1、11OZ4 主编第5章动力电池及其管理系统技术第5章动力电池及其管理系统技术5.1车用电池技术研究现状5.2动力电池管理系统研究现状5.3动力电池管理系统的关键技术5.4动力电池及管理系统的测试与评价第5章动力电池及其管理系统技术图5-1几种车用电池比较5.1车用电池技术研究现状5.1.1锂离子电池的工作原理5.1.2车用动力电池的要求5.1.3电池模型5.1.4车用动力电池的发展现状和趋势5.1.5锂离子电池系统存在的技术难题5.1车用电池技术研究现状表5-1目前几种常用储能式动力电池体系发展现状比较5.1.1锂离子电池的工作原理图5-2锂离子电池的工作原理5.1.2车用动力电池的要求1)高
2、的能量密度以提高运行效率和一次性充电行驶里程。2)高的输出功率密度以满足驾驶性能要求。3)宽广的工作温度范围以满足夏季高温和冬季低温的运行需要(-4050)。4)长的循环寿命以保证在车辆的全寿命时期内不更换电池(目前国家十二五“863”指南要求锂离子电池使用寿命超过10年或20万km)。5)高的充放电效率以最大限度实现节能。6)无记忆效应以满足车辆在使用的时候常常处于非完全放电状态下充电的需要。7)低的自放电率以满足车辆较长时间的搁置需求。5.1.2车用动力电池的要求8)快速充电能力以提高车辆的运行时间和效率。9)单体电池电压高以减少串联数量，防止电池一致性差产生的电池组故障。10)体积小，重
3、量轻，以有利于车辆的轻量化和小型化。1)高的能量密度以提高运行效率和一次性充电行驶里程。2)高的输出功率密度以满足驾驶性能要求。3)宽广的工作温度范围以满足夏季高温和冬季低温的运行需要(-4050)。4)长的循环寿命以保证在车辆的全寿命时期内不更换电池(目前国家十二五“863”指南要求锂离子电池使用寿命超过10年或20万km)。5)高的充放电效率以最大限度实现节能。6)无记忆效应以满足车辆在使用的时候常常处于非完全放电状态下充电的需要。7)低的自放电率以满足车辆较长时间的搁置需求。8)快速充电能力以提高车辆的运行时间和效率。9)单体电池电压高以减少串联数量，防止电池一致性差产生的电池组故障。1
4、0)体积小，重量轻，以有利于车辆的轻量化和小型化。5.1.3电池模型1.简化电化学模型2.等效电路模型3.神经网络模型5.1.3电池模型图5-3电池的模型1.简化电化学模型2.等效电路模型图5-4电池等效电路a)Rint模型b)Thevenin模型c)RC模型d)PNGV模型3.神经网络模型图5-5神经网络结构5.1.4车用动力电池的发展现状和趋势1)三元材料-石墨体系电池由于其良好的能量密度和循环寿命，将长期在HEV上得到应用，当然也包括在部分PHEV上应用。2)磷酸亚铁锂材料-石墨体系电池的优势是循环寿命长及安全性高，但由于电池工作电压低，能量密度较低，并且低温性能不好，随着汽车对电池的要
5、求越来越高，可能会逐步退出纯电动汽车市场，但在能量和功率密度要求不高的HEV应该还能应用。3)锰酸锂材料-石墨体系电池，随着锰酸锂材料本身循环性能不断改进，同时借助于与三元体系的混合,适合用于设计各种用途的车用动力电池。5.1.4车用动力电池的发展现状和趋势4)对于以钛酸锂为负极的锂离子电池，由于能量密度较低，现阶段在纯电动汽车上应用的可能性较小，而在续驶里程小的、同时对安全性要求苛刻的PHEV、HEV上应用是非常有优势的。5.1.4车用动力电池的发展现状和趋势表5-2国内外主要的车用锂离子电池供应商5.1.4车用动力电池的发展现状和趋势图5-6国外车用动力蓄电池伙伴关系概况1)三元材料-石墨
6、体系电池由于其良好的能量密度和循环寿命，将长期在HEV上得到应用，当然也包括在部分PHEV上应用。2)磷酸亚铁锂材料-石墨体系电池的优势是循环寿命长及安全性高，但由于电池工作电压低，能量密度较低，并且低温性能不好，随着汽车对电池的要求越来越高，可能会逐步退出纯电动汽车市场，但在能量和功率密度要求不高的HEV应该还能应用。3)锰酸锂材料-石墨体系电池，随着锰酸锂材料本身循环性能不断改进，同时借助于与三元体系的混合,适合用于设计各种用途的车用动力电池。4)对于以钛酸锂为负极的锂离子电池，由于能量密度较低，现阶段在纯电动汽车上应用的可能性较小，而在续驶里程小的、同时对安全性要求苛刻的PHEV、HEV
