新能源汽车电池及管理系统电子教案 2.1 电池管理系统的认知

课题名称2.1电池管理系统的认知授课时数2教学目标知识目标：1.熟悉电池管理单元的安装位置及功能、类型；2.掌握电池管理系统的结构；3.掌握电池管理系统控制策略。能力目标：1.能依据图片或实物识别电池管理系统，并在车上找到安装位置；2.能简要描述电池管理系统的功能；3.能描述电池管理系统的结构；4.能描述电池管理系统控制策略。素质与思政目标：1.树立安全意识、6S管理意识；2.培养爱护电池管理部件意识。教学重点电池管理系统的结构教学难点1.电池管理系统的结构；2.电池管理系统控制策略教学方法讲授法、讨论法课型理论教具（含电教设备）PPT授课后记教学过程一、复习旧知（3分钟）二、导入新课（3分钟）电池管理系统（BMS）是新能源汽车动力电池的管家和保姆，智能化地管理和维护动力电池组总成及各模组与电池单体，防止电池出现过冲电和过放电现象，并监控电池状态。作为新能源汽车检修或管理人员，应先认识电池管理单元，才能对它检修、更换。讲解新知（20分钟）（一）电池管理系统（BMS）的功能1.主要功能主要功能包括数据采集、电池状态检测、能量管理、安全管理、热管理和通信功能等。（1）数据采集采集电池单体和模组电压，电池模块温度、电压或内阻等数据，对电池进行管理。（2）电池状态检测电池状态主要包括SOC（剩余电量）和SOH（电池健康）等，电池状态是车辆进行能量或功率匹配和控制的重要依据。新能源汽车在行车过程中，电池管理系统随时对车辆的能耗进行计算，最终给出该电源系统的SOC值，供管理系统或整车控制器进行功率配置或确定控制策略，使驾驶员了解车辆的续驶里程，在能量允许的条件下使车辆行驶到有充电条件处补充电量，防止车辆抛锚。（3）能量管理控制充电过程，包括均衡充电；用SOC、SOH和温度来限制电动汽车电源系统的输入、输出功率与能量；放电过程的监控与管理。（4）安全管理监测电池的电压、电流、温度等是否超限；防止电池过放电，尤其是防止个别电池单体过度放电，防止电池过热而发生热失控；防止电池出现能量回馈时的过充电；监控电源绝缘、短路情况。在电源系统出现绝缘度下降时，对整车多能源控制系统进行报警或强行切断电源以及电源系统出现短路情况下的保护等。（5）热管理对大功率放电和高温条件下使用的电池组，电池的热管理尤为必要。热管理的功能：使电池单体温度均衡，并保持在合理的范围内，对高温电池实施冷却，在低温条件下对电池进行加热等。由于温度的变化对其他参数均有影响，所以一般以电池模块的温度作为控制的指令信号。（6）通信功能电池管理系统与车载设备或非车载设备的通信是其重要功能之一。2.扩展功能BMS的拓展功能包括充电管理、均衡管理、数据显示、故障诊断等。（1）充电管理电池管理系统随时参与整车检测工作，检测电池的工作状态，尤其是对每个电池的技术状态进行检测分析，将检测的数据在车辆停驶、充电之前“通知”充电机，即“车与机”的对话。向充电机反馈电池组的工作状态及每个电池的技术状态，系统计算此时充电机应采用何种充电模式充电，才能达到良好充电效果，保证整车能量的供应。（2）均衡管理如果在电池箱内由于电池性能一致性偏差引起某个电池单体性能变化较大，影响系统工作时，电池管理系统指令均衡模块起动，进行均衡，保证系统的正常工作。（3）数据显示BMS把电池单体电压、温度、总电压、电流、SOC、SOH及故障警告等数据，通过CAN通信上报整车仪表显示单元，仪表显示单元把实时数据显示在仪表盘上。（4）故障诊断电池管理系统能与车辆检测仪器进行通信，诊断系统的故障，方便车辆的维修。最优先的任务是安全管理，能检测部件的失效，并使用替代功能，或关闭系统。（二）电池管理系统（BMS）的类型根据架构不同，电池管理系统有集中式和分布式两种类型。1.集中式电池管理系统将所有的采集单元全部集中在一块BMS板上，构成一个整体，由整车控制器直接控制。集中式电池管理系统主要功能包括：电池组总电压及总电流检测、电池组对地绝缘电阻检测、充放电管理、热管理、输出控制、SOC与SOH计算、电池组故障诊断、报警及安全保护、数据传输与处理、车辆其他设备及地面充电机通信、均衡管理、单体电压检测、电池温度检测、开关量信号检测。2.分布式电池管理系统分布式电池管理系统分成一个主控模块和多个从控模块。（1）主控模块主控模块也称主控单元、主控盒（BMC）、主板，其外形如图2-2所示。其作用是获取各模块上报的数据，并对这些数据进行实时处理，同时完成总电流的测量，动态评估电池的SOC和SOH，对各种故障进行应急处理。对外提供与智能充电机、整车控制器的CAN总线接口实现数据共享。（2）从控模块从控模块也称从控单元（BMU）、数据采集模块、电池信息采集器（BIC）、从控盒、从板等。