基于新能源汽車動力電池包BMS實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的研究

張國凌

摘 要：汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中起著重要的作用，而新能源汽車產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，也是朝陽產(chǎn)業(yè)，在政策背景下，推動新能源乘用車市場快速整改，從電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化等為趨勢的新四化，將對汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大變革，重塑產(chǎn)業(yè)格局。本文通過對新能源汽車動力電池包BMS實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的研究，讓汽車服務(wù)工程專業(yè)的學(xué)生能夠更好地了解和掌握新能源汽車動力電池包及其能源管理控制系統(tǒng)的實(shí)踐知識，為新能源汽車專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;動力電池包BMS;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 研究的背景意義：

（1）隨著全球世界各國汽車保有量的增加，隨著石油資源的危機(jī)突顯，石油的價格也在不斷地上漲，從1973年到2019年四十多年間，石油價格從每桶的3美元上漲到了近70美元，中國石油的進(jìn)口量每年還在不斷地上升，而解決這一問題最好的方法就是大力發(fā)展新能源汽車。另外交通能源消耗是造成局部環(huán)境污染和全球溫室氣體排放的重要原因之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，大氣污染42%來源于交通運(yùn)輸，對人們的身體和生活健康受到了嚴(yán)重的危害，通過采用新能源和節(jié)能技術(shù)減少溫室氣體和有毒氣體的排放，是我們實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。我國汽車制造業(yè)水平一直落后于西方的發(fā)達(dá)國家，而通過發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，掌握核心的技術(shù)，從而拉近我國汽車制造水平與世界先進(jìn)水平的差距，實(shí)現(xiàn)彎道超車。隨著國家層面大力推廣新能源交通工具，純電動汽車增長率一直保持在50%以上，2017年，我國新能源車全年銷量達(dá)到77.7萬輛，同比增長高達(dá)53.3%，而2017年深圳企業(yè)比亞迪新能源車銷量達(dá)113669輛，不僅奪得國內(nèi)新能源車銷量四連冠，而且連續(xù)3年排名全球銷量第一。2018年，我國新能源汽車全年銷量達(dá)到125.6萬輛，比上年同期增長61.7%。2018年比亞迪新能源車增速迅猛，銷量達(dá)227152輛，勁增108%，超額完成20萬輛的年度目標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2018年12月電池裝機(jī)量為13.32GWh，同比增長12.9%，環(huán)比增長49.4%。2018年1-12月電池的裝機(jī)量為57GWh，同比增長56.6%，預(yù)計(jì)2019年動力電池裝機(jī)量會達(dá)到80Gwh。新能源動力電池包作為電動車儲能裝置，因高壓大電流，安全操作要求高，作為新興行業(yè)，新能源汽車迅速發(fā)展需要大量的應(yīng)用型人才，尤其急需大量的新能源動力電池包PACK設(shè)計(jì)人才和售后服務(wù)人才。

（2）電動汽車能量來源為動力電池組儲能，其性能好壞直接影響電動汽車的行使里程和駕駛體驗(yàn)，一輛電動汽車由很多節(jié)單體電池串聯(lián)而成，多節(jié)單體電池串聯(lián)成模組，多個電池模組串聯(lián)成電池包作為電動汽車儲能單元。

（3）BMS電池管理單元能為鋰電池提供完善的保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)對電池電壓、電流、溫度等多個電池參數(shù)的高精度在線檢測及故障報警，高精度估算電池組的剩余容量（SOC），可同時控制多路大電流的電池均衡，并適應(yīng)多種充放電控制策略，通過CAN通道傳遞信息給顯示屏來顯示實(shí)時電池工作數(shù)據(jù)。

（4）為了能讓電池包發(fā)揮最好的效能，需要對電池包內(nèi)每個單體電池進(jìn)行管理，采集每節(jié)的單體電池電壓以及模組的溫度。

2 研究內(nèi)容

2.1 工作原理

動力電池包由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成，每一節(jié)單體電池影響著這個電池組的總體性能，所以對所有單體電池的管理掌控變得尤為重要，只有每一節(jié)單體電池都能正常工作，整個電池組才能發(fā)揮出最大性能。

本設(shè)備系統(tǒng)采用72V安全等級，動力電池23節(jié)串聯(lián)，動力電池包內(nèi)部連接線，放電繼電器，充電繼電器，電流傳感器，維修開關(guān)等部件均與原車相同，布置方式也完全相同，功能與原車動力電池包相同;