7、上应用是非常有优势的。5.1.5锂离子电池系统存在的技术难题1)自动化程度低，一致性差。2)锂电池过充电、过放电能力差。3)电池的单体容量小，为了满足整车需要，必须大量串并联使用，从而造成内阻大，接触不良。4)提高续驶里程，缓解结构空间及轻量化的矛盾。1)电池尺寸的标准化、系列化。2)电池一致性的认识、控制和测试。3)电池结构、连接件的改进和优化。4)电池组的功率性能、安全性、寿命、可靠性的提高。5)生产设备自动化和质量闭环控制方法的研究。1)电池的初始状态不一致。5.1.5锂离子电池系统存在的技术难题2)电池性能衰退速度不一致。1)过充电，过放电。2)电流过大。3)温度过高。4)短路或者漏电
8、。1)自动化程度低，一致性差。2)锂电池过充电、过放电能力差。3)电池的单体容量小，为了满足整车需要，必须大量串并联使用，从而造成内阻大，接触不良。4)提高续驶里程，缓解结构空间及轻量化的矛盾。1)电池尺寸的标准化、系列化。2)电池一致性的认识、控制和测试。3)电池结构、连接件的改进和优化。4)电池组的功率性能、安全性、寿命、可靠性的提高。5)生产设备自动化和质量闭环控制方法的研究。1)电池的初始状态不一致。2)电池性能衰退速度不一致。图5-7动力电池组不一致性的成因及其传递过程2)电池性能衰退速度不一致。表5-3电池生产和使用过程中出现的不一致性问题1)过充电，过放电。2)电流过大。3)温度
9、过高。4)短路或者漏电。5.2动力电池管理系统研究现状5.2.1BMS的发展历程5.2.2BMS的功能要求5.2.3BMS的研究现状5.2.4BMS存在的问题5.2.1BMS的发展历程1.无管理阶段2.简单管理阶段3.全面管理阶段1.无管理阶段2.简单管理阶段1)BMS只是利用自动化检测手段替代了传统手工操作，只能发现问题并进行报警，并不能解决电池组的一致性问题，也没有为电池的维护提供数据指导，所以电池维护的工作量和繁琐程度并没有减少。2)BMS的设计人员多为电气工程师，研究重点在于采用合理检测方法，提高检测精度、抗干扰能力和可靠性，而对电池的电化学本质并不了解，将电池看做是“黑匣子”，基于外
10、部特性对其状态和使用方法进行分析。1)BMS只是利用自动化检测手段替代了传统手工操作，只能发现问题并进行报警，并不能解决电池组的一致性问题，也没有为电池的维护提供数据指导，所以电池维护的工作量和繁琐程度并没有减少。2)BMS的设计人员多为电气工程师，研究重点在于采用合理检测方法，提高检测精度、抗干扰能力和可靠性，而对电池的电化学本质并不了解，将电池看做是“黑匣子”，基于外部特性对其状态和使用方法进行分析。3.全面管理阶段1)实时监测电池状态。2)高效利用电池能量，为电池使用、维护和均衡提供理论依据和数据支持。3)防止电池过充电和过放电，保障使用过程的安全性，延长电池寿命。1)实时监测电池状态。
11、2)高效利用电池能量，为电池使用、维护和均衡提供理论依据和数据支持。3)防止电池过充电和过放电，保障使用过程的安全性，延长电池寿命。5.2.2BMS的功能要求(1)充电均衡在充电过程中，保证系统内所有电池的端电压在每一时刻均有良好的一致性；当模块达到调整极限仍然保证不了电池电压一致性时，要通过声光及通信方式将异常的电池编号报告到主控机并通过主控机报告到整车管理系统。(2)过电流过电压示警当出现电池的电流电压超过保护标准的情况时，应示警指示；在过电流或是过电压消失后，示警指示取消。(3)电压采样模块具有电压采样，并将采样数据记录下来，供模块自身分析。(4)充放电电流采样模块具有充电放电电流采样，
12、并将采样数据记录下来，供模块自身分析。5.2.2BMS的功能要求(5)自检功能通过电压、电流、温度等数据，能分析电池是否正常工作，并能自动测试其他的功能是否正常。(6)外电路故障保护当外部电路出现严重故障或失效时，模块要能进行安全保护，使电池不致过放电、过充电、短路等，最关键是不能出现过充电和短路。(7)温度检测与保护模块能对电池的温度进行测量与记录，在温度超过规定上限时，切断电池充放电回路并给出声光报警。(8)通信功能模块与系统主控部分通过SPI或电流环进行通信，所有单体电池的分析数据均能实时传到主控单元。5.2.2BMS的功能要求表5-4电池管理系统的主要功能(1)充电均衡在充电过程中，保
13、证系统内所有电池的端电压在每一时刻均有良好的一致性；当模块达到调整极限仍然保证不了电池电压一致性时，要通过声光及通信方式将异常的电池编号报告到主控机并通过主控机报告到整车管理系统。(2)过电流过电压示警当出现电池的电流电压超过保护标准的情况时，应示警指示；在过电流或是过电压消失后，示警指示取消。(3)电压采样模块具有电压采样，并将采样数据记录下来，供模块自身分析。(4)充放电电流采样模块具有充电放电电流采样，并将采样数据记录下来，供模块自身分析。(5)自检功能通过电压、电流、温度等数据，能分析电池是否正常工作，并能自动测试其他的功能是否正常。(6)外电路故障保护当外部电路出现严重故障或失效时，
