1、电动汽车技术 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院 第六章第六章 动力电池管理系统动力电池管理系统Harbin University of Science and Technology 6.1电池管理系统的功能及基本结构电池管理系统的功能及基本结构6.2动力电池测试动力电池测试6.3电池管理的关键技术电池管理的关键技术6.4动力电池的梯次利用与回收动力电池的梯次利用与回收6.5本章小结本章小结主要内容主要内容6.1电池管理系统的功能及基本结构电池管理系统的功能及基本结构6.2动力电池测试动力电池测试6.3电池管理的关键技术电池管理的关键技术6.4动力电池的梯次利用与回收动力电池的梯次利用与回收6.
2、5本章小结本章小结主要内容主要内容6.1电池管理系统的功能及基本结构 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇电池管理系统（电池管理系统（Battery Management System,BMS）是用来对）是用来对动力电池组进行安全监控及有效管理，提高动力电池使用效率的动力电池组进行安全监控及有效管理，提高动力电池使用效率的装置。装置。电池管理系统的功能电池管理系统的功能6.1电池管理系统的功能及基本结构 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇电池管理系统电池管理系统的的结构结构集中式集中式分布分布式式分布式结构的优点：分布式结构的优点：数据同步采样、寿命长、安全性高、电磁兼容性好数据同步采样、寿命长、安全性高、电磁
3、兼容性好6.1电池管理系统的功能及基本结构 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇电池管理系统在电动汽车上的应用电池管理系统在电动汽车上的应用6.1电池管理系统的功能及基本结构电池管理系统的功能及基本结构6.2动力电池测试动力电池测试6.3电池管理的关键技术电池管理的关键技术6.4动力电池的梯次利用与回收动力电池的梯次利用与回收6.5本章小结本章小结主要内容主要内容6.2动力电池测试 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇动力电池测试的目的：侧重了解电池的特点，便于电池管理系统动力电池测试的目的：侧重了解电池的特点，便于电池管理系统软硬件开发工作的进行软硬件开发工作的进行常用动力电池测试项目常用动力电池测试项目1.实
4、际实际容量测试容量测试2.充放电效率测试充放电效率测试4.电动势曲线及等效内阻测试电动势曲线及等效内阻测试3.放电倍率特性测试放电倍率特性测试1020304050607080901003.253.303.353.40电动势/VSOC/s 25 5 0-5-1001020304050607080901000.050.100.150.200.250.300.350.40等效 内阻/SOC/%25 5 0-5-10-15充电效率=(放电电流*放电时间)/(充电电流*充电时间)*100%电动势曲线等效内阻曲线6.2动力电池测试 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇电池测试的标准化电池测试的标准化常用常用动力动力
5、电池电池测试测试标准标准中国汽车行业标准中国汽车行业标准QC/T 743-2006SAE J1798电动汽车电池模块性能级别推荐规程电动汽车电池模块性能级别推荐规程PNGV电车测试手册电车测试手册IEC 61982-3标准道路电动汽车用二次电池第三部分：性能和使用寿命测试标准道路电动汽车用二次电池第三部分：性能和使用寿命测试主要主要分类分类第第一类：针对电池制造商一类：针对电池制造商 用来检验其所生产的电池是否合格，是否可以进入市场用来检验其所生产的电池是否合格，是否可以进入市场第第二二类：针对电动汽车制造商类：针对电动汽车制造商 用来帮助电动汽车制造商检验其选择的动力电池是否能用来帮助电动汽
6、车制造商检验其选择的动力电池是否能 满足其制造的电动汽车的性能要求满足其制造的电动汽车的性能要求6.1电池管理系统的功能及基本结构电池管理系统的功能及基本结构6.2动力电池测试动力电池测试6.3电池管理的关键技术电池管理的关键技术6.4动力电池的梯次利用与回收动力电池的梯次利用与回收6.5本章小结本章小结主要内容主要内容6.3电池管理的关键技术 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇动力电池的建模，电池模型描述电池工作的外特性，即描述电池动力电池的建模，电池模型描述电池工作的外特性，即描述电池的影响因素与其工作特性之间的数学关系的影响因素与其工作特性之间的数学关系电电池池模模型型电化学模型电化学模型热模型
7、热模型等效电路模型等效电路模型耦合模型耦合模型基于电化学机理研究6.3电池管理的关键技术 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇动力电池的电化学模型基于电化学理论并采用数学方法描述电池动力电池的电化学模型基于电化学理论并采用数学方法描述电池内部的反应过程。内部的反应过程。常用电池电化学模型常用电池电化学模型1.Shepherd模型模型2.Un-newehr模型模型4.简化的电化学模型简化的电化学模型3.Nerst模型模型6.3电动管理的关键技术 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇6.3电池管理的关键技术 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇动力电池动力电池等效电路模型等效电路模型：1.Rint模型模型2.Thhevenin
8、模型模型4.改进二改进二阶阶RC模型模型3.PNGV模型模型6.3电池管理的关键技术 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇电池电池SOC（Stage of Charge）估计）估计SOC估计常用方法1.放电法2.安时积分法3.开路电压法4.负载电压法5.内阻法6.神经网络法7.卡尔曼滤波法优点：方法可靠缺点：需要大量时间优点：简单可靠缺点：SOC初值难确定优点：比较准确缺点：需要长时间静置优点：能够实时估计缺点：电池电压剧烈波动导致很难应用优点：适用于放电后期电池SOC的估计缺点：很难准确电池单体内阻优点：适用于各种电池缺点：需要大量的参考数据进行训练优点：适合于电流波动比较剧烈的混合动力汽车的电池SO
