中职《新能源汽车概论》教案第4课分析BMS的特性.docx

课题分析BMS的特性课时2课时(90min)教学目标知识目标：掌握BMS的基本功能和基本结构技能目标：能够分析BMS的主要性能素质目标：(1)坚定民族自豪感和文化自信心(2)强化安全意识和节能环保意识(3)培养团结协作、顾全大局的团队精神教学重难点教学重点：掌握BMS的基本功能和基本结构教学难点：能够分析BMS的主要性能教学方法任务引入法、问答法、讨论法、实践操作法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：课前任务T考勤(2min)任务引入(5min)传授新知(33min)课堂讨论(5min)第2节课：传授舱口(35min)课堂讨论(5min)课堂小结(3min)一作业布置(2min)教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务,和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单分析BMS的特性”，并根据任务工单进行组内分工,同时提醒同学通过APP或其他学习软件，收集纯电动汽车BMS的相关资料，并进行了解【学生】提前上网观看相关资料，熟悉教材通过课前的预热，让学生了解所学课程的大概内容，激发学生的学习欲望考勤(2min)【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况任务引入(5min)【教师】讲述“纯电动汽车起火”的案例，然后提出以下问题：(1)新能源汽车自燃的原因？(2)怎样避免新能源汽车火灾的发生？【学生】聆听、思考、举手回答通过与本任务相关的创新故事引出任务，激发学生的学习兴趣，让学生带着相关背景去探索新知识传授新知(33min)【教师】通过大家的发言，引入新知，讲解BMS的基本功能纯电动汽车的动力电池是由电池单体通过串并联方式组成的，其功率和容量都很大。在实际生产电池单体时，基于现有的正极材料工艺和动力电池制造水平，通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，让学生了解BMS生产工艺、材质有茅舞长时间使用.材小老化不同步电压、内阻、容量不同生产的批次不同容内阻不同个别电池单体内部短路自放电电流、内阻不同不同区域温度不同电压、内阻与承受能力不同工作电流不一致电压分布不均匀局部漏电SOC（制余电）变化不同电池单体之间的性能不能完全一致（不一致情况见下表），在应用中容易产生局 部过热现象。纯电动汽车苛刻的使用条件也容易诱发动力电池电压、容量的局部 偏差，影响动力电池的安全和使用性能。此外，动力电池在充放电时，部分电池 单体可能先于其他电池单体完成充放电。此时，继续充放电就会造成这部分电池 单体过充电或过放电，导致动力电池容量下降、热失控或者内部短路等。BMS就 是为解决上述问题而配置的。的基本功能2.2.1B、IS的基本功能不同生产厂家和型号的BMS,其性能也不尽相同，但一般都具有以下基本功能。1.信息采集1）基本信息的采集由于多种原因，在动力电池中个别电池单体会出现性能改变的现象，使得动力电池在充电时不能充足电，在放电时很快便将电能放尽，这就要求BMS采集各个电池单体的电压、电流，了解电池单体的具体信息。此外，BMS还需要采集动力电池的总电压、总电流、温度等信息。动力电池的这些基本信息是BMS所有顶层计算、控制逻辑的基础。2）绝缘检测各个电池单体之间，各个电池模块之间，以及电池模组与高压接口之间，都要用电缆连接，这些电缆要求可靠绝缘。因此，BMS需要对整个动力电池系统进行绝缘检测，以免发生漏电、短路等故障。3）高压系统的完整性检测动力电池系统一般装有自动断电器。BMS需要对整个高压系统的完整性进行确认，当发现高压系统受到破坏时，应控制自动断电器切断动力电池的高压电路。【课堂讨论】随机挑选学生回答问题当车辆发生碰撞或倾覆时,BMS会做哪些工作？【学生】聆听、思考、讨论问题【教师】总结学生的回答当车辆发生碰撞或倾覆时，BMS应能立即切断动力电池的高压电路，防止高压电引起火灾和人身事故,并防止电解液泄漏，以保证人身安全。有些车型可以利用安全气囊的动作来触发BMS控制自动断电器切断动力电池高压电路.2.状态估算BMS根据采集的信息,采用相应的算法对动力电池的温度、荷电状态（SOC）.健康状态（SOH）、能量状态（SOE）、功能状态（SOF）、安全状态（SoS）等进行估算。其中，动力电池的温度估算是其他状态估算的基础，荷电状态估算受到健康状态估算结果的影响，功能状态是由荷电状态、健康状态、安全状态以及动力电池的温度共同决定的，能量状态则与荷电状态、健康状态、动力电池的温度及未来工况有关。【经验传承】拓展知识面【教师】讲述温度对动力电池的性能影响温度对动力电池的性能影响较大，目前BMS一般只能测量电池模组的表面温度,而电池模组的内部温度则需要使用热力学模型进行估算。SOC.SOH.SOE都是动力电池的隐性状态，不能由测量设备直接获取，需要BMS来估算.SOFxSOS需要根据对动力电池系统及高压系统检测所得数据，依据相应标准判断得出。【学生】聆听、思考SOC表示动力电池当前的剩余容量与其充满电状态的容量的比值，常用百分数表示。