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電(diàn)池管理(lǐ)系统控制策略

電(diàn)池管理(lǐ)系统(BMS)主要用(yòng)来对蓄電(diàn)池组进行安全监控以及通过有(yǒu)效管理(lǐ)提高蓄電(diàn)池使用(yòng)效率的装置。对于電(diàn)动車(chē)辆
而言,通过该系统对電(diàn)池组充放電(diàn)的管控,可(kě)以达到增加续航里程,延長(cháng)使用(yòng)寿命,降低运行成本的目的,并保证动力
電(diàn)池组应用(yòng)的安全性和可(kě)靠性,动力電(diàn)池管理(lǐ)系统已经成為(wèi)電(diàn)动汽車(chē)不可(kě)缺少的核心部件之一。

 
   
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電(diàn)池管理(lǐ)系统BMS开发咨询
—— 概述
電(diàn)池管理(lǐ)系统(BMS)监控電(diàn)池组中各单體(tǐ)電(diàn)池的状态,管理(lǐ)電(diàn)池组的使用(yòng)过程,维持電(diàn)池组中单體(tǐ)電(diàn)池的状态一致性,从而起到保障電(diàn)池安全,提高電(diàn)池寿命的作用(yòng)。國(guó)内外所有(yǒu)上市的電(diàn)动汽車(chē)(包括纯電(diàn)动汽車(chē)与混合动力汽車(chē))都装备了BMS,BMS已经成為(wèi)现代電(diàn)动汽車(chē)的关键零部件之一。

—— 基本功能(néng)
•  電(diàn)池单體(tǐ)電(diàn)压、電(diàn)流、温度信号采集
•  绝缘電(diàn)阻检测
•  電(diàn)池单體(tǐ)一致性均衡
•  電(diàn)池荷電(diàn)状态SOC/健康状态SOH估算
•  过流、过压、过热保护
•  动力母線(xiàn)预充電(diàn)控制
•  智能(néng)充電(diàn)控制
•  電(diàn)池组总電(diàn)压、電(diàn)流信号采集
•  電(diàn)池组热管理(lǐ)

—— 系统架构
本方案使用(yòng)主从式的BMS系统架构,即一个主控模块+若干采集模块的方式,主控模块与采集模块之间通过CAN通信,如下图所示。主从式BMS布局灵活,方便检修,便于日常维护,适用(yòng)于各类纯電(diàn)动汽車(chē)与混合动力汽車(chē)。
—— 软件方案
由于BMS功能(néng)的多(duō)样性与复杂性,BMS软件十分(fēn)复杂,為(wèi)适应不同的車(chē)型以及同一車(chē)型的升级换代,软件还需要反复修改,这对软件开发者提出了一大挑战。如果使用(yòng)传统手工编程的开发方式,开发工作量巨大,软件的可(kě)维护性较差,造成开发周期与开发成本的不可(kě)控。本方案使用(yòng)了全自动代码生成的软件开发方式,整个控制器的软件代码都由ECUCoder自动代码生成工具生成,控制器软件开发的整个过程都以图形化建模的方式来实现,用(yòng)户无需手工编程,无需手工代码集成,也无需代码移植。

全自动代码生成可(kě)以有(yǒu)效提高开发效率,大幅削减控制器软件开发的工作量。在绝大部分(fēn)应用(yòng)中,借助全自动代码生成技术至少可(kě)以缩短50%开发周期,降低80%开发成本。

使用(yòng)ECUCoder作為(wèi)BMS软件开发解决方案的优势主要包括:

•  自动代码同时生成基础软件与应用(yòng)软件,无需手动集成
•  功能(néng)强大的GUI界面,可(kě)直接从模型访问并配置整个基础软件
•  代码可(kě)靠,代码可(kě)读性与执行效率良好折中
•  同时提供芯片级模块库与控制器级模块库,支持用(yòng)户自主开发的控制器硬件


在BMS软件中,将BMS的基本状态分(fēn)為(wèi)上電(diàn)、就绪、高压关闭、高压预充電(diàn)、高压使能(néng)、故障等几种状态,各种状态的转换逻辑如下图所示:

