《動(dòng)力電池及能量管理技術(shù)》課件-任務(wù)1 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知VIP

項(xiàng)目三動(dòng)力電池能量管理PART031.了解電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。2.掌握典型電池管理系統(tǒng)的組成。3.掌握電池管理系統(tǒng)原理。4.掌握數(shù)據(jù)采集方法。任務(wù)目標(biāo)一、電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能（一）電池管理系統(tǒng)基本構(gòu)成和功能任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知1.數(shù)據(jù)采集2.電池狀態(tài)計(jì)算3.能量管理4.安全管理5.熱管理6.均衡控制7.通信功能任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知（二）典型電池管理系統(tǒng)的組成1.分控盒和主控盒北汽EV160的動(dòng)力蓄電池由10個(gè)電池模組組成，分成兩組，每組5個(gè)電池模組共用一個(gè)分控盒，將各自的電壓、溫度等信號(hào)傳遞給主控盒。分控盒有3個(gè)接口，最左側(cè)的線束接口連接主控盒，中間的線束接口進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)，最右側(cè)的接口連接各個(gè)傳感器，用來進(jìn)行電池電量估算、溫度控制等。分控盒監(jiān)控動(dòng)力蓄電池的單體電池電壓、電池組的溫度，主要功能：監(jiān)控每個(gè)單體電壓、監(jiān)控每個(gè)電池組的溫度、檢測(cè)高壓系統(tǒng)絕緣性能、電量值監(jiān)測(cè)、將以上項(xiàng)目監(jiān)控到的數(shù)據(jù)反饋給主控盒。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知兩個(gè)分控盒通過總線連接到主控盒，將各個(gè)電池的基本信息傳遞給主控盒。主控盒接收分控盒傳來的信息，同時(shí)，主控盒也是一個(gè)連接外部通信和內(nèi)部通信的平臺(tái)，主要功能如下：接收電池管理系統(tǒng)反饋的實(shí)時(shí)溫度和單體電壓、接收高壓盒反饋的總電壓和電流情況、與整車控制器的通信、與充電機(jī)或快充柱通信、控制正/負(fù)主繼電器、控制電池加熱、喚醒應(yīng)答、控制充/放電電流等。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知2.高壓盒高壓盒的線路連接到接觸器盒，高壓盒內(nèi)部有繼電器，用來控制接觸器的電流通斷，同時(shí)高壓控制盒還將動(dòng)力蓄電池總電流監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成低壓信號(hào)發(fā)送到總線上。高壓盒在電池中和主控盒安裝在一起。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知3.接觸器盒在電動(dòng)汽車中，采用接觸器控制動(dòng)力蓄電池的電流通斷，在電池管理系統(tǒng)中，主接觸器位于電池前端、主控盒的右側(cè)。接觸器和繼電器的工作原理是一樣的，用來實(shí)現(xiàn)電路的通斷。繼電器的主要作用是信號(hào)檢測(cè)、傳遞、變換或處理，通斷的電路電流較小，一般用在控制電路中。接觸器主要用在接通或斷開主電路。打開接觸器盒蓋，可以看到接觸器、熔斷器等。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知4.輔助元件主要包括動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)內(nèi)部的電子電器元件（如熔斷器、接觸器、電流傳感器、插接件、維修開關(guān)、煙霧傳感器等）、維修開關(guān)以及電子電器元件以外的輔助元器件（如密封條、絕緣材料等）。對(duì)于電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)，需要進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)等，因此需要有相應(yīng)的傳感器檢測(cè)相應(yīng)的信號(hào)。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知二、電池管理系統(tǒng)原理最早的電池管理系統(tǒng)僅僅進(jìn)行電池一次測(cè)量參數(shù)（電壓、電流、溫度等）的采集，之后發(fā)展到二次參數(shù)（SOC、內(nèi)阻）的測(cè)量和預(yù)測(cè)，并根據(jù)極端參數(shù)進(jìn)行電池狀態(tài)預(yù)警?，F(xiàn)階段電池管理系統(tǒng)除完成數(shù)據(jù)測(cè)量和預(yù)警功能外，還通過數(shù)據(jù)總線直接參與車輛狀態(tài)的控制。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知三、動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)采集方法（一）單體電池電壓檢測(cè)方法1.繼電器陣列法任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知圖為基于繼電器陣列法的電池電壓采集電路原理框圖，其由端電壓傳感器、繼電器陣列、A/D轉(zhuǎn)換芯片、光耦、多路模擬開關(guān)等組成。如果需要測(cè)量n塊串聯(lián)成組電池的端電壓，就需要將n+1根導(dǎo)線引入電池組中各節(jié)點(diǎn)。當(dāng)測(cè)量第m塊電池的端電壓時(shí)，單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，通過多路模擬開關(guān)、光耦和繼電器驅(qū)動(dòng)電路選通相應(yīng)的繼電器，將第m和m+1根導(dǎo)線引入到A/D轉(zhuǎn)換芯片。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知2.恒流源法恒流源電路進(jìn)行電池電壓采集的基本原理是，在不使用轉(zhuǎn)換電阻的前提下，將電池端電壓轉(zhuǎn)化為與之呈線性變化關(guān)系的電流信號(hào)，以此提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在串聯(lián)電池組中，由于電池端電壓也就是電池組相鄰兩節(jié)點(diǎn)間的電壓差，故要求恒流源電路具有很好的共模抑制能力，一般在設(shè)計(jì)過程中多選用集成運(yùn)算放大器來達(dá)到此種目的。