14、模块要能进行安全保护，使电池不致过放电、过充电、短路等，最关键是不能出现过充电和短路。(7)温度检测与保护模块能对电池的温度进行测量与记录，在温度超过规定上限时，切断电池充放电回路并给出声光报警。(8)通信功能模块与系统主控部分通过SPI或电流环进行通信，所有单体电池的分析数据均能实时传到主控单元。5.2.3BMS的研究现状(1)车载电池SOC的测量国外关于电池荷电状态(SOC)的研究大多是通过测量电池的电流电压等外界参数找出SOC与这些参数的关系，以间接地测出电池的SOC值。(2)车载电池的动态监控电池运行状态的好坏关系到整个电动汽车的运行性能，故BMS的另一个功能是对车载电池进行动态监控。
15、(3)车载电池的热平衡管理温度对锂离子电池各方面的性能都有影响，包括电化学系统的工作状况、循环效率、容量、效率、安全性、可靠性、一致性和寿命等，进而会影响到电动汽车的性能、可靠性、安全性和寿命等。(1)车载电池SOC的测量国外关于电池荷电状态(SOC)的研究大多是通过测量电池的电流电压等外界参数找出SOC与这些参数的关系，以间接地测出电池的SOC值。(2)车载电池的动态监控电池运行状态的好坏关系到整个电动汽车的运行性能，故BMS的另一个功能是对车载电池进行动态监控。(3)车载电池的热平衡管理温度对锂离子电池各方面的性能都有影响，包括电化学系统的工作状况、循环效率、容量、效率、安全性、可靠性、一
16、致性和寿命等，进而会影响到电动汽车的性能、可靠性、安全性和寿命等。1)电池温度的准确测量和监控。2)电池组温度过高时的有效散热和通风。3)低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作。4)有害气体产生时的有效通风。5)保证电池组温度场的均匀分布。1)电池温度的准确测量和监控。2)电池组温度过高时的有效散热和通风。3)低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作。4)有害气体产生时的有效通风。5)保证电池组温度场的均匀分布。5.2.4BMS存在的问题1.检测方面存在的问题2.电池方面存在的问题3.SOC估算方面存在的问题4.电池组一致性评价和均衡方面存在的问题1.检测方面存在的问题(1)跨多学科电池
17、管理技术横跨电化学、电学和热学相关知识。(2)多变量影响电池性能受到环境温度、工作电流、荷电状态、运行工况、老化程度等多种因素的影响。(3)非线性各种变量对电池性能的影响呈现明显的非线性。(4)强耦合以温度为例，温度差异会直接耦合到电池的放电容量、能量以及能量利用效率、自放电、容量下降速度等。(5)电池组的非一致性即便是同一厂家、同一批次的电池，在自放电特性、温度特性、容量、内阻等方面的参数都存在较大的差异。(1)跨多学科电池管理技术横跨电化学、电学和热学相关知识。(2)多变量影响电池性能受到环境温度、工作电流、荷电状态、运行工况、老化程度等多种因素的影响。(3)非线性各种变量对电池性能的影响
18、呈现明显的非线性。(4)强耦合以温度为例，温度差异会直接耦合到电池的放电容量、能量以及能量利用效率、自放电、容量下降速度等。(5)电池组的非一致性即便是同一厂家、同一批次的电池，在自放电特性、温度特性、容量、内阻等方面的参数都存在较大的差异。2.电池方面存在的问题1)电池的模型参数(包括直流内阻和极化电压)随着电池的温度、SOC、运行工况以及老化程度等参数的变化而变化。2)电池的模型阶次与极化深度密切相关，所以采用固定的模型阶次和模型参数对电池状态进行估算时，存在较大的误差。1)电池的模型参数(包括直流内阻和极化电压)随着电池的温度、SOC、运行工况以及老化程度等参数的变化而变化。2)电池的模
19、型阶次与极化深度密切相关，所以采用固定的模型阶次和模型参数对电池状态进行估算时，存在较大的误差。3.SOC估算方面存在的问题1)单体电池的SOC定义方法与工况严重耦合，这大大增加了电池SOC估算的难度，甚至出现矛盾。2)将串联电池组看做是一个整体，成组电池的SOC定义方法和含义不明确，当电池组出现一致性问题后，SOC不能有效地为电池组使用提供数据支持。1)单体电池的SOC定义方法与工况严重耦合，这大大增加了电池SOC估算的难度，甚至出现矛盾。2)将串联电池组看做是一个整体，成组电池的SOC定义方法和含义不明确，当电池组出现一致性问题后，SOC不能有效地为电池组使用提供数据支持。4.电池组一致性
