純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)汽車工程專業(yè)

《純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)汽車工程專業(yè)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)汽車工程專業(yè)（48頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 題 目：純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 在社會(huì)文明的不斷推進(jìn)中，汽車行業(yè)的發(fā)展日新月異，而作為新時(shí)代的電動(dòng)汽車則是解決未來(lái)能源問(wèn)題的關(guān)鍵，還有現(xiàn)階段，電動(dòng)汽車的使用量與日俱增，其中的問(wèn)題也是層出不窮。因此緩解甚至解決動(dòng)力汽車的難題顯得愈發(fā)重要，電動(dòng)汽車中最重要的零部件為電池組，它是電動(dòng)汽車的核心部件。 因此動(dòng)力汽車中的電池管理系統(tǒng)是汽車整個(gè)系統(tǒng)中的核心部分，它對(duì)汽車的安全、穩(wěn)定、耐用性、起著掌控作用。所以在此種情況下，筆者選取純電動(dòng)汽車的電池安全管理系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行一系列的探討和設(shè)計(jì)。 （1） 對(duì)動(dòng)力電池如鋰電池的性能進(jìn)行比較，并

2、對(duì)其多次進(jìn)行脈沖充電的實(shí)驗(yàn)以研究其電池特性。 （2） 對(duì)高壓電系統(tǒng)以及動(dòng)力電池的故障特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，了解其故障級(jí)別。 （3） 設(shè)計(jì)與汽車電池安全管理有關(guān)的應(yīng)用軟件，針對(duì)系統(tǒng)中不同部位的功能進(jìn)行研究后，使用密集和分散的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用主控芯片為主導(dǎo)以控制各個(gè)部位的功能，并建立電池組信息采集、充放電管理、故障檢測(cè)及保護(hù)等職能。 關(guān)鍵詞： 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)；電池故障分析；電池特性分析；純電動(dòng)汽車 Design of Battery Safety Management System for Pure Electric Vehicle Abstract：

3、With the continuous development and progress of society, the development of automobiles is also constantly updated, and as a new era of electric vehicles is the key to solve the future energy problems, and at this stage, the use of electric vehicles is increasing day by day, among which problems eme

4、rge endlessly. Therefore, it is more and more important to alleviate or even solve the problem of electric vehicles, and as the core factor of electric vehicles, there is no better than the battery problem. BMS (Battery Management System) is undoubtedly the most important part of the power car, w

5、hich controls the safety, practicability, durability and other aspects of the power car. Therefore, under this background, I research and design the battery safety management system of pure electric vehicle. (1) Comparing the performance characteristics of lithium-ion plasma battery, and conducti

6、ng pulse charging experiments for many times to study its battery characteristics. (2) The fault characteristics of high voltage system and power battery are analyzed and studied to understand their fault level. (3) The hardware and software of automobile battery safety management are designed

7、, and after analyzing the function of each part of the system, the design adopts a dense and decentralized structure, and the main control chip controls the functional modules as a whole, and realizes the functions of battery information collection, charge and discharge management, fault detection a

8、nd protection. Keywords: Power Battery Management System; Battery Failure Analysis; Battery Characteristic Analysis; Pure Electric Vehicle 目錄 摘要 Abstract 第1章緒論 1.1研究背景及其意義 1.1.1研究的背景 1.1.2研究的意義 1.2成果的現(xiàn)狀 1.2.1國(guó)外研究綜述 1.2.2國(guó)內(nèi)研究綜述 1.3研究?jī)?nèi)容 1.4本章小結(jié) 第2章鋰電池的原理

9、及其特性分析 2.1 電動(dòng)汽車常用動(dòng)力電池介紹 2.1.1 鉛酸電池 2.1.2 鎳氫電池（Ni/H） 2.1.3 鋰離子電池 2.2鋰離子電池工作原理及其特性分析 2.3本章小結(jié) 第3章高壓系統(tǒng)的故障分析和管理 3.1故障級(jí)別 3.1.2動(dòng)力蓄電池故障 3.1.3絕緣失效故障 3.1.4 接觸不良或斷路故障 3.1.5 系統(tǒng)上電瞬態(tài)沖擊故障 3.1.6 短路故障 3.1.7 突發(fā)事故類故障 3.2 高壓系統(tǒng)故障診斷與安全控制策略 3.2.1 故障優(yōu)先級(jí) 3.2.2 故障診斷 3.2.3 系統(tǒng)上電啟動(dòng)

10、控制策略 3.2.4 系統(tǒng)運(yùn)行管理策略 3.2.5 系統(tǒng)停車控制策略 3.3 本章小結(jié) 第4章純動(dòng)力電動(dòng)車電池安全管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)： 4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1.1放電回路模塊設(shè)計(jì) 4.1.2能量均衡模塊設(shè)計(jì) 4.1.3電源模塊設(shè)計(jì) 4.1.4開(kāi)關(guān)控制模塊設(shè)計(jì) 4.1.5采樣模塊設(shè)計(jì) 4.1.6通信模塊設(shè)計(jì) 4.1.7接入喚醒模塊設(shè)計(jì) 4.2本章小結(jié) 第一章：緒論 1.1課題背景及意義： 1.1.1研究的背景 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車的制造業(yè)也從傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)發(fā)展到機(jī)械化生產(chǎn)直至現(xiàn)在的智能化生產(chǎn)，技術(shù)已趨于完善和成熟。在經(jīng)濟(jì)的高

11、速發(fā)展下，人們的生活水平日益提高，購(gòu)買私家汽車已不再是遙不可及的夢(mèng)想。現(xiàn)在越來(lái)越多的私家汽車步入了人們的日常生活中，給居民出行帶來(lái)了極大的方便。汽車制造業(yè)為最能反映一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的產(chǎn)品，它需要能源、冶金、化工、鋼鐵、機(jī)械制造等多種重工業(yè)協(xié)同生產(chǎn)完成的?，F(xiàn)階段，電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，成為了新能源汽車的一個(gè)典型代表，然而其存在造價(jià)過(guò)高、續(xù)航能力不足、動(dòng)力較差、使用壽命不長(zhǎng)等諸多弊端。而影響這些因素的關(guān)鍵原因與電源有直接關(guān)系。因此，電源的制造技術(shù)是限制電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電源生產(chǎn)技術(shù)主要包含兩方面：一是動(dòng)力電池技術(shù)；二是電池管理技術(shù)。兩者相輔相成。[3]由于目前的動(dòng)力電池在能量密度、一致性、安全性等

12、方面還未完全盡如人意，由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)是發(fā)展電動(dòng)汽車技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。它的作用在于電池性能在某種條件的情況下，盡可能提高電源的利用率及可靠性，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能高能化。[4] 電池組中的單體電池由于個(gè)體差異（如電池生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的差異，使用過(guò)程中的差異等）會(huì)導(dǎo)致電池組一致性的差異，這些差異性集中表現(xiàn)為由于充放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生的過(guò)沖、過(guò)放等現(xiàn)象；當(dāng)電池的充電放電次數(shù)不斷增長(zhǎng)后，會(huì)使電池的極化效應(yīng)增強(qiáng)、電解液電導(dǎo)率下降和電池內(nèi)部隔膜損壞而導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，這是引起鋰電池在充放電次數(shù)不斷增加后，導(dǎo)致電池容量減少的根本原因。[5]所以發(fā)展動(dòng)力電池的安全管理系統(tǒng)，是電動(dòng)汽車走向市場(chǎng)前未來(lái)發(fā)展的必然方向。該系統(tǒng)能夠