單體電池連接圖如圖1：

BMS動力電池管理模塊是對動力電池提供完善的保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)對電池電壓、電流、溫度等多種電池參數(shù)的高精度在線檢測及故障報警，高精度估算電池組的剩余容量，可同時控制多路大電流的電池均衡，并適應(yīng)多種充放電控制策略，通過CAN通道傳遞信息給顯示屏來顯示實(shí)時電池數(shù)據(jù)。

2.2 技術(shù)路線與結(jié)構(gòu)原理：

2.2.1 設(shè)備能量傳遞路線圖，見圖2

a.充電連接家用220V交流電通過車載充電機(jī)轉(zhuǎn)換成72直流電給動力電池包充電。

b.動力電池包在充電時將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲，放電時將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，是電動汽車儲能單元。

c.BMS采集電池包的數(shù)據(jù)，計(jì)算SOC等，對充放電功率管理，與外界通信。

d.DC-DC模塊將72V直流電轉(zhuǎn)換成12V直流電給整車供電和給12V蓄電池供電。

e.放電模塊是將電池包的電消耗，替代車上的驅(qū)動電機(jī)模塊，能夠快速將電池包的電進(jìn)行釋放，以便實(shí)現(xiàn)充放電的實(shí)驗(yàn)。

f.12V蓄電池給整車提供低壓工作電源。

2.2.2 電池包的結(jié)構(gòu)原理圖，見圖3

2.2.3 控制流程或原理，見圖4

2.3 靜止?fàn)顟B(tài)

a.點(diǎn)火鎖OFF，動力電池包內(nèi)部BMS無12V工作電源輸入，內(nèi)部放電、充電主接觸器均斷開，動力電池包無任何電源輸出。

b.除輔助蓄電池常電外，整車高壓，低壓電路均無電。

2.4 點(diǎn)火鎖ACC

a.通過點(diǎn)火鎖ACC，低壓12V給動力電池包內(nèi)部BMS供電，內(nèi)部放電主接觸器吸合，動力電池包高壓72V輸出。

b.高壓72V輸出到DC/DC轉(zhuǎn)換器，因DC/DC轉(zhuǎn)換器無12V觸發(fā)信號，暫不工作，低壓12V控制電路無電。

2.5 點(diǎn)火鎖ON（IG2）

a.通過點(diǎn)火鎖ON，低壓12V繼續(xù)給動力電池包內(nèi)部BMS供電，內(nèi)部放電主接觸器吸合，動力電池包高壓72V輸出。

b.高壓72V輸出到DC/DC轉(zhuǎn)換器，通過點(diǎn)火鎖ON，12V觸發(fā)后工作，將高壓72V轉(zhuǎn)換為低壓12V輸出，低壓12V控制電路上電。

2.5 放電狀態(tài)

放電開關(guān)閉合，接觸器吸合，高壓72V通過放電模塊發(fā)熱工作，模仿電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)放電。

2.7 充電狀態(tài)

a.點(diǎn)火鎖OFF，無12V工作電源輸入動力電池包內(nèi)部BMS。

b.車載充電機(jī)提供12V低壓輔助電源，輸出給動力電池包內(nèi)部BMS供電，內(nèi)部充電主接觸器吸合，接收車載充電機(jī)72V充電。

2.8 維修開關(guān)拔出

電池包內(nèi)部強(qiáng)電聯(lián)接線切斷，高壓72V斷電;再斷開輔助蓄電池接頭，整個系統(tǒng)斷電。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）了解新能源汽車動力電池包（BMS）控制原理。（2）了解新能源汽車動力電池包（BMS）主要零部件功能。（3）熟悉新能源汽車動力電池包（BMS）各種狀態(tài)下邏輯控制關(guān)系，掌握電流，電壓，電池壓差，電池溫度等參數(shù)變化規(guī)律。（4）熟悉BMS如何采集動力電池組壓差，并控制充電和放電過程。（5）熟悉BMS如何采集動力電池組溫差，并控制充電和放電過程。（6）明確新能源汽車高壓系統(tǒng)操作安全注意事項(xiàng)，學(xué)會高壓連接器插拔方法。（7）電池包顯示屏Rs485-通訊線路故障，并根據(jù)邏輯控制關(guān)系，學(xué)會查找故障原因。（8）電池包顯示屏12V+線路故障，并根據(jù)邏輯控制關(guān)系，學(xué)會查找故障原因。（9）新能源汽車放電繼電器1控制線故障，并根據(jù)邏輯控制關(guān)系，學(xué)會查找故障原因。（10）新能源汽車放電繼電器2控制線故障，并根據(jù)邏輯控制關(guān)系，學(xué)會查找故障原因。（11）熟悉新能源汽車動力電池包（BMS）故障現(xiàn)象，并根據(jù)邏輯控制關(guān)系，學(xué)會查找故障原因。（12）通CAN控制器更改動力電池包在充放電時單體電壓和模組的溫度變化參數(shù)：

