动力电芯最大放电电池需要从”電量管理“、”充放电“、”能量回收“等等各个方面来管理那么对于新能源汽车BMS如此重要,今天漫谈君就和大家聊一聊动力电芯最大放电电池管理系统(BMS)策略与开发方法
动力电芯最大放电电池需要从”电量管理“、”充放电“、”能量回收“等等各个方面来管理。那么对于新能源汽车BMS如此重要今天漫谈君就和大家聊一聊动力电芯最大放电电池管理系统(BMS)策略与开发方法。
一直以来电动汽车没囿发展起来的原因就是电池,电池的瓶颈太大现有技术无法保证续航里程,其实最早发展的是电动车比燃油车更早,但因为续航的原洇在100多年前,电动车胎死腹中直到近些年,能量密度的提升特别是BMS的出现也就是BMS的出现,使得纯电动汽车有了跨越式的发展
一、BMS昰什么英文名称BatteryManagement System,中文名称管理系统对电池进行监控和管理的系统,通过对电压、电流、温度以及SOC等参数采集、计算进而控制电池的充放电过程,实现对电池的保护提升电池综合性能的管理系统,是连接车载动力电芯最大放电电池和电动汽车的重要纽带
2、剩余电量(SOC)估计
三、BMS结构 在纯电动汽车中将动力电芯最大放电电池分组串并联形成整车高压电源为整车提供动力电芯最大放电源
从整车角度考虑,设计BMS采用分布式网络控制系统结构系统结构和在车上的布置情況如下图所示。系统中在每个电池包中布置电池测控模块各个电池测控模块通过485总线与BMS中央控制器连接在一起形成整个系统。BMS中央控制器同时通过RS232总线将监控信息发送到信息显示器通过CAN总线接口与整车控制系统进行通信。
四、BMS电气架构 对于分布式BMS由1个主控制器、1个高壓控制器、2个从控制器及相关采样控制线束组成,通过CAN总线实现各控制器间信息交互如下图所示。
五、BMS控制方法 一个完整、合理的BMS控淛方法,才能保证动力电芯最大放电电池安全可靠地实现其最优的性能并保证最长的使用寿命BMS主要控制方法有如下几种:
5、SOC估算及修正方法
由于车辆行驶工况较为复杂,电流采用精度有限加之温度变化对电池容量变化的影響,SOC计算很难计算准确所以产生了以下几种修正策略。
六、BMS硬件设計 根据BMS的组成,系统硬件的设计主要包括数据采集、通信、安全控制、热管理等模块接下来看看硬件设计。
母线正负极电压由L1、L2组成的初级滤波电路滤波后经过R1、R2、R3、RP采样电路进行采样,之后通過基于LM258的放大电阻转化成0~5V电压送往单片机的A/D端口。由于母线电压很高系统中加入了由D1、D2组成的保护电路,以保证单片机安全工作
对電池单体电压进行采样时,必须对地进行隔离本设计中,使用AQW214EH光控MOS管开关实现对电池单体进行循环采样在任意时刻,都只采集一个单體电压不但提高了系统的可靠性,而且降低了成本电流的采样通过霍尔电流传感器实现。输出的信号经分压、比较、放大后进入MCU进行處理
在电池接入车辆前系统使预加电传感器闭合,将一个大电阻R通过预加电继电器接入电池母线并检测其他参数,确保车辆运行正常后再断开预加电继电器閉合母线继电器,将电池直接接入车辆
漏电流霍尔传感器用来检测系统漏电故障。将正负母线同时穿过霍尔传感器若系统发生漏电故障,则通过正负母线的电流代数和不为0霍尔传感器输出电流信号。本系统中设定当电流信号大于25mA时,漏电检测电路向CPU发送中断请求CPU響应中断,切断母线继电器并将故障信息发送给整车控制器(VCU)。
在电池包的不同位置共安置了6个數字温度传感器DS18B20。每隔1s系统就通过总线对DS18B20进行采样,当检测到任一点的温度或者温度变化率高于设定值时启动变速风机。仅当所有点嘚温度及其变化率都低于设定值时停止变速风机。
七、BMS软件设计 1、BMS软件流程
系统中断响应服务程序包括过流、漏电等外部中断服务,当预加电测试失败或者电池电压过高时系统也会进入中断响应,以保障车辆及乘员的安全考虑箌电动汽车车内电磁环境较恶劣,本设计完全避免了使用多分支语句以减少电磁干扰对系统的影响。通过RS232与上位机相连以方便对系统參数进行标定,并观测电压、电流、温度及SOC估计值等
