基于新能源汽車動力電池包BMS實驗教學方法的研究

張國凌

摘 要：汽車產業是國民經濟的重要組成部分，在國民經濟和社會發展中起著重要的作用，而新能源汽車產業是國家戰略性新興產業，也是朝陽產業，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、網聯化、共享化等為趨勢的新四化，將對汽車產業產生重大變革，重塑產業格局。本文通過對新能源汽車動力電池包BMS實驗教學方法的研究，讓汽車服務工程專業的學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的實踐知識，為新能源汽車專業課程的學習打下堅實的基礎。

關鍵詞：新能源汽車;動力電池包BMS;實驗教學

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展新能源汽車。另外交通能源消耗是造成局部環境污染和全球溫室氣體排放的重要原因之一，據統計，大氣污染42%來源于交通運輸，對人們的身體和生活健康受到了嚴重的危害，通過采用新能源和節能技術減少溫室氣體和有毒氣體的排放，是我們實現可持續發展的重要保證。我國汽車制造業水平一直落后于西方的發達國家，而通過發展新能源汽車產業，掌握核心的技術，從而拉近我國汽車制造水平與世界先進水平的差距，實現彎道超車。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到77.7萬輛，同比增長高達53.3%，而2017年深圳企業比亞迪新能源車銷量達113669輛，不僅奪得國內新能源車銷量四連冠，而且連續3年排名全球銷量第一。2018年，我國新能源汽車全年銷量達到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227152輛，勁增108%，超額完成20萬輛的年度目標。據統計顯示，2018年12月電池裝機量為13.32GWh，同比增長12.9%，環比增長49.4%。2018年1-12月電池的裝機量為57GWh，同比增長56.6%，預計2019年動力電池裝機量會達到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，新能源汽車迅速發展需要大量的應用型人才，尤其急需大量的新能源動力電池包PACK設計人才和售后服務人才。

（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，一輛電動汽車由很多節單體電池串聯而成，多節單體電池串聯成模組，多個電池模組串聯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，可實現對電池電壓、電流、溫度等多個電池參數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時電池工作數據。

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

2 研究內容

2.1 工作原理

動力電池包由多節單體電池串聯組成，每一節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，只有每一節單體電池都能正常工作，整個電池組才能發揮出最大性能。

本設備系統采用72V安全等級，動力電池23節串聯，動力電池包內部連接線，放電繼電器，充電繼電器，電流傳感器，維修開關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，可實現對電池電壓、電流、溫度等多種電池參數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時電池數據。

2.2 技術路線與結構原理：

2.2.1 設備能量傳遞路線圖，見圖2

a.充電連接家用220V交流電通過車載充電機轉換成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化成化學能存儲，放電時將化學能轉化成電能，是電動汽車儲能單元。

c.BMS采集電池包的數據，計算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，替代車上的驅動電機模塊，能夠快速將電池包的電進行釋放，以便實現充放電的實驗。

f.12V蓄電池給整車提供低壓工作電源。

2.2.2 電池包的結構原理圖，見圖3

2.2.3 控制流程或原理，見圖4

2.3 靜止狀態

a.點火鎖OFF，動力電池包內部BMS無12V工作電源輸入，內部放電、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 點火鎖ACC

a.通過點火鎖ACC，低壓12V給動力電池包內部BMS供電，內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轉換器，因DC/DC轉換器無12V觸發信號，暫不工作，低壓12V控制電路無電。

2.5 點火鎖ON（IG2）

a.通過點火鎖ON，低壓12V繼續給動力電池包內部BMS供電，內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轉換器，通過點火鎖ON，12V觸發后工作，將高壓72V轉換為低壓12V輸出，低壓12V控制電路上電。

