動力電池梯次利用技術項目二新能源汽車蓄動力電池及其管理技術任務二鋰離子蓄電池模組及其管理系統學習目標一、知識目標1.了解動力電池管理系統的基本結構。2.了解動力電池的安全保護功能。3.了解電池荷電狀態（SOC）估計的方法。4.了解動力電池的熱管理形式和均衡原理。二、技能目標1.能正確識別電池管理系統主要部件。2.能夠對動力電池管理系統分類。3.能完成電池管理系統的電壓和電阻測量。三、素養目標1.通過對動力電池系統的認知學習，培養對新知識、新技能的學習能力。2.通過小組合作作業，培養團隊意識與協作精神。3.進行作業過程中養成服從管理、規范作業的習慣，培養安全意識。4．通過作業后反思，養成一絲不茍、精益求精的工作作風5．嚴格執行6S現場管理。學習目標李某開著自己的比亞迪宋到4S店進行檢修。李某：感覺自己的車最近續航里程下降了很多，請師傅幫忙檢修一下。技師小王：新能源電動汽車的續駛里程是廣大車主非常關心的問題。影響汽車續駛里程的主要原因除了常見的車輛行駛路況、車輛負載以外，還有動力電池系統性能、輔助系統能量消耗、環境溫度等因素。任務導入目錄電池管理系統的基本組成及功能01.電池荷電狀態（SOC）估計02.電池安全技術03.電池熱管理技術04.conents相關知識電池均衡技術05.電池管理系統的測量任務實施電池管理系統的基本組成及功能01PARTONE動力電池單元由電池模組、電池管理系統（BMS）、電池托盤、輔助電子元器件、冷卻系統等部分組成。動力電池單元的組成結構動力電池單元結構圖構成動力電池模組的最小單元是電池單體，即電芯。動力電池模組安裝在防護等級IP67的動力電池包內，通過可靠的高低壓插接件與整車的用電設備和控制系統連接，是由幾顆到數百顆電池單體經并聯及串聯所組成的組合體。動力電池模組動力電池模組動力電池模組例如，純電動汽車的電池組成方式是3P91S，即該動力電池是由3個單體電池并聯組成一個模塊，再用91個這樣的模塊串聯成一個整體，構成了動力電池總成。注意：字母P表示并聯，字母S表示串聯。動力電池模組動力電池模組電池3P3S模組連接方式電池管理系統（BMS）包含硬件和軟件兩部分，該系統的硬件由一個或多個電子控制器組成，包含電池管理器、高壓盒、電池信息采集器、接觸器、霍爾傳感器/分流器、熔斷器、手動維修開關（MSD）等電子元件組成。電池管理系統（BMS）電池管理系統電池管理系統（BMS）1.電池管理器功能（1）實時接收電池信息采集器采集的單體電壓、溫度信息；（2）接收高壓盒反饋的總電壓和電流情況；（3）電池管理系統與整車控制器進行通信；（4）電池管理系統與直流充電樁進行通訊；（5）電池管理器（BMC）控制主繼電器吸合或斷開、控制充/放電電流和電池加熱的大小情況；（6）喚醒電池管理系統的應答。電池管理系統（BMS）電池管理器2.高壓盒高壓盒，又名絕緣檢測盒，作用是監控動力電池的總電壓和絕緣性能，它的主要功能是監控動力電池的總電壓（繼電器內外4個監測點）、檢測高壓系統絕緣性能、監控高壓連接情況（含繼電器觸點閉合狀態檢查），然后將監控到的數據反饋給電池管理器。電池管理系統（BMS）高壓盒3.電池信息采集器電池采集器，主要作用是電池電壓采樣、溫度采樣、電池均衡、采樣線異常檢測等，然后將采集到的數據反饋給電池管理器。電池管理系統（BMS）電池信息采集器4.霍爾傳感器霍爾傳感器一開始日系混合動力車上用的較多，現在慢慢有智能的分流器完成電壓和電流的采樣，通過串行總線傳輸，甚至可以在里面實現電池荷電狀態（SOC）的估算。霍爾電流傳感器套在高壓母線上，如圖1-2-7所示。