20、评价和均衡方面存在的问题1)电池直流内阻、极化电压、最大可用容量和SOC差异都会导致电池外电压的差异，而前三者并不能通过均衡得到改善，所以有时均衡后电池组的最大可用容(能)量的增加效果并不明显，成组电池的寿命仍然达不到单只电池的水平。2)电池开路电压和SOC之间呈现非线性，当SOC处于中间段时，少量电压差异对应较大的SOC差异；而在SOC两端，少量SOC差异即会造成较大的电压差异，所以基于外电压差异电池组一致性的评价方法只有当电池接近充满电或者放完电时才表现得更加明显，对应的均衡器才会发挥作用，可见均衡器容量并没有得到充分利用。1)电池直流内阻、极化电压、最大可用容量和SOC差异都会导致电池外
21、电压的差异，而前三者并不能通过均衡得到改善，所以有时均衡后电池组的最大可用容(能)量的增加效果并不明显，成组电池的寿命仍然达不到单只电池的水平。2)电池开路电压和SOC之间呈现非线性，当SOC处于中间段时，少量电压差异对应较大的SOC差异；而在SOC两端，少量SOC差异即会造成较大的电压差异，所以基于外电压差异电池组一致性的评价方法只有当电池接近充满电或者放完电时才表现得更加明显，对应的均衡器才会发挥作用，可见均衡器容量并没有得到充分利用。5.3动力电池管理系统的关键技术5.3.1BMS的组成5.3.2电池SOC估计5.3.3电池SOH估计5.3.4电池安全技术5.3.5电池热管理技术5.3.
22、6故障诊断技术5.3.7锂电池充电技术5.3.8电池均衡技术5.3.9BMS硬件方案设计5.3.1BMS的组成1.电池管理单元2.电池模块1.电池管理单元(1)SOC、SOH、SOE预测在实时充放电过程中，能在线监测电池组的荷电状态、能量状态以及健康状态。(2)自检在电源接通时，对系统自检，若一切正常，发出可以正常工作信号；若有问题，发出故障信号，并切断强电开关。(3)过电流、过电压、温度保护在电池(包括系统整体和各个模块)发生过电流、过电压、和温度超标时，能将电池的充放电回路切断，给出声光示警信号，并通知给整体管理系统，当被保护电池的保护因素消失，则保护功能要取消。(4)与整车通信采用CAN
23、总线的方式与整车管理系统进行通信。1.电池管理单元(5)故障预警在电池使用过程中，随时记录电池使用参数，通过一定的数学模型并判断电池的有效性，若发现系统中有电池失效或是将要失效或是与其他电池不一致性增大，则要有声光示警并通过通讯方式通知到整车管理系统。(6)充电控制当电池的荷电量不足时，根据当前电压，对充电电流提出要求，满足限压变流的充电方式，并能记录充入的电量，当达到或是超过设定的荷电量时，停止充电请求。(1)SOC、SOH、SOE预测在实时充放电过程中，能在线监测电池组的荷电状态、能量状态以及健康状态。(2)自检在电源接通时，对系统自检，若一切正常，发出可以正常工作信号；若有问题，发出故障
24、信号，并切断强电开关。图5-8电池管理系统构成(3)过电流、过电压、温度保护在电池(包括系统整体和各个模块)发生过电流、过电压、和温度超标时，能将电池的充放电回路切断，给出声光示警信号，并通知给整体管理系统，当被保护电池的保护因素消失，则保护功能要取消。(4)与整车通信采用CAN总线的方式与整车管理系统进行通信。(5)故障预警在电池使用过程中，随时记录电池使用参数，通过一定的数学模型并判断电池的有效性，若发现系统中有电池失效或是将要失效或是与其他电池不一致性增大，则要有声光示警并通过通讯方式通知到整车管理系统。(6)充电控制当电池的荷电量不足时，根据当前电压，对充电电流提出要求，满足限压变流的
25、充电方式，并能记录充入的电量，当达到或是超过设定的荷电量时，停止充电请求。2.电池模块(1)充电均衡在充电过程中，保证系统内所有电池的电池端电压在每一时刻有良好的一致性；当模块的达到调整极限仍然保证不了电池电压一致性时，要通过声光及通信方式将异常的电池编号报告到主控机并通过主控机报告到整车管理系统。(2)过电流过电压示警当出现电池的电流或电压超过保护标准时，示警指示；在过电流或是过电压消失后，示警指示取消。(3)电压采样模块具有电压采样功能，并将采样数据记录下来，供模块自身分析。(4)充放电电流采样模块具有充电放电电流采样功能，并将采样数据记录下来，供模块自身分析。2.电池模块(5)自检功能通
