电动汽车动力蓄电池及管理技术课件 第九章 动力电池充放电控制与能量管理

动力电池充放电控制与能量管理01充放电控制逻辑02CONTENTS目录能量管理充放电控制逻辑01预充电阶段：※车载充电机OBC检测到充电枪插入信号后，唤醒整车控制器VCU及BMS；※BMS完成自检与初始化后上报VCU，VCU控制主负继电器闭合。同时BMS控制预充继电器闭合，对电池单体进行预充电；※确认所有单体无短路后，预充电结束。主充电阶段：预充电完成后，BMS闭合主正继电器，随后断开预充继电器，主回路导通，动力蓄电池组进入充电状态。0102预放电阶段（放电初期）：※点火开关置于ON档后，VCU唤醒BMS。※BMS完成自检与初始化后上报VCU，VCU发出高压供电指令，BMS随即按预设时序控制继电器动作。※鉴于电路中电机控制器、空调压缩机控制器等部件内含电容，放电初期BMS控制预充继电器闭合，以低压、小电流向这些电容放电，待电容两端电压接近动力蓄电池组总电压时，断开预充继电器。主放电阶段：BMS闭合主正继电器，同时断开预充继电器，主回路导通，动力蓄电池组开始放电。1)充电过程2)放电过程充放电过程1)充电控制管理电池的充电控制管理，是指BMS在电池充电过程中，对充电电压、充电电流等关键参数实施实时优化控制，旨在实现最优的充电时长、充电效率以及SOC。2)放电控制管理电池的放电控制管理，是指BMS在电池放电过程中，基于电池实时状态动态调节放电电流限值，这种管理策略能显著提升动力蓄电池组的效能。例如，当电池组剩余电量低于10%时，适当限制最大放电电流，虽然可能影响车辆最高速度，但有助于延长车辆的续驶里程和动力蓄电池组的使用寿命。3)制动能量回收制动能量回收，是能量控制管理的重要环节。例如，在某些混合动力汽车中，需要通过充放电控制管理把电池的荷电状态维持在60%~80%，以保证有足够的电荷容量空间来接收来自制动回收的能量。这样做的另外一个考虑就是使电池工作在等效内阻较小的一个区间，从而使充放电的效率更高。充放电控制管理能量管理02能量管理分为电池充/放电管理和电池均衡控制管理。电池充/放电管理是指对电池充放电控制，即根据SOC、SOH和温度来限定电池的充放电电流，设定一个控制充电和放电的算法逻辑，以此作为充放电控制的标准。电池均衡控制是指采取一定措施尽可能降低电池不一致性，以达到优化电池组整体放电效能，延长电池组整体寿命的效果。能量管理主要包括以电流、电压、温度、SOC和SOH为输入进行充电控制，以SOC、SOH和温度等参数为条件进行放电功率控制两个部分。能量管理概述01通常情况下，电池组能量提供电动汽车中车辆的全部功率负荷，应实时监控电池能量消耗情况与SOC，当电池SOC低于某一设定值时，由于电池的放电特性会导致电池组电压急剧减小，严重情况下会使运动中的车辆发生突然停止。此外，最大续驶里程直接由电池的SOC决定。电池能量管理的策略示意图如图所示，当汽车通过上电自检模式，处于启动状态时，动力蓄电池供应电能，进而满足电机及附属仪表元件能量需求。当汽车处于正常行驶模式时，电池能量提供驱动电机能源，动力蓄电池工作在高效放电区。BMS能量管理策略电池能量管理的策略示意图02电池能量管理策略控制流程图如图所示。系统上电自检通过后，VCU采集SOC值并判断，若动力蓄电池SOC的值处于设定的某一值以下时，则整车控制器通过信号计算控制仪表盘亮灯并报警提示，此时会提醒驾驶员，驾驶员会进行相应操作并做出判断尽可能确保车辆运行的安全。当动力蓄电池SOC继续降低小于某一设定值时，整车控制器收集SOC信息，并计算控制进而加长报警长度，此时驾驶员可以进行操作关闭一些不影响安全的附属电器，但是当处于特殊天气时，汽车的雨刷、雾灯、大灯等涉及安全的装置一定要确保汽车能够正常对其供电不能使其关闭。汽车处于减速和制动的工况时，电动机转换为发电机把制动收取的能量转化为电能储存于动力蓄电池中。在起步和正常行驶工况下，电池组向电机供应电能进而使电机工作。车辆在减速或刹车制动的状态中，电机反转产生再生力矩进而为电池充电。BMS能量管理策略电池能量管理策略控制流程图谢谢大家动力蓄电池系统控制与故障处理策略Catalogue目录基于最小能耗的动力蓄电池风冷控制策略2.1.温度控制策略概述故障处理策略概述基于二次回路冷却的电池热管理控制策略3.4.动力蓄电池故障诊断策略5.基于模型的故障诊断方法6.温度控制策略概述01-动力蓄电池的性能、寿命和安全性与工作温度密切相关，适宜的温度范围是保证电池高效稳定运行的关键。