SOC设计有针对动力电池的荷电状态估算观测器,可将BMS测得的电压值和电流值作为观测器的输入值，结合双自适应衰减扩展卡尔曼滤波等算法，估算出动力电池的荷电状态。SoH表示当前动力电池相对于新动力电池存储电能的能力，以百分比的形式表示动力电池从寿命开始到寿命结束期间所处的状态，用来定量描述当前动力电池的性能状态。SOH是BMS中最重要的参数之一，精确掌握动力电池的SOH可以为动力电池系统的检测与故障诊断提供依据，有助于及时了解动力电池各个电池单体的健康状态，及时更换老化的电池单体，提高动力电池的整体寿命，进一步提高纯电动汽车的动力性能。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述温度对动力电池的性能影响动力电池的性能指标较多,国内外对SOH有多种定义，概念上缺乏统一，目前SoH的内容主要体现在容量、电量、内阻、循环次数和峰值功率等方面.【学生】聆听、思考SOE表示当前条件下动力电池可释放的能量与最大可用能量的比值，是反映动力电池能量使用情况的重要指标。SOE的估算方法不同于SOC,它不仅受动力电池负载电流的影响，还和动力电池端电压相关。在动力电池的使用过程中，当动力电池的温度和充放电倍率发生变化时，动力电池的放电率会随之改变并影响动力电池的SOE.对纯电动汽车而言，SOF可以被定义为某一特定时刻，动力电池可以提供给驱动电机等各种电气设备的功率，可以简单地认为SoF是SoC及温度的函数。实际上，对很多纯电动汽车的动力电池系统来说,BMS不仅要估算特定时刻动力电池对外输出的功率，还要提供动力电池允许充电的最大功率。3.故障诊断故障诊断是BMS的重要功能，包括故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等环节.BMS通过采集到的传感器信号，采用诊断算法诊断动力电池系统的故障类型，并进行早期预警。当动力电池工作时，BMS可以对其进行故障诊断，实时掌握动力电池的各种状态；在非工作状态下，BMS也能将故障信息定位到动力电池的各个部分（包括电池单体）BMS根据故障的严重程度将动力电池的故障等级归纳为尽快维修、立即维修和电池寿命警告三级，并将相应的故障信息传递到仪表板以警示驾驶员，从而保证动力电池不被过分使用。动力电池系统常见的故障有动力电池自身故障，高压系统、热管理系统等各个子系统的传感器故障，执行器（如接触器、风扇、泵、加热器等）故障，网络故障，以及各种控制器软硬件故障等。其中，动力电池自身故障包括过电压（过充电）、欠电压（过放电）、过电流、超高温、内部短路、接头松动、电解液泄漏、绝缘性能降低等。4 .均衡控制均衡控制是BMS根据电池单体信息，采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式，尽可能地使动力电池各电池单体的容量保持一致。动力电池中各电池单体之间的不一致在其整个生命周期里不可避免地存在。如不采取措施，电池单体在充放电过程中的不一致会导致某些电池单体由于过充电、过放电而提前失效.因此，必须对动力电池中的电池单体进行均衡控制，将各个电池单体充放电性能的恶化程度降至最小或使其消失。为了消除电池单体的不一致带来的严重影响，近十几年来，研究者们采用了各种各样的方法进行动力电池的均衡管理，目前主要使用的有以下两种方法.1）分流法在充电时，当某个电池单体的充电电压超过设定值时，可通过并联在该电池单体上的电阻对该电池单体的电流进行分流，从而达到降低该电池单体充电电压的目的。5 ）切断法在充电时，当某个电池单体的充电电压超过设定值时，可用自动控制开关切断该电池单体的电路，同时闭合旁路开关，电流绕过该电池单体，继续向下一个电池单体充电。切断法所需的开关个数是电池单体个数的两倍。6 .热管理锂离子电池适宜的工作温度为1535,而纯电动汽车的实际工作温度为-3050°C,因此必须对动力电池系统进行热管理，在低温时对其进行加热，在高温时对其进行冷却，以充分发挥动力电池的性能。【课堂讨论】随机挑选学生回答问题车辆产生的热量的功用？【学生】聆听、思考、讨论问题【教师】总结学生的回答动力电池在工作时会产生较高的温度,理想状态是将其产生的热量充分用于取暖和挡风玻璃除霜等，使热量得到合理利用，但实际上新能源汽车的结构设计决定了其很难利用这部分热能或利用起来并不经济。因此，通过技术创新实现对这部分热能的有效利用，将是降低整车能量消耗的研究方向之一。7 .充电控制BMS中一般设有充电管理模块，它能够根据动力电池的特性、温度的高低以及车载充电机的功率等级，控制车载充电机给动力电池进行安全充电。8 .网络通信BMS能与整车控制器等网络节点进行通信；同时，BMS还可以在不拆卸动力电池箱的情况下进行在线参数标定、状态监控、自动生成代码和程序下载（程序更新而不拆卸产品）等。一般车载网络均采用CAN总线技术。9 .安全控制与报警BMS在诊断到故障后，可通过车载网络通知整车控制器，并要求整车控制器进行有效处理（超过一定阈值时BMS也可以自动切断高压电路），以防止高温、低温、过充电、过放电、过电流、漏电等对车辆和人员造成损害。10 信息存储BMS可用于存储关键数据，如荷电状态、健康状态、能量状态、功能状态、累积充放电安时数、故障码和一致性状态等.11 .