1、新能源汽车专业规划教材 “十二五”职业教育国家规划教材 引入 电池管理系统 ( Battery Management System， 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
2、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
3、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
4、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
5、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，
6、很适合在数字系统中使用。 18B20 AD590 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
7、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
8、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
9、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。 0tMMQ id tS O CQSOC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
10、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
11、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 Preh GmbH 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
12、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
