纯电动汽车电池及管理系统拆装与检测 课件2.3 电池能量管理

学习情境二：电池管理系统测试学习单元2.3动力电池能量管理课程内容12345任务导入学习目标理论知识拓展阅读实践技能6单元小结任务导入小王在新能源汽车某4S店工作，今天接了一辆车，师傅让小王用故障诊断仪读出电池相关信息，你知道如何进行规范的操作么？学习目标1．能通过与客户交流、查阅相关维修技术资料等方式获取车辆信息。2．能根据故障现象制定正确的维修计划。3．能正确选择诊断设备对进行诊断。4．能正确记录、分析各种检测结果并做出故障判断。5．能根据环保要求，正确处理对环境和人体有害的废料和损坏的零部件。理论知识电池能量管理的作用动力电池充放电管理动力电池均衡管理电池剩余电量估算理论知识电池能量管理的作用是利用从电动汽车各个子系统采集运行的数据，控制完成电池的充放电、显示电池的荷电状态（SOC）、预测剩余形式里程、监控电池的状态、调节车内温度、调节车灯亮度以及回收再生制动能量为动力电池充电等功能。电动汽车电池电量合理范围是30-70%，这对保证电池寿命和整体的能量效率至关重要。这就要求电池能量管理能够准确估测动力电池的SOC，进行电池的均衡管理，使单体电池之间的差异较小，并通过一定的方法来显示性能不良的电池，并通过总线实现各个检测模块和VCU的通讯。2.3.1电池能量管理的作用理论知识北汽EV160的动力电池管理系统的控制简图2.3.1电池能量管理的作用理论知识可以看出，EV160动力电池管理系统的硬件由主熔断器、紧急开关、电流传感器、电压传感器、正负极接触器、预充电接触器、加热接触器、加热元件、加热熔断器等组成，通过插接件和车载充电机或费车载充电机连接，进行充放电。2.3.1电池能量管理的作用理论知识1.动力电池的上电过程当动力电池向外充电或放电时，电池的接触器执行相应的操作实现充电或放电。当动力电池上电时，整车VCU检测发出指令给动力电池BMS主控盒，BMS主控盒接收到指令后，通过总线控制高压盒里面控制预充电接触器的继电器闭合，使预充电接触器的线圈通电产生磁场，预充电接触器闭合；当预充电接触器闭合后，BMS主控盒控制高压盒里面控制负极接触器的继电器闭合，从而使负极接触器闭合，此时开始给电机控制器里面的电容进行充电。当电容充电完成后，BMS主控盒控制高压盒里面控制正极接触器的继电器闭合，从而使正极接触器闭合，而预充电接触器断开，实现正常的放电过程。2.3.2动力电池充放电管理理论知识当动力电池需要充电时，整车VCU检测到有充电枪插入后，首先给电机控制器里面的电容进行充电，然后再发出指令给动力电池BMS主控盒，BMS主控盒接收到指令后，通过总线控制高压盒里面控制预充电接触器的继电器闭合，从而使预充电接触器的线圈通电产生磁场，使预充电接触器闭合；当预充电接触器闭合后，VCU发出指令给动力电池BMS主控盒，通过高压盒里面控制负极接触器的继电器闭合，从而使负极接触器闭合，此时，预充电阻起到限制充电电流的作用，对动力电池进行小电流充电，主要目的是通过小电流充电来估算正常充电电流大小；而后正极接触器闭合，预充电阻被短路，此时开始进行定流充电，从而开始正常充电过程。2.3.2动力电池充放电管理理论知识2.预充电的作用在图2-3-1中可以看出，正极接触器并联了一个预充接触器和预充电阻，当上电时和充电时预充电阻的作用是不同的。点火开关从OFF到ON位，预充电接触器结合瞬间的电流如图2.3.2动力电池充放电管理理论知识可以看出，当点火开关从OFF到ON位时，电流会有突变，最大电流可以到达25A左右，这是在给电机控制器的电容进行充电。所以，在上电时，预充电阻的作用是限制给电容充电时的电流，防止在接触器结合瞬间产生电弧，损坏接触器。2.3.2动力电池充放电管理理论知识3.接触器与继电器接触器与继电器原理一样，主要是触点容量不同，继电器触点容量较小，触头只能通过小电流，主要用于控制，接触器容量大，触头可以通过大电流，用于主回路较多。继电器用于控制电路、电流小，没有灭弧装置，可在电量或非电量的作用下动作。接触器用于主电路、电流大，有灭弧装置，一般只能在电压作用下动作。2.3.2动力电池充放电管理理论知识接触器是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。2.3.2动力电池充放电管理理论知识继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。接触器原理与电压继电器相同，只是接触器控制的负载功率较大，故体积也较大。交流接触器广泛用作电力的开断和控制电路。2.3.2动力电池充放电管理理论知识随着动力电池在电动汽车动力系统中的广泛应用，逐渐暴露出一系列诸如耐久性、可靠性和安全性等方面的问题。