新能源汽车动力电池管理系统功能

2023-08-27 理论教育版权反馈

【摘要】：2．电池状态分析1）荷电状态评估向驾驶员提供动力电池所剩电量就是电池管理系统荷电状态评估模块的功能，对于驾驶员而言，知道动力电池电量还剩百分之几是非常重要的功能。因为动力电池在高温下工作可能引起难以控制的化学反应，轻则损坏电池，严重可能造成人员伤亡。1）动力电池信息显示电池管理系统通常通过仪表把电池状态信息显示出来，告知驾驶员或汽车维修人员。

电池管理系统的主要工作原理可简单归纳为：数据采集电路采集电池状态信息数据后，由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析，然后电池管理系统根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递参数信息。

动力电池管理系统对动力电池的电坟、电流、温度时刻进行检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告SOC、SOH（State of Health，性能状态，也称健康状态），还根据动力电池的电坟、电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程，以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通信。常见的动力电池管理系统功能如图5-2-4所示。

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图5-2-4　常见的动力电池管理系统功能

1．电池状态监测

电池状态监测一般是指对电坟、电流和温度的检测，电池状态监测是动力电池管理系统最基本的功能，其他功能大部分是在电池状态监测的基础上进行的。如电池状态分析的功能就是基于电池状态检测功能之上的，假如电池状态监测功能提供的数据不准确，电池状态分析也会不准确。

1）电流检测

常见的电流检测仪器有分流器、互感器、霍尔元件电流传感器等。

（1）分流器。

分流器是一种检测直流电的仪器，根据直流电流通过电阻时在电阻两端产生电坟的原理制成。要测量一个很大的直流电流，如几十安甚至几百安，没有那么大量程的电流表进行电流的测量，就要采用分流器。它是一根短的导体，可以是各种金属或合金制成的，也连接端子；其直流电阻是严格调好的；串接在直流电路里，直流电流过分流器，分流器两端产生毫伏级直流电坟信号，使并联在该分流器两端的计量表指针摆动，该读数就是该直流电路的电流值。

高精度低阻值电阻器具有大功率和小体积的特点，这种方法成本较低、精度较高，在汽车电子中应用较多。

（2）互感器。

互感器是电流互感器和电坟互感器的统称，能将高电坟变成低电坟、大电流变成小电流，用于测量或保护系统。其功能主要是将高电坟或大电流按比例变换成标准低电坟（100 V）或标准小电流（5 A或1 A，均指额定值），以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。同时，互感器还可用来隔开高电坟系统，以保证人身和设备的安全。

互感器与测量仪表、计量装置配合，可以测量一次系统的电坟、电流和电能；与继电保护、自动装置配合，可以构成对电网各种故障的电气保护和自动控制。互感器性能的好坏，直接影响电力系统测量、计量的准确性和继电保护装置动作的可靠性。

（3）霍尔元件电流传感器。

霍尔元件电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入控制电流，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁场，那么在垂直于电流和磁场方向（即霍尔输出端之间）将产生一个电势，称为霍尔电势，霍尔电势的大小与控制电流、磁场密度的乘积成正比。

霍尔电流传感器是根据安培定律制成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。这使电流的非接触测量成为可能，通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电-磁-电的绝缘隔离转换。

开环的霍尔电流传感器采用的是霍尔直放式原理，闭环的霍尔电流传感器采用的是磁平衡原理，所以闭环在响应时间与精度上要比开环好很多。开环和闭环都可以监测交流电，一般开环适用于大电流监测，闭环适用于小电流监测。

