《電池質量管理B》教學大綱

《電池質量管理B》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：03144051課程性質：專業(yè)必修課學分：2學分學時：32學時（理論32學時）先修課程：高等數(shù)學C、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、大學物理、大學物理實驗、材料物理化學、電工與電子技術、化學電源設計與制造、電化學測量技術A、電化學測量實驗等后續(xù)課程：畢業(yè)設計、畢業(yè)實習適用專業(yè)：新能源材料與器件開課單位：材料科學與工程學院一、課程說明《電池質量管理B》是新能源材料與器件專業(yè)本科學生的專業(yè)必修課程。其任務主要是為本科學生介紹鋰離子電池一致性的必要性和熱失控成因，講解鋰離子電池管理系統(tǒng)類別、功能與實現(xiàn)以及算法研究等方面的基礎理論知識。通過本課程大綱所規(guī)定全部教學內容的學習，使學生了解關于導致鋰離子電池熱失控的原因，保證電池一致性的必要性以及電池管理系統(tǒng)在應用時的狀態(tài)監(jiān)測、均衡、能量控制調節(jié)與熱管理技術、狀態(tài)參數(shù)估算等相關理論。結合新能源汽車等對鋰離子電池的技術需求，使學生掌握鋰離子電池特性以及相關新能源電源測控與管理關鍵技術，為鋰離子電池安全有效利用提供有效指導。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：掌握鋰離子電池熱失控成因和電池一致性改善方法；掌握電池管理系統(tǒng)關于參數(shù)監(jiān)測、控制策略、SOC估算、電池均衡管理等基本概念。課程目標2：掌握實現(xiàn)鋰離子電池管理系統(tǒng)涉及的電池基本或狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、控制、電池均衡、SOC估算等功能的基本理論，具備針對具體應用場景選擇合適電池管理系統(tǒng)的能力。課程目標3：培養(yǎng)學生樹立正確的科技理念、工程職業(yè)操守與崗位責任感；培養(yǎng)學生樹立較高的人文科學素養(yǎng)和勞動精神；培養(yǎng)學生在工作崗位上學習電池生產管理及電池管理系統(tǒng)領域知識的自學意識；培養(yǎng)學生為我國鋰離子電池組管理系統(tǒng)技術開發(fā)而貢獻力量的使命感。三、課程目標與畢業(yè)要求《電池質量管理B》課程教學目標對新能源材料與器件專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學目標與畢業(yè)要求關系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識1.1掌握數(shù)學、自然科學領域的理論基礎知識、工程基礎知識，并能將其用于本領域復雜工程問題的恰當表述。課程目標1：掌握鋰離子電池熱失控成因和電池一致性改善方法；掌握電池管理系統(tǒng)關于參數(shù)監(jiān)測、控制策略、SOC估算、電池均衡管理等基本概念。M1.2能運用數(shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識對新能源材料與器件領域的復雜工程問題進行建模并求解。課程目標2：掌握實現(xiàn)鋰離子電池管理系統(tǒng)涉及的電池基本或狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、控制、電池均衡、SOC估算等功能的基本理論，具備針對具體應用場景選擇合適電池管理系統(tǒng)的能力。1.3掌握相關自然科學知識、工程基礎知識和思維方法，并能將其應用于解決新能源材料與器件專業(yè)相關復雜工程問題。課程目標2：掌握實現(xiàn)鋰離子電池管理系統(tǒng)涉及的電池基本或狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、控制、電池均衡、SOC估算等功能的基本理論，具備針對具體應用場景選擇合適電池管理系統(tǒng)的能力。2.問題分析2.1能夠應用工程科學的基本原理，識別和判斷新能源材料與器件專業(yè)相關復雜工程問題的關鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)。課程目標2：掌握實現(xiàn)鋰離子電池管理系統(tǒng)涉及的電池基本或狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、控制、電池均衡、SOC估算等功能的基本理論，具備針對具體應用場景選擇合適電池管理系統(tǒng)的能力。H3.設計/開發(fā)解決方案3.1能夠針對新能源材料與器件領域的復雜工程問題，提出具體解決方案。課程目標2：掌握實現(xiàn)鋰離子電池管理系統(tǒng)涉及的電池基本或狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、控制、電池均衡、SOC估算等功能的基本理論，具備針對具體應用場景選擇合適電池管理系統(tǒng)的能力。