同時霍爾傳感器在參數測量過程中能實現主電路回路和單片機系統的隔離，安全性更高。電池管理系統（BMS）高壓母線上嵌套霍爾電流傳感器電池系統內的電池采集器（BIC）實時采集各單體的電壓值、各溫度傳感器的溫度值、通過電池子網CAN反饋給電池管理器（BMC）。BMC根據單體電池信息計算的總電壓、當前電池系統的電流值以及絕緣漏電模塊采集的漏電故障轉換成電阻信號反饋給BMC。工作原理動力電池管理系統的工作原理動力電池管理系統的工作原理和主要功能BMC根據動力電池當前的健康狀況給予相對應的限功率/停機的控制策略，并根據直流充電樁通過槍端的S+、S-的電阻信號與BMS進行通訊，控制直流充電的電壓、電流。同時電池系統內的均衡模塊起到電池單體電壓及溫度均衡作用，附帶有監測并響應碰撞及電池滲漏的功能，當監測到影響安全的信號時，電池管理系統則立即切斷高壓電供給。工作原理動力電池管理系統的工作原理動力電池管理系統的工作原理和主要功能動力電池管理系統是整車能源管理系統的一個子系統，為保護動力電池，合理地使用并管理電池組的電能，為駕駛人提供并顯示動力電池組的動態變化參數等，是電動汽車節能、減排和延長續駛里程的重要管理機構。主要功能動力電池管理系統的工作原理和主要功能某電動汽車動力電池管理系統的基本功能電池管理控制器充放電管理、接觸器控制、功率控制、電池異常狀態報警和保護、SOC/SOH計算、自檢以及通信功動力電池管理系統的工作原理和主要功能電池信息采集器電池電壓采樣、溫度采樣、電池均衡、采樣線異常檢測動力電池采樣線連接電池管理控制器和電池信息采集器，實現二者之間的通信及信息交換。1．集中式系統集中式系統的結構中，中央控制數個數據采集單元等形成整個電源系統的管理單元，對電源系統的基本信息如電壓、電流、溫度進行采樣，然后在BMS中央處理器內進行數據的處理、計算、判斷和相應控制。動力電池管理系統的分類集中式BMS優點02安全管理便利，簡化了對不同電池參數的調整與改寫，對參數的測量速度較快，動力電池管理系統的分類優點01材料的成本低，可在電池管理系統之間無限制地通信。優點03可靠性高，可以靈活計算，根據不同的情況在中央處理器內修改軟件，滿足不同要求。集中式系統優點缺點01需要解決串聯蓄電池的電壓測量中共地、隔離、測量精度等問題，技術難度大。缺點02對電池組進行信號采集，而不能檢測到每個電池單體，精度差，對信號處理要求高。缺點03當電池出現故障時只能替換整個電池組。適用于僅由一個電池包組成的車用動力電源系統。動力電池管理系統的分類集中式系統缺點2．分布式系統在分布式系統中，數據采集是分布的，即每個電池包對應一個采集單元，這些單元與中心的BMS通過一根母線進行數據通信，充電控制、放電控制等單元也可能和中央處理單元分開，有的沒有總的BMS控制板，直接通過總線傳輸到電動汽車中心控制器。動力電池管理系統的分類分布式BMS集中式系統優點優點01減少了布線，便于電源系統的擴展，可以分散安裝優點02總線進行連接與信息通信，采集的數據可以就近處理，精度高優點03更好地計算電池的狀態，利于建立標準化的電源管理系統動力電池管理系統的分類集中式系統缺點缺點01成本比較高，靈活性差，修改麻煩，數據由串行總線傳輸，系統巡回檢測的速度受限制，數據的實時性不高缺點02采用分布式檢測系統時，由于采樣的下位板數目較多，造成電池包內的走線較多，不利于對BMS動力系統的維護動力電池管理系統的分類主要適用于由多個電池包組成的電源系統，目前大多數專門進行開發或生產BMS的企業制作的基本上是這種分布式系統。