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动力电池系统设计讲解(二)

   次浏览   本站   2018-01-03

       电池管理系统在硬件上可以分为主课模块和从控模块两大块。主要由数据采集单元(采集模块)、中央处理单元(主控模块)、显示单元、均衡单元检测模块(电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测)、控制部件(熔断装置、继电器)等组成。中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成,数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等组成。一般采用CAN现场总线技术实现相互间的信息通讯。
  在动力电池管理系统中的软件设计功能一般包括电压检测、温度采集、电流检测、绝缘检测、SOC 估算、CAN 通讯、放电均衡功能、系统自检功能、系统检测功能、充电管理、热管理等。整体的设计指标包括最高可测量总电压、最大可测量电流、SOC估算误差、单体电压测量精度、电流测量精度、温度测量精度、工作温度范围、CAN通讯、故障诊断、故障记忆功能、在线监测与调试功能等。
  BMS通过通讯接口与整车控制器、电机控制器、能量管理系统、车载显示系统等进行通讯,整个工作过程大致为:首先利用数据采集模块采取电池的电流、电压和温度等数据→然后采集到的数据发送给主控模块→主控模块对数据进行分析和处理后,发出对应的程序控制和变更指令→最后对应的模块做出处理措施,对电池系统或电池进行调控,同时将实时数据发送到显示单元模块。
   在电池管理系统的技术要求方面要满足相关标准,比如QC/T 897-2011:
   ·电池管理系统与动力电池相连的带电部件和其壳体之间的绝缘电阻值不小于2MΩ。
   ·电池管理系统应能经受相关的绝缘耐压性能试验,在试验过程中应无击穿或闪络等破坏性放电现象。
   ·SOC的估算精度要求不大于10%。
   ·电池管理系统应能在相关规定条件下,比如过电压运行、欠电压运行、高低温运行情况下满足状态参数测量精度的要求。
   3.热管理系统的设计
   电池热管理系统是从使角度出发,用来确保电池系统工作在适宜温度范围内的一套管理系统,主要由电池箱、传热介质、监测设备等部件构成。电池热管理系统有如下几项主要功能:(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。
  当车辆在不同运行工况下,电池系统由于其自身有一定的内阻,在输出功率、电能的同时产生一定的热量从而产生热量累积使电池温度升高,空间布置的不同使得各处电池温度并不一致。当电池温度超出其正常工作温度区间时,必须限功率工作,否则会影响电池的寿命。为了保证电池系统的电性能和寿命,车用动力电池系统一般设计具有热管理系统。
  可以从动力电池系统本身结构组成看到,热管理系统设计时要考虑到电池单体和电池模块两个层次的结构。因此在电池系统的整体设计中就必须要考虑到电池单体和电池模块所在位置的温度环境的影响。在进行电池热管理系统设计时,一般设计要求有如下几个方面:
  ·电池满功率工作的温度区间定义及电池降功率工作区间定义。具备电池低温启动性能要求及电池隔热功能。
  ·电池制冷和制热功能:电池系统需要设计在低温下能够快速升温, 以达到整车大功率和能量的需求, 或者整车热管理系统采用空调系统或发动机冷却水来维持电池系统在最优的工作温度区间。而采用主动方式还是被动方式的加热和散热,效率会有很大差别。

  ·制冷和制热方案, 如风冷或液冷。风冷方案设计主要考虑电池系统结构的设计, 风道, 风扇的位置及功率的选择, 风扇的控制策略等。液冷方案设计主要考虑冷却管道, 流场, 进出口冷却剂的流量、温度、压降。水泵及整车空调压缩机的控制策略等。在采用风冷冷却系统与与液冷冷却系统时要考虑各自的优缺点。


