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动力电池管理及维护技术主讲：徐艳民全国高校新能源汽车专业建设暨故障诊断与检测维修培训班动力电池管理系统的组成及作用动力电池管理系统数据采集原理动力电池充放电管理动力电池均衡控制与管理议题动力电池的电量管理动力电池的热管理动力电池的维护技术动力电池管理系统的组成及作用•组成：数据采集模块、主控模块、通讯模块、均衡模块、人机接口模块、故障诊断模块等组成。动力电池管理系统的组成及作用•作用：–一次参数采集：电压、电流、温度–二次参数测量和计算：SOC、内阻–电池状态预警–通过总线参与车辆状态的控制•原理：–数据采集电路采集电池状态信息数据–电子控制单元进行数据处理和分析–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。动力电池管理系统数据采集模块•采集动力电池的电压、温度、电流等参数，为电量管理、均衡管理、热管理、故障诊断等模块提供一次参数。•单体电压采集：•继电器阵列法、恒流源法、隔离运放采集法、压频转换电路采集法、线性光耦合放大电路采集法•温度采集：热敏电阻、热电偶、集成温度传感器•电流采集方法：分流器、霍尔式电流传感器继电器阵列法•用于所需测量的电池单体电压较高而且对精度要求也高的场合恒流源采集法•电压电流•共模抑制强•结构简单•采集精度高•实用性好30121()RUUUR减法运算恒流源电路隔离运放采集法•精度高•成本高压频转换电路采集法•电压频率•无需A/D转换•压频转换器具有良好的精度、线性度和积分输入•压控振荡器中存在电容器影响精度线性光耦合放大电流采集法•TIL300是一个由红外光LED照射分叉配置的隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成。该器件采用特殊制造技术来补偿LED时间和温度特性的非线性，使输出信号与LED发出的伺服光通量成线性比例。•很强的隔离能力和抗干扰能力•模拟信号保持良好的线性专用的电池参数采集芯片•BQ76PL536A•EMB1432Q•AD7280•LTC6803•OZ8940AD7280典型应用电路LTC6803典型应用电路温度采集方法•热敏电阻采集法：成本低，线性度不好，制造误差一般也较大•热电偶采集法：准确度高，外部电路复杂，一般用于高温测量•集成温度传感器采集法：基于热敏电阻，精度媲美热电偶，直接输出数字量，很适合在数字系统中使用。电流的采集方法•分流式：成本低，频响好，必须接入电流回路，使用麻烦•互感器：仅用于交流测量•霍尔元件电流传感器：性能好，使用方便•光纤传感器：价格昂贵烟雾采集方法•利用物理化学性质的：半导体、接触燃烧式•利用物理性质的：热导、光干涉、红外•利用电化学性质的：电流型、电势型动力电池充放电管理•动力电池充电过程中与非车载充电机之间连接和通讯•对充电电流、电池电压等参数进行监控，防止动力电池出现过充现象•对电池放电电流进行监控，防止过电流对电池造成损坏•对电池放电深度进行控制，防止电池过放电影响电池使用寿命DC+750V125A直流电源总正DC-750V125A直流电源总负PE保护接地S+30V2A充电通信S-30V2A充电通信CC130V2A充电连接确认CC230V2A充电连接确认A+30V20A低压辅助电源正A-30V20A低压辅助电源负动力电池充电接口问题动力电池均衡控制与管理•动力电池均衡系统的分类：•根据均衡过程中电路对能量的消耗情况，可以分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。•能量耗散型是将多余的能量全部以热量的方式消耗•非耗散型是将多余能量转移或者转换到其他电池中能量耗散型•单体电池并联电阻进行充电分流以实现均衡•存在能量浪费和增加热管理系统负荷的问题•包括：恒定分流电阻、开关控制分流电阻两种。