26、过电压、电流、温度等数据，能分析电池是否正常工作，并能有手段自动测试其他的功能是否正常，在每隔一定的时间周期时，均要进行自检。(6)外电路故障保护当外部电路出现严重故障或失效时，模块要能产生安全保护，使电池不致过放电、过充电、短路等，最关键的是不能出现过充电和短路。(7)温度检测与保护模块能对电池的温度进行测量与记录，在温度超过规定上限时，切断电池充放电回路并给出声光报警。(8)通信功能模块与系统主控部分通过SPI或电流环进行通信，所有单体电池的分析数据均能实时传到主控单元。(1)充电均衡在充电过程中，保证系统内所有电池的电池端电压在每一时刻有良好的一致性；当模块的达到调整极限仍然保证不了电池
27、电压一致性时，要通过声光及通信方式将异常的电池编号报告到主控机并通过主控机报告到整车管理系统。(2)过电流过电压示警当出现电池的电流或电压超过保护标准时，示警指示；在过电流或是过电压消失后，示警指示取消。(3)电压采样模块具有电压采样功能，并将采样数据记录下来，供模块自身分析。(4)充放电电流采样模块具有充电放电电流采样功能，并将采样数据记录下来，供模块自身分析。(5)自检功能通过电压、电流、温度等数据，能分析电池是否正常工作，并能有手段自动测试其他的功能是否正常，在每隔一定的时间周期时，均要进行自检。(6)外电路故障保护当外部电路出现严重故障或失效时，模块要能产生安全保护，使电池不致过放电、
28、过充电、短路等，最关键的是不能出现过充电和短路。(7)温度检测与保护模块能对电池的温度进行测量与记录，在温度超过规定上限时，切断电池充放电回路并给出声光报警。(8)通信功能模块与系统主控部分通过SPI或电流环进行通信，所有单体电池的分析数据均能实时传到主控单元。图5-9动力电池管理系统组成5.3.2电池SOC估计1.放电实验法2.安时计量法3.开路电压法4.负载电压法5.内阻法6.线性模型法7.神经网络法8.卡尔曼滤波法1.放电实验法2.安时计量法3.开路电压法4.负载电压法5.内阻法6.线性模型法7.神经网络法8.卡尔曼滤波法表5-5几种主要SOC估算方法列表对比分析5.3.3电池SOH估计
29、1)内阻、阻抗、电导率。2)容量。3)电压。4)自放电率。5)可充电能力。6)充电、放电循环次数。1)基于卡尔曼滤波算法的寿命状态估计。2)基于其他数字滤波算法的寿命状态估计。5.3.3电池SOH估计(1)放电测试把充满电的电池，以标定倍率放电，将所能放出的电量与额定容量比较，即可得出电池的SOH值；这种方法会中断BMS的工作而且浪费电池的能量，所以在HEV中不适合采用。(2)电化学测试通过测量电池的电极腐蚀程度和电解液密度来估计SOH值。(3)欧姆测试对电池的电阻、电导或阻抗进行测试，结合模糊逻辑算法来估计SOH。(4)部分放电法采用部分放电法得到电池的各项参数，再将这些参数与性能完好的电池
30、参数相比较，即可估计得到SOH值。1)内阻、阻抗、电导率。2)容量。3)电压。4)自放电率。5)可充电能力。6)充电、放电循环次数。1)基于卡尔曼滤波算法的寿命状态估计。2)基于其他数字滤波算法的寿命状态估计。图5-10等效物理模型2)基于其他数字滤波算法的寿命状态估计。图5-11递推最小二乘算法原理(1)放电测试把充满电的电池，以标定倍率放电，将所能放出的电量与额定容量比较，即可得出电池的SOH值；这种方法会中断BMS的工作而且浪费电池的能量，所以在HEV中不适合采用。(2)电化学测试通过测量电池的电极腐蚀程度和电解液密度来估计SOH值。(3)欧姆测试对电池的电阻、电导或阻抗进行测试，结合模
31、糊逻辑算法来估计SOH。(4)部分放电法采用部分放电法得到电池的各项参数，再将这些参数与性能完好的电池参数相比较，即可估计得到SOH值。5.3.4电池安全技术1.电池安全2.高压互锁回路HVL3.绝缘电阻测量4.碰撞安全1.电池安全(1)内部短路钴酸锂锂电池在过充电时(甚至正常充放电时)，锂离子在负极堆积形成枝晶，刺穿隔膜，形成内部短路。(2)产生大电流包括外部短路时，电池瞬间大电流放电，产生巨大热量，内部短路，隔膜穿透，温度上升，短路扩大，形成恶性循环。(3)气体排放如有机电解液在大电流，高温条件下电解，产生气体，导致内压升高，严重时冲破壳体。(4)燃烧在壳体破裂时金属锂与空气接触，导致燃烧