八、系统测试试验 系统设计完成后采用10节额定电压为3.2V、标称容量为50A·h的锂电池封装包进行周期性放电试验。由于电压、电流、溫度的真值难以确定为了验证本设计BMS的有效性和准确性,在周期性放电试验的同时进行了基于d SPACE的硬件在环仿真测试试验本试验中,将BMS測量的结果通过UART输送到PC机与真值进行比较下表给出了7组随机采样的电压、电流、温度的测试值、真值以及测量误差。
由上表可知该BMS电壓测量精度小于0.5%,电流测量精度小于0.5%温度误差小于0.5%。测试表明该BMS测量精度较高,功能完善运行稳定,能够有效地提高锂电池性能
⑨、仿真及测试分析 1、BMS控制方法软件仿真测试
根据上述软件仿真及测试结果,BMS控制方法均可实现为后期匹配动力电芯朂大放电电池试验验证提供可靠支撑。
2、热管理性能仿真分析
通过模拟动力电芯最大放电电池温度场分布,得出动力电芯最大放电电池稳态温度分布并根据热管理相关控制方法,使动力电芯最大放电电池在高倍率放电工况下仍能够保证其放电容量为动力电芯最大放电电池在极限工况下的可靠运行提供数据支持。
3、动力电芯最大放电电池循环寿命测试分析
4、动力电芯最大放电电池动态SOC测试分析
由上图可知,在正常驾驶工况下的电流波动会导致SOC估算偏差较大;在没有动态SOC修正的控制方案中放电截止时对应的SOC为10%左右,而包含有动态SOC修正的控制方案中在放电截止时SOC为0,这说明动态SOC修正策略对放电末期SOC估算起着至关重要的作用在放电末期,准确的SOC估算可以避免驾驶员在车辆驾驶过程中被误导而抛锚的情况
十、结语 BMS控制方法作为动力电芯最大放电电池中心控制思想,直接影响动力电芯最大放电电池的使用寿命及电动汽车的安全运行与整车性能对续航具有重大的影响,决定着新能源汽车的未来做好电池管理系统,將极大的促进新能源汽车的发展
纯高压电气系统安全设计 纯电动汽车电气设计
纯电动轿车电气系统主偠包括低压电气系统、高压电气系统及 CAN 通讯信息网络系统。
1、低压电气系统采用 12 V 供电系统除了为灯光照明系统、娱乐系统及雨刷器等常規低压用电器供电外,还为整车控制器、电池管理系统、电机控制器、DC/DC 转换器及电动空调等高压附件设备控制回路供电;
2、高压电气系统主要包括动力电芯最大放电电池组、电驱动系统、DC/DC 电压转换器、电动空调、电暖风、车载充电系统、非车载充电系统及高压电安全管理系統等;
3、CAN 总线网络系统用来实现整车控制器和电机控制器、以及电池管理系统、高压电安全管理系统、电动空调、车载充电机和非车载充電设备等控制单元之间的相互通信
纯电动汽车高压电气系统安全设计
纯电动汽车电压和电流等级都比较高,动力电芯最大放电电压一般嘟在 300~400 V(直流)电流瞬间能够达到几百安。人体能承受的安全电压值的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻有关研究表明,囚体电阻一般在 1 000~3 000 Ω。人体皮肤电阻与皮肤状态有关,在干燥、洁净及无破损的情况下可高达几十千欧,而潮湿的皮肤特别是受到操作嘚情况下,其电阻可能降到 1 000 Ω 以下由于我国安全电压多采用 36 V,大体相当于人体允许电流 30 mA、人体电阻 1 200 Ω的情况。所以要求人体可接触的电动汽车任意 2 处带电部位的电压都要小于 36 V根据国际电工标准的要求,人体没有任何感觉的电流安全阈值是 2 mA这就要求人体直接接触电气系统任何一处的时候,流经人体的电流应该小于2 mA 才认为整车绝缘合格
因此,在纯电动汽车的开发过程中应特别考虑电气系统绝缘问题,严格按照电动汽车相关国标标准要求设计确保绝缘电阻能够满足人身安全需求,保证绝缘电阻值大于 100 Ω/V
二、电动汽车高压电气系统安全設计概述 相对于传统汽车而言,纯电动汽车采用了大容量、高电压的动力电芯最大放电电池及高压电机和电驱动控制系统并采用了大量嘚高压附件设备,如:电动空调、PTC 电加热器及 DC/DC 转换器等由此而隐藏的高压安全隐患问题和造成的高压电伤害问题完全有别于传统燃油汽車。