2．电池状态分析

1）荷电状态评估

向驾驶员提供动力电池所剩电量就是电池管理系统荷电状态评估模块的功能，对于驾驶员而言，知道动力电池电量还剩百分之几是非常重要的功能。

2）健康状态评估

电池从使用开始性能逐步下滑，这是不可逆的过程，SOH评估的就是电池的健康状态。

热管理：指BMS根据热管理控制策略进行工作，以使电池组处于最优工作温度范围。

数据通信：指电池管理系统与整车控制器、电机控制器等车载设备及上位机等非车载设备进行数据交换。

安全管理：电池管理系统在电池组的电坟、电流、温度、SOC等出现不安全状态时给予及时报警并进行断路等紧急处理。

3．电池安全保护

1）过流保护

过流保护是指在充放电过程中，如果工作电流超过安全值，则应该采取相应的保护措施。

2）过充过放保护

过充保护指的是在电池的荷电状态为100%的情况下，为了防止继续对电池充电造成的损坏，采取断开充电回路的保护措施。过放保护指的是在电池的荷电状态为0的情况下，若继续对电池放电，也会对电池造成损伤，采取断开电池放电回路的保护措施。

3）过温保护

过温保护指的是温度超过一定额度时对动力电池采取的保护措施。因为动力电池在高温下工作可能引起难以控制的化学反应，轻则损坏电池，严重可能造成人员伤亡。

4．能量控制管理

对电池组充放电过程的控制，包括对电池组内单体或模块进行电量均衡；故障诊断是指使用相关技术及时发现电池组内出现故障的单体或模块。

电池管理系统与整车控制系统的关系如图5-2-5所示。

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图5-2-5　电池管理系统与整车控制系统的关系

5．动力电池信息管理

动力电池的使用过程中有大量的数据会通过仪表告知驾驶员，有些数据传输给电池管理系统，有些数据需要作为历史数据保存到系统。动力电池信息管理主要包括动力电池信息显示、系统内外信息的交互和动力电池历史信息的存储。

1）动力电池信息显示

电池管理系统通常通过仪表把电池状态信息显示出来，告知驾驶员或汽车维修人员。需要显示的信息通常包括以下三类：实时电坟、电流、温度信息。由于汽车上的电池个数较多，因此不需要将每个电池的信息都进行显示，通常只需要把整个电池组的总电坟、总电流、最高电池电坟、最低电池电坟、最高电池温度、最低电池温度等信息反映在仪表上。

（1）电池剩余电量信息。这好比传统汽车上的油量表，反映电池剩余电量的百分比。为了使驾驶员获得更为直观的感受，通常也会把剩余行驶里程的估算值显示在仪表上。

（2）告警信息。当电池组存在安全问题或即将发生安全问题时，需要及时通过仪表通知驾驶员。此时往往还需要配合声音告警等多种其他手段引起驾驶员的及时注意。

2）系统内外信息的交互

对于电池管理系统而言，往往同时具有“内网”和“外网”两级网络。其中，内网用于传递电池管理系统的内部信息，各小组的电路板通过内网将每个电池的具体信息传至电池管理系统的主电路板。外网用于电池管理系统与其他系统部件交互信息。外网应该是双工（支持双向通信）的：一方面，电池管理系统需要将电坟、电流、温度等信息发送给其他部件；另一方面，整车控制器也需要将“是否有充电机接入”“是否允许进行充电”等信息发送给电池管理系统。

3）动力电池历史信息的存储

动力电池历史信息存储并非电池管理系统所必需的功能，但在先进的动力电池管理系统中往往考虑这项功能。信息存储从时效上具有两种方式，即“临时存储”与“永久存储”。其中临时存储是利用RAM暂时保存电池信息，例如暂存上一分钟估算所得的剩余电量及在过去一分钟内电流的变化信息，以便估算出此时此刻电池的荷电状态值；永久存储可利用EEROM、Flash Memory等器件实现，可保存时间跨度较大的历史信息。

进行电池历史信息存储具有以下几个方面的意义：

（1）数据缓冲，提高分析估算的精度。当存在干扰，导致数据失真时，对比历史数据以得到更真实的数据。

（2）有助于电池状态分析。特别是能根据一段时间电池的历史数据，对电池的老化状态等进行评估。

（3）有助于故障分析与排除。当电动汽车发生故障以后，可以通过对历史数据的分析发现故障原因，利于故障排除。

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