32、，同时引燃电解质发生爆炸。(1)内部短路钴酸锂锂电池在过充电时(甚至正常充放电时)，锂离子在负极堆积形成枝晶，刺穿隔膜，形成内部短路。(2)产生大电流包括外部短路时，电池瞬间大电流放电，产生巨大热量，内部短路，隔膜穿透，温度上升，短路扩大，形成恶性循环。(3)气体排放如有机电解液在大电流，高温条件下电解，产生气体，导致内压升高，严重时冲破壳体。(4)燃烧在壳体破裂时金属锂与空气接触，导致燃烧，同时引燃电解质发生爆炸。2.高压互锁回路HVL3.绝缘电阻测量4.碰撞安全5.3.5电池热管理技术1)电池温度的准确测量和监控。2)电池主动制冷和主动制热功能。3)电池组温度过高时的有效散热和通风。4)低
33、温条件下的快速加热，满足电池低温起动性能要求。5)有害气体产生时的有效通风。6)保证电池组温度场的均匀分布。7)电池满功率工作的温度区间定义，电池降功率工作区间定义。8)电池隔热功能。1)考虑热管理系统的设计目标和制约因素。2)测量和估计电池模块的生热率以及热容量。5.3.5电池热管理技术3)热管理系统首轮评估(包括设计加热或散热系统等)。4)预测电池包的热场分布。5)初步设计热管理系统。6)设计热管理系统并进行试验。7)热管理系统的优化。1)电池温度的准确测量和监控。2)电池主动制冷和主动制热功能。3)电池组温度过高时的有效散热和通风。4)低温条件下的快速加热，满足电池低温起动性能要求。5)
34、有害气体产生时的有效通风。6)保证电池组温度场的均匀分布。7)电池满功率工作的温度区间定义，电池降功率工作区间定义。8)电池隔热功能。图5-12风冷形式a)串行冷却方式b)并行冷却方式1)考虑热管理系统的设计目标和制约因素。2)测量和估计电池模块的生热率以及热容量。3)热管理系统首轮评估(包括设计加热或散热系统等)。4)预测电池包的热场分布。5)初步设计热管理系统。6)设计热管理系统并进行试验。7)热管理系统的优化。图5-13电池热管理系统设计流程5.3.6故障诊断技术1.BMS的重要诊断内容(诊断内容分充电过程、放电过程)2.BMS的诊断策略与失效处理的基本策略1.BMS的重要诊断内容(诊断
35、内容分充电过程、放电过程)1)起动过程BMS硬件故障诊断。2)起动过程传感器信号的合理性诊断。3)起动过程电池组电压信号合理性诊断。4)起动过程电池模块电压的合理性诊断。5)起动过程电流信号的合理性诊断。6)起动过程温度信号的合理性诊断。7)电压波动诊断。8)无模块电压诊断。9)无电池组电压诊断。10)无温度信号诊断。11)电流故障诊断。1.BMS的重要诊断内容(诊断内容分充电过程、放电过程)12)流量传感器故障诊断。13)模块电压一致性故障诊断。14)过电流故障诊断。15)通信系统故障诊断。16)通风机故障诊断。17)高压电控制故障诊断。18)模块电压的过充诊断。19)电池组电压的过充电诊断
36、。20)模块电压变化率的过充诊断。21)电池组电压变化率的过充电诊断。22)SOC的过充电诊断。1.BMS的重要诊断内容(诊断内容分充电过程、放电过程)23)传感器温度的过充电诊断。24)平均温度的过充电诊断。25)传感器温度变化率的过充电诊断。26)平均温度变化率的过充电诊断。27)模块电压的过放电诊断。28)电池组电压的过放电诊断。29)模块电压变化率的过放电诊断。30)电池组电压变化率的过放电诊断。31)SOC的过放电诊断。32)传感器温度的过放电诊断。33)平均温度的过放电诊断。1.BMS的重要诊断内容(诊断内容分充电过程、放电过程)34)传感器温度变化率的过放电诊断。35)平均温度变
37、化率的过放电诊断。1)起动过程BMS硬件故障诊断。2)起动过程传感器信号的合理性诊断。3)起动过程电池组电压信号合理性诊断。4)起动过程电池模块电压的合理性诊断。5)起动过程电流信号的合理性诊断。6)起动过程温度信号的合理性诊断。7)电压波动诊断。8)无模块电压诊断。9)无电池组电压诊断。10)无温度信号诊断。11)电流故障诊断。12)流量传感器故障诊断。13)模块电压一致性故障诊断。14)过电流故障诊断。15)通信系统故障诊断。16)通风机故障诊断。17)高压电控制故障诊断。18)模块电压的过充诊断。19)电池组电压的过充电诊断。20)模块电压变化率的过充诊断。21)电池组电压变化率的过充电