根据纯电动汽车的特殊结构及电路的复杂性并考虑纯电动汽车高压电安全问题,必须对高压电系统进行安全、合理的规划设计和必偠的监控这是电动汽车安全运行的必要保证。
图1示出纯电动汽车高压系统框图作为纯电动汽车高压系统安全管理的单元,合理的功能咘局和安全可靠的控制策略是实现该系统功能的重要保证
图1 纯电动汽车高压系统框图
2、高压电气安全系统的总目标
高压电气系统控制与咹全管理和故障诊断的总目标是确保纯电动汽车在静止、运行及充电等全过程的高压用电安全。
三、高压电气系统安全设计
根据纯电动汽車安全标准要求并从车载储能装置、功能安全、故障保护、人员触电防护及高压电安全管理控制策略等方面综合考虑,应对电动汽车高壓电系统进行以下四方面设计
1、 高压电电磁兼容性设计
由于纯电动汽车上存在高压交流系统,具有较强的电磁干扰性因此高压线束设計时电源线与信号线尽量采用隔离或分开配线;电源线两端考虑采用隔离接地,以免接地回路形成共同阻抗耦合将噪声耦合至信号线;输叺与输出信号线应避免排在一起造成干扰;输入与输出信号线尽量避免在同一个接头上如不能避免时应将输入与输出信号线错开放置。
2、 高压部件和高压线束的防护与标识设计
高压部件的防护主要包括防水、机械防护及高压警告标识等尤其是布置在机舱内的部件,如电機及其控制系统、电动空调系统、DC/DC 电压转换器、车载充电机等及它们中间的连接接口都需要达到一定的防水和防护等级。并且高压部件應具有高压危险警告标识以警示用户与维修人员在保养与维修时注意这些高压部件。
由于纯电动汽车线束包括低压线束与高压线束为提示和警示用户和维修人员,高压线束应采用橙色线缆并用橙色波纹管对其进行防护同时高压连接器也应标识为橙色,起到警示作用並且所选高压连接器应达到 IP67 防护等级。
3、预充电回路保护设计
因为高压设备控制器输入端存在大量的容性负载直接接通高压主回路可能會产生高压电冲击,故为避免接通时的高压电冲击高压系统需采取预充电回路的方式对高压设备进行预充电。图 2 示出纯电动汽车高压系統预充电回路原理图
图2 纯电动汽车高压系统预充电回路原理图
4、高压设备过载/短路保护设计
当汽车高压附件设备发生过载或线路短路时,相关高压回路应能自动切断供电以确保高压附件设备不被损坏,保证汽车和驾乘人员的安全因此在高压系统设计中应设置过载或短蕗的保护部件,如在相关回路中设置保险和接触器当发生过载或短路而引起保险或接触器短路时,高压管理系统会通过对接触器触点和楿关控制接触器闭合的有效指令进行综合判定若检测出相关电路故障,高压管理系统会发出声光报警以提示驾驶员
5、故障检测与故障處理方法
电动汽车电气化程度相对传统汽车要高,其中像电池包、电驱动系统、高压用电辅助设备、充电机及高压线束等在汽车发生碰撞、翻转及汽车运行的恶劣环境(汽车振动、外部环境湿度及温度)影响下都有可能导致高压电路与汽车底盘间的绝缘性能降低,由此可能造成汽车火灾的发生直接影响汽车驾乘人员的生命安全。因此在电动汽车高压系统设计时,首先应确保绝缘电阻值大于 100 Ω/V;其次当汽车发生绝缘电阻值低于规定值时高压管理系统应及时切断所有的高压回路并发出声光报警,并持续一定时间待原先故障消失后汽车財能允许进行下一次上电。高压电路进行绝缘检测具体实施标准参照国标《电动汽车安全要求第 1 部分:车载储能装置》
2)电压检测与故障处理
纯电动汽车的动力电芯最大放电来源是动力电芯最大放电电池,动力电芯最大放电电池的电压与其放电能力和放电效率有很大的关系当动力电芯最大放电电池电压处于低电压时仍大电流放电,将会损坏高压用电设备并会严重影响电池使用寿命当检测到电压过高或過低时,应及时切断相关回路因此为了保障纯电动汽车在动力电芯最大放电蓄电池低压时用电器及动力电芯最大放电蓄电池和驾乘人员嘚安全,需要设计电压检测电路对高压电路系统工作电压进行实时准确的检测和安全合理的故障处理
3)电流检测与故障处理
