动力电池管理系统的组织结构、基本职能及运行

日期:2019-11-03编辑作者:电工电气

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对电动汽车感兴趣的消费者,在购置电动车之前往往会自行浏览各大汽车媒体,或多或少的了解到电池管理是电动汽车的核心技术,电动汽车难就难在电池难以管理。一些没有理工科背景的消费者想要进行深入了解的时候或许被一系列的专有词汇弄昏了头脑,如BMS、SOC、SOH、SOP、单体均衡、热管理等等,今天EV视界小编特开此文,告诉大家电池管理难在哪里。

有关介绍动力电池管理系统的文章比较多,技术性比较强,非专业工程技术人员基本看不懂。下面围绕“管理”二字,对动力电池管理系统的组织结构、基本职能及运行机制予以介绍,普及这个方面的科学知识。

动力电池的充放电过程涉及到一系列复杂的物理、化学变化,与我们日常生活中往杯中注水倒水大不一样。比如,一个容量为100ml的玻璃杯,往里面只能注入100ml的水,再注水就溢出了,无论注水的速度是快还是慢;同样是这个装满水的玻璃杯,只能倒出100ml的水,不能再倒出更多了,无论倒水的速度是快还是慢。两个额定容量均为100Ah的电池,将其放电到截止电压后,我们用1A和10A的充电电流分别对其进行充电,充电到截止电压后,会发现可能前者充进了110Ah电量,后者只充进了90Ah电量;同样是两块上述电池,分别在-20℃和20℃环境下采用相同电流对其进行放电,放电至截止电压,我们会发现二者所放出电量也不一样。

1、动力电池管理系统的理解

燃油车的剩余油量和电动汽车的剩余电量的反馈可以便于用户提前规划好行驶路线和剩余行驶里程,并及时进行油量补充。对于燃油车来说,向驾驶员反馈剩余油量很简单,一根标尺,一个传感器即可,但是对于电动汽车来说,向驾驶员反馈动力电池组的剩余电量可就没那么简单。动力电池组的SOC不能够直接测量,只能通过持续对动力电池的电流、电压、温度等参数进行采集,再通过运行一定的算法估算得出。SOC是电池管理中最重要的参数,其他一切都是以SOC为基础,所以它的精度和鲁棒性极其重要,如果没有精确的SOC,加再多的保护功能也无法使BMS正常工作,因为电池会经常处于保护状态,更无法延长电池的寿命。此外有了SOC的估算高精度保证,可以让电池深度放电,而不会影响电池的使用寿命。有了高精度算法的保证,在满足同样的续航里程前提下,可以更少搭载电池,从而降低成本。

系统:把有一定功能的多个个体,按一定要求组织成一个新单体。比如,多个电池头尾对接组织一个新单位。

在一个大的电池组中,存在多个电池并联和串联。影响电池组中各单体电池一致性的因素,主要有单体电池的初始电压、电池内阻及标称容量等。若电池组中各单体电池的一致性较差,就会导致在充放电过程中加于同一条串联支路的单体电池两端电压分配不均,有些单体电池提前充满而使系统停止对该支路充电;同样,放电时有的单体电池会提前放电结束而使整条支路放电截止。集成度越高的系统,一致性影响也会越大。因此在设计电池组电路时,都必须考虑单体电池的一致性问题,最大化解决一致性的影响。

管理: 针对特定对象,在一个区域内,按一个要求进行清理、按一定规则进行整理的活动。比如,工厂针对物料库的物品,按一定要求、规则进行清理、整理的活动。

电池管理在当前发展背景下虽然实现了相对安全可靠、可循环次数多及性能优秀等。但是对于重要的电量均衡技术以及其他重难点技术并没有完全突破。另外,电池管理系统由于锂电池的本身相比较传统镍钴电池特性活泼的限制,在过低压或者过高压条件下会放出较多热量导致其安全性能受到影响。因此,对于锂电池系统的热管理技术也需要大量的研究和实践才能解决。

动力电池:为电动汽车提供电能的电化学存储装置。

动力电池管理系统:对动力体系进行管理活动而彼此关联的活动。

2、动力电池管理系统的组织结构

最小单元:是指一节、一节的电池单体。目前动力电池单体外形有3种,圆柱形、方型、扁形。

基本单元:3个以上单节电池通过并联组成一排新的电池组。

模组:3个以上基本单元串联起来的电池大组。

电池包:将电池大组封装起来,且要求有防尘、防水功能,配有接口的箱子。

动力电池管理系统功能盒:具有电流、电压、温度自动测量及通信模块的集成电路功能盒子。

通俗的理解,一台已经下线的电动汽车动力电池硬件结构和布置已经固化下来了,换一句话,动力电池管理系统不再对电池硬件结构和布置进行管理。

3、动力电池管理系统的基本管理职能

前面已经介绍了电动汽车动力电池硬件结构和布置、产品设计工作,但是其管理职能是什么?

动力电池组为什么要管理呢?动力电池组的基本功能有两个:一是充电、二是放电。

充电管理:什么时间能充电、什么时间不能充电、充满没有?不能过充等。

放电管理:什么时间放电、什么时间不能放电、电放完了没有?不能过放电等。

动力电池组的工作环境温度要监视,过热、冒烟要监视,如果发生安全隐患要报警,如果发生安全事故,要启动预备设施进行处理。

管理职能有三个层面:

对动力电池组工作状态,要进行测量有关变化的量。

对有关变化量的变化动态值,要进行分析判断,过了正常值,要报警。

对动力电池组发生了故障,要启动有关措施,比如降级运行。

4、动力电池管理系统的机制

对机制的理解

(a)指机器的构造和动作原理。

(b)有机体的构造、功能和相互关系。

(c)一个工作系统的组织或部分之间相互作用的过程和方式。

动力电池管理系统的机制介绍

①动力电池组的3个基本状态量:电压、电流、温度

电压:有电的地方就有电场。电场中不同位置的电场力是不同的。电压是衡量电场力做功的能力。电压是推动电子流动的原动力。

电流在电压的推动下,电子从电源的负极流向正极。电流是指1s内通过导体横截面的电荷的多少。

温度:表示物体冷热程度的物理量。

②衡量动力电池组综合状态量:SOC和SOH

(a)剩余电量:全称是State of Charge,荷电状态。代表的是电池用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值,常用百分数表示。其取值范围为0~1,当SOC=0时表示电池放电完全,当SOC=1时表示电池完全充满。

(b)动力电池健康度(SOH):即蓄电池满充容量相对额定容量的百分比,新出厂电池为100%,完全报废为0%。

动力电池管理系统的机制设计难点

(a)电压、电流、温度如何测量?

电压、电流、温度有相应的传感器产品,不同厂家的传感器质量不同,精度不同,测量误差处理方法不同,不同厂家有自己特有的技术和工艺。基本原则是,必须选用车规的产品。

(b)剩余电量和动力电池健康度估算?

剩余电量和动力电池健康度估算的理论模式,不同厂家也是不同的,估算误差处理也不同。不同厂家在产品上有自己特有的技术和工艺。基本原则是,要有自己的特点和核心竞争力。

5、特斯拉动力电池管理系统功能盒

①BMS采用主从架构,主控制器负责高压、绝缘检测、高压互锁、接触器控制、对外部通信等功能。

②控制器负责单体电压、温度检测,并上报BMU。

③BMU具备主副双MCU设计,副MCU可检测主MCU工作状态,一旦发现其失效可获取控制权限。

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