13、合理的分配電池電量，對(duì)電池起到保護(hù)作用，同時(shí)保證電池內(nèi)部電能得到合理使用，并為駕駛?cè)藛T提供可靠的電池不斷變化參數(shù)顯示，是延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的重要組成部分。所以，BMS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和研究在未來(lái)電動(dòng)汽車發(fā)展過(guò)程中前景廣大。[3] 對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池系統(tǒng)為它的關(guān)鍵部位，其中動(dòng)力電池系統(tǒng)是由單個(gè)鋰電池和電池管理系統(tǒng)（BMS）組成的。特別是BMS是動(dòng)力電池系統(tǒng)中的核心組成部分，因?yàn)樗饕?fù)責(zé)電池系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和檢測(cè)。BMS的可靠性是動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求。這是由于在不同的惡劣的環(huán)境條件下，Bms的運(yùn)行會(huì)受到很多因素的干擾。[6] 1.1.2研究的意義 我國(guó)以及國(guó)外的學(xué)者一直未停止對(duì)電動(dòng)汽車

14、中的電子安全管理系統(tǒng)的研究，并對(duì)該領(lǐng)域研究持續(xù)深入，可以這樣說(shuō),國(guó)內(nèi)外對(duì)于純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池安全管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)成果都是很豐碩的,對(duì)于保護(hù)車載電源、提高動(dòng)力電池壽命、增加安全性能有很大的重要意義。 1.2研究現(xiàn)狀 1.2.1國(guó)外研究相關(guān)綜述 在國(guó)外有學(xué)者提出了一種基于平均功率法的小型電動(dòng)汽車半主動(dòng)混合動(dòng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)的簡(jiǎn)單功率分配策略，通過(guò)采用基于平均功率法的功率分裂策略，半主動(dòng)HESS系統(tǒng)中的超級(jí)電容器可以作為自適應(yīng)功率濾波器。在此基礎(chǔ)上，蓄電池只需向電機(jī)逆變器提供恒定/最佳功率或補(bǔ)償功率。并將仿真模型融合在Matlab、Simulink中。大幅度提高了動(dòng)力電池的功率效率和電流幅度

15、，使用SC提供保護(hù)和峰值功率，確保了動(dòng)力電池的使用期間增加,以及安全性能的提升。[7]一些學(xué)者表示電解質(zhì)作為鋰離子電池中最易燃的組分，一直被認(rèn)為與其安全性密切相關(guān)。增強(qiáng)鋰離子電子安全性能的關(guān)鍵要素為電解質(zhì)，因此對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)使用靜電紡絲和微膠囊等新型加成技術(shù)，以減少對(duì)阻燃劑物理性能的限制，改善其電化學(xué)性能。[8]有些學(xué)者提出：電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的存在能夠促進(jìn)電池穩(wěn)定、效率較高和安全性功能，其中現(xiàn)代商用電動(dòng)汽車通常采用液基電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，具有很高的傳熱效率和冷卻或加熱功能。該學(xué)者從低溫、高溫和不同溫度三個(gè)方面考察了溫度對(duì)電池性能的影響，接著討論了電池管理系統(tǒng)，重點(diǎn)驗(yàn)證了電池建模方法與熱管理策略

16、對(duì)動(dòng)力電池安全性能的影響。[9]又有學(xué)者提出：當(dāng)電池內(nèi)部的電流較大時(shí)，無(wú)論是充電還是耗電均能夠使電池產(chǎn)生很大熱量。以使混合動(dòng)力傳動(dòng)系的溫度保持在安全范圍內(nèi)。所以研究者通過(guò)實(shí)證研究的方式結(jié)合理論，構(gòu)建了相變材料和空冷相融合的熱管理體系。通過(guò)采用集成熱管理系統(tǒng)，并構(gòu)建了電池的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。與此同時(shí)，計(jì)算了熱發(fā)電功率、熱阻和時(shí)間常數(shù)，并分析了動(dòng)力電池接下來(lái)的熱阻、初始溫度、熔化溫度和環(huán)境溫度等控制參數(shù)對(duì)集成熱管理系統(tǒng)性能的影響。[10]有些學(xué)者研究鋰離子電池的發(fā)熱現(xiàn)象和臨界發(fā)熱問(wèn)題，根據(jù)熱循環(huán)選項(xiàng)進(jìn)行分類。一種具有蒸氣壓縮循環(huán)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，包括客艙空氣冷卻、二回路液體冷卻和直接制冷劑兩相冷卻等

17、相關(guān)的學(xué)術(shù)問(wèn)題，他們從電池的最高溫度和最大溫差兩個(gè)方面對(duì)各電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行了討論與綜述，對(duì)各系統(tǒng)的不足之處進(jìn)行了補(bǔ)充，在此基礎(chǔ)上推出電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，為高性能電池的熱管理提供了一種有效的解決方案。[11] 1.2.2國(guó)內(nèi)研究相關(guān)綜述 在我國(guó)，大部分專家學(xué)者的觀點(diǎn)是，能源汽車的主要?jiǎng)恿?lái)源于電池的供應(yīng)，而對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行安全、有效的管理是新能源汽車的一項(xiàng)核心技術(shù)。研究者指出通過(guò)建立電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、信息交互、安全保護(hù)，以保障電動(dòng)車在行駛過(guò)程中電力供應(yīng)的安全性、合理性、高效性。在開(kāi)發(fā)BMS系統(tǒng)過(guò)程中，兩項(xiàng)核心技術(shù)分別是：電池剩余電量估算技術(shù)和均衡控制技術(shù)。[12]一些專家

18、將電池專用采集轉(zhuǎn)換芯片OZ890，用于對(duì)總電壓、電流、溫度等多個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行單片機(jī)的數(shù)據(jù)收集。并對(duì)收集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，作為SOC估算、電池組均衡控制、電池組熱管理等方面研究的參考數(shù)據(jù)。[13]另外部分的專家，在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)的格式創(chuàng)建，利用基于電池能量的方法來(lái)估算電池荷電狀態(tài)(SOC, State of Charge)和電池健康狀態(tài)(SOH, State of Health)。[14]另外一些國(guó)內(nèi)的專家，以26650磷酸鐵鋰電池這種電動(dòng)汽車最為常用的動(dòng)力電池作為研究對(duì)象，將電池單體至于環(huán)境可控的電池測(cè)試平臺(tái)儀器中，進(jìn)行了一系列電池容量、充電效率、開(kāi)路電壓、歐姆電阻以及極

19、化電容電阻的標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)。并將實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，構(gòu)建了溫度與電池外性能參數(shù)的數(shù)據(jù)模型。[15]不少專家就集中式電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上存在的不足，提出了自己的觀點(diǎn)，并初步構(gòu)建出實(shí)用性較強(qiáng)和非常靈活的的計(jì)算式電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本框架，在此基礎(chǔ)上成功的研發(fā)出一種嵌入式電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)完美的兼容了硬件與軟件之間的銜接問(wèn)題，通過(guò)Soc算法的多種方式結(jié)合，最終完成電池電量監(jiān)控的準(zhǔn)確性和安全性。[16]

20、 1.3研究?jī)?nèi)容 本文主要研究?jī)?nèi)容如下： （1） 對(duì)高壓電系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析和研究 （2） 動(dòng)力電池的研究原理及其特性 （3） 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.4本章小結(jié) 近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)關(guān)于電動(dòng)汽車領(lǐng)域內(nèi)的電池安全管理系統(tǒng)研究熱度一直較高，具有重要的戰(zhàn)略意義。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)無(wú)論是在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)都是熱點(diǎn)，我認(rèn)為如何使動(dòng)力電池變得更加實(shí)用，更加耐用，其中安全方面無(wú)疑是重中之重。 第二章鋰電池的原理及其特性分析 2.1 電動(dòng)汽車常用動(dòng)力電池介紹 一般，較普遍應(yīng)用于電動(dòng)汽車中的動(dòng)力電池主要有三大類，分別是：鉛