38、诊断。22)SOC的过充电诊断。23)传感器温度的过充电诊断。24)平均温度的过充电诊断。25)传感器温度变化率的过充电诊断。26)平均温度变化率的过充电诊断。27)模块电压的过放电诊断。28)电池组电压的过放电诊断。29)模块电压变化率的过放电诊断。30)电池组电压变化率的过放电诊断。31)SOC的过放电诊断。32)传感器温度的过放电诊断。33)平均温度的过放电诊断。34)传感器温度变化率的过放电诊断。35)平均温度变化率的过放电诊断。2.BMS的诊断策略与失效处理的基本策略1)根据各故障原因，对各种故障诊断分别设置了诊断程序的进入与退出条件。2)采用分时诊断流程，节约CPU时间资源。3)根
39、据电池充电倍率，动态调节充电诊断过程参数。4)根据电池放电倍率，动态调节放电诊断过程参数。5)故障诊断分三种不同级别进行(报警、故障与危险)。6)故障诊断结果通过CAN总线送至整车控制器。7)故障诊断结果参与电池实际工作电流的控制。8)故障诊断结果参与高压电控制。1)根据各故障原因，对各种故障诊断分别设置了诊断程序的进入与退出条件。2)采用分时诊断流程，节约CPU时间资源。3)根据电池充电倍率，动态调节充电诊断过程参数。4)根据电池放电倍率，动态调节放电诊断过程参数。5)故障诊断分三种不同级别进行(报警、故障与危险)。6)故障诊断结果通过CAN总线送至整车控制器。7)故障诊断结果参与电池实际工
40、作电流的控制。8)故障诊断结果参与高压电控制。5.3.7锂电池充电技术1.恒流恒压充电法2.脉冲充电法1.恒流恒压充电法图5-14恒流恒压充电方法示意图2.脉冲充电法图5-15脉冲充电法示意图5.3.8电池均衡技术1.均衡算法2.均衡电路设计1.均衡算法2.均衡电路设计(1)被动均衡小容量电池组往往采用一种简单的被动平衡方法，旨在最大限度地降低成本。(2)主动均衡主动平衡意味着电荷在电池之间往返运动，且最终不会作为热量而被浪费掉。2.均衡电路设计图5-16几种常用的均衡电路(1)被动均衡小容量电池组往往采用一种简单的被动平衡方法，旨在最大限度地降低成本。图5-17基于电容器的均衡电路(2)主动
41、均衡主动平衡意味着电荷在电池之间往返运动，且最终不会作为热量而被浪费掉。图5-18基于变压器的均衡电路5.3.9BMS硬件方案设计(1)基于分立器件的BMS，这种BMS利用光耦合器来切换采集通道，然后通过多路A/D转换器来转换，这样，采样频率低，周期长，并且在切换过程中会有干扰，采集精度低，这就影响整个系统性能的提高，并且对硬件工程师的布置设计水平要求较高。(2)基于芯片的BMS这种BMS一般将前端采集电路、均衡电路以及电量计量算法、通信功能等集成在芯片中，辅以外围电路完成对电池的管理功能。(1)基于分立器件的BMS，这种BMS利用光耦合器来切换采集通道，然后通过多路A/D转换器来转换，这样，
42、采样频率低，周期长，并且在切换过程中会有干扰，采集精度低，这就影响整个系统性能的提高，并且对硬件工程师的布置设计水平要求较高。(2)基于芯片的BMS这种BMS一般将前端采集电路、均衡电路以及电量计量算法、通信功能等集成在芯片中，辅以外围电路完成对电池的管理功能。图5-19LTC6803典型应用示意图5.4动力电池及管理系统的测试与评价5.4.1锂离子动力电池测试概况5.4.2国内电池测试技术概况5.4.3电池管理系统测试与评价5.4.1锂离子动力电池测试概况(1)基本特性测试包括静态容量测试、动态放电性能测试、功率特性测试、自放电特性测试、低温起动功率测试、能量效率测试、内阻特性测试、生热特性
43、测试和寿命测试。(2)安全性/滥用测试包括机械安全性测试、电安全性测试、热安全性测试，具体包括在电池不爆炸、不起火的情况下，进行短路、挤压、针刺、跌落、热/机械冲击试验。(3)研究性测试主要针对电池状态估计方法研究设计试验，包括大电流充放电特性测试、HPPC脉冲测试、库伦效率测试和动态模拟工况循环测试等。(1)基本特性测试包括静态容量测试、动态放电性能测试、功率特性测试、自放电特性测试、低温起动功率测试、能量效率测试、内阻特性测试、生热特性测试和寿命测试。(2)安全性/滥用测试包括机械安全性测试、电安全性测试、热安全性测试，具体包括在电池不爆炸、不起火的情况下，进行短路、挤压、针刺、跌落、热/
44、机械冲击试验。(3)研究性测试主要针对电池状态估计方法研究设计试验，包括大电流充放电特性测试、HPPC脉冲测试、库伦效率测试和动态模拟工况循环测试等。1)SAE J17981997电动车辆用电池组性能测试推荐规程。2)SAE J17982008电动汽车电池模块性能级别推荐规程。3)SAE J22882008电动汽车电池模块寿命周期试验。4)SAE J23801998电动汽车电池振动试验。5)SAE J24641999电动汽车电池滥用试验。6)ISO/DIS 12405-12009电动汽车用锂离子动力蓄电池系统测试规程第1部分:高功率应用。7)ISO/DIS 12405-22009电动汽车用锂离
