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[动力电池] 动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(一)之概述

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发表于 3-6-2024 19:33:40 | 显示全部楼层 |阅读模式

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大家好,这里是“电动札记”,一个坚持原创的新能源汽车知识共享与热点跟踪平台。
在首期电池管理系统(BMS)系列—功能介绍中,我们提到,BMS的一个重要作用是提供安全保护,这实际包含有两层含义。一是在车辆正常使用的过程中,BMS应检测电池包是否处于危险状态。如果一切正常,那当然好。但一旦检测到电池包处于异常状态,BMS就需要采取措施阻止危险的进一步扩大,这是安全保护的第二层含义。
安全保护的第一层含义

安全保护的第一层含义:BMS应检测电池包是否处于危险状态,其关键在于检测。准确的检测电池包当前状态是实现后续判断的基础,为实现危险判断提供了数据支撑。因此,这引出了本文的第一个问题:就电池包安全而言,有哪些状态需要BMS进行检测?

从电芯到电池包再到整车,这是电池在车辆上的构成逻辑,我们也将依此对上面的问题进行回答。先来看一个电池包及其与车辆关系的简化版示意图。

动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(一)之概述w1.jpg
电芯,是构成电池包的核心元件,其状态直接影响电池包安全,有两个参数需要关注:电芯电压和电芯温度。对于它们的检测方式,我们已经在之前的系列文章电池管理系统(BMS)系列(二)—数据采集之电压和电池管理系统(BMS)系列(四)—数据采集之温度中进行过详细介绍,忘记的小伙伴记得回头看看哦~对于电芯电压值,当电芯电压大于/小于电压设定值a/b,或不同电芯间压差大于设定值c时,BMS应报出相应故障。对于电芯温度值,当大于温度设定值d时,同样应报出故障。
继电器,相当于电源开关,同样是电池包的核心元件,当内部继电器闭合时,回路联通,电池包得以对外输出高压,同时变得“危险”。所以,检测继电器的开闭状态非常重要。就安全保护而言,主要是检测继电器是否能正常断开,有无粘连故障。具体的检测方式将在下一期《动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(二)之继电器粘连检测》中介绍。

除去电芯、继电器这类部件的状态需要检测,从安全角度,检测电池包整体的电气特征值同样必要。
首先是检测电池包总电流,要求充/放电电流需小于允许的最大充/放电电流值,避免过流危险。至于总电流的检测方式,一般需借助电流传感器,在往期电池管理系统(BMS)系列(三)—数据采集之电流中已有介绍。其次是电池包的总压,这点与对电芯电压的要求类似,要求总压不能大于/小于总电压设定值e/f。采集总压与采集电芯电压的原理基本类似,只是由于总压(约400V)相较电芯电压(约3.6V)较大,在采集电路上会略有不同。最后是检测电池包的绝缘电阻。简单地说,绝缘电阻是一个衡量电气设备绝缘质量的参数,表征电器元件内部不同部分之间的电阻值,主要作用是提高电器元件的安全性,以防止人身受伤,以及减少设备损坏的风险。处于安全角度考虑,要求绝缘电阻值不能小于规定的值。篇幅所限,关于绝缘电阻的具体含义包括检测方法等会在后续文章《动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(三)之绝缘电阻》中提及,欢迎持续关注。
针对电池包内部元件状态和电池包电气特征值的检测,基本包括了在电池包内部安全方面的所有检测内容。我们再将视线移向电池包外部。

电池包作为能量供给部件,需要为车辆上其他高压部件运行提供能量,如车载空调、驱动电机、功率电子等,将不可避免地与外部部件间形成高压回路。这就带来一个问题:如果外部高压部件在回路中连接出现异常,此时闭合电池包内继电器(开关),便存在漏电风险,危及乘员安全。所以,检测电池包与其他高压部件间是否形成了稳定可靠的回路也是必要的,我们称之为高压互锁检测。其详细内容将在《动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(四)之高压互锁检测》中提及。

我们再将视线外移,作为电池包及其它高压元件的载体——车辆,其状态同样重要。正常情况下,车辆整体处于安全状态,为电池包的正常运行提供了基础,但当车辆发生碰撞时,电池包发生起火、高压故障等危险的概率急剧上升。所以,需要检测车辆自身是否处于危险状态,由BMS进行下一步动作。这一点将在续文《动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(五)之碰撞检测》中介绍。
安全保护的第二层含义在安全保护的首步,我们已经完成了对单体电池电压和温度、继电器状态、电池包电流、电池包总压、电池包绝缘电阻、高压互锁、车辆碰撞等方面的检测,这是进入安全保护第二步的基础。安全保护的第二层含义:当检测到电池包处于异常状态,BMS需要采取措施阻止危险的进一步扩大。依照发生危险的紧急状态,通常有不同的处理方式。当故障等级较低时,可仅发出报警信息,通过声、光、电等方式提醒乘员注意危险,如在汽车仪表盘上显示有关提示信息、点亮故障灯或由喇叭发出警示音等。随着故障等级升高,有危及人员安全的可能时,则应考虑是否限制电池包功率输入/输出及切断高压回路。在上文的电池包示意简图中,有两个部件与控制回路的通断直接相关。继电器,作为电池包的直接开关装置,作用自不必说。另一个则是电池包的保护元件——熔断器,类似于家庭电路中的保险丝,当电池包回路电流过大时,其内部连接会熔断,实现回路的断开,避免高压风险。有关其驱动方式,将在系列文章《动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(六)之Pyrofuse驱动》中进行更新。

至此,我们已经将BMS安全保护相关功能的基本框架搭好,此处做个总结。

为实现安全保护功能,首先需对电池包内外部状态进行检测,大概包含:
1.对电池电压、温度的检测,在电池管理系统(BMS)系列(二)—数据采集之电压和电池管理系统(BMS)系列(四)—数据采集之温度中已有介绍;2.对电池包继电器状态的检测,将在《动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(二)之继电器粘连检测》中进行介绍;3.对电池包总电流的检测,在电池管理系统(BMS)系列(三)—数据采集之电流中已有介绍;
4.对电池包总电压的介绍,与电芯电压采集原理类似;
5.对电池包绝缘电阻的检测,将在《动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(三)之绝缘电阻》中进行介绍;6.对电池包与其它高压部件连接是否正常的检测,将在《动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(四)之高压互锁检测》中进行介绍;7.对电池包所处车辆环境的检测,将在《动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(五)之碰撞检测》中进行介绍;

最后,当对上述必要的状态值检测完成后,再经BMS判断是否有故障发生,在有必要时采取断开高压回路的操作,包括:
1.断开继电器;
2.回路保护元件断开,将在《动力电池管理系统(BMS)系列——安全保护(六)之Pyrofuse驱动》中进行介绍。
那么,本期就到这里了,如果你对该系列文章感兴趣的话,欢迎关注我们接收后续内容的更新。如果你觉得本文对你有所帮助,欢迎积极点赞、转发、评论。本期“在看”过15,将在一周内更新下一期。这里是“电动札记”,我们下期再见!!

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