21、酸動(dòng) 力電池、鎳氫動(dòng)力電池（Ni/H）以及鋰離子動(dòng)力電池。 2.1.1 鉛酸電池 在眾多電池中，以鉛酸電池歷史最為長(zhǎng)遠(yuǎn)，從人類對(duì)蓄電池研究之初至現(xiàn)在，鉛酸蓄電池已經(jīng)歷了150年的歷史，人類在鉛酸蓄電池研究領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)已相當(dāng)成熟。先鉛酸電池具有價(jià)格低廉、材料易獲取、性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟度高、能夠承受大電流放電功能、適合于各種氣候環(huán)境等多種優(yōu)點(diǎn)，在交通、通訊、軍事等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域方面做出巨大的貢獻(xiàn)，其重要性不言而喻。鉛酸蓄電池通過(guò)在其正極以及負(fù)極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（反應(yīng)可逆）以實(shí)現(xiàn)電池充放電過(guò)程。鉛酸蓄電池電極成分主要是 Pb 粉末及2PbSO2 ，將硫酸的水溶液作為電解液

22、[17]。 反應(yīng)方程式如下： - 負(fù)極反應(yīng): PbSO2+3H++HSO4-→ PbSO4+2H2O+ 式（2.1） 正極反應(yīng): Pb+HSO4- → PbSO4+ H++2e- + + 式（2.2） -+ + + 電池反應(yīng)：Pb+PbSO2+2H-+2HSO4-→2PbSO4+2H2O+ 式（2.3） 現(xiàn)階段，制約我國(guó)鉛酸蓄電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素主要集中在三個(gè)方面，首先，某些不良企業(yè)違反國(guó)家相應(yīng)法律規(guī)定，私自違法從事報(bào)廢鉛酸蓄電池回收管理工作，大量的廢舊鉛酸蓄電池通過(guò)非法途徑，進(jìn)入回收渠道，導(dǎo)致正規(guī)的鉛酸蓄電池回收

23、企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中明顯處于劣勢(shì)。其次，一些不良商家私自生產(chǎn)非法鉛酸蓄電池和再生鉛酸蓄電池，由于技術(shù)水平落后，使一些技術(shù)水平較差的劣質(zhì)電池流入市場(chǎng)，導(dǎo)致正規(guī)企業(yè)的市場(chǎng)空間遭到擠壓，損害了我國(guó)鉛酸蓄電池市場(chǎng)的健康發(fā)展。第三，一些規(guī)模較小的鉛酸蓄電池生產(chǎn)企業(yè)，由于技術(shù)技術(shù)和資金力量不足，無(wú)法加電池，生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中的污染降到最低，并且由于企業(yè)規(guī)模較小使先進(jìn)的電池生產(chǎn)技術(shù)得不到推廣，限制了該行業(yè)的發(fā)展。 2.1.2 鎳氫電池（Ni/H） 鎳氫電池真正投入使用是從 1988 年左右，開(kāi)始進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)是 1990 年在日本。該類電池在各種性能方面均優(yōu)于鉛酸蓄電池，但其成本也較高。有些類別的鎳氫電池的循環(huán)使用

24、能力、快充能力均較強(qiáng)，容量、功率也較高，能夠適應(yīng)的溫度范圍也較廣，因此，這種電池的性能，符合混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的使用條件，現(xiàn)已廣泛的實(shí)際應(yīng)用于眾多混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（最典型的的即為豐田普銳斯），發(fā)展成為該市場(chǎng)內(nèi)的主流產(chǎn)品，與此同時(shí)，該類型的動(dòng)力電池在電子產(chǎn)品、電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車等日常生活用品中也得到了廣泛的使用。[18李曉霖] 電極極片中采用燒結(jié)式、拉漿式、泡沫鎳式、纖維鎳式及嵌滲式等工藝手段將活性物質(zhì)進(jìn)行添加，采用的工藝不同，電極的含量和電流放電能力都有很大不同，依據(jù)使用的行業(yè)不同，為一般公眾使用的電池多數(shù)使用拉漿式負(fù)極、泡沫鎳式正極組成的電池。 反應(yīng)方程式如下 ： 負(fù)極反應(yīng)

25、：N(OH)2+OH-→NOOH+H2O+e- 式（2.4） 正極反應(yīng) ：M+H2O+e-→MHx+OH- 式（2.5） 電池反應(yīng) ：M+Ni(OH)2→MHx+NiOOH 式（2.6） 時(shí)至今日，鎳氫電池的生產(chǎn)技術(shù)已日趨完善，在國(guó)際市場(chǎng)上流通的鎳氫電池?cái)?shù)量大概有七億只左右，其中日本相關(guān)產(chǎn)品一直占據(jù)鎳氫電池制造產(chǎn)業(yè)的龍頭地位，美、德也緊隨其后，多年來(lái)在鎳氫電池的生產(chǎn)技術(shù)上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。而我國(guó)在生產(chǎn)鎳氫電池方面具有巨大的潛力，這是由于我國(guó)境內(nèi)該電池的主

26、要原材-稀土金屬資源儲(chǔ)量巨大，約占全世界總量的八成以上。在多年的科學(xué)研究下，我國(guó)鎳氫電池生產(chǎn)技術(shù)也日趨完善。由于，鎳氫電池與鋅錳電池級(jí)、鎳電池之間能夠交叉式利用，因此，未來(lái)圓形電池的主要發(fā)展方向是具有一定規(guī)格的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，方形電池的發(fā)展方向則適用于給電動(dòng)汽車提供能源供應(yīng)。 2.1.3 鋰離子電池 由于鋰電池自帶的保護(hù)板可以對(duì)每一個(gè)電池單體進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)，因而鋰電池具有低能耗、智能管理、充放電保護(hù)、溫度控制、過(guò)電流及短路保護(hù)、鎖定自動(dòng)恢復(fù)以及均衡充電等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠保證電池的使用壽命最大程度的延長(zhǎng)。這與其他類型的電池，如鉛酸電池存在的使用過(guò)程當(dāng)中，電池一致性和充電器等原因造成的過(guò)充或

27、過(guò)放問(wèn)題。但是它的缺點(diǎn)也很明顯其一是價(jià)格比普通電池更昂貴其二是具有一定的安全隱患。 首先價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)方面的劣勢(shì)，對(duì)于同等電壓電容量的先刷蓄電池其價(jià)格只有鋰離子電動(dòng)力電池價(jià)格的四分之一。但相信不久的將來(lái)，隨著鋰電池技術(shù)的不斷成熟，所對(duì)應(yīng)的價(jià)格將有所下降，而傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，會(huì)因?yàn)橹谱鞴に囅鄬?duì)落后，隨著人工費(fèi)的增長(zhǎng)而有所提高，最終導(dǎo)致鋰電池的性價(jià)比高于鉛酸蓄電池。另外就安全方面而言：鋰電池具有儲(chǔ)存能量較高，使用劣等材質(zhì)生產(chǎn)時(shí)存在穩(wěn)定性較差的安全隱患，導(dǎo)致其安全性受到廣泛關(guān)注。眾所周知，2013年，著名的外國(guó)品牌手機(jī)和筆記本出現(xiàn)鋰電池爆炸的問(wèn)題，使鋰電池的安全性再度受到廣泛的關(guān)。日本知名電子企業(yè)三洋和

28、索尼公司，在鋰電池爆炸概率控制范圍不超過(guò)40個(gè)ppb-約合十億分之一，由于鋰電動(dòng)汽車的電量存儲(chǔ)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)手機(jī)和筆記本等電子產(chǎn)品，所以，對(duì)于鋰動(dòng)力電池的安全性的控制要更為苛刻。現(xiàn)階段市面上常見(jiàn)的鈷酸鋰電池和三元材料的電池有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，但卻不易用在電動(dòng)汽車的能源供應(yīng)。未來(lái)鋰離子動(dòng)力電池的主要發(fā)展方向都集中在混晶錳酸鋰和磷酸亞鐵鋰的鋰離子電池二者身上。其中在不同材料下同為動(dòng)力電池的性能對(duì)比如表2-1 表2-1動(dòng)力電池性能對(duì)比 2.2鋰離子電池工作原理及其特性分析 根據(jù)電解質(zhì)的區(qū)別，我們通常將鋰離子動(dòng)力電池分為兩類，即聚合物鋰