电磁兼容纯电动汽车的使用环境有时会比较恶劣，因此BMS通常具有良好的抗电磁干扰能力；同时BMS对外辐射很小，可与纯电动汽车的其他系统更好地兼容。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述BMS控制器具有几十个电池单体的动力电池系统可能只有一个BMS控制器,或者将BMS的功能集成到整车控制器中。具有数百个电池单体的BMS可能有一个主控制器和多个仅管理一个电池模块的从控制器。每个具有数十个电池单体的电池模块可能存在一些接触器和均衡装置，并由从控制器管理电池模块，控制接触器，均衡电池单体并与主控制器通信，主控制器根据各从控制器所报告的数据执行电池状态估算、故障诊断、热管理等功能。【学生】聆听、思考【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂讨论(5min) 【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：BMS如何对电池进行均衡管理？ 【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言通过课堂讨论，激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解第二节课传授新知(35min)【教师】通过大家的发言，引入新知，讲解BMS的结构2.2.2BMS的结构BMS可分为集中式和分布式两种结构形式。(1)集中式结构：将所有的电气元件都集中到一块控制板上，保证采样芯片具有较高的通道利用率，且采样芯片与主芯片之间可以采用菊花链通信，电路设计相对简单，产品成本较低，但所有的采集线束都会连接到控制板上，对BMS的安全性要求较高，并且菊花链通信的稳定性相对较差。这种结构形式比较适合动力电池容量较小、形式相对固定的场合。(2)分布式结构：一般由主控制板和从控制板组成.这种结构形式可以是一个电池模块配备一个从控制板，如果电池模块的电池单体数量少于12个，就会造成采样通道的浪费(采样芯片一般有12个通道)；也可以用23个从控制板控制所有的电池模块，这样一块从控制板中会有多个采样芯片，通道利用率较高、成本较低、系统配置灵活，可适应不同容量、不同规格的动力电池。下面以某型号BMS为例，介绍BMS的结构，如图所示。在1个电池模块内装有I个采集单元和1个均衡单元。若干个采集单元、若干个均衡单元、1个主控单元、1个显示单元和CAN总线组成一套完整的BMS。通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，让学生了解BMS的结构充电机电池管理系统主控单元CAN总线Q均衡单元1 .采集单元采集单元（见下图）安装在电池模块内。每个采集单元最多可测量19个电池单体的端电压，还可挂接6个温度测量点和1路风扇控制电路。采集单元的主要技术参数如表所示。供电电源DC24V<±30>湿度检测路数及精度6路，r电压涌苑圉及精度O-5V,±0.2%风扇控制路数I路，可力动6台DC24V/01SA风扇大楼渊周期0.2s通信接口I路CAN.1路RS232检涌电池单体个数19运行温度2570C2.均衡单元当动力电池箱内电池单体之间的电压不一致超过规定值时，均衡单元在充电电流小于一定值后，可自动对电池单体进行均衡控制.3 .主控单元主控单元（见图）负责对电池模组的总电压、总电流进行检测，并通过CAN总线与采集单元、均衡单元、显示单元（或车载仪表系统）、车载充电机等通信。主控单元的主要技术参数如表所示.供电电源DC24V<±30%)正负极对地姓绿监测范圉O9999Q电压测范圉及精度0-750V.±0.2%通信接口2½CAN.18ftRS485电波测范图及精度-300-300A.±0.5%运行温度-2570匕SOC估算精度±8%4.显示单元显示单元用于显示动力电池的各种状态信息，并负责存储相关数据，如图所示。供电电源DC24V(±30)最大语音，出功率IW显示屏尺寸及分耕率7in.800*400通信接口1路CAN.1路RS485.I路以太网黄盒规格大外扩64t.支持触授屏峥入运行温度25ToiC通过课堂讨 论，激发学生的 学习兴趣，加深 学生对所学知识 的理解 【学生】聆听、思考、理解、记忆 【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：课堂讨论简述BMS主控单元的基本功能?(5min)【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言 【教师】简要总结本节课的要点课堂小结本节课学习了bms的基本功能及结构；希望大家课下能多练习，对BMS的总结知识点，(3min)基本功能及结构有一定认识，并能正确、熟练的分析BMS的主要性能巩固印象 【学生】总结回顾知识点作业布置(2min)【教师】布置课后作业【学生】完成课后任务复习巩固学到的知识，并能学以致用教学反思本节课学生接触了新的知识，学习兴趣较高。不过知识点较多，全部消化还是比较难。每个学生都积极参与到教学活动中，发挥了自己的价值。在教学中，教师要时刻关注学生学习成绩、方法等各方面的变化，引导学生从被动学习转为自主学习和思考，从而提高学习的积极性和主动性。