动力电池梯次利用技术 课件 2.2锂离子电池模组及其管理系统

动力电池梯次利用技术项目二新能源汽车蓄动力电池及其管理技术任务二锂离子蓄电池模组及其管理系统学习目标一、知识目标1.了解动力电池管理系统的基本结构。2.了解动力电池的安全保护功能。3.了解电池荷电状态（SOC）估计的方法。4.了解动力电池的热管理形式和均衡原理。二、技能目标1.能正确识别电池管理系统主要部件。2.能够对动力电池管理系统分类。3.能完成电池管理系统的电压和电阻测量。三、素养目标1.通过对动力电池系统的认知学习，培养对新知识、新技能的学习能力。2.通过小组合作作业，培养团队意识与协作精神。3.进行作业过程中养成服从管理、规范作业的习惯，培养安全意识。4．通过作业后反思，养成一丝不苟、精益求精的工作作风5．严格执行6S现场管理。学习目标李某开着自己的比亚迪宋到4S店进行检修。李某：感觉自己的车最近续航里程下降了很多，请师傅帮忙检修一下。技师小王：新能源电动汽车的续驶里程是广大车主非常关心的问题。影响汽车续驶里程的主要原因除了常见的车辆行驶路况、车辆负载以外，还有动力电池系统性能、辅助系统能量消耗、环境温度等因素。任务导入目录电池管理系统的基本组成及功能01.电池荷电状态（SOC）估计02.电池安全技术03.电池热管理技术04.conents相关知识电池均衡技术05.电池管理系统的测量任务实施电池管理系统的基本组成及功能01PARTONE动力电池单元由电池模组、电池管理系统（BMS）、电池托盘、辅助电子元器件、冷却系统等部分组成。动力电池单元的组成结构动力电池单元结构图构成动力电池模组的最小单元是电池单体，即电芯。动力电池模组安装在防护等级IP67的动力电池包内，通过可靠的高低压插接件与整车的用电设备和控制系统连接，是由几颗到数百颗电池单体经并联及串联所组成的组合体。动力电池模组动力电池模组动力电池模组例如，纯电动汽车的电池组成方式是3P91S，即该动力电池是由3个单体电池并联组成一个模块，再用91个这样的模块串联成一个整体，构成了动力电池总成。注意：字母P表示并联，字母S表示串联。动力电池模组动力电池模组电池3P3S模组连接方式电池管理系统（BMS）包含硬件和软件两部分，该系统的硬件由一个或多个电子控制器组成，包含电池管理器、高压盒、电池信息采集器、接触器、霍尔传感器/分流器、熔断器、手动维修开关（MSD）等电子元件组成。电池管理系统（BMS）电池管理系统电池管理系统（BMS）1.电池管理器功能（1）实时接收电池信息采集器采集的单体电压、温度信息；（2）接收高压盒反馈的总电压和电流情况；（3）电池管理系统与整车控制器进行通信；（4）电池管理系统与直流充电桩进行通讯；（5）电池管理器（BMC）控制主继电器吸合或断开、控制充/放电电流和电池加热的大小情况；（6）唤醒电池管理系统的应答。电池管理系统（BMS）电池管理器2.高压盒高压盒，又名绝缘检测盒，作用是监控动力电池的总电压和绝缘性能，它的主要功能是监控动力电池的总电压（继电器内外4个监测点）、检测高压系统绝缘性能、监控高压连接情况（含继电器触点闭合状态检查），然后将监控到的数据反馈给电池管理器。电池管理系统（BMS）高压盒3.电池信息采集器电池采集器，主要作用是电池电压采样、温度采样、电池均衡、采样线异常检测等，然后将采集到的数据反馈给电池管理器。电池管理系统（BMS）电池信息采集器4.霍尔传感器霍尔传感器一开始日系混合动力车上用的较多，现在慢慢有智能的分流器完成电压和电流的采样，通过串行总线传输，甚至可以在里面实现电池荷电状态（SOC）的估算。霍尔电流传感器套在高压母线上，如图1-2-7所示。同时霍尔传感器在参数测量过程中能实现主电路回路和单片机系统的隔离，安全性更高。电池管理系统（BMS）高压母线上嵌套霍尔电流传感器电池系统内的电池采集器（BIC）实时采集各单体的电压值、各温度传感器的温度值、通过电池子网CAN反馈给电池管理器（BMC）。BMC根据单体电池信息计算的总电压、当前电池系统的电流值以及绝缘漏电模块采集的漏电故障转换成电阻信号反馈给BMC。工作原理动力电池管理系统的工作原理动力电池管理系统的工作原理和主要功能BMC根据动力电池当前的健康状况给予相对应的限功率/停机的控制策略，并根据直流充电桩通过枪端的S+、S-的电阻信号与BMS进行通讯，控制直流充电的电压、电流。同时电池系统内的均衡模块起到电池单体电压及温度均衡作用，附带有监测并响应碰撞及电池渗漏的功能，当监测到影响安全的信号时，电池管理系统则立即切断高压电供给。工作原理动力电池管理系统的工作原理动力电池管理系统的工作原理和主要功能动力电池管理系统是整车能源管理系统的一个子系统，为保护动力电池，合理地使用并管理电池组的电能，为驾驶人提供并显示动力电池组的动态变化参数等，是电动汽车节能、减排和延长续驶里程的重要管理机构。