出于設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用場(chǎng)合的不同，恒流源電路會(huì)有多種形式，較常見的是由運(yùn)算放大器和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管組合構(gòu)成的減法運(yùn)算恒流源電路。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知3.隔離運(yùn)放采集法隔離運(yùn)算放大器是一種能夠?qū)δM信號(hào)進(jìn)行電氣隔離的電子元件，廣泛用作工業(yè)過程控制中的隔離器和各種電源設(shè)備中的隔離介質(zhì)。一般由輸入和輸出兩部分組成，二者單獨(dú)供電，并以隔離層劃分，信號(hào)經(jīng)輸入部分調(diào)制處理后經(jīng)過隔離層，再由輸出部分解調(diào)復(fù)現(xiàn)。隔離運(yùn)算放大器非常適合應(yīng)用于單體電池電壓采集電路中，它能將輸入的電池端電壓信號(hào)與電路隔離，從而避免了外界干擾而使系統(tǒng)采集精度提高，可靠性增強(qiáng)。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知如圖所示，是隔離運(yùn)算放大器在600V動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，其中共有50塊額定電壓為12V的水平鉛酸電池，其端電壓被隔離運(yùn)放電路逐一采集。ISO122是美國(guó)BB公司采用滯回調(diào)制-解調(diào)技術(shù)設(shè)計(jì)的隔離放大器，采用精密電容耦合技術(shù)和常規(guī)的雙列式DIP封裝技術(shù)。ISO122的輸入和輸出部分分別位于殼體兩邊，中間用兩個(gè)匹配的1pF電容形成隔離層，其額定隔離電壓大于1500V（交流60Hz連續(xù)），隔離阻抗大，并且具有高的增益精度和線性度，從而滿足了實(shí)際應(yīng)用要求。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知4.壓/頻轉(zhuǎn)換電路采集法如下圖是壓/頻轉(zhuǎn)換器LM331用作高精度壓/頻轉(zhuǎn)換的電路原理圖，LM331是美國(guó)FS公司生產(chǎn)的高性價(jià)比集成（V/f

）芯片，它采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和電源電壓低到4.0V時(shí)都有極高的精度。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知該采集方法中，電壓信號(hào)直接被轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，隨即就可以進(jìn)入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器端口進(jìn)行處理，而不需A/D轉(zhuǎn)換。此外，為了配合壓/頻轉(zhuǎn)換電路在單體電池電壓采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，相應(yīng)選擇的電路和運(yùn)算放大電路也需加以設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)多路采集的功能。這種方法所涉及的元件比較少，但是壓控振蕩器中含有電容器，而電容器的相對(duì)誤差一般都比較大，而且電容越大相對(duì)誤差也越大。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知5.線性光耦合放大電路采集法線性光耦TL300由一個(gè)利用紅外LED照射而分叉配置的隔離反饋光二極管和一個(gè)輸出光二極管組成，并采用特殊工藝技術(shù)來補(bǔ)償LED時(shí)間和溫度特性的非線性，使一個(gè)輸出信號(hào)與LED發(fā)出的伺服光通量呈線性比例。TIL300具有3500V的峰值隔離度，帶寬大于200kHz，適合直流與交流信號(hào)的隔離放大，并且輸出增益穩(wěn)定度為0.05%/℃。從圖3-9中不難看出，單體電池電壓值（即U1與U2之差）經(jīng)運(yùn)算放大器A1后被轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)Ip1并流過線性光耦TIL300，經(jīng)光電離后輸出與Ip1呈線性關(guān)系的電流量Ip2，再由運(yùn)算放大器A2轉(zhuǎn)化為電壓值得以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并完成采集。值得注意的是，線性光耦兩端需要使用不同的獨(dú)立電源，在圖中分別標(biāo)示為1Vcc+和2Vcc+。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知（二）電池溫度采集方法1.熱敏電阻采集法熱敏電阻采集法的原理是利用熱敏電阻阻值隨溫度的變化而變化的特性，用一個(gè)定值電阻和熱敏電阻串聯(lián)起來構(gòu)成一個(gè)分壓電路而把溫度的高低轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換得到溫度的數(shù)字信息。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知2.熱電偶采集法熱電偶的作用原理是雙金屬體在不同溫度下會(huì)產(chǎn)生不同的熱電動(dòng)勢(shì)，通過采集這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的值就可以通過查表得到溫度的值。由于熱電動(dòng)勢(shì)的值僅和材料有關(guān)，所以熱電偶的準(zhǔn)確度很高。但是由于熱電動(dòng)勢(shì)都是毫伏等級(jí)的信號(hào)，所以需要放大，外部電路比較復(fù)雜。一般來說金屬的熔點(diǎn)都比較高，所以熱電偶一般都用于高溫的測(cè)量。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知3.集成溫度傳感器采集法由于溫度的測(cè)量在日常生產(chǎn)、生活中用得越來越多，半導(dǎo)體生產(chǎn)商們都推出了很多集成溫度傳感器。這些溫度傳感器雖然很多都是基于熱敏電阻式的，但都在生產(chǎn)的過程中進(jìn)行校正，所以精度可以媲美熱電偶，而且直接輸出數(shù)字量，很適合在數(shù)字系統(tǒng)中使用。任務(wù)1動(dòng)力電池管理系統(tǒng)基本原理認(rèn)知（三）電池工作電流采集方法常用的電流檢測(cè)方式有分流器、互感器、霍爾元件電流傳感器和光纖傳感器等四種。任務(wù)1動(dòng)力電池管