非能量耗散型•非能量耗散型的均衡方法耗能相对于能量耗散型电路小得多，但电路结构相对复杂•能量转换式均衡–通过开关信号，将电池组整体能量对单体电池进行能量补充，或者将单体电池能量向整体电池组进行能量转换•能量转移式均衡–利用电感、电容等储能元件，把电池组中容量高的单体电池，通过储能元件转移到容量比较低的电池上。能量转换式均衡•单体向整体：充电过程中完成，单体电压达到一定值，把单体电池的充电电流进行分流，分出的电流经模块转换把能量反馈回充电母线能量转换式均衡•整体向单体：也称补充式均衡，主充电模块+补充式均衡充电模块•DC/DC变换器、同轴线圈•每个单体电池上增加相同的次绕组。•问题：一致性、线圈能耗，只充电能均衡，放电不能能量转移式均衡•利用电感、电容等储能元件，把电池组中容量高的单体电池，通过储能元件转移到容量比较低的电池上。•通过切换电容开关传递相邻电池间的能量•通过电感储能方式对相邻电池间进行双向传递•问题：均衡时间长，能量判断和开关电路实现困难应用中存在的问题•现有的均衡方案大多是电压均衡，电压检测的准确性和精度要求很高，电压检测电路漏电流要小，电池内阻及连接方式也会导致电池电压的变化，一味按照电压进行均衡势必导致过度均衡，从而浪费能量，甚至使得本来均衡的变得不均衡。•能量耗散型电路结构简单，但是均衡电阻不仅消耗能量，而且还引起热管理问题，只适合静态均衡，不适合动态均衡•能量转移式电路是一种电池容量补充的方法，取高补低，但是因为需要对单个电池电压进行检测判断，电路复杂，且体积大、成本高，且储能媒介存在能耗和控制问题，一般用于大中型电池组中•能量转换式电路是一种能实现能量变换的电路，电路复杂程度相对小些，成本降低了，但对于同轴线圈难以一致，存在均衡误差和漏磁问题动力电池的电量管理•电量管理中对荷电状态估算的意义–保护蓄电池，把SOC控制在一定范围内–提高整车性能，充分利用蓄电池–降低对动力电池的要求，充分利用蓄电池–提高经济性，选择较低容量的蓄电池•估算精度的影响因素–充放电电流–温度–电池容量衰减–自放电–一致性动力电池的电量管理•SOC荷电状态估算的方法–开路电压法：一般用于UPS、储能电池，对用于电动车误差较大。–容量积分法：实现起来较简单，受电池本身情况的限制小，宜于发挥微机监测的优点。但也存在精度不高、误差累计问题。–模糊逻辑推理与神经网络法：模糊逻辑推理接近人的形象思维方式。神经网络具有很好的自组织、自学习能力。二者均采用并行处理结构，可从系统的输入、输出样本中获得系统输入输出关系。运用此法估算电池的SOC精度较高，但需要大量的参考数据进行训练–卡尔曼滤波法：核心思想是对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估算。适用于各种电池，尤其适合于电流波动比较剧烈的混合动力汽车电池SOC的估计，并可给出估计误差。缺点是要求电池SOC估计精度越高，电池模型复杂，涉及大量的矩阵运算，工程上实现困难。动力电池的热管理动力电池的热管理的意义：•过高或过低的温度都将直接影响动力电池的使用寿命和性能，并可能导致电池系统的安全问题；•电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体间性能的不均衡。动力电池的热管理系统功能：•电池温度的准确测量和监控；•电池组温度过高时的有效散热和通风；•低温条件下的快速加热；•有害气体产生时的有效通风；•保证电池组温度场的均匀分布。动力电池的热管理•按照传热介质，可将电池组热管理系统分为空冷、液冷和相变材料冷却三种。考虑到材料的研发以及制造成本等问题，目前最有效且最常用的散热系统是采用空气作为散热介质的。•按照散热风道结构空冷系统可分为串行通风方式和并行通风方式两种动力电池的热管理•热管理系统按照是否有内部加热或制冷装置可分为被动式和主动式两种。被动系统成本较低，采取的设施相对简单;主动系统相对复杂，并且需要更大的附加功率，但效果较为理想。被动加热和散热内部空气流通外部空气流通主动加热和散热动力电池的热管理•寒冷地区使用的动力电池可以使用加热线、加热膜、加热板等对电池进行加热。