-过高或过低的温度都会导致电池性能下降、寿命缩短，甚至引发安全问题，因此有效的温度控制策略至关重要。温度控制的重要性-根据冷却介质和系统结构的不同，动力蓄电池温度控制方式主要分为风冷、液冷（包括二次回路冷却）等。01-不同的控制方式具有各自的特点和适用场景，需要根据实际工况和需求进行选择和优化。02常见温度控制方式分类基于最小能耗的动力蓄电池风冷控制策略02-空冷系统最显著的特点是无需借助外部辅助能量，直接利用汽车行驶产生的自然气流带走电池热量。-该方法以其结构简单、实施便捷、成本低廉的优势被广泛采用。空冷系统的特点与优势-为了以尽量少的能耗满足动力蓄电池在实际充放电过程中的散热需求，通过车载导航系统获得车辆未来路段的工况信息，预测电池未来温升情况，判断是否需要开启风机以及求解风机的最优风速及风机开启时间，实现在电池及时有效地散热的同时，风机能耗最小。01-控制逻辑：汽车进入每一路段之初，控制系统根据车载导航系统提供的未来路段工况信息预测该路段无风状态下的电池未来温升，当预测的电池最高温度超过40°C时，则在该路段需要开启风机，否则风机无须开启。02风冷控制策略与逻辑-动力蓄电池包风冷系统的能耗最小化问题本质上属于多阶段决策过程中的最优化问题。20世纪40年代，RichardBellman提出的动态规划算法为此类问题提供了强有力的求解工具。-将汽车行程进行划分，根据各路段的工况信息预测出未来升温后，对需要散热的路段进行动态规划处理，求取各路段的最佳工作风速序列。当求取的最优风速序列中首次出现风速非零时，该时刻即为风机最佳开启时机，对应的风速即为最佳风速。-针对“如何以风机系统的最小能耗满足动力蓄电池包散热需求”这一核心目标，选择应用动态规划算法进行求解。-在求解多阶段决策过程的优化问题时，利用最优化原理，把多阶段过程分解为更小的、相似的子问题，并存储子问题的解而避免重复计算。动态规划算法动态规划的求解过程基于二次回路冷却的电池热管理控制策略03010203-针对夏季高温天气和极端动态工况，电池的冷却方式采用二次回路冷却，系统包含压缩机、冷凝器、蒸发器、Chiller、两个电子膨胀阀，以及电池组及其冷却模块。-基于传统空调系统，将电池回路蒸发器Chiller与乘员舱蒸发器并联，构成双蒸发器热管理系统。1.经压缩机压缩后的高温高压过热气态制冷剂首先通过冷凝器与外界空气进行换热，形成低温高压过冷液态制冷剂。2.从冷凝器出来后的液态制冷剂分两条支路，分别经过各自支路的电子膨胀阀。3.经绝热膨胀后，制冷剂变为低温低压液体状态，然后分别进入Chiller和乘员舱蒸发器与被冷却物体（冷却液和空气）进行热量交换。4.经过相变吸热后的制冷剂变为低温低压的气体，然后在压缩机进口处汇合，进入气缸再次循环。二次回路冷却系统Part.01-由于耦合热管理系统的复杂性，涉及到多个输入变量和输出变量，再考虑到电池的适宜温度是一个区间范围，并不是某个温度定值，因此，电池的温度控制采用了on/off的控制策略，根据电池当前的温度来控制各条回路的开关或者某个元件的开启，使电池的温度保持在适宜的范围内。Part.02-锂离子电池的适宜工作温度是20°C~40°C，在电池适宜的温度范围内，电池的温度越高内阻越小，有利于充分发挥电池的放电性能。Part.03-在耦合热管理系统中，电池的散热方式有3种模式：自然风散热器冷却、强制风冷散热器冷却、空调系统冷却。Part.04-自然风散热器冷却：车辆在行驶过程中，空气可以通过进气格栅进入散热器内，对冷却液有一定的冷却作用。Part.05-强制风冷散热器冷却：在车辆车速较低而环境温度较高时，自然风带来的冷却作用很小，不足以满足电池散热需求，此时可以开启冷却风扇，加强散热器的冷却效果。Part.06-空调系统冷却：当环境温度较高，前两者散热方式不足以满足电池的散热需求时，此时需要开启空调系统，通过制冷剂在电池蒸发器Chiller中蒸发与冷却液交换热量来实现对电池的降温。电池温度控制策略Part.07-温度控制逻辑：在电池温度低于30°C时，无需对电池进行冷却，关闭散热器回路阀门，关闭Chiller制冷剂回路阀门；当电池温度大于30°C时，Chiller制冷剂回路阀门关闭，散热器回路阀门打开，使用自然风进行冷却；当电池温度大于33°C时，Chiller制冷剂回路阀门关闭，散热器回路阀门打开，冷却风扇打开，使用强制风冷对电池进行冷却；当电池温度达到35°C以上时，开启空调系统Chiller制冷剂回路，若环境温度小于电池温度，开启散热器回路且使用强制风冷，否则关闭散热器回路。