新能源与智能汽车技术丛书--新能源汽车动力电池管理技术

《新能源汽车动力电池管理技术》是一本难得的实用技术专著。专注于新能源汽车动力电池管理的核心和关键技术进行了较系统和深入的介绍，结合目前新能源汽车动力电池包的新发展，站在动力电池包整车环境应用的角度，详细介绍了高压继电器的工作原理、失效模式和断点试验，电磁兼容及试验方法等电池管理系统的软硬部件特性。并在动力电池各功能下可能出现的故障模式和需要完成的相关试验进行了详尽的介绍。 《新能源汽车动力电池管理技术》紧密结合工程应用的基本要求，内容完整系统、重点突出，所用资料能够更新、更准确地解读问题点。在注重新能源汽车动力电池管理技术知识的同时，强调知识的应用性，具有较强的针对性。适合汽车研发设计、教学科研等相关人员使用。

2023年2月3日，工业和信息化部、交通运输部等八部门在全国范围内启动了公共领域车辆全面电动化试点。这次公共领域车辆全面电动化试点的实施周期从2023年至2025年，车辆包括公务用车、城市公交车、出租车、环卫车、邮政快递车、城市物流配送车、机场用车七个领域。其中，试点领域内新增及更新的公交、出租、环卫、邮政快递、城市物流配送的新能源汽车比例力争达到80%。在交通运输领域，逐步降低传统燃油汽车在新车产销和汽车保有量中的占比，推动政府机关、企事业单位、公共服务机构新增和更换车辆优先使用新能源汽车，鼓励公交、出租、环卫、物流、景区等城市公共服务车辆逐步进行电动化替代。在城乡公共区域、高速公路、景区、居民小区等领域推进充电基础设施建设，“十四五”期间，充电基础设施保有量突破20万根，建成布局合理、运行高效、安全稳定的充电基础设施体系。
在这一背景下，新能源汽车发展十分迅速。据公安部最新统计，截至2022年9月底，我国新能源汽车保有量达1149万辆，占汽车保有量的3.65%，其中，纯电动汽车保有量为926万辆，占新能源汽车总量的80.56%。随着新政策的推进，纯电动汽车的占比还会稳步上升。但是，新能源汽车作为一项新产品，某些生产技术仍有不足。作为新能源汽车最重要的构件，动力电池的质量与车内人员的安全息息相关，因此有必要了解动力电池管理系统的管理方法以及存在的问题。
新能源汽车和动力电池的迅速发展，给电池管理系统的发展带来重大机遇。据智研咨询发布的《2020—2026年中国汽车电池管理系统行业发展趋势预测及投资战略研究报告》显示，到2025年我国的BMS市场可达到500亿元的规模。根据市场调研机构大观研究的新报告，到2025年全球BMS市场规模预计达111.7亿美元(约合人民币768.4亿元)。
在电子产品消费的时代，单个电子产品由于自身个体小，使用电池数量少，容量也较小，通常BMS隶属于电池PACK厂商。早在2008年之前，新能源汽车刚进入市场时，因为对BMS有较高的技术要求，所以研发生产往往以整车制造厂或者电池PACK厂商自主开发为主。最近几年，随着频频发生的新能源汽车电池安全事故，使得对BMS的重视程度进一步加深。目前，BMS已成为新能源汽车三大核心技术之一，被大家形象地比作动力电池系统的“大脑”。由于BMS对新能源汽车安全性起着至关重要的作用，也使该行业持续吸引着更多优秀企业的加入。
本书以电动汽车安全为切入点，引入动力电池的安全与管理，先介绍了动力电池和动力电池管理系统的基础知识、动力电池管理系统的功能，然后从整车的角度介绍了与管理系统相关的充电的关重器件和管理原理，再重点从电气、机械、功能和化学四个角度介绍动力电池管理系统的安全设计、存在的问题以及解决的措施，并拓展性地介绍了燃料电池以及相应的管理技术，最后还介绍了电池寿命的预测方法。
本书分为8章，在撰写过程中，重庆长安新能源汽车有限公司的蔺新永工程师在全书的架构、知识的深度方面，麻常选老师在动力电池管理和燃料电池技术方面，张伟老师在动力电池相关基础理论方面，都给予了很大的帮助，在此对他们表示衷心的感谢。
限于作者水平，本书的内容不能涵盖与动力电池管理相关的所有知识，并且书中的观点很多方面不够深入、全面，需要提升之处还有很多。以此抛砖引玉，期望能启发读者深入思考，促进科学研究。不妥之处，敬请读者批评指正。