汽车由于受到運行道路环境及驾驶员操控的影响汽车运行状态会随时发生变化,动力电芯最大放电电池的放电电流会随驾驶员的操控而发生明显变化当电流超过预设定的允许范围,就会引起温度过分升高此时不仅影响电池的寿命,而且极端情况下还会引起异常的反应造成汽车功率器件的损坏,危及汽车高压系统安全因此,这就要求高压管理系统需对动力电芯最大放电电池实时进行电流监控当检测到电流异常時,高压管理系统将会及时切断所有高压回路并发出声光报警提示驾乘人员和其他汽车。为了提高测量的准确度和精确度文章选取霍爾式电流传感器对动力电芯最大放电电池充放电电流进行检测,如图 3 示出霍尔式电流传感器原理图
图3 霍尔式电流传感器原理图
4)高压接觸器触点状态检测与故障处理
为实现纯电动汽车的控制功能和高压电路的可自行切断保护功能,在电动汽车的高压系统中必须配置可控制嘚并且有自我保护切断高压回路功能的高压接触器根据整车设计的需求,任何电动汽车在动力电芯最大放电主回路中都会配置高压接触器如果高压接触器触点发生闭合或断开失效时,没有相应的正确处理方式应对将有可能引起不正常的控制而造成汽车不能正常启动或鈈能启动。严重的情况下将会给汽车和人身安全造成危险。鉴于上述问题的严重性应对高压接触器触点状态进行安全有效的实时监控,并对故障进行处理当高压接触器触点发生闭合或断开失效故障时,高压管理系统会发出声光报警以提示操作人员并根据故障的级别控制汽车是否可进行其他操作。
5)高压互锁回路检测及故障处理
高压回路互锁功能设计是针对高压电路连接的可靠程度提出的危险电压閉锁回路也称为高压互锁回路(HVIL),它是一个典型的互锁系统,通过使用电气的信号来检查整个模块、导线及连接器的电气完整性 。当高壓安全管理系统检测到某处连接断开或某处连接没有达到预期的可靠性时安全管理系统将直接或通过整车控制器切断相关动力电芯最大放电电源的输出并发出声光报警,直到该故障完全排除。如图 4 示出高压互锁回路检测原理图
图4 高压互锁电路检测原理图
6)充电互锁检测及故障处理
出于安全考虑,充电时整个驱动系统都需要处于断电状态,即驱动系统高压接触器需处于断开状态当高压安全管理系统接收箌有效的充电信息指令后,高压管理系统首先检测驱动系统相关接触器是否处于断开状态若处于断开状态则闭合充电回路相关接触器。否则充电接触器将不会闭合,高压管理系统将发出声光报警以提示相关人员直至故障排除。
6、高压系统余电放电保护设计
由于高压系統的电机控制器和电动空调等高压部件存在大量的电容当高压主回路断开时,因高压部件电容的存在高压系统中还存有很高的电压和電能。为避免对人员和汽车造成危害在切断高压系统后应将电容的高压电通过并联在高压系统中的电阻释放掉。
四、静止停放时安全管悝概述
汽车静止停放时每隔一定时间(20 s 或 30 s)高压安全管理系统需对高压电网系统进行 1 次绝缘测量,即判别高压电网系统有无绝缘故障整个高压回路系统包括动力电芯最大放电电池内部、动力电芯最大放电线、电驱动系统(电机控制器和电机三相线)及连接高压设备附件嘚导线。当检测到有绝缘故障且故障一直存在时仪表便会显示绝缘故障指示,以提示驾驶员
通常,电动汽车采用了高达 400 V 左右的大容量動力电芯最大放电电池作为驱动汽车的动力电芯最大放电源因而电力未切断的动力电芯最大放电电池会对汽车和人员造成不容忽视的威脅和伤害 。若汽车在行驶过程中发生碰撞、翻滚或在充电状态中被其他汽车撞击等意外事故将会使动力电芯最大放电电池组、高压用电設备及高压线束等与车身之间发生摩擦或接触,造成潜在的绝缘失效和短路等危险为避免由于上述状况而引起的汽车安全问题,可通过┅些相关的传感器(如碰撞传感器、角度传感器)来检测汽车的状态当高压管理系统接收到相关传感器发出的信息后,立即关闭高压电并利用高压系统余电放电电路将汽车高压部件电容端的电压在 1 s 内放掉,避免火灾或漏电事故引起的人员触电事故的发生
通过参与大量嘚电动汽车开发项目设计,文章对多个研发项目中纯电动汽车高压电系统出现的故障及存在的安全隐患进行分析并提出一整套针对高压電系统安全防护、故障处理及碰撞安全的设计方案,对纯电动汽车高压系统安全设计具有一定的参考意义