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解密比亚迪动力电池管理系统

2018-6-4 09:34| 发布者: admin| 查看: 3852| 评论: 0|来自: CST三交产研-汽车

摘要: 电池管理系统BMS的功能作用准确估测动力电池组的荷电状态准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge,即SOC),即电池剩余电量,保证SOC维持在合理的范围内,防止由于过充电或过放电对电池的损伤,从而随时预报混 ...

电池管理系统BMS的功能作用

准确估测动力电池组的荷电状态

准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge,即SOC),即电池剩余电量,保证SOC维持在合理的范围内,防止由于过充电或过放电对电池的损伤,从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。

动态监测动力电池组的工作状态

在电池充放电过程中,实时采集动力电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压,防止电池发生过充电或过放电现象。

同时能够及时给出电池状况,挑选出有问题的电池,保持整组电池运行的可靠性和高效性,使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外,还要建立每块电池的使用历史档案,为进一步优化和开发新型电、充电器、电动机等提供资料,为离线分析系统故障提供依据。

单体电池间的均衡

即为单体电池均衡充电,使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。

解密比亚迪电池管理系统

首先我们来谈谈唐和秦的电池,型号应该是一样的,只是秦的电池组电芯数量比较少,容量13度,唐的比较多,18度。单个的电芯都是比亚迪自己制造的磷酸铁锂电池,额定电压3.2V,容量26AH。为什么不是最近比较火的三元锂电池呢?原因如下图:

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磷酸铁锂电池拥有更好的寿命、安全性,更适合插电式混动车的用车情况。

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电池单体大概是这个样子的,但是这个应该是大巴上的,因为电储量高达120AH,咱们的只有26AH,不过大致上是一样的,都是长方体。

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唐的电池组位于底盘中部,体积和重量都比较大。放在底盘的好处是降低了整车重心,同时不影响后备箱空间。缺点嘛,对放水和防磕碰要求比较高,日常使用要注意这块不要浸水,不要磕碰。

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这是秦的电池组,位于后座以后,后备箱之前。优点:放水防磕碰性能都很好,缺点:重心比较高,影响后备箱空间,和唐正好是相对的。

连接方式为串联(全部电芯串联),串联的电池如下图,形象一点说,就是类似于我们以前用过的手电筒,几个电池头尾相接。

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这种连接方式,每个电芯放电的时候使用同样的电流对外放电,充电的时候同样的电流充电,在不借助均衡系统的情况下,无法对单个电芯进行充放电。而且,当一个电芯充满时,就要停止对整个电池组的充电,不然这个电芯会过充损坏,而一个电芯放空的时候,整个电池组就要停止放电,不然这个电芯会过放损坏。

还记得手电筒有什么要求么?对了,新旧电池不能混用,也就是说有电和没电的电池不能混用。回到唐和秦的电池组,上边是个示意图,选取了几个电芯。正常情况下,他们的存电量应该是完全一样的,一起充满,一起放空,如果一直这样循环,那么就不会产生文章之初的各种问题了。

事实上,电池组使用一段时间以后,就会出现各个电芯存电量出现差异的情况,产生差异的原因有很多,比如电池本身容量就不一致,或者内阻不一致,工作温度不一致等,都会导致放电容量出现差异。当各个电芯存电量不一致,就会出现下图的情况:

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表面上看,只是有一个电芯损失了一点电量,一共有那么多电芯,应该不会有什么影响吧?我们继续往下看,这个电池组放电的时候,会发生什么:

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整个电池组释放了80%的电量,而这时候,原本不满的电池已经空了,这时候电池组就要停止放电。如果这个电池组的存电量是10度,那么在充满的情况下,这个不均衡的电池组放电80%也就是8度就已经无法放电了,表面上看只有5%的电量缺失,却导致20%的容量无法使用。这还是只有4个电芯比较的情况下,如果是200多个,可想而知影响有多大。

那么一旦产生了不均衡,怎么办呢?这就要用到电池管理系统的均衡模块。唐和秦的均衡模块采用的是被动均衡方式,也就是说,通过旁路电阻给电压较高的电芯放电,使其达到和其他电芯相同的电压。也就是这样:

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每个电芯都有一个由电池管理系统单独控制的电阻,当需要的时候,接通这个电阻的电路,给电芯放电。通过经过一定的时间,这个不均衡的电池组就变成了这样:

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电芯电容量一致了,再充电就可以都充满,放电都放空,一切恢复正常,容量回来了,续航也回来了!听起来很美,是吧?那为什么很多车就是达不到这个效果呢?