9、C估计缺点：对电池模型准确性和计算能力要求高6.3电池管理的关键技术 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇电池电池SOH（State of Health）估计：表面指电池的健康状况，）估计：表面指电池的健康状况，包括容量、功率、内阻等性能，更多情况下是对电池组寿命的预包括容量、功率、内阻等性能，更多情况下是对电池组寿命的预测。通常认为是指测量的容量与额定容量之比。测。通常认为是指测量的容量与额定容量之比。（2）电阻折算法系统差分方程：式中Uk为k时刻的电池输出电压；Uk-1为（k-1）时刻电池输出电压；Ik为k时刻电池的加载电流；Ik-1为（k-1）时刻的电池加载电流；R0电池欧姆内阻；Rp电池极化内阻
10、。在模型结构确定以后，可以根据试验方法所获得的数据对系统模型中的参数进行辨识。在参数辨识领域中，常采用最小二乘法1001()kkkppkUaUR Ia RRRI6.3电池管理的关键技术 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇动力动力电池组的均衡电池组的均衡均衡的意义：利用电子技术，使锂离子电池单体电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时不发生损坏。若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。均衡的基本目的：“削峰填谷”。即在充电、放电或搁置过程中，通过外加电路对电池充放电电流的调节，使应用过程中电池的电压达到较好的一致性，提高车辆的续行里程和电
11、池组的使用寿命。均衡均衡电路电路结构结构框图框图6.3电池管理的关键技术 电阻电阻分流式均衡分流式均衡原理图原理图（ICE为单体电池均衡器）为单体电池均衡器）电压电压单体单体电压电压向整体向整体转换转换方式方式电池组整体能量电池组整体能量向体向体转换转换方式方式开关电容均衡示意图开关电容均衡示意图能量耗散型均衡电路非能量耗散型均衡电路6.3电池管理的关键技术 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇电池组的电池组的热管理热管理 电池组温度过高时的有效散热和通风 有害气体产生时的有效通风 低温条件下的快速加热 电池温度的准确测量和监控 保证电池组温度场的均匀分布主要功能设设计计过过程程1.确定热管理系统的目标
12、和要求2.测量或估计模块生热及热容量3.热管理系统首轮评估4.预测模块和电池组的热行为5.初步设计热管理系统6.设计热管理系统并进行实验7.热管理系统的优化6.3电动管理的关键技术 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇关键技术电池组的电池组的热管理热管理电池热场计算及温度预测通过数学模型计算电池内部的温度场，预测电池的热行为传热介质的选择传热介质要在设计热管理系统前确定。按照传热介质分类，热管理系统可分为空气冷却、液体冷却及相变材料冷却三种方式热管理系统散热结构的设计在进行电池组结构布置和散热设计时，要尽量保证电池组散热的均匀性，在风道设计时，需遵循流体力学和空气动力学的基本原理风机与测温点的选择在设计
13、电池热管理系统时，需要选择的风机种类与功率、温度传感器的数量与测温点的位置恰到好处6.3电动管理的关键技术 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇6.1电池管理系统的功能及基本结构电池管理系统的功能及基本结构6.2动力电池测试动力电池测试6.3电池管理的关键技术电池管理的关键技术6.4动力电池的梯次利用与回收动力电池的梯次利用与回收6.5本章小结本章小结主要内容主要内容6.4动力电池的梯次利用与回收 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇外观筛选外观筛选建立数据库建立数据库成组装配成组装配初期跟进验证拆解回收拆解回收按需配组按需配组基本性能基本性能筛选筛选四、梯次利用过程四、梯次利用过程三元材料电池拆解工艺流程图锂电
14、池破碎拆解分选系统 梯次梯次项目项目1234电池容量电池容量/（Ah）801006080406040使用车型使用车型大型公交车、高速电动汽车城市特殊用途用车、市政用车等低速电动微型车、旅游观光车电站UPS储能 动力电池利用梯次划分6.4动力电池的梯次利用与回收 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇6.4动力电池的梯次利用与回收 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇 从表中可以看到动力电池梯次回收主要集中在储能方面。储能系统的作用体现在可保障大型太阳能、风能等新能源发电大量接入与充分利用，同时又提高了输配电设备的利用率，提高电网安全裕度；另外相关的技术突破和产业化还将带动采矿、电池制造、电力电子设备等产业的进一步发
15、展。四四、国内国内的部分动力电池梯次利用项目如下表所的部分动力电池梯次利用项目如下表所示示6.4动力电池的梯次利用与回收 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇动力电池的回收动力电池的回收6.1电池管理系统的功能及基本结构电池管理系统的功能及基本结构6.2动力电池测试动力电池测试6.3电池管理的关键技术电池管理的关键技术6.4动力电池的梯次利用与回收动力电池的梯次利用与回收6.5本章小结本章小结主要内容主要内容6.5本章小结 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇电池管理系统的功能及基本结构动力电池的测试电池管理的关键技术动力电池梯次利用与回收1.电池管理系统的功能2.电池管理系统的结构1.常用动力电池测试项目2.特性测试的标准化1.动力电池的建模2.SOC/SOH估计3.动力电池组的均衡4.电池组的热管理1.动力电池的梯次利用2.动力电池的回收6.5本章小结 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇习题1.什么是电池管理系统？电池管理系统的基本功能和结构？2.电池性能测试主要有哪几种？3.电池模型主要分为哪几种？并分别举例。4.常用的SOC估计方法有哪几种？5.简述电池热管理的设计步骤，并写出常用的电池热管理传热介质。6.简述电池梯次利用的基本步骤。