M課程目標3：培養(yǎng)學生樹立正確的科技理念、工程職業(yè)操守與崗位責任感；培養(yǎng)學生樹立較高的人文科學素養(yǎng)和勞動精神；培養(yǎng)學生在工作崗位上學習電池生產管理及電池管理系統(tǒng)領域知識的自學意識；培養(yǎng)學生為我國鋰離子電池組管理系統(tǒng)技術開發(fā)而貢獻力量的使命感。注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關畢業(yè)要求的關聯(lián)度。四、教學內容、基本要求與學時分配理論教學內容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內容、基本要求與學時分配教學內容教學要求，教學重點難點理論學時對應的課程目標1.鋰離子電池與電池管理系統(tǒng)（BMS）概述1.1鋰離子電池基本與狀態(tài)參數(shù)1.2鋰離子電池熱失控機制1.3單體電池間一致性與改進措施1.4電池管理系統(tǒng)簡介教學要求：掌握鋰離子電池和電池管理系統(tǒng)的基本概念；掌握鋰離子電池的基本和主要狀態(tài)參數(shù)；掌握鋰離子電池熱失控機制；掌握電池管理系統(tǒng)對電池一致性差異的改善方法。重點：鋰離子電池的基本和狀態(tài)參數(shù)；鋰離子電池熱失控機制；電池管理系統(tǒng)的功能及分類。難點：鋰離子電池熱失控機制和單體間一致性及改進措施。41、2、32.BMS相關模擬與數(shù)字電子技術基礎2.1正弦量及其向量表示2.2電容與電感器的基本特性及應用2.3二極管及其功能與特性2.4BJT晶體管的結構、工作原理、放大/開關功能及其在電路中的應用2.5MOSFET的結構、工作原理及開關功能2.6集成運算放大器及其信號運算與處理應用2.7邏輯門電路及由其組成的觸發(fā)器2.8倒T型電阻網絡式數(shù)/模轉換器2.9逐次逼近型模/數(shù)轉換器教學要求：掌握關于BMS電路中基本電子元件和邏輯元件的功能與特性；掌握滿足BMS功能需求的各基本元件組合方式和原理。重點：電子電路中各基本元件的功能。難點：實現(xiàn)各元件功能的基本原理。121、23.BMS關鍵參數(shù)測量與熱管理3.1電池關鍵參數(shù)的測量：電壓、電流和溫度3.2鋰離子電池組的熱管理教學要求：掌握電壓、溫度、電流等電池關鍵參數(shù)的測量方法；掌握鋰離子電池組熱管理方法。重點：電池關鍵參數(shù)測量方法；鋰離子電池組熱管理方式。難點：電池關鍵參數(shù)具體測量方法；熱管理類型和管理方式。31、24.鋰離子電池的等效模型及其參數(shù)辨識4.1電池模型概述4.2常用等效模型4.3模型參數(shù)辨識教學要求：掌握電池模型的基本概念；掌握常用電池等效模型種類；根據(jù)所構建的等效電路模型進行相關參數(shù)的辨識。重點：電池常用等效模型的經驗方程構建。難點：模型參數(shù)辨識的實現(xiàn)過程。31、25.鋰離子電池SOC估算方法5.1傳統(tǒng)的SOC估算方法5.2基于卡爾曼濾波（KF）的新型SOC估算方法教學要求：掌握SOC估算方法與特點；了解與掌握卡爾曼濾波法或其擴展方法等新型鋰離子電池SOC估算方法。重點：基于卡爾曼濾波的新型SOC估算方法。難點：卡爾曼濾波算法的實施。41、2、36.鋰離子電池SOC估算實例6.1Matlab基本使用方法6.2KF的Matlab實現(xiàn)教學要求：掌握Matlab的特點、使用方法和語法規(guī)則；利用Matlab演示KF濾波。重點：掌握Matlab的語法規(guī)則和使用方法。難點：演示Matlab的KF濾波過程。21、27.電池組的均衡控制與充放電管理7.1均衡調節(jié)的意義7.2電池組均衡管理方式7.3均衡能量轉移策略7.4電池組充放電管理方法教學要求：掌握均衡電路拓撲結構；掌握被動均衡和主動均衡電路的特點；掌握均衡能量轉移策略；掌握電池組充放電策略。重點：均衡電路的拓撲結構；主動與被動均衡的實現(xiàn)方式；充放電管理策略的實施。難點：主動和被動均衡的實現(xiàn)；充放電管理策略的實施。41、2、3合計32五、教學方法及手段本課程以課堂講授和課后作業(yè)為主，結合討論、案例、視頻資源共享等教學手段完成課程教學任務和相關能力培養(yǎng)。使學生比較全面地理解鋰離子電池基本與狀態(tài)參數(shù)、熱失控成因、使用電池管理系統(tǒng)管理電池組的必要性，掌握電池管理系統(tǒng)的基本功能（例如電壓、溫度和電流的測量，電池均衡，熱管理等），掌握SOC估算方法等基本概念與相關理論。在掌握鋰離子電池基本特性和電池管理系統(tǒng)基本功能的前提下，使學生掌握根據(jù)具體應用場合選擇合適功能電池管理系統(tǒng)的基本方法。六、課程資源1.推薦教材：王順利等.新能源技術與電源管理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2019.2.參考書：（1）秦曾煌等.電工學(第七版)[M].北京:高等教育出版社,2009.（2）董艷艷等.純電動汽車動力電池及管理系統(tǒng)設計[M].北京:北京理工大學出版社,2017.（3）王青松等.鋰離子電池熱危險性及安全對策[M].北京:科學出版社,2017.（4）楊光明等.