电池温度控制策略温度控制策略故障处理策略概述04-作为高压系统的核心部件，动力蓄电池系统的设计质量直接关系到整车的安全性与可靠性。-故障一旦发生，轻则导致系统性能下降，重则引发安全事故，造成严重的人员伤亡和财产损失，因此，对动力蓄电池系统进行及时有效的故障诊断与处理至关重要。故障处理的重要性-动力蓄电池故障处理策略主要包括故障诊断和故障处理两个方面。-故障诊断是指通过一定的方法和手段检测和识别电池系统的故障类型和位置；故障处理则是根据诊断结果采取相应的措施，以消除故障或降低故障带来的影响。0102故障处理的主要内容动力蓄电池故障诊断策略05-动力蓄电池故障诊断策略开发主要包括3个方面：故障检测、故障数据管理和诊断服务接口。-故障检测需要根据每个部件的失效模式分析，并配合相应的硬件设计，具备该部件的故障检测功能。-故障数据管理是动力蓄电池故障诊断系统的核心，它执行主要的故障诊断与处理的算法。020103-诊断服务接口提供根据ISO标准所定义的电控单元与外部诊断设备通信的底层驱动以及协议。04故障诊断策略的组成-核心层软件是整个故障诊断的中枢，包括故障码的管理、诊断服务接口和故障码的存储/擦除管理。-应用层软件主要进行电池系统故障检测、电池状态数据的读取及电池系统关键控制变量的控制。-软件架构应该包含应用层软件、核心层软件和底层驱动软件。-底层驱动软件包括一些单片机A/D、I/O等的状态读取及控制，以及符合ISO15765诊断规范的CAN接口驱动程序。软件架构0102-故障数据管理是故障诊断系统的核心，它包括以下几个主要功能：实现电池系统故障码的存储和管理；存储和管理与故障相关的冻结帧信息，便于故障排查；提供与应用程序和诊断仪的诊断服务接口函数；电池系统故障灯的管理；故障处理机制的管理。03-由于外界因素的干扰，信号可能偶尔会产生一些正常的跳变抖动。将一个信号识别为异常后，系统并不直接视其为故障，而是通过一定方式进行累积，只有当累积结果达到一定程度时，才最终将异常判断为故障。这样可以提高系统的容错性，避免由于过于敏感而导致无法使用。-系统会定时执行故障诊断软件顺序巡检每个故障码的状态，并根据每个故障码对应的故障等级和故障状态标志位来设置每一个故障级别的故障计数器，再根据电池系统故障级别采取相应的故障处理措施，以确保电池和整车高压系统安全可靠。故障数据管理基于模型的故障诊断方法06-传统故障诊断通常采用硬件冗余方法，即针对同一变量利用多个传感器采集相应数据，然后经过合适诊断策略来判断故障。-车辆安全关键系统中存在一些硬件冗余，如在大多数现代车辆中，加速器踏板配备有两个或更多个电位计以测量其位置，一旦检测到组件故障，就会有冗余元件维持车辆的功能并确保安全。-但是随着电子器件几何级数的增加，若均进行硬件冗余，一方面会导致价格的增加，另一方面布置空间可能会非常有限。-若是单一监控某特殊信号的大小或者发展趋势，依靠该信号超过阈值即报警表明发生故障，虽然简单实用，但是存在非常严重的缺陷，如噪声的存在导致的误报警、故障隔离十分困难。01030204传统故障诊断方法及其局限性01-采用解析冗余代替硬件冗余最初由麻省理工的Beard提出，并且进一步研究用故障检测滤波器生成FDI需要的方向性残差的方法。-依靠解析冗余，不需要冗余硬件，也就不会有附加硬件故障的问题，因此，合理设计的解析冗余可能会比硬件冗余更可靠。解析冗余（软件冗余）方法-为解决系统安全性与硬件冗余花费之间的矛盾，产生了解析（软件）冗余方法，不是依靠增加同一硬件，而是依靠多个测量变量之间的解析关系，判断传感器或执行器数值的正确性，从而确保安全的同时不增加花费。0203硬件冗余与软件冗余-究其原因，一方面因为基于模型故障诊断过程需要系统的输入输出信息，这只能在运行期间获得；另一方面，只有在线故障诊断，才能实时判断系统是否出现故障，从而可以实时检测，及时发出警告。-基于模型的故障诊断主要关心的为在线故障诊断，即在系统运行期间，进行实时故障诊断。-基于模型的故障诊断系统主要分为2个步骤：生成残差和残差评价，现在被广泛认为是基于模型故障诊断的标准流程。-基于模型故障诊断通常所需要的信息主要是来自传感器、执行器的信号，而这在物理系统中所必需的，故而，为了实现故障诊断功能，一般不需要额外的硬件设备，只需要合适的计算能力。-残差评价：设计残差目的是将其用于判断故障出现的可能性，而进行判断则需要利用决策规则。决策过程有：针对残差瞬态值或者平滑值的