29、離子電池（Polymer Lithium Ion Battery，LIP）以及液態(tài)鋰離子電池（Lithium Ion Battery，LIB）。他們分類的基礎(chǔ)是電解質(zhì)的差異，LIB 動(dòng)力電池的電解質(zhì)是液體；顧名思義，LIP 動(dòng)力的電解質(zhì)即為聚合物。 其中鋰離子電池的分類形式多樣，但無(wú)論如何，電池的正負(fù)極材料是并沒(méi)有任何差別，工作原理也非常接近。事實(shí)上，我們可將鋰電池視作一類濃差電池[19-22]，其中電池正極材料為L(zhǎng)ixCoO2 ，LixNiO2 或LixMn2O4 ，而負(fù)極的材料為L(zhǎng)ixC6 ,把LiPF6 與LiAsF6 等有機(jī)溶液作為電解質(zhì)。通過(guò)鋰離子在正負(fù)極之間不斷的脫嵌實(shí)現(xiàn)電

30、池的充放電。充電過(guò)程中，充電時(shí)，鋰離子從正極脫出嵌入到負(fù)極，使得正極貧鋰而負(fù)極富鋰。同時(shí)為了維持負(fù)極的電平衡，工作過(guò)程中會(huì)從外電路向負(fù)極供給電子的補(bǔ)償電荷。相反的，放電過(guò)程中， Li+從負(fù)極脫出嵌入正極，此時(shí)正極富鋰而負(fù)極貧鋰。[23]一般，如果對(duì)電池執(zhí)行正常的充放電操作，則 Li在正負(fù)極間的脫嵌不會(huì)破壞基板材料的晶體結(jié)構(gòu)，而僅僅會(huì)改變層面間距。放電時(shí)，對(duì)負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)近乎沒(méi)有影響，因此，可將鋰電池的反應(yīng)視為可逆。 鋰離子動(dòng)力電池的電化學(xué)反應(yīng)為 ： 負(fù)極反應(yīng) ：Li+ +e- +6C LiC6 式（2.7）

31、正極反應(yīng) ：LiCoO2 Li(i-x)CoO2 + xLi + xe- 式（2.8） 電池反應(yīng) ：LiCoO2 +6xC Li(i-x)CoO2 +xLiC6 式（2.9） 鋰電池中產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)， Li離子此時(shí)正不停地在正負(fù)極間脫出和嵌入，但該過(guò)程并不會(huì)生成氣體，也不會(huì)有電解液的損失，因此在制造鋰電池的過(guò)程中，可將其完全密封。通常，鋰電池在工作過(guò)程中，并不存在或極少的會(huì)伴隨連帶的副反應(yīng)。因此，該類型動(dòng)力電池在充放電效率方面的優(yōu)勢(shì)非常明顯。 其中鋰離子電池工作原理如圖2-1 2-1鋰離子電池原理 2.2

32、.3 鋰電池特性測(cè)試 在電池的特性測(cè)試方面內(nèi)容極其豐富，相比于通常意義上的性能測(cè)試，他們之間既有區(qū)別也有聯(lián)系。首先，二者都包含了很多重合項(xiàng)目；其次，二者進(jìn)行測(cè)試的目的有所差異，那就是在性能測(cè)試上著重于評(píng)判一個(gè)動(dòng)力電池的性能“好”還是“不好”。動(dòng)力電池的特性測(cè)試首先要確定測(cè)試對(duì)象，即確定選用的動(dòng)力電池的類型、參數(shù)等，因此在此基礎(chǔ)上，我基于不同的出發(fā)點(diǎn)針對(duì)不同的對(duì)象完成測(cè)試內(nèi)容，測(cè)試主要目的是為了了解其對(duì)象的相關(guān)特性。并且想要了解的是電池自身客觀存在的特性，因此，對(duì)其從電池容量、充放電效率以及內(nèi)阻等方面進(jìn)行了研究和分析，為之后的研究行奠定了基礎(chǔ)。 1. 動(dòng)力電池的容量及充放電效率測(cè)試 檢測(cè)動(dòng)

33、力電池的容量，指的是在電池的運(yùn)行中，輸出電荷的基本能力。雖然在電池上都有標(biāo)額定的容量值，然而這一數(shù)據(jù)具有一些獨(dú)特性，由于它是根據(jù)規(guī)定，在某一規(guī)定放電倍率以及某一規(guī)定溫度下進(jìn)行測(cè)試而獲得的，并且在實(shí)際應(yīng)用中，我們必須要掌握電池在各種情況下的不同狀態(tài)，以及在不同工況下的實(shí)際容量，這樣才能確保 BMS 中的剩余電量估算的功能適用于各種情況下的狀態(tài)。并且充放電效率測(cè)試是為了獲得從電池放出的能量同充入電池的能量的比值。這個(gè)和內(nèi)阻測(cè)試相同，該項(xiàng)測(cè)試的結(jié)果會(huì)在不同狀態(tài)下進(jìn)行會(huì)出現(xiàn)一定程度的差異。由此可見(jiàn)，該測(cè)試也應(yīng)在不同充放電倍率的等情況下分別進(jìn)行測(cè)試。其中電池的內(nèi)阻和充放電效率這兩項(xiàng)測(cè)試，對(duì)于電池的 、

34、能量監(jiān)控、SOC 估算、均衡管理等其他各個(gè)方面，都有非常重要的意義。 （1）測(cè)試于恒溫環(huán)境來(lái)保持同等環(huán)境，同時(shí)保證對(duì)電池進(jìn)行的是恒流放電。 方法：測(cè)試的溫度分別控制在 T={0℃，20℃，40℃}，測(cè)試的充、放倍率分別控制為 r={0.2C，0.5C，2C}，該測(cè)試共需進(jìn)行九次，分別在不同的溫度下、不同的放電倍數(shù)的情況下交叉進(jìn)行。該測(cè)試在進(jìn)行過(guò)程中，我們需要通過(guò)將電池處于恒定溫度環(huán)境，同時(shí)保證對(duì)電池進(jìn)行的是恒定電流放電。 （2） 測(cè)試的結(jié)果分析，經(jīng)過(guò)測(cè)試，即可分別獲得電池在不同的溫度下以及充放電倍率下電池的充放電容量、充放電效率的變化情況，同時(shí)將數(shù)據(jù)匯總到表 2-2 以及表 2-3：

35、 充放電倍率（C） 0.2 0.5 1 0 93.18 86.41 83.33 溫度（℃） 20 94.88 91.52 88.64 40 95.86 92.51 89.88 表2-2充放電效率

36、（%） 充放電倍率（C） 0.2 0.5 1 0 100.525 97.649 101.995 溫度（℃） -+ + 20 107.743 107.857 107.781 40 108.739 108.417 107.746

37、 表2-3放電容量（AH） 由此可見(jiàn)，動(dòng)力電池在不同溫度和倍率下，電池的容量和放電效果有較大的不同，當(dāng)溫度恒定時(shí)，充放電倍率越大，電池容量越小，充放電效率越低；當(dāng)然如果充放電倍率相同，則溫度越變化與電池實(shí)際容量和充放電效率的變化成正比。 2. 脈沖放電倍率測(cè)試 這個(gè)測(cè)試的目的是為了分析動(dòng)力電池的等效阻抗的特性以及回彈特性。測(cè) 試的標(biāo)準(zhǔn)為端電壓在動(dòng)力電池從工作狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)期間的變化情況及趨勢(shì)。 1) 檢測(cè)方式：先將電池中的電流放出直至 SOC 在 50%左右，接著靜置電池一段時(shí)間，直至穩(wěn)定。而后使用恒流放電的方式將電池中的電放出放電倍率為1C，時(shí)長(zhǎng)應(yīng)為200S，最后將電池長(zhǎng)時(shí)間靜置

