池掌握电池SOC估计常用的算法估计常用的算法3掌握电池掌握电池SOC估算精度的影响因素估算精度的影响因素114引入引入v电池电量管理是电池管理的核心内容之一,对于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和估计具有重要的意义v由于动力电池荷电状态由于动力电池荷电状态(SOC)的非线性,并且受到的非线性,并且受到多种因素的影响,导致电池电量
8、估计和预测方法多种因素的影响,导致电池电量估计和预测方法复杂,准确估计复杂,准确估计SOC比较困难。比较困难。15电池电池SOC估算精度的影响因素估算精度的影响因素v(1)充放电电流充放电电流大电流可充放电容量低于额定容量,反之亦然。v(2)温度温度不同温度下电池组的容量存在着一定的变化。v(3)电池容量衰减电池容量衰减电池的容量在循环过程中会逐渐减少。v(4)自放电自放电自放电大小主要与环境温度有关,具有不确定性。v(5)一致性一致性电池组的一致性差别对电量的估算有重要的影响。16精确估计精确估计SOC的作用的作用v1)保护蓄电池。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
9、v2)提高整车性能。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v3)降低对动力电池的要求。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v4)提高经济性。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17SOC估计常用的算法估计常用的算法v(1)开路电压法)开路电压法v随着放电电池容量的增加,电池的开路电压降低。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可以根据一定的充放电倍率时电池组的开路电压和和SOC的对应曲线,通过测量电池组开路电压的的对
10、应曲线,通过测量电池组开路电压的大小,插值估算出电池大小,插值估算出电池SOC的值的值18SOC估计常用的算法估计常用的算法v(2)容量积分法容量积分法v容量积分法是通过对单位时间内,流入流出电池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组的电池进行累积.从而获得电池组每一轮放电从而获得电池组每一轮放电能够放出的电量,确定电池能够放出的电量,确定电池SOC的变化。的变化。19SOC估计常用的算法估计常用的算法v(3)电池内阻法电池内阻法v电池内阻有交流内阻电池内阻有交流内阻(常称交流阻抗常称交流阻抗)和直流内阻和直流内阻之分,它们都与之分,它们都与SOC有密切关系。准确测量电池
11、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,内阻法与某些电池管理系统中,内阻法与Ah计量法组合使计量法组合使用来提高用来提高SOC估算的精度。估算的精度。20SOC估计常用的算法估计常用的算法v(4)模糊逻辑推理和神经网络法)模糊逻辑推理和神经网络法v模糊逻辑接近人的形象思维方式,擅长定性分析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;和推理,具有较强的自然语言处理能力;v神经网络采用分布式存储信息,具有很好的自组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。织、自
12、学习能力。v共同的特点:均采用并行处理结构,可从系统的共同的特点: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。输入、输出样本中获得系统输入输出关系。v神经网络法适用于各种电池,其缺点是需要大量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。练方法的影响很大。21SOC估计常用的算法估计常用的算法v(5)卡尔曼滤波法)卡尔曼滤波法v核心思想:对动力系统的状态做出最小方差意义核心思想:对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估算。上的最优估算。v适用于各种电池,不仅给出了适用于各
13、种电池,不仅给出了SOC的估计值,还的估计值,还给出了给出了SOC的估计误差。的估计误差。v缺点:要求电池缺点:要求电池SOC估计精度越高,电池模型越估计精度越高,电池模型越复杂,涉及大量矩阵运算,工程上难以实现复杂,涉及大量矩阵运算,工程上难以实现v该方法对于温度、自放电率以及放电倍率对容量该方法对于温度、自放电率以及放电倍率对容量的影响考虑的不够全面。的影响考虑的不够全面。227.3 7.3 动力电池的均衡管理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123引入引入v宝马公司宝马公司 ActiveE 混合动力汽车即采用了由混合动力汽
14、车即采用了由 Preh GmbH 公司提供的带有能量耗散式均衡公司提供的带有能量耗散式均衡系统的系统的 BMS。v均衡系统的目的是什么?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。v均衡系统如何分类?均衡系统如何分类?能量耗散型均衡和能量非耗散型。24均衡系统的分类均衡系统的分类v能量耗散型均衡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。v能量非耗散型均衡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
15、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25能量耗散型均衡管理能量耗散型均衡管理v通过单体电池的并联电阻进行充电分流从而实现通过单体电池的并联电阻进行充电分流从而实现均衡均衡v电路结构简单,均衡过程一般在充电过程中完成电路结构简单,均衡过程一般在充电过程中完成v由于均衡电阻在分流的过程中,不仅消耗了能量,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而且还会由于电阻的发热引起电路的热管理问题v只适合在静态均衡中使用,其高温升等特点降低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,不适用于动态均衡了系统的可靠性,不适用于动态均衡v仅
16、适合于小型电池组或者容量较小的电池组。仅适合于小型电池组或者容量较小的电池组。26能量耗散型均衡管理能量耗散型均衡管理v恒定分流电阻均衡充电电路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27能量耗散型均衡管理能量耗散型均衡管理v开关控制分流电阻均衡充电电路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
17、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28非能量耗散型均衡管理非能量耗散型均衡管理v(1)能量转换式均衡)能量转换式均衡v通过开关信号,将电池组整体能量对单体电池进通过开关信号,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。进行能量转换。29非能量耗散型均衡管理非能量耗散型均衡管理v(2)能量转移式均衡)能量转移式均衡v利用电感或电容等储能元件,把电池组中容量高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
18、的的单体电池,通过储能元件转移到容量比较低的电池上电池上307.4 7.4 动力电池的热管理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131引入引入v电动汽车自燃事件频出,究其原因主要与电池管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。理系统的热管理有关。v由于过高或过低的温度都将直接影响动力电池的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
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