主要功能动力电池管理系统的工作原理和主要功能某电动汽车动力电池管理系统的基本功能电池管理控制器充放电管理、接触器控制、功率控制、电池异常状态报警和保护、SOC/SOH计算、自检以及通信功动力电池管理系统的工作原理和主要功能电池信息采集器电池电压采样、温度采样、电池均衡、采样线异常检测动力电池采样线连接电池管理控制器和电池信息采集器，实现二者之间的通信及信息交换。1．集中式系统集中式系统的结构中，中央控制数个数据采集单元等形成整个电源系统的管理单元，对电源系统的基本信息如电压、电流、温度进行采样，然后在BMS中央处理器内进行数据的处理、计算、判断和相应控制。动力电池管理系统的分类集中式BMS优点02安全管理便利，简化了对不同电池参数的调整与改写，对参数的测量速度较快，动力电池管理系统的分类优点01材料的成本低，可在电池管理系统之间无限制地通信。优点03可靠性高，可以灵活计算，根据不同的情況在中央处理器内修改软件，满足不同要求。集中式系统优点缺点01需要解决串联蓄电池的电压测量中共地、隔离、测量精度等问题，技术难度大。缺点02对电池组进行信号采集，而不能检测到每个电池单体，精度差，对信号处理要求高。缺点03当电池出现故障时只能替换整个电池组。适用于仅由一个电池包组成的车用动力电源系统。动力电池管理系统的分类集中式系统缺点2．分布式系统在分布式系统中，数据采集是分布的，即每个电池包对应一个采集单元，这些单元与中心的BMS通过一根母线进行数据通信，充电控制、放电控制等单元也可能和中央处理单元分开，有的没有总的BMS控制板，直接通过总线传输到电动汽车中心控制器。动力电池管理系统的分类分布式BMS集中式系统优点优点01减少了布线，便于电源系统的扩展，可以分散安装优点02总线进行连接与信息通信，采集的数据可以就近处理，精度高优点03更好地计算电池的状态，利于建立标准化的电源管理系统动力电池管理系统的分类集中式系统缺点缺点01成本比较高，灵活性差，修改麻烦，数据由串行总线传输，系统巡回检测的速度受限制，数据的实时性不高缺点02采用分布式检测系统时，由于采样的下位板数目较多，造成电池包内的走线较多，不利于对BMS动力系统的维护动力电池管理系统的分类主要适用于由多个电池包组成的电源系统，目前大多数专门进行开发或生产BMS的企业制作的基本上是这种分布式系统。电池荷电状态（SOC）估计02PARTTWO动力电池SOC估计方法大致可分为四类：基于表征参数的方法安时积分法基于模型的方法基于数据驱动的方法SOC估计方法电池荷电状态（SOC）估计SOC估计方法其荷电状态不能通过直接测量得到，仅能根据电池的某些外特性，如电池的内阻、开路电压、温度、电流等相关参数，利用相关的特性曲线或计算公式完成对荷电状态的预测。SOC估计电池荷电状态（SOC）是用户评估当前电动汽车续航里程的直接参数，是对电池剩余电量的评估。电池运行中因涉及过程的复杂性使得SOC评估易于出错。电池荷电状态（SOC）估计电池安全技术03PARTTHREE安全保护管理系统主要是在烟雾报警、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、在发生碰撞等危险情况下能够自动关闭电源等保障车辆和人员安全的系统。电池安全技术电池安全技术过电流保护对于锂离子电池来说，正负极材料的脱嵌锂离子能力是一定的，当充放电的电流大于正负极材料的脱嵌能力时，将导致电池的极化电压增加，导致电池的实际容量减小影响电池使用寿命，严重时会影响电池的安全性。电池管理系统（BMS）会判断电流值是否超过安全范围，一旦超过则会采取相应的安全保护措施。电池本身由内阻工作时发热热量积聚，温度上升热稳定性下降电池安全技术在充电过程中，充电电压超过电池截止充电电压导致过度充电，电池内正极晶格结构会被破坏，导致电池容量变小，并且电压过高时会增加正负极短路发生爆炸的隐患，因此电压过高是被严格禁止的。检测电池电压超过充电限制电压时断开充电回路保护电池系统过充电保护电池安全技术过放电保护在放电过程中，放电电压低于电池放电截止电压导致过度放电，电池负极上的金属集流体被溶解，给电池造成不可逆的损害。过度放电的电池充电时可能会有内部短路或者漏液的情况。保证电池安全超过放电限制自动断开放电回路电池安全技术长时间处在高温环境下，电池材料的结构稳定性会变差从而缩短电池使用寿命。低温下电池活性受限会造成可用容量减小，尤其是充电容量将变得很低，同时可能产生安全隐患。结合热管理进行温度不同，电池活性不同超出限制温度，禁止充放电保护电池系统过温保护电池安全技术绝缘监测电池管理系统（BMS）会实时监测总正极和总负极对车身搭铁的绝缘阻值，如果出现绝缘阻值低于安全范围，则会上报故障并断开高压电。