BMS基本状态转换逻辑
—— 关键技术
電(diàn)池均衡:
由于電(diàn)池制作工艺等原因,不同電(diàn)池单體(tǐ)之间诸如電(diàn)解液密度、電(diàn)极等效電(diàn)阻等都存在着差异,这些差异导致即便串联蓄電(diàn)池组每个单體(tǐ)的充放電(diàn)電(diàn)流相同,也会使每个单體(tǐ)的容量产生不同,进而影响整个電(diàn)池组的工作。最坏的情况,在一个蓄電(diàn)池组中,有(yǒu)一个单體(tǐ)的剩余容量接近為(wèi)100%,另一个单體(tǐ)的剩余容量為(wèi)0,则这个蓄電(diàn)池组既不能(néng)充電(diàn)也不能(néng)放電(diàn),完全不能(néng)使用(yòng)。因此对電(diàn)池容量的均衡是非常重要的,尤其是在電(diàn)动汽車(chē)大量電(diàn)池单體(tǐ)串联使用(yòng)的情况下。

電(diàn)池均衡的方式有(yǒu)很(hěn)多(duō)种,按照使用(yòng)的元器件不同可(kě)以分(fēn)為(wèi)電(diàn)阻均衡,電(diàn)容均衡,電(diàn)感均衡,变压器均衡与DCDC均衡,按照能(néng)量去向不同可(kě)以分(fēn)為(wèi)被动均衡与主动均衡。

被动均衡效率低,但是系统复杂度低,成本低,适用(yòng)于中小(xiǎo)容量電(diàn)池组的均衡;主动均衡效率高,但是系统复杂度高,成本高,适用(yòng)于大容量電(diàn)池组的均衡。本方案根据用(yòng)户所用(yòng)電(diàn)池组的容量、均衡效率以及成本综合考虑,选用(yòng)被动均衡或者主动均衡。被动均衡将容量较多(duō)的電(diàn)池電(diàn)量通过電(diàn)阻消耗来达到均衡,主动均衡将容量较多(duō)的電(diàn)池電(diàn)量转移到容量较少的電(diàn)池达到均衡,两种均衡方式的对比如下图所示:

被动均衡与主动均衡的比较

SOC估算:
電(diàn)池的荷電(diàn)状态SOC描述了電(diàn)池的剩余電(diàn)量,是電(diàn)池在使用(yòng)过程中最重要的参数之一。准确估计SOC可(kě)以防止電(diàn)池的过充電(diàn)或者过放電(diàn),有(yǒu)效延長(cháng)電(diàn)池的使用(yòng)寿命,并且在電(diàn)动汽車(chē)的行驶中可(kě)以预知可(kě)续驶里程。由于SOC估算受温度、老化、充放電(diàn)倍率、自放電(diàn)等因素的影响,使得電(diàn)池在实际应用(yòng)中呈现為(wèi)高度的非線(xiàn)性,导致SOC的精确估算十分(fēn)困难。关于锂電(diàn)池的部分(fēn)特性,如图所示:

 
SOC的估算方法较多(duō),主要包括:
•  放電(diàn)试验法
•  安时计量法
•  安时计量法
•  负载電(diàn)压法
•  内阻法
•  模糊逻辑法
•  神经网络法
•  卡尔曼滤波法

以上各种方法在電(diàn)动汽車(chē)上应用(yòng)时,都存在一定的缺陷:放電(diàn)试验法需要中断電(diàn)池的正常充放電(diàn);安时计量法存在误差累计;开路電(diàn)压法动态误差较大;内阻法受温度影响较大;模糊逻辑法依赖工程经验;卡尔曼滤波法依赖精确的電(diàn)池模型。

SOC估算方法
 
本方案采用(yòng)一种以安时计量法為(wèi)基础,利用(yòng)電(diàn)池静止状态下的开路電(diàn)压法来消除累计误差的SOC估算方法,其关键在于電(diàn)池充放電(diàn)状态与静止状态的准确判断。试验结果表明,采用(yòng)此SOC估算方法,SOC估算误差在5%以内。
 
通信协议:
本方案使用(yòng)基于CAN总線(xiàn)的通信方式,主要包括3部分(fēn):
•  BMS内部主控模块与采集模块之间的CAN通信;
•  BMS与整車(chē)控制器等动力系统控制单元的CAN通信;
•  BMS与非車(chē)载充電(diàn)机之间的CAN通信。




 
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