電動汽車動力電池及管理系統(tǒng)原理與檢修[M].北京:化學工業(yè)出版社,2019.3.期刊：（1）張照娓,郭天滋,高明裕,等.電動汽車鋰離子電池荷電狀態(tài)估算方法研究綜述[J].電子與信息學報,2021,43(7):1803-1815.（2）梁新成,張勉,黃國鈞.基于BMS的鋰離子電池建模方法綜述[J].儲能科學與技術,2020,9(6):1933-1939.（3）楊坤,雷洪鈞,肖博文,等.鋰離子電池熱失控機理分析與解決策略[J].江漢大學學報(自然科學版),2020,48(5):14-20.（4）張凱,趙鵬,王友仁,等.基于荷電狀態(tài)的鋰離子電池組主動均衡控制[J].中國機械工程,2020,31(16):1931-1939.（5）劉小杰,張英,劉洋,等.鋰離子電池熱管理系統(tǒng)綜述[J].電池,2022,52(2):208-212.（6）WeiZB,ZhaoDF,HeHW,etal.Anoise-tolerantmodelparameterizationmethodforlithium-ionbatterymanagementsystem[J].AppliedEnergy,2020,268:114932.4.網絡資源：（1）宋文吉.鋰離子儲能電池管理系統(tǒng)(BMS)關鍵技術[EB/OL].廣州:中國科學院廣州能源研究所,2013[2013-12-27]./jgdy2016/kybm2016/201312/t20131227_4006648.html.（2）雷晶晶,李秋紅,陳立寶,等.動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究進展[EB/OL].杭州:新能源網,2016[2016-5-24]./tech/93531.html.（3）格雷戈里·普利特.新能源汽車電池管理系統(tǒng)BMS[EB/OL].美國:科羅拉多大學,2020[2020-3-23]./video/av98395542/.七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關系見表3。表3課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現(xiàn)12（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂互動討論情況進行考核，滿分100分；（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√363階段測試12（1）根據(jù)每次階段測試情況單獨評分，滿分100分；（2）每次階段測試單獨評分，取各次測試的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績；（3）以階段測試成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?63作業(yè)16（1）主要考核學生對各章節(jié)知識點的復習、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績；（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?82

期末考核60（1）卷面（開卷）成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績；（2）主要考核鋰離子電池熱失控機制、改善電池一致性的方法、電池各項基本參數(shù)的測定方法、電池模型及參數(shù)辨識、BMS基本功能與實現(xiàn)、電池熱管理方式、電池均衡策略、SOC估算等內容；（3）考核題型為：選擇題、填空題、判斷題、簡答題、計算或論述題等。√√2436合計：100分36568八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、階段測試、作業(yè)、期末考試（開卷）等方式對學生進行考核評價。考核基本要求：考核總成績由期末試卷成績和過程性考核成績組成。其中：期末試卷成績?yōu)?00分（權重60%），試題類型為選擇題、填空題、判斷題、簡答題、計算或論述題等類型，試卷中基本知識、基本理論、基本技能的試題分值不超過50%，綜合應用題、分析題不低于50%；課堂表現(xiàn)、階段測試、作業(yè)等過程性考核成績?yōu)?00分（權重40%）；過程性考核和考試試題分值分配應與教學大綱各章節(jié)的學時基本成比例。2.過程性考核成績的標準過程性考核方式重點考核內容、評價標準、所占比重見表4。表4過程性考核方式評價標準考核方式所占比重(%)100＞x≥9090＞x≥8080＞x≥7070＞x≥60x＜60課堂表現(xiàn)30無缺課現(xiàn)象，積極參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于90%。無缺課現(xiàn)象，認真參與教學活動，回答問題準確率大于80%。無故缺課一次，參與教學活動，回答問題準確率大于70%。無故缺課兩次，上課不認真，偶爾參與教學活動。無故缺課三次以上，上課不認真，不參與教學活動。階段測試30階段測試中的概念、思路清晰