电池系统高压漏电危险绝缘阻值低于安全范围自动断高压电池安全技术由于电动汽车动力电池系统电压平台有300V和600V，大大超过了人体可以承受的安全电压，并且电池起火也是纯电动车推广受限的一大难点。弹匣电池系统电池安全技术（弹匣电池系统）由于电动汽车动力电池系统电压平台有300V和600V，大大超过了人体可以承受的安全电压，并且电池起火也是纯电动车推广受限的一大难点。解决电池安全是各大车企的当务之急，例如，广汽埃安发布了新一代动力电池安全技术——弹匣电池系统安全技术（以下简称“弹匣电池”）弹匣电池系统电池安全技术（弹匣电池系统）由于电动汽车动力电池系统电压平台有300V和600V，大大超过了人体可以承受的安全电压，并且电池起火也是纯电动车推广受限的一大难点。基于“防止电芯内短路，短路后防止热失控，以及热失控后防止热蔓延”的设计思路，弹匣电池采用类似安全舱的设计，可有效阻隔热失控电芯的蔓延、当侦测到电芯电压或温度等出现异常时，自动启动电池速冷降温系统为电池降温。电池热管理技术04PARTFOUR车辆热管理指从系统集成和整体角度，统筹热管理系统与热管理对象、整车的关系，采用综合控制和系统管理的方法，将各个系统或部件集成一个有效的热管理系统，控制和优化车辆的热传递过程。换言之则是系统管理车辆各个部位的热能，能有效降低废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染。电池热管理技术电池热管理系统在不同运行情况下，电池在输出功率和电能的同时，由于其自身有一定的内阻，电池自身会产生一定的热量。这些热量的聚集会使电池温度升高，而由于空间布置的不同使得电池组各处温度不一致电池热管理技术某模组热分析结果功能一功能二功能三功能四功能五保证电池组组内温度均匀电池组温度过高时进行有效散热和通风低温条件下对电池组快速加热有害气体产生时进行有效通风准确测量和监控电池温度电池热管理系统的功能电池内热传递方式有热传导、对流换热和辐射换热三种方式热辐射指物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，主要发生在电池表面，与电池表面材料的性质相关。热传导物体与物体直接接触而产生的热传递。热对流指电池表面的热量通过环境介质（一般为流体）的流动交换热量，它和温差成正比。电池内传热的基本方式对于单体电池内部而言，热辐射和热对流的影响很小，热量的传递主要是由热传导决定的。电池自身吸热的大小是与其材料的比热容有关，比热容越大，散热越多，电池的温升越小。如果散热量大于或等于产生的热量，则电池温度不会升高。如果散热量小于所产生的热量，热量将会在电池体内产生热积累，电池温度升高。热传递电池内传热的基本方式按照传热介质来分类，可将电池组热管理系统分为空冷、液冷和相变材料冷却三种冷却系统。考虑到材料的研发以及制造成本等问题，目前最有效且最常用的散热系统是采用空气和冷却液作为散热介质。过电流保护按照散热风道结构不同，空气冷却系统可分为串行通风方式和并行通风方式两种。现在高速电动汽车为了增大散热量常采用冷却液强制循环冷却方式，利用大量冷却液的循环流动带走动力电池自身热量。电池组热管理系统形式例如吉利EV450车辆电芯加热策略就采用只在充电模式下启动加热系统，按照动力电池系统的温度范围和充电类型划分以下情况：单体电芯平均温度Tavg＜0℃车载交流充电模式下进行充电前预热，即只启动加热系统不充电单体电芯平均温度Tavg＜10℃车载交流充电模式下与直流充电模式下边充电边启动加热系统单体电芯平均温度Tavg＞10℃不启动加热系统不启动加热系统电池组热管理系统形式电池均衡技术05PARTFIVE意义利用电力电子技术，使锂离子电池单体电压或电池组电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时保持相同状态，以避免过充、过放的现象发生。均衡类别电池均衡一般分为主动均衡、被动均衡两种。均衡管理有助于电池容量的保持和放电深度的控制。如何均衡均衡控制是当发生某个电池单体充满电，而其他电池单体没有充满电；或者某个最小电量的单体电池放电截止时，其他电池还没有达到放电截止限制的情况时，使各单体电池电压趋于均衡一致的控制策略，以此避免因串联电池组中各单体电池的充放电特性的差异影响电池组的寿命。电池均衡原理这也是一种电池自我保护的特性，也是为了防止出现电池过充电或者过放电的现象，导致电池内部会发生一些不可逆的化学反应使电池的性质受到影响，从而影响电池的使用寿命。电池均衡原理按照均衡管理中的电路结构和控制方式这两个方面来归纳，前者分为集中式均衡和分布式均衡，后者分为主动均衡和被动均衡。均衡方式均衡方式集中式均衡是指电池组内所有的电池单体共用一个均衡器来进行均衡控制，而分布式均衡是一个或若干个电池单体专用一个均衡器。将能量高的电池单体中的能量转移到能量低的单体上以达到能量均