38、。 2) 之后得出測(cè)試結(jié)果如下表2-5： 電壓（V） 3.293 3.293 3.208 3.171 3.157 3.252 3.26 3.262 3.263 3.264 時(shí)間（S） 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 電壓（V） 3.265 3.265 3.265 3.266 3.266 3.267 3.267 3.267 3.268 3.269 時(shí)間（S） 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900

39、 電壓（V） 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 時(shí)間（S） 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 2-5脈沖測(cè)試結(jié)果 + 2-2脈沖放電電壓響應(yīng)曲線 通過(guò)分析圖 2-2 的變化可知，其變化規(guī)律為：當(dāng)鋰電池經(jīng)過(guò)一段時(shí)間靜置以后，如果突然對(duì)其兩端通過(guò)電流，則其兩端電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突然性的下降（突變），之后其下降趨勢(shì)慢慢減緩（緩變）；如果此時(shí)停止為其通過(guò)的電流，使其斷電，則電壓又出現(xiàn)突然性的回

40、升（突變），而后同樣的上升趨勢(shì)有所減緩（緩變）。這種現(xiàn)象稱之為是“回彈電壓”特性。由此可知，當(dāng)為鋰電池通過(guò)一定的電流時(shí)，由于電池極化或電池材料等因素，電池兩端的電壓會(huì)出現(xiàn)突然性的下降和緩慢的下降，我們可以將這種變化以等效阻抗的形式表現(xiàn)，這也是導(dǎo)致回彈電壓特性的原因。 2.3 本章小結(jié) 本章首先介紹了市面上常見(jiàn)的用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，并得出其中鋰離子 電池對(duì)于電動(dòng)汽車的適用性是最強(qiáng)的結(jié)論。然后針對(duì)鋰離子展開(kāi)了詳細(xì)的研究分 析，分別介紹了動(dòng)力鋰離子電池的工作原理、性能特點(diǎn)，并進(jìn)了相關(guān)的性能測(cè)試， 以總結(jié)出較為準(zhǔn)確的動(dòng)力鋰離子電池的性能特性。 第三章 高壓系統(tǒng)的故障分析和管理

41、 圖3-1表示具有代表性的電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)配置。為促使車輛行駛中的安全性，首先要排除汽車內(nèi)的故障，汽車要檢查和把控汽車中的隱患。有六類可以對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)生不同程度的安全隱患分別是：電池出現(xiàn)問(wèn)題、線路破損接觸不穩(wěn)定、線路使用太久發(fā)生老化問(wèn)題、線路短路、潛在故障、系統(tǒng)中的電瞬態(tài)沖擊故障。其中線路短路與電線老化絕緣等問(wèn)題可以對(duì)車載人員產(chǎn)生直接危害。 電池管理模塊 整車控制系統(tǒng) 動(dòng)力電池組 高壓電管理系統(tǒng) 可控高壓直流接觸器 K2 K1 DC/DC 汽車低電壓器 逆變器 控制信號(hào) CAN總線通信 電機(jī)控制器 高壓

42、線路 電動(dòng)機(jī) 3.1典型的高壓系統(tǒng)配置框架圖 3.1.1故障級(jí)別 為促使車輛運(yùn)行的安全高效性，降低故障的發(fā)生率，可以將車輛故障劃分為兩級(jí)：Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)。Ⅰ級(jí)的故障指的是那些較小的故障，可以被BMS輕松檢查到，并及時(shí)的提醒駕駛員，采用聲音和光照警示，接著在CAN線路的傳輸下傳達(dá)至車輛的控制器，該控制器接收信號(hào)后，及時(shí)將參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保護(hù)電池的安全性。Ⅱ級(jí)故障為嚴(yán)重故障，而B(niǎo)MS通過(guò)檢查認(rèn)為故障非常嚴(yán)重時(shí)，則通過(guò)CAN線路的傳輸下傳達(dá)至車輛的控制器請(qǐng)求將高壓電切斷，若故障一直未解除而車輛控制器卻沒(méi)有執(zhí)行命令，BMS可以直接將繼電

43、器組切斷，已維護(hù)汽車和人員的額安全性。 [24引用項(xiàng)勝] 3.1.2動(dòng)力蓄電池故障 動(dòng)力蓄電池組是系統(tǒng)高壓電心臟，當(dāng)它發(fā)生問(wèn)題不在工作時(shí)，會(huì)危害電池的安全性、致使其出現(xiàn)安全事故，因此要額外重視。其中磷酸鐵鋰電池常見(jiàn)故障參數(shù)參考值與處理策略如表2-1所示。 2.1磷酸鐵鋰電池常見(jiàn)故障與處理策略 系統(tǒng)故障源 故障級(jí)別 上下限 故障描述 處理策略 上限 3.8～4.0（V） 向整車控制器發(fā)出不能制動(dòng)回收電能 下限 2.0～2.5（V） 向整車控制器發(fā)出故障信號(hào) Ⅱ級(jí)故障 單體電池 Ⅰ級(jí)故障 上

44、限 3.6～3.9（V） 向整車控制器發(fā)出故障信號(hào) Ⅱ級(jí)故障 下限 2.0（V） 向整車控制器發(fā)出停止放電信息 下限 3.0n(V) 向整車控制器發(fā)出故障信號(hào) Ⅰ級(jí)故障 上限 3.6n(V) 向整車控制器發(fā)出故障信號(hào) 上限 3.7n(V) 向整車控制器發(fā)出不能制動(dòng)回收電能 總電壓 下限 2.0n(V) 向整車控制器發(fā)出停止放電信息 Ⅱ級(jí)故障 Ⅰ級(jí)故障 上限 80%～90% 向充電機(jī)

45、發(fā)出涓流充電指令 上限 100% 向整車控制器發(fā)出禁止充電信號(hào) 下限 20%～30% 向整車控制器發(fā)出故障信號(hào) 系統(tǒng)SOC 下限 5%～10% 向整車控制器發(fā)出禁止放電信號(hào) Ⅱ級(jí)故障 控制冷卻裝置，達(dá)到溫度點(diǎn)開(kāi)始冷卻， 低于溫度設(shè)置點(diǎn) 2～5℃關(guān)斷冷卻 / 35℃開(kāi)啟 冷卻控制 上限 55℃ 向整車控制器發(fā)出溫度故障信息 Ⅰ級(jí)故障 向整車控制器發(fā)出溫度故障信息，超過(guò) 延遲時(shí)間強(qiáng)行斷開(kāi)系統(tǒng) Ⅱ級(jí)故障 上限

46、 60℃ 溫度 Ⅰ級(jí)故障 溫差 溫差大于設(shè)定值 進(jìn)行溫度報(bào)警，建議維修 3.1.3絕緣失效故障 依據(jù)我國(guó)針對(duì)電動(dòng)汽車設(shè)置的安全指標(biāo)，絕緣電阻的意思為汽車底部底盤和高壓電系統(tǒng)是否絕緣，這是一種評(píng)判該類汽車是否絕緣的指標(biāo)。由于電動(dòng)汽車以電來(lái)維持運(yùn)行，因此電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安全意義上的電壓，當(dāng)絕緣電阻不發(fā)揮效能后，會(huì)危害人體健康，所以高壓系統(tǒng)要保持較高的絕緣性。導(dǎo)致汽車絕緣性能下降的原因有兩種。第一種，高壓電纜線外表皮發(fā)生老化失去絕緣性或者由于外部水分子的存在等；第二種，汽車在長(zhǎng)期的行駛中，由于發(fā)生碰撞或道路顛簸影響了絕緣電阻的工作效能。當(dāng)它的工作效能嚴(yán)重降