电池成组后单体之间的不一致是引起这一系列问题的主要原因之一，如图2.3.3动力电池均衡管理理论知识由于电动汽车类型和使用条件限制，对电池组功率、电压等级和额定容量的要求存在差别，电池组中单体电池数量存在很大的差异。即使参数要求相似，由于电池类型不同，所需的电池数量也存在较大的差别。新的电池在出厂时，已经做好了电池的均衡，容量一致，长时间使用后，容量产生衰减，各个电池之间的容量变的不一致，而动力电池的总容量符合“木桶理论”，因此总容量也会相应的降低。2.3.3动力电池均衡管理理论知识总体看来，单体数量越多，电池一致性差别越大，对电池组性能的影响也越明显。车载动力锂离子电池成组后，电池单体性能的不一致严重影响了电池组的使用效果，减少了电池组的使用寿命。造成单体电池问差异的因素主要有以下三方面：

（1）电池制作工艺限制，即使同一批次的电池也会出现不一致；

（2）电池组中单体电池的自放电率不一致；

（3）电池组使用过程中，温度、放电效率、保护电路对电池组的影响会导致差异的放大。

2.3.3动力电池均衡管理理论知识因此均衡系统是车载动力锂电池组管理系统的关键技术。从电池集成和管理方面来看，主要可以从两个方面来缓解电池不一致带来的影响：成组前动力电池的分选；成组后基于电池组不一致产生的表现形式和参数的电池均衡技术。然而，成组前电池单体的分选技术在保证电池组均衡能力方面是有限的，其无法消除电池组在使用过程中产生的不均衡。所以，基于电池组不一致的表现形式和参数的电池均衡技术是保证电池组正常工作，延长电池寿命的必要模块和技术。

2.3.3动力电池均衡管理理论知识均衡的作用如图动力电池采用均衡技术后，会提高低容量电池容量，但同时也会降低部分容量较高的电池的容量，经过均衡并且长时间试用后，电池的容量差异较小，使用寿命会变长。2.3.3动力电池均衡管理理论知识电池技术发展至今，用来估算SOC的方法已经出现了很多种，既有传统的电流积分法、电池内阻法、放电试验法、开路电压法、负载电压法，也有较为创新的Kalman滤波法、模糊逻辑理论法和神经网络法等，各种估算方法都有自己的优缺点，下面对常用的几种SOC方法进行简要介绍2.3.4电池剩余电量估算理论知识电流积分法电流积分法也叫安时计量法，是目前在电池管理系统领域中应用较为普遍的SOC估算方法之一，其本质是在电池进行充电或放电时，通过累积充进或放出的电量来估算电池的SOC，同时根据放电率和电池温度对估算出的SOC进行一定的补偿。与其它SOC估算方法相比，电流积分法相对简单可靠，并且可以动态地估算电池的SOC值，因此被广泛使用。但该方法也存在两方面的局限性：其一，电流积分法需要提前获得电池的初始SOC值，并且要对流入或流出电池的电流进行精确采集，才能使估算误差尽可能小；其二，该方法只是以电池的外部特征作为SOC估算依据，在一定程度上忽视了电池自放电率、老化程度和充放电倍率对电池SOC的影响，长期使用也会导致测量误差不断累积扩大，因此需要引入相关修正系数对累积误差进行纠正。2.3.4电池剩余电量估算理论知识放电试验法放电试验法是将目标电池进行持续的恒流放电直到电池的截止电压，将此放电过程所用的时间乘以放电电流的大小值，即作为电池的剩余容量。该方法一般作为电池SOC估算的标定方法或者用在蓄电池的后期维护工作上，在不知道电池SOC值的情况下采用此方法，相对简单、可靠，并且结果也比较准确，同时对不同种类的蓄电池都有效。但是放电试验法也存在两点不足：第一，该方法的试验过程需要花费大量的时间；第二，使用此方法时需要将目标电池从电动汽车上取下，因此该方法不能用来计算处于工作状态下的动力电池。2.3.4电池剩余电量估算理论知识开路电压法开路电压法是根据电池的开路电压（OpenCircuitVoltage，OCV）与电池内部锂离子浓度之间的变化关系，间接地拟合出它与电池SOC之间的一一对应关系。在进行实际操作时，需要将电池充满电量后以固定的放电倍率（一般取1C）进行放电，直到电池的截止电压时停止放电，根据该放电过程获得OCV与SOC之间的关系曲线。当电池处于实际工作状态时便能根据电池两端的电压值，通过查找OCV-SOC关系表得到当前的电池SOC。尽管该方法对各种蓄电池都有效，但也存在自身缺陷：首先，测量OCV前必须将目标电池静置1h以上，从而使电池内部电解质均匀分布以便获得稳定的端电压；其次，电池处于不同温度或不同寿命时期时，尽管开路电压一样，但实际上的SOC可能差别较大，长期使用该方法其测量结果并不能保证完全准确。因此，开路电压法与放电试验法一样，并不适用于运行中的电池SOC估算。