著者

常凌燕，2010.8-2020.8在重庆长安汽车股份有限公司研究总院担任制动性能匹配工作项目总工程师。 牵头7个、参与5个项目的制动性能开发，并在项目开发过程中解决多种异响、抖动等老大难问题；独立完成技术规范24篇、企业标准1篇，指导团队完成技术规范等12篇。 2020.9-至今，在烟台工程职业技术学院汽车工程系新能源汽车技术教研室担任一体化专业教师，进行了新能源汽车相关课程的讲解，包括《新能源汽车技术》《电动汽车结构原理与检修》《新能源汽车动力电池结构与检修》。参与新能源汽车大赛学生的课程指导。

目前新能源汽车技术难点主要集中在动力电池的安全性和整车的稳定性上。电池管理系统作为动力电池的管理者，直接监控动力电池的性能和管理动力电池的健康状况。为了提升新能源汽车的稳定性，动力电池管理技术的研究备受重视。
本书重点介绍了动力电池的工作原理、动力电池的安全管理以及整车控制策略，并针对故障模式分析了动力电池剩余寿命的预测方法和应用，读者能够从中迅速了解新能源汽车动力电池管理的新技术。
本书可作为新能源汽车专业本科生以及新能源汽车领域从业人员的参考资料，也可作为大专院校的辅助教材，帮助学生理解动力电池管理技术。

第1章　绪论001
1.1　新能源汽车动力电池的行业现状及趋势002
1.1.1　动力电池市场前景002
1.1.2　动力电池未来发展方向005
1.2　新能源汽车动力电池主要标准005
1.2.1　国内主要标准005
1.2.2　国外主要标准006
1.3　GB38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》008
1.3.1　标准适用范围008
1.3.2　标准中电池单体的主要试验项目008
1.4　主要动力电池009
1.4.1　铅酸蓄电池009
1.4.2　镍氢电池010
1.4.3　锂离子电池011
1.5　常用动力电池的技术特征011
1.5.1　磷酸铁锂电池012
1.5.2　三元电池013
1.5.3　金属-空气电池013
1.5.4　锂硫电池015
1.5.5　固态电池015
1.6　新能源汽车动力电池管理系统产业现状及发展016
1.6.1　动力电池管理系统简介016
1.6.2　国际BMS产业现状017
1.6.3　我国BMS产业发展018

第2章　动力电池的结构原理、故障模式与整车试验021
2.1　动力电池系统的结构设计022
2.1.1　动力电池系统的总体框架022
2.1.2　高压电气系统023
2.1.3　电池模组026
2.1.4　电池箱体029
2.1.5　电池管理系统035
2.2　锂离子电池的类型、结构与工作原理039
2.2.1　锂离子电池的类型039
2.2.2　锂离子电池的结构041
2.2.3　锂离子电池的工作原理044
2.3　锂离子电池的特性045
2.3.1　电池的充电特性045
2.3.2　电池的放电特性046
2.3.3　电池的安全性048
2.4　动力电池的故障模式049
2.5　电池的整车试验051

第3章　动力电池相关基础理论053
3.1　电池系统的架构054
3.2　高压接触器055
3.3　分流器与电流传感器058
3.3.1　分流器058
3.3.2　电流传感器059
3.4　熔断器060
3.5　预充回路062
3.6　高压线束063
3.7　连接器064
3.8　电池模组的连接方式066
3.8.1　动力电池单体连接片066
3.8.2　动力电池模组汇流排067
3.8.3　动力电池模组软、硬连接选择要素068
3.8.4　动力电池模组连接的焊接方法068
3.9　温度传感器070
3.10　电磁兼容071
3.10.1　滤波设计072
3.10.2　接地设计073
3.10.3　屏蔽设计073
3.10.4　PCB布局布线075
3.11　数据采集076
3.11.1　单体电压检测方法076
3.11.2　温度采集方法079
3.11.3　电流采集方法080

