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电池管理系统均衡策略测试方法

2022-05-20 20:51:02·  来源:电动学堂  作者:杨法松等  
 
文章来源:1.安徽锐能科技有限公司2.中国科学院合肥技术创新工程院能源大量耗费与环境污染是本世纪的两大难题。为了减轻能源和环境污染的负担,我国大力发展新能

章来源:1.安徽锐能科技有限公司2.中国科学院合肥技术创新工程院

能源大量耗费与环境污染是本世纪的两大难题。为了减轻能源和环境污染的负担,我国大力发展新能源汽车,其中主要就是发展电动汽车。电动汽车的三个核心部分中,电池管理系统(BatteryManagementSystem,BMS)可以说是三个核心中最重要的部分。电池均衡管理是通过控制单体电池之间电压差在很小数值的方式,以实现延长电池组整体寿命。因此电池的均衡逻辑成为当前BMS研究的重要组成部分。

很多工程师针对电池的均衡策略进行研究,胡浪、乔俊叁在充电模式下锂离子电池组主动均衡控制方法研究中提出充电模式下基于双向Buck-Boost拓扑结构的主电路主动均衡控制系统[4];张人杰、李聪在锂电池组新型分层均衡控制策略中设计提出了一种新型均衡控制策略,该控制策略把电池组分为2层,分别为底层和顶层,底层和顶层使用不同的控制策略,且底层和顶层控制策略是相互独立的。底层为多电平桥臂电路和单体电池并联的方式,顶层是以电感作为能量转移载体的均衡方式。贾佳鹏、吴文金、胡志冬在电池组均衡电路的真正作用及新方法中提出一种由大电流开关器件逐个切除已放电完毕的衰减单体的电路结构,具有简单高效、低成本的特点。

由此,BMS均衡逻辑的测试成为验证这些策略是否实现逻辑功能的必要手段。

1BMS均衡测试方案

本文为了详细阐述均衡逻辑的测试方法,在此选择当前比较流行的被动均衡逻辑为测试对象。

1.1均衡策略BMS采用被动式均衡方案,通过功率电阻释放容量偏高的电池电量。硬件设计方面,板上每个均衡回路上共有4个30Ω,0.25W的功率电阻以及2个1Ω,0.25W的防浪涌电阻,回路等效均衡电阻为32Ω,均衡电流峰值可达100mA,实际使用过程中通过脉冲宽度调制(PulseWithModula-tion,PWM)控制技术使均衡电流控制在30mA~50mA。均衡金氧半场效晶体管(metal-Oxide-Se-miconductorField-EffectTransistor,MOSFET)为MAX17823片内集成MOS(MOSFET),具备MOS短路故障诊断功能,均衡的开启采用奇偶开启方式,每12s单体最多开启6s。
充电均衡,当单体电压大于3.5V时,开始更新单体电池均衡信息,超过3.5V且高于平均电压的电池被记录在带电可擦可编程只读存储器(Ele-ctricallyErasableProgrammablereadonlymemory,EEPROM)中,并且根据单体电压与平均电压的差大于0.3V开启均衡。放电阶段均衡,在放电阶段,导入被存储在EEPROM中的均衡电池信息,结合静置上电后的均衡信息,单体荷电状态(StateofCharge,SOC)低于平均SOC的不需要再均衡,高于平均SOC的单体电池开启均衡。均衡关闭条件为:

1.单体电压低于3.2V时,对应电池均衡关闭;2.单体电压低于平均电压值,对应电池均衡关闭;3.均衡板温度高于65℃,对应电池管理单元(BatteryManagementUnit,BMU)的均衡功能关闭;4.检测到BMS硬件故障(含BMU/内网通信故障)时,则所有均衡功能关闭;5.单次连续均衡的时间超过3小时,则暂停均衡;6.整车供电电压低于9V时,暂停均衡。

1.2均衡测试方法总体框架为了实现电池均衡功能的触发,必须给BMS一个完整的工作环境,本方案采用硬件在环(Hard-wareIntheLoop,HIL)测试机柜给BMS搭建工作所需的硬件和总线闭环的工作环境。
如图1所示,BMS控制器与下位机的控制器局域网络总线(ContrcllerAreaNeark,CAN)板卡、I/O板卡、电阻板卡、单体板卡相连;上位机控制下位机仿真CAN信号、I/O信号,电阻信号和单体电压信号给BMS接收;上位机通过下位机采集BMS发出的总线信号;上位机控制程控电源给BMS和板卡供电。为了实现BMS正常工作,可以进充电和放电,通过模型控制实现BMS的控制闭环,如图2所示。

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模型PowerControl模块控制BMS所需的供电;BMS_IO模块控制BMS所需的电子锁、单体电压、温感、高压信号给BMS,同时采集BMS控制的继电器信号;BMS_CAN_BUS模块仿真VCU、充电桩、MCU等模块的总线报文,同时采集BMS发送的总线报文;Model模块实现BMS所需电气环境和SoftECU闭环。

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1.3BMS功能的实现搭建完成的BMS_HIL测试平台需要验证可以实现BMS的功能,然后才能测试验证均衡功能。图3为BMS进入放电功能时,主负、预充和主正继电器吸合时序,可见在进入放电过程中先吸合主负,然后吸合预充,当预充吸合一段时间总压稳定,吸合主正断开预充继电器,完成放电流程。

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图4为BMS进入充电功能时,控制和继电器响应时序,可见在触发充电过程中先吸合主负,然后吸合慢充继电器,完成充电流程。
2BMS均衡逻辑测试验证
根据被动均衡逻辑,编写被动均衡测试用例见表1,然后根据表1的测试用例执行测试,验证均衡逻辑。

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根据测试用例,针对BMS的被动均衡进行测试,测试结果如图5所示。由图5可知,当单体1单体电压3.53V时,与其他单体电压压差达到0.3V时进入充电;单体1开启均衡;可以看到均衡电流44mA左右;可以验证均衡开启条件和均衡电流是否符合要求。

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进入均衡后,将开启均衡的单体电压降低,使与平均单体电压小于0.3V,如图6所示。开启均衡的单体关闭均衡,均衡电流降低到10mA。

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3结论
本文介绍了当前新能源发展和主流的电池均衡研究方向,以此开展开研究,选取一种均衡策略进行研究测试方法。通过制定测试方案和编写测试用例,进而对该方法进行验证,发现该方法能够准确的实现对均衡逻辑的测试验证。后期可以完善测试用例和工程可以实现对其他均衡方向逻辑的测试验证,因此具有较好的理论价值和实际意义。

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