首先,这个放电的过程非常缓慢!充电过程的话电流可以达到10A以上(10000ma),而这个放电呢?据了解,这个放电电阻允许的最大电流是30ma~在均衡系统一直处于最佳均衡状态的情况下,均衡一度电的差异,也需要100小时左右!

其次,均衡系统不是一直工作在最佳状态下的。要有一个好的工作状态,系统需要知道哪个电芯是需要被放电的,需要放多少电。而这个过程不是任意电量都可以完成的。

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这是一个磷酸铁锂电池放电的曲线图。可以看到,在15%电量以上的时候,电压的差异是非常小的。这时候要找到哪个电芯需要放电,放多少,是非常困难甚至不可能的。所以,要让均衡系统处于高效工作状态,就需要实时的把电池用到15%以下。

然后充满电,让车进入均衡状态,这时候的均衡效率是最高的,除非用车,不然建议等到均衡结束(也就是说仪表盘完全熄灭)。在电池组不均衡的情况下,一次均衡大概需要20小时左右,大家可以按照自己的电池组缺少电量来计算需要多少个循环。

这也就引申出了另一个问题:在均衡结束以后,略微用一点电,然后充满,车辆会再次进入均衡状态,这个时间,应不应该计入有效均衡?根据经验,这个均衡几乎是无效的。

因为唐和秦的电池组不均衡,绝大多数是某一两个电芯电压过低,需要对另外的大量电芯进行放电。而在低电量时,可以正确的标记剩余电芯,高电量下,系统只会标记充满时电压最高的一个电芯,是一个,可想而知效率是怎么样的了,几乎可以忽略不计。

下面讲一下,什么样的电池是没问题的,什么样的是有问题的。这里,借用了14款秦的DCT软件电池监控模块来展示数据。唐不支持这个,但是电池组的原理是一样的。

很多人去检查电池的时候,发现自己最低电压电芯只有2.6-2.8V,感觉这个电芯有问题,进而要求4S店更换,4S套用厂家的表格,给出正常的答复,客户就会感觉厂家在敷衍。其实,单个电芯电压较低是正常的。

最理想的状况是5%电量是所有电压电芯均低于3V,这样电池组所有的电量都被释放,当然,这样的电池组几乎是不存在的,它要求所有电芯的一致性非常非常好。一般来说,判断电池组状况较好的依据是在5%的情况下,最低电芯电压低于3V,而最高电压电芯电压低于3.15V(放电到5%的瞬间电压即可,存放一会儿以后电压会回升,不比等回升)。

更换电池厂家有自己的标准,如果满足更换的条件,可以选择更换,但是楼主更建议先使用正确的均衡方法均衡100小时,如果效果不明显再换。因为更换完的电芯和原来已经有所衰减的电芯是很难匹配一致的。

根据经验,唐和秦的电池均衡逻辑大概是这样的:

首先,系统会在电量较低(对于15%)和较高(充满断电的时候)标记需要放电的电池和需要放电的时间,而这两种标记方式,明显在电量较低时的标记更有效,效率高得多。

然后,在合适的时候---目前知道的有车通电的时候和充满电以后(仪表盘转入有背光显示红插头,但是未熄灭背光的时候)通过电池管理系统对需要放电的电芯进行放电。等达到标记的时间后,断开均衡系统,本次均衡结束。到下次条件成熟再次标记,再次放电均衡,如此循环。而这个均衡过程分为组内均衡和组间均衡,即每个电池组内部均衡电压,不同电池组之间也要均衡。这个过程目前没有搞明白具体的逻辑,但是对于用户来说,只要知道整体的均衡逻辑即可。

结论大致是:预约充电没有涓流充电的功能,无法对电池组进行充电。而均衡系统这个时候是启动的,但是运行效率非常低,只能对1-2个电芯进行放电,效果几乎可以忽略不计。预约充电还是使用波谷电价的时候用的,试图使用预约来提高均衡时间是不科学的。

前边我们介绍了下电池组工作方式、均衡系统工作逻辑、如何判断电池组状态。下边我们来说一下小伙伴们共同总结的合理均衡方式:

正常用车,到电池组较低电量(推荐20%以下,10%以上)

插枪充电,到充电结束不要断电,让均衡系统充分均衡至仪表盘全黑(如果用车的话可以开走,前边均衡的小时数依然有效)

完成后正常用车

这样算是一个循环,均衡的时间都是有效均衡,剩下的就是积累足够的时间。像楼主的车,累计均衡超过200小时才达到比较完善的效果。

以上我们谈到的均衡,都是建立在电芯没问题的情况下。如果某个电芯有问题,实际容量降低了,那么无论均衡系统如何努力,都是无济于事的。那么如何判断电芯问题呢?