第4章　动力电池管理081
4.1　电池管理系统与电动汽车的关系082
4.2　电池管理系统的基本功能083
4.2.1　电压监测084
4.2.2　电流监测088
4.2.3　温度监测092
4.3　电池管理系统的结构095
4.3.1　BMS硬件095
4.3.2　BMS软件098
4.4　电池SOC的估算099
4.4.1　SOC估算的影响因素099
4.4.2　SOC的估算方法099
4.4.3　电池容量测试与SOC估算流程102
4.5　电池SOH的估算104
4.5.1　SOH估算的影响因素104
4.5.2　SOH的估算方法104
4.6　电池功率预测105
4.7　电池的热管理106
4.7.1　电池热管理的必要性106
4.7.2　电池热管理方案设计107
4.7.3　电池热管理案例108
4.8　电池的均衡管理111
4.8.1　被动均衡112
4.8.2　主动均衡113
4.8.3　电池单体差异对均衡的影响115
4.9　EV车型BMS与整车控制系统的匹配116
4.9.1　低压系统匹配调试117
4.9.2　高压系统匹配调试117
4.9.3　充电系统匹配调试118
4.10　PHEV车型BMS与整车控制系统的匹配118
4.10.1　PHEV车型关重件的功能118
4.10.2　PHEV车型功能匹配调试检查具体项目120

第5章　电动汽车的充电管理122
5.1　电动汽车充电方式与充电终点控制123
5.1.1　充电方式123
5.1.2　充电终点控制124
5.2　充电接口125
5.2.1　交流慢充接口125
5.2.2　直流快充接口126
5.3　动力电池与充电机的通信控制129
5.3.1　慢充通信129
5.3.2　快充通信130
5.4　充电机充电与无线充电133
5.4.1　充电机充电133
5.4.2　无线充电137
5.5　充电桩137
5.5.1　按照供电设备输出特性分类137
5.5.2　按照使用环境分类140
5.5.3　按照电击防护分类140
5.6　DC/DC转换器140
5.6.1　电动汽车对DC/DC转换器的技术要求141
5.6.2　DC/DC转换器的分类141
5.6.3　DC/DC转换器的结构与工作原理142
5.7　电动汽车充电常见故障144

第6章　动力电池的安全管理147
6.1　电气安全149
6.1.1　高压警告标识149
6.1.2　直接接触防护150
6.1.3　间接接触防护151
6.1.4　防水要求155
6.1.5　高压电路绝缘157
6.1.6　高压互锁158
6.1.7　系统层面的电气安全161
6.2　机械安全161
6.2.1　电池箱体的基本要求162
6.2.2　动力电池IP等级防护162
6.2.3　机械安全测试164
6.3　功能安全166
6.3.1　ISO26262内容简介166
6.3.2　基本概念167
6.3.3　功能安全管理172
6.4　化学安全176
6.4.1　锂离子电池的化学安全性分析176
6.4.2　锂离子电池热失控机理与控制策略177
6.4.3　锂离子电池安全性改善措施178

第7章　燃料电池与燃料电池汽车控制系统181
7.1　氢燃料电池的发展现状182
7.2　氢燃料电池系统组成184
7.3　质子交换膜燃料电池188
7.3.1　质子交换膜燃料电池工作原理188
7.3.2　质子交换膜燃料电池关键组件191
7.3.3　质子交换膜燃料电池堆194
7.3.4　质子交换膜燃料电池系统结构198
7.3.5　质子交换膜燃料电池性能影响因素203
7.3.6　质子交换膜燃料电池使用前的活化205
7.3.7　质子交换膜燃料电池特点205
7.4　燃料电池电动汽车控制系统205

第8章　动力电池剩余寿命预测208
8.1　动力电池剩余寿命预测方法209
8.1.1　基于模型的预测方法209
8.1.2　基于数据驱动的预测方法212
8.1.3　混合法215
8.2　动力电池寿命预测概率分布216
8.3　典型的动力电池寿命预测方法的应用217
8.3.1　LSTM预测流程217
8.3.2　算例分析219

参考文献222