47、低時(shí)，和底盤之間產(chǎn)生漏電線路，升高了底盤的電壓，會(huì)導(dǎo)致低壓電器和控制器原有的工作能力發(fā)生變化，更嚴(yán)重的是對(duì)車內(nèi)人員的安全構(gòu)成威脅。所以，要時(shí)時(shí)檢查絕緣電阻的穩(wěn)定性，以維系高壓系統(tǒng)的安全性，保障車輛內(nèi)部人的安全。 3.1.4 接觸不良或斷路故障 在車輛的行駛過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高壓線路不通暢或者突發(fā)的短路問(wèn)題，這種問(wèn)題通常會(huì)歸于潛伏故障一類。當(dāng)這類故障一旦發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致車輛突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)，高壓電路直接流出等問(wèn)題。所以，要在高壓系統(tǒng)回路將高壓接觸器并聯(lián)在線路中，形成壓環(huán)路互鎖回路，而發(fā)現(xiàn)連接的高圧回路不完整時(shí)，車內(nèi)的BMS可認(rèn)定為線路接觸不良，出現(xiàn)斷開(kāi)的問(wèn)題，會(huì)向車輛控制器發(fā)出信號(hào)，切斷電流的運(yùn)送，

48、并解決出現(xiàn)的故障。[25] 3.1.5 系統(tǒng)上電瞬態(tài)沖擊故障 這種高壓系統(tǒng)的內(nèi)部電路都具有容性負(fù)載，依據(jù)這種負(fù)載呈現(xiàn)出的特性，上電瞬間容性負(fù)載和短路的效果相同，致使高壓系統(tǒng)出現(xiàn)電流瞬態(tài)沖擊。正是由于這種因素，才要將預(yù)充電電阻加入至電車的高壓電路系統(tǒng)中，由于預(yù)充電電阻的加入，阻礙了高壓電路可能出現(xiàn)的電瞬態(tài)沖擊。 [26] 3.1.6 短路故障 電車汽車運(yùn)作過(guò)程中，主要的電線路會(huì)產(chǎn)生高達(dá)幾十到幾百不等的電流。當(dāng)汽車發(fā)生顛簸、某線路位置短路，一瞬間就會(huì)導(dǎo)致大量電流噴涌而出。[27] 當(dāng)這一故障一直存在時(shí)，這股較大的電流輕則會(huì)使周圍的零部件被燒壞，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致整部汽車發(fā)生火災(zāi)。根據(jù)我國(guó)出臺(tái)的相關(guān)

49、安全規(guī)范準(zhǔn)則以及對(duì)車輛安全的最低標(biāo)準(zhǔn)：首先在蓄電池箱體中，添加電流保護(hù)器；其次，要全時(shí)間段內(nèi)對(duì)車輛內(nèi)部的電流進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)有超高電流出現(xiàn)后，則認(rèn)定汽車發(fā)生了電路故障。這是BMS將斷電指令通過(guò)CAN 總線傳達(dá)給車輛的控制器，請(qǐng)求將電斷掉。當(dāng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)控制器沒(méi)有執(zhí)行命令，BMS則會(huì)直接將高壓電斷掉，目的是維護(hù)車輛內(nèi)駕駛員等人安全性，這為安全的第二類保護(hù)機(jī)制。 3.1.7 突發(fā)事故類故障 當(dāng)汽車在運(yùn)行中發(fā)生較大事故后或者車輛發(fā)生側(cè)翻，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的蓄電池和其他電子元件、內(nèi)部的電路和車連接的部位在外力的作用下發(fā)生變形、脫落、擠為一團(tuán)等，導(dǎo)致線路短路、非絕緣性等情況。為了解決這一問(wèn)題，確保該類汽車

50、發(fā)生重大事故時(shí)駕駛?cè)藛T的安全，在車內(nèi)添加一個(gè)三軸加速度傳感器，成為該類問(wèn)題的保險(xiǎn)器。一旦發(fā)生事故，安裝的傳感器能夠敏銳的覺(jué)察，然后將信號(hào)輸送至MCU，這是MCU根據(jù)車輛的行駛速度等要素，出具最優(yōu)解決方案，比如命令控制器切斷電源，或者由MCU直接斷開(kāi)電源。 3.2 高壓系統(tǒng)故障診斷與安全控制策略 高壓系統(tǒng)的安全管理與控制是在 BMS 故障診斷的基礎(chǔ)上是實(shí)現(xiàn)的，故障的診斷與處理是保障整車安全的運(yùn)行的重要條件。 3.2.1 故障優(yōu)先級(jí) 要確保系統(tǒng)時(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全性維護(hù)，需要對(duì)車輛的多項(xiàng)系數(shù)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。其中既包含一些明顯的顯性參數(shù)，比如電壓、電流、絕緣電阻，還要根據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)，提前對(duì)一個(gè)隱晦

51、的內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算，比如溫度上升的速度、電壓增加的速度等。根據(jù)危險(xiǎn)性不同，處理的數(shù)據(jù)分為優(yōu)先性和靠后型。最先要保護(hù)的為漏電保護(hù)，它又分為絕緣性能故障與斷路故障兩類。絕緣性能故障該參數(shù)出現(xiàn)問(wèn)題后，將直接威脅車中人員的安全性；第二，斷路故障發(fā)生后，也會(huì)對(duì)汽車和人身安全造成干擾；其余的一種重要參數(shù)為溫度，這項(xiàng)指標(biāo)直接對(duì)電池性能構(gòu)成威脅，因此也是對(duì)汽車和人身安全造成干擾重要因素。溫度是一個(gè)不斷改變的指標(biāo)，變化較慢，所以排在短路之后；電壓對(duì)鋰離子電池有著一些營(yíng)銷，因此要確保電壓值在充電時(shí)，低于最大電壓值，放電時(shí)高于要求的范圍值；判斷SOC值與電壓和電流有關(guān)，當(dāng)高于SOC范圍時(shí)，會(huì)對(duì)能量造成影響，但是不會(huì)

52、危及人和車的安全。常見(jiàn)的系統(tǒng)故障控制優(yōu)先級(jí)流程圖如圖 3-2 所示。 Y 漏電故障？ 與整車或者電機(jī)控制器通信進(jìn)行相應(yīng)處理 Y 短路？ Y 溫度高低故障？ 電壓高低故障？ Y SOC故障？ Y 圖3.2系統(tǒng)故障控制優(yōu)先級(jí) 3.2.2 故障診斷 電動(dòng)汽車無(wú)論是運(yùn)行中抑或是靜止?fàn)顟B(tài)或發(fā)動(dòng)時(shí)，BMS都要24小時(shí)不間斷的實(shí)施診斷。這種檢查的步驟為：采用硬件監(jiān)測(cè)電路評(píng)價(jià)和估測(cè)汽車不同狀態(tài)下的內(nèi)部數(shù)據(jù)變化和呈現(xiàn)的參數(shù)，以得出電池和內(nèi)部構(gòu)成的狀態(tài)是否良好，當(dāng)出現(xiàn)故障后，對(duì)嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷

53、，并出具故障碼，在線路的傳輸下將問(wèn)題反饋給控制器，控制器再將解決指令發(fā)出。 3.2.3 系統(tǒng)上電啟動(dòng)控制策略 電動(dòng)汽車內(nèi)部為確保蓄電池組、負(fù)載及高壓繼電器的正常工作，需要制定接通程序以實(shí)現(xiàn)，其重要性不言而喻。接到的上電的啟動(dòng)命令有可能是線控信號(hào)發(fā)出的，也同樣可來(lái)自于 CAN 網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)在高壓電路未接通的情況下，首先應(yīng)由車載低壓電源（12V 蓄電池）給 BMS 控制器供電，而當(dāng) BMS 在接到上電的啟動(dòng)命令后，啟動(dòng)程序分成兩個(gè)部分一個(gè)是對(duì)高壓系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的自檢程序而另一個(gè)是對(duì)高壓電路的預(yù)充電程序。對(duì)于高壓系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)自檢的參數(shù)主要分為蓄電池組的狀態(tài)（如電壓、溫度、SOC）、以及高壓環(huán)路互鎖檢測(cè)