均衡问题导致的电压不一致,是5%的时候最低电压电芯和100%时最低电压电芯是同一个。而电芯问题导致的是5%的时候最低电压电芯在100%的时候反而电压较高甚至最高了,如果你的电池组是这样的情况,那么没别的办法,换掉有问题的电芯吧!

最后,解答一下文章开头的几个问题。

充电量不足、纯电续航里程不足:电池组均衡有问题或某个电芯有问题,解决方法为首先判断是哪种情况,相应的处理意见前文中已经介绍了。

充电跳电:即电池组在充电时在某个百分比(比如96%),不经过后边的百分比直接达到100%。原因是系统对于电池组容量的标记大于实际上电池组的容量。在充电到这个百分比时,已经有电芯的电压达到终止充电的电压。所以系统停止充电,同时认定此时电量为100%,造成此问题的原因也是充电量不足。

电量较低时电量下降飞快:因为磷酸铁锂电池的放电特征,在中间很长的平台电压变化很低,系统只能估测剩余电量。而当电芯剩余电量到达15%(此时对应电芯电压大约在3.18V)时,电压会突然下降。

唐和秦的电池管理系统会在有电芯到达此电压时,重新预估电池组剩余电量,如果此时剩余电量显示为30%,而系统重新估测后认为只有15%,那么,管理系统会提高仪表显示的电量下降速度,造成的结果就是原来1%可以跑800米,而此时只能跑400米。

国内电池管理系统BMS的困境

新能源汽车的发展并不是一帆风顺的,过去这两年,随着新能源汽车的大量推广使用,我们也听到了不少关于新能源汽车的“丑闻”:自燃、虚假续航里程等,而为什么会出现这些使用问题呢?没有使用电池管理系统或使用劣质的不成熟的电池管理系统是主因。实际上,新能源汽车的安全性问题,一直是政府和汽车产业的重点工作之一。

不久前,科技部、财政部、工信部和发改委等四部委,已经联合发布了新能源汽车示范推广“安全令”(即《关于加强节能与新能源汽车示范推广安全管理工作的函》),强调“对投入示范运行的插电式混合动力汽车、纯电动汽车要全部安装车辆运行技术状态实时监控系统(简称BMS),特别是要加强对动力电池和燃料电池工电动汽车自燃原因多种多样,并非安装了电池管理系统就可以高枕无忧的,例如:在安全、精度、寿命、放电能力等方面,单体电池可以充放电2000次,成电池组后可能只有1000次,若搭载不成熟的BMS,无法实时精准地监控电池充放电状况,极易造成电池芯局部功耗过大,产生局部热量,且信息无法传递至驾驶员,极易导致电池自燃发生。

业内人士认为,安装优秀的电池管理学BMS能够有效提高电池的利用率,防止电池出现过充电和过放电,并且延长电池的使用寿命,监控电池组及各电池单芯的运行状态,有效预防电池组自燃,如遇紧急情况提前对司机作出突发事件预警,为保障安全赢得时间。

新能源汽车和电池管理系统的未来

中国新能源汽车产业始于21世纪初,迄今发展不过十数年,由于人们对于环保和可再生能源的渴求,新能源汽车才迎来了发展机遇,之后便一发不可收拾,在很长的一段未来里,新能源汽车都会作为一个挑战者去侵占原本属于传统燃油汽车的广大市场,而且由于社会发展的需要,这种市场份额的侵占,是可以预期的。

在展望新能源汽车快速发展的同时,我们必须清楚地认识到,技术的发展才是行业发展的基础,而稳定、高效、安全、可靠的产品就是技术的体现,我们必须要知道,国内目前的新能源汽车行业并不友善,频发的电动车自燃事件和虚假续航里程,都暴露出国内目前新能源电池组、电池管理系统的设计、检测、生产的标准的不完善。

技术参数及标准的缺失,也没有权威机构对厂家生产的BMS进行权威检测,这是目前国内BMS市场的困局,导致了BMS产品的良莠不齐,难以大面积推广。

同时,目前国内很多汽车厂商及电池PACK企业对于BMS的重要性认识不足,以为只要各个单体电池芯能链接上,就能保证车辆运行,对其安全性心存侥幸,在BMS采购中一味地追求低价格,为求合同的签订,某些不良BMS供应商只有降低BMS功能指标或干脆阉割部分功能,从而埋下安全隐患,这也是对整个行业的不负责任和伤害。

只有尽快建立统一的行业标准,打压不符合市场要求的生产商,建立健全的检测体系,电池管理系统和新能源汽车才能拥有可持续发展的未来,这也是诸多厂商和消费者的诉求。


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