電池荷電狀態（SOC）估計02PARTTWO動力電池SOC估計方法大致可分為四類：基于表征參數的方法安時積分法基于模型的方法基于數據驅動的方法SOC估計方法電池荷電狀態（SOC）估計SOC估計方法其荷電狀態不能通過直接測量得到，僅能根據電池的某些外特性，如電池的內阻、開路電壓、溫度、電流等相關參數，利用相關的特性曲線或計算公式完成對荷電狀態的預測。SOC估計電池荷電狀態（SOC）是用戶評估當前電動汽車續航里程的直接參數，是對電池剩余電量的評估。電池運行中因涉及過程的復雜性使得SOC評估易于出錯。電池荷電狀態（SOC）估計電池安全技術03PARTTHREE安全保護管理系統主要是在煙霧報警、絕緣檢測、自動滅火、過電壓和過電流控制、過放電控制、防止溫度過高、在發生碰撞等危險情況下能夠自動關閉電源等保障車輛和人員安全的系統。電池安全技術電池安全技術過電流保護對于鋰離子電池來說，正負極材料的脫嵌鋰離子能力是一定的，當充放電的電流大于正負極材料的脫嵌能力時，將導致電池的極化電壓增加，導致電池的實際容量減小影響電池使用壽命，嚴重時會影響電池的安全性。電池管理系統（BMS）會判斷電流值是否超過安全范圍，一旦超過則會采取相應的安全保護措施。電池本身由內阻工作時發熱熱量積聚，溫度上升熱穩定性下降電池安全技術在充電過程中，充電電壓超過電池截止充電電壓導致過度充電，電池內正極晶格結構會被破壞，導致電池容量變小，并且電壓過高時會增加正負極短路發生爆炸的隱患，因此電壓過高是被嚴格禁止的。檢測電池電壓超過充電限制電壓時斷開充電回路保護電池系統過充電保護電池安全技術過放電保護在放電過程中，放電電壓低于電池放電截止電壓導致過度放電，電池負極上的金屬集流體被溶解，給電池造成不可逆的損害。過度放電的電池充電時可能會有內部短路或者漏液的情況。保證電池安全超過放電限制自動斷開放電回路電池安全技術長時間處在高溫環境下，電池材料的結構穩定性會變差從而縮短電池使用壽命。低溫下電池活性受限會造成可用容量減小，尤其是充電容量將變得很低，同時可能產生安全隱患。結合熱管理進行溫度不同，電池活性不同超出限制溫度，禁止充放電保護電池系統過溫保護電池安全技術絕緣監測電池管理系統（BMS）會實時監測總正極和總負極對車身搭鐵的絕緣阻值，如果出現絕緣阻值低于安全范圍，則會上報故障并斷開高壓電。電池系統高壓漏電危險絕緣阻值低于安全范圍自動斷高壓電池安全技術由于電動汽車動力電池系統電壓平臺有300V和600V，大大超過了人體可以承受的安全電壓，并且電池起火也是純電動車推廣受限的一大難點。彈匣電池系統電池安全技術（彈匣電池系統）由于電動汽車動力電池系統電壓平臺有300V和600V，大大超過了人體可以承受的安全電壓，并且電池起火也是純電動車推廣受限的一大難點。解決電池安全是各大車企的當務之急，例如，廣汽埃安發布了新一代動力電池安全技術——彈匣電池系統安全技術（以下簡稱“彈匣電池”）彈匣電池系統電池安全技術（彈匣電池系統）由于電動汽車動力電池系統電壓平臺有300V和600V，大大超過了人體可以承受的安全電壓，并且電池起火也是純電動車推廣受限的一大難點。基于“防止電芯內短路，短路后防止熱失控，以及熱失控后防止熱蔓延”的設計思路，彈匣電池采用類似安全艙的設計，可有效阻隔熱失控電芯的蔓延、當偵測到電芯電壓或溫度等出現異常時，自動啟動電池速冷降溫系統為電池降溫。電池熱管理技術04PARTFOUR車輛熱管理指從系統集成和整體角度，統籌熱管理系統與熱管理對象、整車的關系，采用綜合控制和系統管理的方法，將各個系統或部件集成一個有效的熱管理系統，控制和優化車輛的熱傳遞過程。