2.3.4电池剩余电量估算理论知识Kalman滤波法Kalman滤波法是美国数学家卡尔曼（R.E.Kalman）在上世纪60年代初发表的论文《线性滤波和预测理论的新成果》中提出的一种新型最优化自回归数据滤波算法。该算法的本质在于可以根据最小均方差原则，对复杂动态系统的状态做出最优化估计。非线性的动态系统在卡尔曼滤波法中会被线性化成系统的状态空间模型，在实际应用时系统根据前一时刻的估算值与当前时刻的观测值对需要求取的状态变量进行更新，遵循“预测—实测—修正”的模式，消除系统随机存在的偏差与干扰。使用Kalman滤波法估算动力电池的SOC时，电池以动力系统的形式被转化为状态空间模型，SOC则变成为了该模型内部的一个状态变量。建立的系统是一个线性离散系统。2.3.4电池剩余电量估算理论知识由于Kalman滤波法不仅能够修正系统初始误差，还能有效地抑制系统噪声，因此在运行工况非常复杂的电动汽车动力电池的SOC估算中，具有显着的应用价值。不过该方法同样存在两点缺陷：其一，Kalman滤波法估算SOC的精度很大程度上取决于电池模型的准确程度，工作特性本身就呈高度非线性化的动力电池，在Kalman滤波法中经过线性化处理后难免存在误差，如果模型建立得不够准确，其估算的结果也并不一定可靠；其二，该方法涉及的算法非常复杂，计算量极大，所需要的计算周期较长，并且对硬件性能要求苛刻。2.3.4电池剩余电量估算理论知识神经网络法神经网络法是模拟人脑及其神经元用以处理非线性系统的新型算法，无需深入研究电池的内部结构，只需提前从目标电池中提取出大量符合其工作特性的输入与输出样本，并将其输入到使用该方法所建立系统中，就能获得运行中的SOC值。该方法后期处理相对简单，即能有效避免Kalman滤波法中需要将电池模型作线性化处理后带来的误差，又能实时地获取电池的动态参数。但是神经网络法的前期工作量比较大，需要提取大量且全面的目标样本数据对系统进行训练，所输入的训练数据和训练的方式方法在很大程度上都会影响SOC的估计精度。此外，在电池温度、自放电率和电池老化程度不统一等因素的复杂作用下，长期使用该方法估算同一组电池的SOC值，其准确性也会大打折扣。因此，在动力电池的SOC估算工作中该方法并不多见。2.3.4电池剩余电量估算拓展阅读电池健康状态估算拓展阅读1.SOH的定义由于电池长期使用必然发生老化或劣化，因而必须估计电池的健康状况（StateofHealth，SOH），也成为寿命状态，也有的成为老化情况、劣化成都或者落后电池。电池SOH的标准定义是在标准条件下动力电池从充满状态以一定倍率放点到截止电压所放出的容量与其对应的标称容量的比值，该比值是电池健康状况的一种反映。该定义适合描述纯电动汽车的健康状况，因为纯电动汽车应用基本上是全充全放，每个充放电循环后便于相互比较。简而言之，SOH是电池使用一段时间后某些直接可测或间接计算得到的性能参数的实际值与标称值的比值，用来判断电池健康状况下降后的状态，衡量电池的健康程度，其实际表现在电池内部某些参数（如内阻、容量等）的变化上。2.3.4电池健康状态估算拓展阅读一般情况下，SOH描述的是长期的变化，SOH的测量不需要连续的进行，对多数情况只要定期测量就够了，测量的周期取决于不同应用。SOH测量外推法可以预测电池的寿命，但是也会突发电池故障，是难以预料的。为了测定电池的健康状态，必须知道实际的剩余电量（SOC），或者必须在相同的SOC下测量SOH。SOH以百分比的形式表现了当前电池的容量能力，对一块新的电池来说，其SOH的值一般是大于100%的，随着电池的使用，电池在不断的老化，SOH逐渐降低，在IEEE标准1188-1996中规定，当动力电池容量能力下降到80%时，即SOH小于80%时，就应该更换电池。目前有以下几种SOH估算的方法。2.3.4电池健康状态估算拓展阅读（1）直接放点法想要知道电池的SOH最直接的方法是让单体电池实际放点一次，测量放出的电量。目前利用负载对单体电池SOH评价是业内唯一公认的可靠方法。但这种方法也存在一些缺点：需要离线测试电池的SOH，这对车用动力电池来说实现困难；测试负载较笨重，操作不方便；若用0.1C倍率放电，放点过程大约需要10小时，测试时间太长。2.3.4电池健康状态估算拓展阅读（2）内阻法主要是通过建立内阻与SOH之间的关系来估算SOH，电池内阻与SOH之间存在确定的对应关系，可以简单的描述为：随电池使用时间的增长，电池内阻在增加，将影响电池容量，从而可以估算SOH。这种方法也存在一些缺点：当电池容量下降了原来的25%-30%后，电池内阻才会有明显的变化，而标准中规定当电池容量下降到80%时电池就应该被更换，所以想要通过这种方法实时估算电池的SOH难度较大，而且电池内阻很小，信号较弱，想要准确测量电池内阻也比较困难。