45、子动力蓄电池系统测试规程第2部分:高能量应用。8)ETA HTP0082001电池充电。9)ETA HTP0122001电动汽车车载电池能源管理系统评估。(3)研究性测试主要针对电池状态估计方法研究设计试验，包括大电流充放电特性测试、HPPC脉冲测试、库伦效率测试和动态模拟工况循环测试等。10)JEVS D7102002电动汽车用电池的充电效率试验方法。11)JEVS Z1051988电动汽车能量消耗量工况试验方法。12)JEVS Z1111995电动汽车参考能量消耗的测量(电池输出)。13)JEVS Z8071988电动汽车术语电池。14)JEVS TGZ1011999电动汽车电能量测量方法
46、。15)PNGV电池试验手册。16)USABC电池试验规程手册。17)FreedomCAR 42V电池测试手册。18)FreedomCAR电力辅助型混合动力汽车电池测试手册。1)电池常规测试。(3)研究性测试主要针对电池状态估计方法研究设计试验，包括大电流充放电特性测试、HPPC脉冲测试、库伦效率测试和动态模拟工况循环测试等。2)电池寿命/疲劳测试规范。3)电池管理系统软、硬件测试。1)电流、电压、温度测试精度验证。2)SOC、SOH估计能力验证。3)电池组均衡功能验证。4)诊断功能验证。5)高压短路保护功能验证。6)基于CAN总线残余总线仿真测试。(3)研究性测试主要针对电池状态估计方法研究
47、设计试验，包括大电流充放电特性测试、HPPC脉冲测试、库伦效率测试和动态模拟工况循环测试等。图5-20AVL电池测试内容(3)研究性测试主要针对电池状态估计方法研究设计试验，包括大电流充放电特性测试、HPPC脉冲测试、库伦效率测试和动态模拟工况循环测试等。表5-6动力电池测试内容1)SAE J17981997电动车辆用电池组性能测试推荐规程。2)SAE J17982008电动汽车电池模块性能级别推荐规程。3)SAE J22882008电动汽车电池模块寿命周期试验。4)SAE J23801998电动汽车电池振动试验。5)SAE J24641999电动汽车电池滥用试验。6)ISO/DIS 1240
48、5-12009电动汽车用锂离子动力蓄电池系统测试规程第1部分:高功率应用。7)ISO/DIS 12405-22009电动汽车用锂离子动力蓄电池系统测试规程第2部分:高能量应用。8)ETA HTP0082001电池充电。9)ETA HTP0122001电动汽车车载电池能源管理系统评估。10)JEVS D7102002电动汽车用电池的充电效率试验方法。11)JEVS Z1051988电动汽车能量消耗量工况试验方法。12)JEVS Z1111995电动汽车参考能量消耗的测量(电池输出)。13)JEVS Z8071988电动汽车术语电池。14)JEVS TGZ1011999电动汽车电能量测量方法。15
49、)PNGV电池试验手册。16)USABC电池试验规程手册。17)FreedomCAR 42V电池测试手册。18)FreedomCAR电力辅助型混合动力汽车电池测试手册。图5-21阿岗试验室的电池硬件在环测试系统1)电池常规测试。2)电池寿命/疲劳测试规范。3)电池管理系统软、硬件测试。1)电流、电压、温度测试精度验证。2)SOC、SOH估计能力验证。3)电池组均衡功能验证。4)诊断功能验证。5)高压短路保护功能验证。6)基于CAN总线残余总线仿真测试。图5-22CATARC混合动力和BMS硬件在环测试系统6)基于CAN总线残余总线仿真测试。图5-23电池试验流程图6)基于CAN总线残余总线仿真
50、测试。图5-24电池试验规程图5.4.2国内电池测试技术概况1.单体电池试验及要求2.模块电池试验及要求3.电池包测试及要求1.单体电池试验及要求1)挤压方向：垂直于蓄电池极板方向施压2)挤压头面积：不小于20cm3)挤压程度：直至蓄电池壳体破裂或内部短路(蓄电池电压变为0V)1.单体电池试验及要求表5-7单体电池试验及要求1.单体电池试验及要求表5-7单体电池试验及要求1)挤压方向：垂直于蓄电池极板方向施压2)挤压头面积：不小于20cm3)挤压程度：直至蓄电池壳体破裂或内部短路(蓄电池电压变为0V)2.模块电池试验及要求(1)能量型蓄电池(2)功率型蓄电池2.模块电池试验及要求表5-8模块电