其作用是采集电池单体电压（每个数据采集单元最多监测36节电池）和电池组温度（每个数据采集单元多达9路温度检测点），对电压差异大的电池进行动态均衡。（三）电池管理系统的安装位置新能源汽车电池管理系统一般安装在电池包内部，一部分车型安装在汽车前舱低压蓄电池旁边。2019款比亚迪e5BMS、普锐斯BMS安装位置如图所示。电池管理系统（BMS）的结构以长沙巨力公司BMS-G为例，BMS由主控模块、数据采集模块、高压模块、显示模块等几部分构成。1.主控模块（1）外观如图所示安装位置汽车前舱、电池包内或高压配电盒内。（3）基本功能电流检测、SOC和SOH估计、通信功能、报警与保护、系统自检、系统升级、继电器控制。2.数据采集模块（1）外形及内部结构巨力BMS-G数据采集模块外形及内部结构如图所示。（2）安装位置数据采集模块一般安装在电池模组表面，如图所示。（3）基本功能基本功能包括温度检测、动态均衡、单体电压检测、通信功能。数据采集模块与温度传感器、电压传感器配合对动力电池的温度、电压数据进行采集。3.高压模块（1）作用高压模块的作用是测量电池组总电压及电池母线与车体的绝缘电阻。（2）基本功能高压模块的基本功能包括总电压检测、绝缘电阻检测、通信功能、数据上报、系统升级、继电器控制。4.显示单元显示单元是人机交互的窗口，它有实时数据显示、故障报警查询、历史数据记录等作用。（五）电池管理系统的控制策略1.上电控制策略起动开关置于ON位置，整车控制器、电机控制器、仪表BMS等自检，BMS自检确认：（1）充电枪连接车辆并处于充电状态，BMS发送充电枪状态信息给整车控制器（VCU），VCU不执行上电程序。（2）环路互锁检测端为低电位搭铁信号，BMS未检测到搭铁信号，则发送环路互锁故障报文给VCU，VCU不执行上电程序。（3）BMS自检电池状态良好允许上电，则向VCU发送允许上电报文，VCU自检后确认BMS输入的允许上电信息，并确认电机控制器已完成上电准备的可驱动报文，检测到起动开关接通请求上电信号后，发送接触器闭合报文给BMS允许上电，BMS接通预充接触器线圈电路，预充接触器触电接通工作，动力电池进行预充电。BMS检测电路检测到预充电压与电池总电压差值小于总电压的10%时，断开预充电路，向VCU发送预充完成报文，VCU收到并确认BMS发送的报文后再向BMS发送可运行报文。若从上电开始到预充超过3s没有完成，BMS记录故障并停止预充电，同时，给VCU发送预充故障报文，VCU向电机控制器（MCU）发送关闭报文，不起动空调、PTC、DC/DC等。2.下电控制策略（1）停车下电控制策略起动开关置于OFF位置，VCU发出下电报文，并向电机控制器（MCU）发送关闭报文，MCU完成关闭后向VCU发送扭矩关闭报文。电机控制器关闭后，VCU向BMS发送关闭接触器报文，BMS控制动力电池正、负极母线接触器和高压接触器断开，完成下电。（2）行车下电策略车辆在行驶过程中，VCU发送高压回路断开要求，VCU进入错误状态（IGHOLD状态），所有高压设备不能使用，在VCU发出高压回路紧急断开指令后，BMS立刻响应，断开动力电池正负母线接触器。当出现三级故障，BMS上报VCU告警后，若未接收到下电指令，关闭母线正负接触器策略如下：BMS需要延时切断，最长延时时间为30s。若BMS12V唤醒信号（含IGNOFF和充电枪断开信号）丢失，BMS需按原下电逻辑进行下电，数据存储完成并在12V唤醒信号丢失3s内进入休眠状态。3.热管理策略（1）慢充加热策略插入充电枪，车载充电机输出一路12V电源给BMS供电（部分车由DC/DC给BMS供电），当电池最低温度低于0℃时，闭合慢充接触器和加热接触器，起动加热系统，加热请求电压为370V，加热请求电流为3A。当电池最低温度高于6℃时，延时2s断开加热接触器，恢复正常充电。如充电过程中温度低于0℃，请求电流降为3A，延时2s闭合加热接触器，实行循环加热。加热过程中温度高压15℃时，则停止加热。（2）快充加热策略插入快充枪，充电桩输出一路12V电源给BMS供电，当电池最低温度低于0℃时，先闭合快充接触器和加热接触器，再闭合总负接触器起动加热系统，加热请求电压为370V，加热请求电流为5A。当电池温度高于5℃时，延时2s断开加热接触器，恢复正常充电。如充电过程中温度低于0℃，请求电流降为3A，延时2s闭合加热接触器，实行循环加热。加热过程中温度高于15℃时，则停止加热。4.高压互锁功能检测（1）上电时，如BMS无法检测高压互锁信号，则不允许上高压电。（2）车辆运行中，BMS检测到高压互锁信号丢失，立刻向VCU发送报文，并按三级故障下电流程动作断开高压电。（3）充电状态下，BMS无法检测互锁信号，则将充电需求电流降为0，按三级故障断开充电回路。（4）放电状态下，BMS无法检测互锁信号，则将放电功率限制为0，并按