风冷冷却结构和液冷式冷却结构示意图

4.电气及机械系统的设计

   电气及机械系统主要包括高压系统、电池箱体、连接线束、机械接插件等,其中高压系统主要由继电器、电流传感器、电阻和熔断器等器件组成。电气系统能够保证设备运行的可靠与安全,实现某项控制功能。电池系统的箱体则要固定安装到整车上,是电动汽车的一个重要的零部件组成。因此,电池箱体必须具备一些基本功能,如与整车的信号通信,电源输出,增程器充电输入,维护开关设计等。

  动力电池系统的电气系统设计主要涉及到高压部分,在设计高电压系统时,需要考虑电力供给端和输出端的平衡。电力供给端对于EV指的是驱动用电池;对于HEV和PHEV则指的是驱动用电池和发动机的发电电力。车辆则需要根据车辆状态和行驶状态随时改变供给端。输出端是指由高电压电力驱动的机器,如用于驱动的电机、空调设备、DC-DC电源转换器、电动转向助力器等。高压系统的安全设计尤为重要,在高压线路上配置手动维修开关,自动断路器、动力控制继电器、系统互锁和高压熔断器。整个箱体内采用电木和环氧板进行高压电绝缘;箱体外部与车底盘可靠连接;电池管理系统对系统绝缘电阻实施监控。



A123的动力电池系统及电池箱外观

  电池箱作为电池模块的承载体,对电池模块的安全工作和防护起着关键作用。电池箱的外观设计主要从材质、表面防腐蚀、绝缘处理、产品标识等方面进行。电池箱体的设计目标要满足强度刚度要求和电气设备外壳防护等级IP67设计要求并且提供碰撞保护,箱内电池模块在底板生根,线束走向合理、美观且固定可靠。设计的通用要求要满足相关标准,比如QC/T 989-2014:
  (1)一般要求
  ·具有维护的方便性。
  ·在车辆发生碰撞或电池发生自燃等意外情况下,宜考虑防止烟火、液体、气体等进入车厢的结构或防护措施。
  ·电池箱应留有铭牌与安全标志布置位置,给保险、动力线、采集线、各种传感元件的安装留有足够的空间和固定基础。
  ·所有无级基本绝缘的连接件、端子、电触头应采取加强防护。在连接件、端子、电触头接合后应符合GB 4208-2008防护等级为3的要求。
  (2)外观与尺寸
  ·外表面无明显的划伤、变形等缺陷,表面涂镀层应均匀。
  ·零部件紧固可靠,无锈蚀、毛刺、裂纹等缺陷和损伤。
  (3)机械强度
  ·耐振动强度和耐冲击强度,在试验后不应有机械损坏、变形和紧固部位的松动现象,锁止装置不应受到损坏。
  ·采取锁止装置固定的蓄电池箱,锁止装置应可靠,具有防误操作措施。
  (4)安全要求
  ·在试验后,蓄电池箱防护等级不低于IP55。
  ·人员触电防护应符合相关要求。
  5.相关规范标准要求
  在完成整个动力电池系统的设计后,制作好的动力电池系统必须经过台架性能测试,验证是否符合设计要求,再经过装车试验,对系统进行改进和完善。整个动力电池系统的各个设计部分均需要符合相关规范标准要求,比如电池箱内所有连接线阻燃和耐火性能需满足GB/T 19666-2005的要求,其他一些在动力电池系统设计过程中涉及到的相关标准如表所示。


总结
  从目前电动汽车的发展来看,最大的障碍就是动力电池系统的性能。虽然单体电池的技术在不断发展,性能与以前相比已有很大地提高,但是目前的充放电技术和电池管理技术相对不成熟先进,导致电池在成组后一致性降低、性能衰减。动力电池系统的设计优劣是关键影响因素之一,因此需要针对动力电池系统不断进行结构优化和设计分析。
  本文简单地从整体上探讨了动力电池系统设计,并未深入,因为这是一门涉及面广、专业知识纵深度强的领域。动力电池系统是一个综合电池技术、电控技术、结构设计技术和热能分析技术的复杂体系,需要各个相关行业的技术人员通力合作来完成。

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