基于新能源汽车动力电池包BMS实验教学方法的研究

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摘 要：汽车产业是国民经济的重要组成部分，在国民经济和社会发展中起着重要的作用，而新能源汽车产业是国家战略性新兴产业，也是朝阳产业，在政策背景下，推动新能源乘用车市场快速整改，从电动化、智能化、网联化、共享化等为趋势的新四化，将对汽车产业产生重大变革，重塑产业格局。本文通过对新能源汽车动力电池包BMS实验教学方法的研究，让汽车服务工程专业的学生能够更好地了解和掌握新能源汽车动力电池包及其能源管理控制系统的实践知识，为新能源汽车专业课程的学习打下坚实的基础。

关键词：新能源汽车;动力电池包BMS;实验教学

1 研究的背景意义：

（1）随着全球世界各国汽车保有量的增加，随着石油资源的危机突显，石油的价格也在不断地上涨，从1973年到2019年四十多年间，石油价格从每桶的3美元上涨到了近70美元，中国石油的进口量每年还在不断地上升，而解决这一问题最好的方法就是大力发展新能源汽车。另外交通能源消耗是造成局部环境污染和全球温室气体排放的重要原因之一，据统计，大气污染42%来源于交通运输，对人们的身体和生活健康受到了严重的危害，通过采用新能源和节能技术减少温室气体和有毒气体的排放，是我们实现可持续发展的重要保证。我国汽车制造业水平一直落后于西方的发达国家，而通过发展新能源汽车产业，掌握核心的技术，从而拉近我国汽车制造水平与世界先进水平的差距，实现弯道超车。随着国家层面大力推广新能源交通工具，纯电动汽车增长率一直保持在50%以上，2017年，我国新能源车全年销量达到77.7万辆，同比增长高达53.3%，而2017年深圳企业比亚迪新能源车销量达113669辆，不仅夺得国内新能源车销量四连冠，而且连续3年排名全球销量第一。2018年，我国新能源汽车全年销量达到125.6万辆，比上年同期增长61.7%。2018年比亚迪新能源车增速迅猛，销量达227152辆，劲增108%，超额完成20万辆的年度目标。据统计显示，2018年12月电池装机量为13.32GWh，同比增长12.9%，环比增长49.4%。2018年1-12月电池的装机量为57GWh，同比增长56.6%，预计2019年动力电池装机量会达到80Gwh。新能源动力电池包作为电动车储能装置，因高压大电流，安全操作要求高，作为新兴行业，新能源汽车迅速发展需要大量的应用型人才，尤其急需大量的新能源动力电池包PACK设计人才和售后服务人才。

（2）电动汽车能量来源为动力电池组储能，其性能好坏直接影响电动汽车的行使里程和驾驶体验，一辆电动汽车由很多节单体电池串联而成，多节单体电池串联成模组，多个电池模组串联成电池包作为电动汽车储能单元。

（3）BMS电池管理单元能为锂电池提供完善的保护，可实现对电池电压、电流、温度等多个电池参数的高精度在线检测及故障报警，高精度估算电池组的剩余容量（SOC），可同时控制多路大电流的电池均衡，并适应多种充放电控制策略，通过CAN通道传递信息给显示屏来显示实时电池工作数据。

（4）为了能让电池包发挥最好的效能，需要对电池包内每个单体电池进行管理，采集每节的单体电池电压以及模组的温度。

2 研究内容

2.1 工作原理

动力电池包由多节单体电池串联组成，每一节单体电池影响着这个电池组的总体性能，所以对所有单体电池的管理掌控变得尤为重要，只有每一节单体电池都能正常工作，整个电池组才能发挥出最大性能。

本设备系统采用72V安全等级，动力电池23节串联，动力电池包内部连接线，放电继电器，充电继电器，电流传感器，维修开关等部件均与原车相同，布置方式也完全相同，功能与原车动力电池包相同;

单体电池连接图如图1：

BMS动力电池管理模块是对动力电池提供完善的保护，可实现对电池电压、电流、温度等多种电池参数的高精度在线检测及故障报警，高精度估算电池组的剩余容量，可同时控制多路大电流的电池均衡，并适应多种充放电控制策略，通过CAN通道传递信息给显示屏来显示实时电池数据。