电池列前后缠绕硅胶加热线电池列间添加电热膜电池本体上包覆电热膜电池上、下添加加热板相变材料在动力电池热管理上的应用•相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固-液相变为例，在加热到融化温度时，就产生从固态到液态的相变，融化过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，储存或释放热量的能力称为相变潜热。物理状态变化时，材料本身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收和释放的潜热却相当大。•在车用动力电池管理系统中，一般采用体积变化较小的固-液相变材料相变材料在动力电池热管理上的应用•典型的相变材料•无机类相变材料蓄热过程比较稳定，但是放热过程中存在较严重的过冷现象和相分离，一般要加入增稠剂和成核剂。•有机类相变材料主要包括石蜡、醋酸、脂肪酸等。石蜡的相变潜热比较高，融化时蒸汽压力低，容易获得、价格便宜，但导热率低和体积变化大；脂肪酸具有较好的融化/凝固特性，化学性质稳定，无毒性，而且相变过程中体积变化小、相变潜热大，比较适合电动车动力电源使用。•相变材料只是一种吸热或储热材料，自身不具有散热能力。因此采用相变材料必须另外附加其他散热系统。动力电池的热管理应注意的几个问题动力电池的热管理应注意的几个问题：•传热介质的选择：空气冷却、液体冷却•保证电池组散热的均匀性•风机种类和功率•温度传感器的数量和测温点•寒冷地区电池保温与加热方式的选择动力电池的维护技术•电动汽车作为一种新能源车辆，与传统的燃油汽车在具体的使用操作、维护保养及维修方面存在很多差异，只有懂得电动车正常的使用、维修、维护技术和技巧，才能将电动车使用得得心应手，才能真正让电动汽车的节能、经济和环保优势得到充分体现和弘扬，从而让电动汽车产业迅速得到发展，电动车得到真正的普及。•电动汽车电源系统的维护包括常规维护、重点维护、贮存维护等。•维护人员在进行操作时必须戴好绝缘手套等防护用品，使用前必须熟悉动力电源产品的结构、工作原理和使用说明书。维护前的准备工作与注意事项•每种电动汽车、动力电源系统均有其自身特点，系统的结构设计、安装位置等不同车辆有很大差别。在车辆检修和电源系统维护的过程中，需要做好以下准备工作。•专用工具的准备：•配置和准备专用的检测仪器（如丰田普锐斯配置有智能测试仪）、常用仪表（如电压表、欧姆表、绝缘测试仪等）、专用工具（带绝缘措施的起子、扳手等）、常用物料（如绝缘胶带、扎带等）、其他（如充电机等）。•个人防护准备：•电动汽车使用高压电路，在检修前必须做好个人防护措施：佩带绝缘手套，穿防护鞋、工作服等；手腕、身上不能佩带金属物件（如金属手链、戒指、手表、项链等）维护前的准备工作与注意事项•电动汽车使用高压电路，不正确的操作可能导致电击或漏电。所以，在检修过程中（如安装拆卸零件、检查、更换零件等），必须注意一下事项。–维护检修前必须熟悉车辆说明书和电源系统说明书。–对高压系统操作时断开电源。断开前需注意先检查读取故障码，避免系统故障代码被清除。–断开电源后放置5分钟。需要对车辆系统内的高压电容器进行放电。–佩带绝缘手套，并确保绝缘手套没有破损，不要戴湿手套。–高压电路的线束和连接器通常为橙色，高压零部件通常贴有“高压”警示，操作这些线束和部件时需要特别注意。–对高压系统进行操作时，在旁边放置“高压工作，请勿靠近”的警告牌。–不要携带任何类似卡尺或测量卷尺等的金属物体，避免掉落导致短路–拆下任何高压配线后，立刻用绝缘胶带将其绝缘。–一定要按照规定扭矩将高压螺钉端子拧紧。扭矩不足或过量都会导致故障–完成对高压系统的操作后，应再次确认在工作平台周围没有遗留任何零件或工具以及确认高压端子已拧紧和连接器已连接。电源系统的常规维护•常规维护时对影响电源使用过程中的安全隐患进行检查和排除，避免发生危险性事故•通过制定常规的预防性维护计划，可以更好地了解所使用电池的健康状况和终止寿命，确定电池的更换或重点维护计划。•常规维护一般每月进行一次。电源系统的常规维护•动力电源系统在使用1-2个月后，维护人员需要对动力电源系统的外观和绝缘进行保养和维护•动力电源系统在使用三个月后，有条件的话对动力电源进行一次充放电