換言之則是系統管理車輛各個部位的熱能，能有效降低廢熱排放，提高能源利用效率，減少環境污染。電池熱管理技術電池熱管理系統在不同運行情況下，電池在輸出功率和電能的同時，由于其自身有一定的內阻，電池自身會產生一定的熱量。這些熱量的聚集會使電池溫度升高，而由于空間布置的不同使得電池組各處溫度不一致電池熱管理技術某模組熱分析結果功能一功能二功能三功能四功能五保證電池組組內溫度均勻電池組溫度過高時進行有效散熱和通風低溫條件下對電池組快速加熱有害氣體產生時進行有效通風準確測量和監控電池溫度電池熱管理系統的功能電池內熱傳遞方式有熱傳導、對流換熱和輻射換熱三種方式熱輻射指物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象，主要發生在電池表面，與電池表面材料的性質相關。熱傳導物體與物體直接接觸而產生的熱傳遞。熱對流指電池表面的熱量通過環境介質（一般為流體）的流動交換熱量，它和溫差成正比。電池內傳熱的基本方式對于單體電池內部而言，熱輻射和熱對流的影響很小，熱量的傳遞主要是由熱傳導決定的。電池自身吸熱的大小是與其材料的比熱容有關，比熱容越大，散熱越多，電池的溫升越小。如果散熱量大于或等于產生的熱量，則電池溫度不會升高。如果散熱量小于所產生的熱量，熱量將會在電池體內產生熱積累，電池溫度升高。熱傳遞電池內傳熱的基本方式按照傳熱介質來分類，可將電池組熱管理系統分為空冷、液冷和相變材料冷卻三種冷卻系統。考慮到材料的研發以及制造成本等問題，目前最有效且最常用的散熱系統是采用空氣和冷卻液作為散熱介質。過電流保護按照散熱風道結構不同，空氣冷卻系統可分為串行通風方式和并行通風方式兩種。現在高速電動汽車為了增大散熱量常采用冷卻液強制循環冷卻方式，利用大量冷卻液的循環流動帶走動力電池自身熱量。電池組熱管理系統形式例如吉利EV450車輛電芯加熱策略就采用只在充電模式下啟動加熱系統，按照動力電池系統的溫度范圍和充電類型劃分以下情況：單體電芯平均溫度Tavg＜0℃車載交流充電模式下進行充電前預熱，即只啟動加熱系統不充電單體電芯平均溫度Tavg＜10℃車載交流充電模式下與直流充電模式下邊充電邊啟動加熱系統單體電芯平均溫度Tavg＞10℃不啟動加熱系統不啟動加熱系統電池組熱管理系統形式電池均衡技術05PARTFIVE意義利用電力電子技術，使鋰離子電池單體電壓或電池組電壓偏差保持在預期的范圍內，從而保證每個單體電池在正常的使用時保持相同狀態，以避免過充、過放的現象發生。均衡類別電池均衡一般分為主動均衡、被動均衡兩種。均衡管理有助于電池容量的保持和放電深度的控制。如何均衡均衡控制是當發生某個電池單體充滿電，而其他電池單體沒有充滿電；或者某個最小電量的單體電池放電截止時，其他電池還沒有達到放電截止限制的情況時，使各單體電池電壓趨于均衡一致的控制策略，以此避免因串聯電池組中各單體電池的充放電特性的差異影響電池組的壽命。電池均衡原理這也是一種電池自我保護的特性，也是為了防止出現電池過充電或者過放電的現象，導致電池內部會發生一些不可逆的化學反應使電池的性質受到影響，從而影響電池的使用壽命。電池均衡原理按照均衡管理中的電路結構和控制方式這兩個方面來歸納，前者分為集中式均衡和分布式均衡，后者分為主動均衡和被動均衡。均衡方式均衡方式集中式均衡是指電池組內所有的電池單體共用一個均衡器來進行均衡控制，而分布式均衡是一個或若干個電池單體專用一個均衡器。將能量高的電池單體中的能量轉移到能量低的單體上以達到能量均