2.2 技术路线与结构原理：

2.2.1 设备能量传递路线图，见图2

a.充电连接家用220V交流电通过车载充电机转换成72直流电给动力电池包充电。

b.动力电池包在充电时将电能转化成化学能存储，放电时将化学能转化成电能，是电动汽车储能单元。

c.BMS采集电池包的数据，计算SOC等，对充放电功率管理，与外界通信。

d.DC-DC模块将72V直流电转换成12V直流电给整车供电和给12V蓄电池供电。

e.放电模块是将电池包的电消耗，替代车上的驱动电机模块，能够快速将电池包的电进行释放，以便实现充放电的实验。

f.12V蓄电池给整车提供低压工作电源。

2.2.2 电池包的结构原理图，见图3

2.2.3 控制流程或原理，见图4

2.3 静止状态

a.点火锁OFF，动力电池包内部BMS无12V工作电源输入，内部放电、充电主接触器均断开，动力电池包无任何电源输出。

b.除辅助蓄电池常电外，整车高压，低压电路均无电。

2.4 点火锁ACC

a.通过点火锁ACC，低压12V给动力电池包内部BMS供电，内部放电主接触器吸合，動力电池包高压72V输出。

b.高压72V输出到DC/DC转换器，因DC/DC转换器无12V触发信号，暂不工作，低压12V控制电路无电。

2.5 点火锁ON（IG2）

a.通过点火锁ON，低压12V继续给动力电池包内部BMS供电，内部放电主接触器吸合，动力电池包高压72V输出。

b.高压72V输出到DC/DC转换器，通过点火锁ON，12V触发后工作，将高压72V转换为低压12V输出，低压12V控制电路上电。

2.5 放电状态

放电开关闭合，接触器吸合，高压72V通过放电模块发热工作，模仿电机运转放电。

2.7 充电状态

a.点火锁OFF，无12V工作电源输入动力电池包内部BMS。

b.车载充电机提供12V低压辅助电源，输出给动力电池包内部BMS供电，内部充电主接触器吸合，接收车载充电机72V充电。

2.8 维修开关拔出

电池包内部强电联接线切断，高压72V断电;再断开辅助蓄电池接头，整个系统断电。

3 实验目的和实验项目：

3.1 实验目的

（1）了解新能源汽车动力电池包（BMS）控制原理。（2）了解新能源汽车动力电池包（BMS）主要零部件功能。（3）熟悉新能源汽车动力电池包（BMS）各种状态下逻辑控制关系，掌握电流，电压，电池压差，电池温度等参数变化规律。（4）熟悉BMS如何采集动力电池组压差，并控制充电和放电过程。（5）熟悉BMS如何采集动力电池组温差，并控制充电和放电过程。（6）明确新能源汽车高压系统操作安全注意事项，学会高压连接器插拔方法。（7）电池包显示屏Rs485-通讯线路故障，并根据逻辑控制关系，学会查找故障原因。（8）电池包显示屏12V+线路故障，并根据逻辑控制关系，学会查找故障原因。（9）新能源汽车放电继电器1控制线故障，并根据逻辑控制关系，学会查找故障原因。（10）新能源汽车放电继电器2控制线故障，并根据逻辑控制关系，学会查找故障原因。（11）熟悉新能源汽车动力电池包（BMS）故障现象，并根据逻辑控制关系，学会查找故障原因。（12）通CAN控制器更改动力电池包在充放电时单体电压和模组的温度变化参数：

在放电时，防止电池过放，设置最低放电点;在充电时，防止电池过充，设置最高放电点;设置温度最高、最低点，模拟动力电池在过热状态下，观察BMS反应执行任务;设置放电电流的上限和充电上限，模拟电池包过放和过充状态下，观察BMS反应执行任务。

3.2 实验项目

实验一：新能源汽车高压系统操作安全及高压连接器插拔方法实验。

实验二：新能源汽车动力电池包（BMS）控制原理实验。

实验三：新能源汽车动力电池包（BMS）主要零部件功能认知实验。

实验四：新能源汽车动力电池包（BMS）各种状态下控制流程实验。

实验五：BMS采集动力电池组压差，并控制充电和放电过程实验。

实验六：BMS采集动力电池组温差，并控制充电和放电过程实验。

实验七：电池包显示屏Rs485-通讯线路故障分析与排除实验。

实验八：电池包显示屏Rs485+通讯线路故障分析与排除实验。

实验九：电池包显示屏12V+线路故障分析与排除实验。

实验十：新能源汽车放电继电器1控制线故障分析与排除实验。

实验十一：新能源汽车放电继电器2控制线故障分析与排除实验。

实验十二：上位机更改动力电池包在充放电时单体电压和模组的温度参数变化实验：

在放电时，防止电池过放，设置最低放电电压;

在充电时，防止电池过充，设置最高充电电压;

设置温度最高、最低点，模拟动力电池在过热状态下，观察BMS反应执行任务;

设置放电电流的上限和充电上限，模拟电池包过放和过充状态下，观察BMS反应执行任务。

4 实验教学文件与技术文件示例：

说明：下面这个实验示例实际操作应有有配图，但考虑文章篇幅有限，所以没有配图。并且需要编制相应的实验教学文件与技术文件。

实验示例：电池包显示屏Rs485-通讯线路故障。

实验目的：

让学生了解Rs485通讯线信息传输原理;让学生掌握Rs485通讯线路传输工作状态;让学生掌握Rs485通讯线路传输故障的排除方法。

实验设备：

自制实验设备一台，示波器一台，万用表一个。

故障设置：

打开点火开关，连接设故设备，将Rs485-线断开。

故障现象：

电池包显示屏能正常显示，但显示信息变慢。

故障检测或步骤：

（1）用示波器连接检测Rs485-线的信号，发现在BMS端有信号，而在显示屏端信号发现Rs485-从BMS出来是有波形，但在进显示器的端子时无信号，说明此线路断路;（2）关闭点火开关，用万用表检测其线路通断情况，将万用表打到蜂鸣档发现其线路不通;（3）清除故障，使用设故设备清除此线路的故障，显示屏显示正常。

实验总结：

（1）此实验验证了Rs485传输是可以单线传输，类似于CAN低速的传输结构;（2）此时这现象就是单线传输，一根传输线路不能正常传输显示信息，使显示变慢;（3）加强学生对信息网络传输知识的学习。

5 结语

汽車服务工程专业的学生通过上述新能源汽车动力电池包（BMS）项目的实验和实训，能更好地了解新能源汽车动力电池包（BMS）主要零部件功能，熟悉新能源汽车动力电池包（BMS）各种状态下逻辑控制关系，掌握电流，电压，电池压差，电池温度等参数变化规律，掌握新能源汽车动力电池包（BMS）故障现象，并根据逻辑控制关系，学会查找故障原因和诊断排除方法。

基金项目：深圳技术大学2019实验室研究基金专项，项目编号：JS20190008。