2.5 放電狀態

放電開關閉合，接觸器吸合，高壓72V通過放電模塊發熱工作，模仿電機運轉放電。

2.7 充電狀態

a.點火鎖OFF，無12V工作電源輸入動力電池包內部BMS。

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

2.8 維修開關拔出

電池包內部強電聯接線切斷，高壓72V斷電;再斷開輔助蓄電池接頭，整個系統斷電。

3 實驗目的和實驗項目：

3.1 實驗目的

（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）各種狀態下邏輯控制關系，掌握電流，電壓，電池壓差，電池溫度等參數變化規律。（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操作安全注意事項，學會高壓連接器插拔方法。（7）電池包顯示屏Rs485-通訊線路故障，并根據邏輯控制關系，學會查找故障原因。（8）電池包顯示屏12V+線路故障，并根據邏輯控制關系，學會查找故障原因。（9）新能源汽車放電繼電器1控制線故障，并根據邏輯控制關系，學會查找故障原因。（10）新能源汽車放電繼電器2控制線故障，并根據邏輯控制關系，學會查找故障原因。（11）熟悉新能源汽車動力電池包（BMS）故障現象，并根據邏輯控制關系，學會查找故障原因。（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：

在放電時，防止電池過放，設置最低放電點;在充電時，防止電池過充，設置最高放電點;設置溫度最高、最低點，模擬動力電池在過熱狀態下，觀察BMS反應執行任務;設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下，觀察BMS反應執行任務。

3.2 實驗項目

實驗一：新能源汽車高壓系統操作安全及高壓連接器插拔方法實驗。

實驗二：新能源汽車動力電池包（BMS）控制原理實驗。

實驗三：新能源汽車動力電池包（BMS）主要零部件功能認知實驗。

實驗四：新能源汽車動力電池包（BMS）各種狀態下控制流程實驗。

實驗五：BMS采集動力電池組壓差，并控制充電和放電過程實驗。

實驗六：BMS采集動力電池組溫差，并控制充電和放電過程實驗。

實驗七：電池包顯示屏Rs485-通訊線路故障分析與排除實驗。

實驗八：電池包顯示屏Rs485+通訊線路故障分析與排除實驗。

實驗九：電池包顯示屏12V+線路故障分析與排除實驗。

實驗十：新能源汽車放電繼電器1控制線故障分析與排除實驗。

實驗十一：新能源汽車放電繼電器2控制線故障分析與排除實驗。

實驗十二：上位機更改動力電池包在充放電時單體電壓和模組的溫度參數變化實驗：

在放電時，防止電池過放，設置最低放電電壓;

在充電時，防止電池過充，設置最高充電電壓;

設置溫度最高、最低點，模擬動力電池在過熱狀態下，觀察BMS反應執行任務;

設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下，觀察BMS反應執行任務。

4 實驗教學文件與技術文件示例：

說明：下面這個實驗示例實際操作應有有配圖，但考慮文章篇幅有限，所以沒有配圖。并且需要編制相應的實驗教學文件與技術文件。

實驗示例：電池包顯示屏Rs485-通訊線路故障。

實驗目的：

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

實驗設備：

自制實驗設備一臺，示波器一臺，萬用表一個。

故障設置：

打開點火開關，連接設故設備，將Rs485-線斷開。

故障現象：

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，發現在BMS端有信號，而在顯示屏端信號發現Rs485-從BMS出來是有波形，但在進顯示器的端子時無信號，說明此線路斷路;（2）關閉點火開關，用萬用表檢測其線路通斷情況，將萬用表打到蜂鳴檔發現其線路不通;（3）清除故障，使用設故設備清除此線路的故障，顯示屏顯示正常。

實驗總結：

（1）此實驗驗證了Rs485傳輸是可以單線傳輸，類似于CAN低速的傳輸結構;（2）此時這現象就是單線傳輸，一根傳輸線路不能正常傳輸顯示信息，使顯示變慢;（3）加強學生對信息網絡傳輸知識的學習。

5 結語

汽車服務工程專業的學生通過上述新能源汽車動力電池包（BMS）項目的實驗和實訓，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）各種狀態下邏輯控制關系，掌握電流，電壓，電池壓差，電池溫度等參數變化規律，掌握新能源汽車動力電池包（BMS）故障現象，并根據邏輯控制關系，學會查找故障原因和診斷排除方法。

基金項目：深圳技術大學2019實驗室研究基金專項，項目編號：JS20190008。