54、和絕緣檢測(cè)。在自行檢測(cè)時(shí)，如只有以上參數(shù)顯示正常范圍，那么BMS會(huì)發(fā)出指令，以控制壓電的電流增加工作；當(dāng)發(fā)現(xiàn)一種參數(shù)已顯示出問(wèn)題或者可以判定未來(lái)會(huì)發(fā)生故障，那么出于安全考慮，車輛應(yīng)對(duì)故障予以警示，以確保外力能夠解決；如不及時(shí)解決，那么充電的工作會(huì)被終止。高壓系統(tǒng)在自我的檢查中，如發(fā)覺(jué)一切良好，便可以接下來(lái)對(duì)充電體系發(fā)出指令，對(duì)繼電器進(jìn)行充值。其中確保安全把控的要點(diǎn)在于預(yù)充電操作，這是由于BMS以是否對(duì)高壓電路預(yù)先的充電行為作為該電路是否通暢的判定依據(jù)。下圖表示接通控制流程圖。 開(kāi)始 開(kāi)總中斷 接收上電命令 上電自檢 N 正常 Y 預(yù)充電

55、 10%UB≤UH ≤90%UB UH≥90%UB？ UH≤10%UB 報(bào)警，等待處理 接通高壓電 結(jié)束 圖3.3接通控制流程圖 3.2.4 系統(tǒng)運(yùn)行管理策略 電動(dòng)汽車一旦發(fā)動(dòng)，內(nèi)部的零件發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)，汽車的狀態(tài)和靜止時(shí)有本質(zhì)差別，會(huì)存在一些潛在的故障。汽車的發(fā)動(dòng)和行駛過(guò)程中，也存在一些差異，汽車在運(yùn)行過(guò)程中，一些參數(shù)都在發(fā)生變化，比如溫度改變的速度、電壓發(fā)生變化、絕緣電阻也會(huì)根據(jù)隨著汽車的運(yùn)行發(fā)生改變，汽車在行駛中，由于道路的不平整可能會(huì)發(fā)生顛簸，這會(huì)造成汽車內(nèi)部的線路發(fā)生松動(dòng)、各零部件在顛簸過(guò)程中發(fā)生脫落，減少電子底盤的絕緣性。所以為了提升車輛和駕

56、駛?cè)说陌踩?，在車輛的行駛時(shí)間內(nèi)，要對(duì)車輛的各種安全系數(shù)不間斷的實(shí)施檢測(cè)，并對(duì)那些因?yàn)檐囕v外部變化而導(dǎo)致的顯性參數(shù)改變進(jìn)行監(jiān)控，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)采取安全舉措。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)汽車存在一些故障，首先要評(píng)測(cè)故障的等級(jí)大小，依據(jù)其嚴(yán)重程度，采取不同的應(yīng)對(duì)辦法，每種故障和對(duì)應(yīng)的等級(jí)情況見(jiàn)下表： 故障源 故障等級(jí) 電壓變化速率 Ⅰ級(jí)故障 溫升速率 Ⅰ級(jí)故障 電壓高/低 Ⅰ級(jí)故障 SOC Ⅰ級(jí)故障

57、 溫度 Ⅰ級(jí)故障或Ⅱ級(jí)故障 漏電 Ⅱ級(jí)故障 短路 Ⅱ級(jí)故障 突發(fā)事故 Ⅱ級(jí)故障 表3-2故障及其等級(jí) 本文只考慮單個(gè)出現(xiàn)系統(tǒng)故障情況。 3.2.5 系統(tǒng)停車控制策略 通常來(lái)講，電動(dòng)汽車停止時(shí)，以其原因的不同，分為主動(dòng)停車和被動(dòng)停車。被動(dòng)停車時(shí)，產(chǎn)生的原因多半由于汽車發(fā)生故障，促使汽車駕駛者不得不采取緊急制動(dòng)，并緩慢將汽車停至安全地帶的一系列停車行為；而主動(dòng)停車為駕駛員到達(dá)目的地后的主觀停車。 被動(dòng)停車時(shí)，汽車內(nèi)的BMS

58、會(huì)對(duì)汽車展開(kāi)檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障較為嚴(yán)重時(shí)，則會(huì)及時(shí)處理。將故障數(shù)據(jù)輸送至車輛控制器，傳輸?shù)拿浇闉镃AN 總線網(wǎng)絡(luò)，確保車輛控制器實(shí)施設(shè)計(jì)好的控制策略，并引導(dǎo)駕駛員將車輛停至安全地帶，接著將高壓回路直流接觸器斷開(kāi)；當(dāng)車輛控制器沒(méi)有回應(yīng)時(shí)，BMS會(huì)認(rèn)為整部車輛控制器出現(xiàn)問(wèn)題，本次不再傳輸故障數(shù)據(jù)質(zhì)控置器，而是將接觸器的電流切斷，并語(yǔ)音引導(dǎo)駕駛員將車輛停至安全地帶，并將剩余電量釋放，以切斷回路，達(dá)到保護(hù)車輛和人員的安全，為防止車內(nèi)的高壓回路電流接觸器失去效應(yīng)，因此將動(dòng)接觸器開(kāi)關(guān)安放在 BMS中。當(dāng)情況緊急時(shí)，可以手工斷開(kāi)高壓接觸器。 駕駛員主動(dòng)停車時(shí)，BMS收到停車指令，一電機(jī)控制器需要確保汽車速度

59、降至可停止的范圍，并達(dá)到斷電的條件；二對(duì)電池包內(nèi)的溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度較高時(shí)，進(jìn)行降溫活動(dòng)，使其溫度達(dá)到規(guī)定范圍。當(dāng)以上參數(shù)符合規(guī)定時(shí)，則將高壓回路接觸器斷開(kāi)，并將剩余的電流釋放。 3.3 本章小結(jié) 本章針對(duì)了典型的純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的數(shù)據(jù)采集與高壓系統(tǒng)的安全，主要作了以下研究： 1.全面掌握并探討高壓系統(tǒng)所可能出現(xiàn)的安全鼓掌，并對(duì)故障進(jìn)行了級(jí)別判斷性分類； 2. 充分參考國(guó)家電動(dòng)汽車安全方面的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)汽車充電、行駛以及停車過(guò)程中所可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題展開(kāi)詳細(xì)分析，并針對(duì)這些問(wèn)題提出一些安全管理的方法，從而為軟件的開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)創(chuàng)造良好條件。 第四章純動(dòng)力電動(dòng)車電池安全管理系統(tǒng)的硬件設(shè)

60、計(jì)： 4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本篇論文所設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)包括放電、充電、預(yù)充電以及充電限流模塊、充電機(jī)反接保護(hù)模塊、單體電池均衡模塊、電池電壓采集模塊、溫度采集模塊、通信模塊、電源模塊、充電機(jī)與負(fù)載接入喚醒模塊、液晶模塊、懸浮電源驅(qū)動(dòng)模塊和主控模塊。此系統(tǒng)可以使能量的利用率得到提升，而且不需要過(guò)高的投入，便可以對(duì)各種性能的電池在放電以及熱管理等方面實(shí)現(xiàn)有效管理，除此之外也有某種程度的通用性。 B+ 圖4-1電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 如圖4-1所示，25并聯(lián)16串聯(lián)的鋰離子電池組是該實(shí)驗(yàn)組的主要電池組合方式，借助25節(jié)單體電池能夠大幅度提高電池組的電量