在放電時，防止電池過放，設(shè)置最低放電點(diǎn);在充電時，防止電池過充，設(shè)置最高放電點(diǎn);設(shè)置溫度最高、最低點(diǎn)，模擬動力電池在過熱狀態(tài)下，觀察BMS反應(yīng)執(zhí)行任務(wù);設(shè)置放電電流的上限和充電上限，模擬電池包過放和過充狀態(tài)下，觀察BMS反應(yīng)執(zhí)行任務(wù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)一：新能源汽車高壓系統(tǒng)操作安全及高壓連接器插拔方法實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)二：新能源汽車動力電池包（BMS）控制原理實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)三：新能源汽車動力電池包（BMS）主要零部件功能認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)四：新能源汽車動力電池包（BMS）各種狀態(tài)下控制流程實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)五：BMS采集動力電池組壓差，并控制充電和放電過程實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)六：BMS采集動力電池組溫差，并控制充電和放電過程實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)七：電池包顯示屏Rs485-通訊線路故障分析與排除實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)八：電池包顯示屏Rs485+通訊線路故障分析與排除實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)九：電池包顯示屏12V+線路故障分析與排除實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)十：新能源汽車放電繼電器1控制線故障分析與排除實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)十一：新能源汽車放電繼電器2控制線故障分析與排除實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)十二：上位機(jī)更改動力電池包在充放電時單體電壓和模組的溫度參數(shù)變化實(shí)驗(yàn)：

在放電時，防止電池過放，設(shè)置最低放電電壓;

在充電時，防止電池過充，設(shè)置最高充電電壓;

設(shè)置溫度最高、最低點(diǎn)，模擬動力電池在過熱狀態(tài)下，觀察BMS反應(yīng)執(zhí)行任務(wù);

設(shè)置放電電流的上限和充電上限，模擬電池包過放和過充狀態(tài)下，觀察BMS反應(yīng)執(zhí)行任務(wù)。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)文件與技術(shù)文件示例：

說明：下面這個實(shí)驗(yàn)示例實(shí)際操作應(yīng)有有配圖，但考慮文章篇幅有限，所以沒有配圖。并且需要編制相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)文件與技術(shù)文件。

實(shí)驗(yàn)示例：電池包顯示屏Rs485-通訊線路故障。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

讓學(xué)生了解Rs485通訊線信息傳輸原理;讓學(xué)生掌握Rs485通訊線路傳輸工作狀態(tài);讓學(xué)生掌握Rs485通訊線路傳輸故障的排除方法。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備一臺，示波器一臺，萬用表一個。

故障設(shè)置：

打開點(diǎn)火開關(guān)，連接設(shè)故設(shè)備，將Rs485-線斷開。

故障現(xiàn)象：

電池包顯示屏能正常顯示，但顯示信息變慢。

故障檢測或步驟：

（1）用示波器連接檢測Rs485-線的信號，發(fā)現(xiàn)在BMS端有信號，而在顯示屏端信號發(fā)現(xiàn)Rs485-從BMS出來是有波形，但在進(jìn)顯示器的端子時無信號，說明此線路斷路;（2）關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，用萬用表檢測其線路通斷情況，將萬用表打到蜂鳴檔發(fā)現(xiàn)其線路不通;（3）清除故障，使用設(shè)故設(shè)備清除此線路的故障，顯示屏顯示正常。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：

（1）此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Rs485傳輸是可以單線傳輸，類似于CAN低速的傳輸結(jié)構(gòu);（2）此時這現(xiàn)象就是單線傳輸，一根傳輸線路不能正常傳輸顯示信息，使顯示變慢;（3）加強(qiáng)學(xué)生對信息網(wǎng)絡(luò)傳輸知識的學(xué)習(xí)。

5 結(jié)語

汽車服務(wù)工程專業(yè)的學(xué)生通過上述新能源汽車動力電池包（BMS）項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，能更好地了解新能源汽車動力電池包（BMS）主要零部件功能，熟悉新能源汽車動力電池包（BMS）各種狀態(tài)下邏輯控制關(guān)系，掌握電流，電壓，電池壓差，電池溫度等參數(shù)變化規(guī)律，掌握新能源汽車動力電池包（BMS）故障現(xiàn)象，并根據(jù)邏輯控制關(guān)系，學(xué)會查找故障原因和診斷排除方法。

基金項(xiàng)目：深圳技術(shù)大學(xué)2019實(shí)驗(yàn)室研究基金專項(xiàng)，項(xiàng)目編號：JS20190008。