目前这种方法还没有得到实际的应用。2.3.4电池健康状态估算拓展阅读（3）电化学阻抗分析这是一种较复杂的方法，其主要思想是向电池施加多个正弦信号，这些信号的频率是不同的，然后运用模糊理论对已采集的数据信息分析，预测电池的当前性能。这种方法需要大量的数据采集与分析，以获得此电池的特性，而且还需要较扎实的关于阻抗及阻抗谱的理论知识，除此之外，造价也较高。2.3.4电池健康状态估算拓展阅读（4）模型法这种方法的主要思想是分析电池内部所发生的的化学反应，以此为基础建立电池的模型，用此模型来计算电池容量的衰减，来得出电池的SOH，当量子力学这一学说应用到化学动力学之后，化学反应这一围观过程有了新的论证，从而形成了过渡状态理论，如艾林方程。这种方法需要认真分析电池内部化学反应，并知道电池一些固有参数，而且运用之前也需要做大量关于电池寿命的试验，试验量大，难度大，耗时长。2.3.4电池健康状态估算拓展阅读（5）电压曲线模型法这种方法的优点是：建模简单不需要做大量的试验，也不需要电池的一些固有参数；成本低，估算精确。是目前主要采用的方法。这类方法的基本框图如图2.3.4电池健康状态估算拓展阅读运用电压曲线模型法首先要进行电池充放电循环试验，然后将试验数据进行归一化处理后，选取一个基准曲线，采用一定的方法进行曲线的拟合，这里采用神经网络进行拟合，拟合出的曲线作为标准曲线。电池工作过程中定期采集单体电池电压，根据电压信号在拟合曲线上找到相应的点，该点就代表电池的SOH。2.3.4电池健康状态估算实践技能上电过程预充电流观察实践技能操作中，请严格按照安全规范进行操作安全提示实践技能1.准备工作打开车门，安装脚垫、方向盘套、座椅套；打开机舱盖，铺上翼子板布、格栅布，如图2.3.5上电过程预充电流观察实践技能2.观察上电过程预充电流将FSA740设备上的1000A电流钳夹在电机控制器正极线束上，如图2.3.5上电过程预充电流观察实践技能点火开关置ON位，在电脑屏幕上观察钥匙开启瞬间预充电流变化，如图关闭点火开关，取下电流钳，取下格栅布、翼子板布，关闭机舱盖；取下座椅套、方向盘套、脚垫，关闭车门。2.3.5上电过程预充电流观察实践技能通过故障诊断仪读取电池信息实践技能1.准备工作打开车门，安装脚垫、方向盘套、座椅套；打开机舱盖，铺上翼子板布、格栅布，如图2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能2.利用故障诊断仪读取电池信息（1）将故障诊断仪一端与车辆故障诊断接口相连2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能（2）将故障诊断仪另一端与电脑USB接口相连，如图2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能（3）点火开关置ON位；（4）运行电脑桌面故障诊断软件，如图2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能（5）点击左侧第二个图标，如图2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能（6）点击北汽新能源图标，如图2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能（7）点击确定后，等待；（8）点击车辆选择，如图2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能（9）点击车型，选择EV160；点击下一步，，如图2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能（10）点击系统选择，如图2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能（11）点击动力电池系统，如图2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能（12）点击数据流点击确定；屏幕显示如下数据流信息，因厂家设置，数据流具体数值不能显示。动力电池内部总电压、充放电电流、外部总电压、负载端总电压、整车state状态、直流母线电压、KL15、KL30、BCU自检计数器、动力电池负端继电器当前状态、动力电池正端继电器当前状态、动力电池预充继电器当前状态、高压互锁状态、动力电池充电请求、正极对地绝缘电阻、负极对地绝缘电阻、如图2.3.6通过故障诊断仪读取电池信息实践技能2.3.6通过故障诊