61、。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有的單體電池是將所有發(fā)熱環(huán)境都視為相同的環(huán)境，在電池運(yùn)行時(shí)，其安全保護(hù)系統(tǒng)會(huì)對(duì)單體電池電壓以及散熱片及環(huán)境溫度等方面的數(shù)據(jù)加以收集，并根據(jù)單體電壓和總電壓狀態(tài)對(duì)電池組執(zhí)行充電或者放電，充電、放電均由相應(yīng)的MOSFET和驅(qū)動(dòng)電路控制，結(jié)合Charger-電壓的變化，充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)選擇懸浮電源，而放電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)選擇串口通信電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232的高壓，確保開(kāi)關(guān)內(nèi)的電阻達(dá)到最小狀況，由此也可以有效降低發(fā)熱量；在充電回路中設(shè)置保護(hù)裝置，由此可以避免充電機(jī)接反而帶來(lái)的危害，如果出現(xiàn)充電機(jī)接反的狀況，其保護(hù)裝置MOSFET使其不能正常道導(dǎo)通，除此之外因?yàn)槌潆姍C(jī)反接Charger

62、-產(chǎn)生的高壓被檢測(cè)出來(lái)，并給出報(bào)警提示，[29]充電時(shí)能夠結(jié)合預(yù)設(shè)值以及相關(guān)曲線來(lái)對(duì)充電電流進(jìn)行調(diào)整，借助對(duì)充電開(kāi)關(guān)以及開(kāi)關(guān)頻率等方面的調(diào)整來(lái)對(duì)高峰期間的充電電流進(jìn)行控制，也可以對(duì)平均電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。假如系統(tǒng)不存有負(fù)載接入，也不存有充電機(jī)接入的狀況下，可以通過(guò)人工設(shè)置來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)入休眠的時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，從而對(duì)降低功耗有著重要作用。在休眠模式下，仍然工作的部分只有主控及喚醒這兩大部分。輔助電源是電源的主要提供方，懸浮電源以及相關(guān)電源模塊不再繼續(xù)工作。系統(tǒng)在所有階段的工作狀況都通過(guò)液晶面板及時(shí)展現(xiàn)出來(lái)，除此之外，PC端也與串口通信模塊連接起來(lái)。電池管理系統(tǒng)的相關(guān)控制面板借助RS485總線通信聯(lián)系起來(lái)，在

63、控制面板中配有撥碼按鈕，在各控制系統(tǒng)通信時(shí)通過(guò)掌握其狀態(tài)進(jìn)而了解相關(guān)控制面板系統(tǒng)地址。 4.1.1放電回路模塊設(shè)計(jì) 圖4.2是充放電模塊的簡(jiǎn)圖，放電回路由放電開(kāi)關(guān)Q1控制，充電開(kāi)關(guān)Q3、功率電感L1以及預(yù)設(shè)電開(kāi)關(guān)共同實(shí)現(xiàn)對(duì)充電回路的控制，電阻R2可以起到保護(hù)系統(tǒng)的作用，對(duì)短路以及大電流加以保護(hù)，無(wú)論是系統(tǒng)兩端還是系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)短路，都會(huì)有瞬時(shí)大電流出現(xiàn)，保護(hù)系統(tǒng)則能及時(shí)監(jiān)測(cè)到這種異常狀況，為達(dá)到自我保護(hù)的目的便會(huì)自主采取中斷處理，使放電開(kāi)關(guān)口變?yōu)殚]合狀態(tài)[30］；在電流比最初設(shè)定值高的時(shí)候，無(wú)論是充電還是放電開(kāi)關(guān)都應(yīng)該變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。假設(shè)充電機(jī)反接則和電池組以及充電器串聯(lián)有很高類似度，在此狀況

64、下Q2處于中斷狀態(tài)，所以充電器以及電池組這兩者之間形成回路的概率為零，除此之外，電壓檢測(cè)系統(tǒng)也能及時(shí)將過(guò)高的電壓檢測(cè)出來(lái)，并有相應(yīng)報(bào)警提醒。假如電池電皮比較低時(shí)，Q4則會(huì)關(guān)閉，Q3的柵極控制端的脈沖信號(hào)則有所增強(qiáng)，在電感限流的影響下，可以達(dá)到小電流預(yù)充電的目的。電壓值居于正常值時(shí)，可結(jié)合電流需要來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)頻率以及占比加以調(diào)控，從而達(dá)到充電限流的相關(guān)作用。 圖4-2充放電模塊結(jié)構(gòu)示意圖 4.1.2能量均衡模塊設(shè)計(jì) 能量均衡模塊主要包含兩方面內(nèi)容，其一是充電均衡，其二是放電均衡，結(jié)合電壓以及SOC來(lái)對(duì)電池組的均衡狀況加以判斷，在充電使使那些電壓相對(duì)較高的電池加以放電如下圖4.3，信號(hào)控

65、制端DISC1－DISC8是由主控模塊CPU控制輸出高低電平，借助采樣來(lái)對(duì)單體電池電壓狀況進(jìn)行了解，假設(shè)發(fā)現(xiàn)某電池電壓過(guò)高的話，則可以對(duì)電阻來(lái)加以控制，從而對(duì)其電壓加以調(diào)整[31]。 圖4-3能量均衡模塊 無(wú)論是單體電池間的電壓還是容量都可以通過(guò)均衡電源模塊來(lái)對(duì)其加以調(diào)整，從而使其各項(xiàng)參數(shù)都居于正常數(shù)值范圍內(nèi)，電池組充電或者是在放電時(shí)，系統(tǒng)都能夠?qū)ζ涓黜?xiàng)參數(shù)進(jìn)行收集并整理，結(jié)合最初做擬定的合理差值，假如單體電池的電壓或者容量超出合理范圍值時(shí)，則將其視為不均衡現(xiàn)象[32]。某單體電池出現(xiàn)充電過(guò)快的狀況，則可以通過(guò)這一抹苦熬對(duì)連接均衡放電電路，

66、對(duì)單節(jié)電池的電壓加以控制，從而使其達(dá)到均衡狀態(tài)，同樣也可以通過(guò)這一模塊來(lái)對(duì)電池組放電過(guò)快的現(xiàn)象加以調(diào)整，確保電池組充電以及放電都居于均衡狀態(tài)。 4.1.3電源模塊設(shè)計(jì) 電源模塊的主要作用就是提供電源，來(lái)確保電池管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在電壓轉(zhuǎn)換的作用下，使VCC5給主控模塊供電，同時(shí)也使充電控制開(kāi)關(guān)來(lái)由懸浮電源電壓來(lái)負(fù)責(zé)供給。如圖4-4，輸入電壓P+，輸出電壓為VCC5和懸浮電壓10V。電源模塊中具有一定保護(hù)措施，假如輸入電壓超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，則會(huì)透過(guò)穩(wěn)壓二極管，電源模塊中的保護(hù)電路則會(huì)對(duì)電源藍(lán)片進(jìn)行保護(hù)，輸出電壓過(guò)大時(shí)，同樣也會(huì)產(chǎn)生影響，但電源模塊中的保護(hù)電路則會(huì)對(duì)電路板上的巧片產(chǎn)生保護(hù)作用。 圖4-4電源模塊 圖4-5 VCC5-VCC轉(zhuǎn)換模塊 4.1.4開(kāi)關(guān)控制模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中有很多開(kāi)關(guān)控制電路，下面簡(jiǎn)單介紹充電開(kāi)關(guān)控制電路、放電開(kāi)關(guān)控制電路。 圖4-6中，P3.4由主控模塊控制，輸入低電平時(shí)，穩(wěn)壓管ZDH1被擊穿，三極管QH1導(dǎo)通，Dis信號(hào)端電皮被拉到HV的電壓10V，就可打開(kāi)放電開(kāi)關(guān)管。輸入電平為高電平時(shí)，Qh2導(dǎo)通，Di