史成君

陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西省西安市 710300

1 前言

近年來(lái)，綠色環(huán)保的概念深入人心，所以新能源汽車已經(jīng)成為了年輕人重視環(huán)保的一個(gè)非常好的選擇。新能源汽車的主要組成部件和傳統(tǒng)燃油車區(qū)別很大，傳統(tǒng)車的主要部件為發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車底盤、變速箱、車身。而電動(dòng)汽車則主要由動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電子控制模塊等組成。這其中電池管理系統(tǒng)的意義就非常重要了，它是電池控制的心臟。

隨著市場(chǎng)上新能源汽車保有量越來(lái)越高，人們也就越發(fā)重視安全問(wèn)題，由于電動(dòng)汽車使用動(dòng)力電池模組，電池如果不能安全正常的工作，可能會(huì)產(chǎn)生漏液、起火等不良現(xiàn)象。如何做好電池管理已經(jīng)成為了全世界研究新能源汽車安全防護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。然而當(dāng)前世界各國(guó)對(duì)于動(dòng)力電池相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)度差距較大，我國(guó)以比亞迪和寧德時(shí)代為主的廠家對(duì)于電池技術(shù)有很多核心技術(shù)，美國(guó)以特斯拉為首的電動(dòng)汽車企業(yè)也有自家核心的動(dòng)力電池生產(chǎn)和管理技術(shù)，消費(fèi)者必須對(duì)產(chǎn)品有足夠的信心才能心甘情愿購(gòu)買，否則汽車產(chǎn)業(yè)將會(huì)止步不前。

在這樣的背景下，發(fā)展動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷技術(shù)大有可為，動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷技術(shù)在未來(lái)將會(huì)更進(jìn)一步與前沿科學(xué)融合。當(dāng)前數(shù)據(jù)采集、圖像處理、人工智能等技術(shù)的發(fā)展能夠有效促進(jìn)電動(dòng)汽車診斷理論多元化、智能化、精準(zhǔn)化。

2 北汽EU260 電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

2.1 動(dòng)力電池模組

動(dòng)力電池一直以來(lái)都是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，其性能提升和充放電控制策略是各國(guó)爭(zhēng)相研究的主要課題，是直接關(guān)系到整車性能好壞和消費(fèi)者認(rèn)可與否的關(guān)鍵一環(huán)，當(dāng)前大家普遍擔(dān)心續(xù)航里程不足的問(wèn)題，這就必須得依靠動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展而解決。

而動(dòng)力電池的發(fā)展一方面要靠電池材料技術(shù)的突破，這一方面現(xiàn)在也是研究重點(diǎn)，很多新材料都被嘗試做成電池，目前市面上比較成熟的還是鋰電池，各種復(fù)合材料的鋰電池構(gòu)成了動(dòng)力電池的主力軍。除此之外，研究電池管理策略也非常必要，同樣的電池模組，在不同的控制策略之下可能會(huì)對(duì)續(xù)航里程有截然不同的影響，所以，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。（圖1）

圖1 動(dòng)力電池模組

2.2 電池管理系統(tǒng)

BMS 是電動(dòng)汽車非常重要的一個(gè)系統(tǒng)，它主要是用來(lái)確保駕駛員的操作指令能夠通過(guò)整車VCU 傳給電池組，從而使得電池的放電策略能夠符合電動(dòng)汽車的行駛狀態(tài)。比如在需要急加速的時(shí)候，駕駛員深踩加速踏板之后，BMS 需要控制電池模組提高放電速率加大電量供應(yīng)，確保電動(dòng)機(jī)短時(shí)間內(nèi)迅速提高轉(zhuǎn)速，以完成加速超車的行為動(dòng)作；反之，如果駕駛員踩下剎車，則要進(jìn)行制動(dòng)能量回收，此時(shí)電動(dòng)機(jī)起到一個(gè)發(fā)電機(jī)的效果，反向給電池模組充電。

BMS 的功能主要有以下幾個(gè)方面：

①電池監(jiān)控：監(jiān)控電池的各種狀態(tài)包括，電壓，電流，溫度等

②電池保護(hù)：根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)電池提供必要的保護(hù)，讓電池工作在一個(gè)安全的環(huán)境中。

③電池狀態(tài)估計(jì)

④電池性能最大化。BMS 要通過(guò)對(duì)所有的數(shù)據(jù)分析，來(lái)指定不同的均衡策略，最終的目的就是確保各個(gè)單體電池在充電的時(shí)候盡量都充滿，放電的時(shí)候盡量都放完。

⑤對(duì)用戶或外部設(shè)備進(jìn)行反饋。

BMS 按其組成性質(zhì)可分為硬件和軟件，其中硬件主要包括高壓盒、主板、傳感器和電線；軟件主要功能包括檢測(cè)電池各項(xiàng)主要指標(biāo)、與MCU 和充電機(jī)進(jìn)行通訊，控制電池充放電過(guò)程。

2.3 動(dòng)力電池輔助元器件

2.3.1 預(yù)充繼電器與電阻

為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和確保電路不出現(xiàn)故障，需要引入預(yù)充電路，使用一個(gè)預(yù)充繼電器來(lái)進(jìn)行預(yù)充回路的控制，可以有效起到限流的效果（圖2）。

圖2 預(yù)充繼電器與電阻

2.3.2 電流傳感器與保險(xiǎn)

電流傳感器主要用來(lái)測(cè)量母線的充、放電電流大小,并能夠檢測(cè)充、放電電流的高低。保險(xiǎn)的主要作用是防止過(guò)流。

2.4 動(dòng)力電池箱

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池箱主要包括上蓋和底座兩部分，兩者之間用螺釘連接形成一個(gè)整體。

3 BMS 的原理

3.1 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的工作原理

純電動(dòng)汽車根據(jù)BMS 中控制器之間的拓?fù)潢P(guān)系，可以分為集成式和分布式兩大類。

3.1.1 集成式BMS

集成式BMS 也稱為一體式BMS，是指將BMS 主控制器(BMU)、絕緣檢測(cè)、單體電池控制器(CMU)全部集中在一個(gè)控制器里，核心控制器直接完成數(shù)據(jù)采集、處理與控制功能。

這種架構(gòu)整個(gè)通信過(guò)程集中在PCB 電路板內(nèi)，模塊間通信相對(duì)簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)上可以節(jié)約成本、空間，可以顯著降低BMS 成本。其主要缺點(diǎn)是：①連接器和線束復(fù)雜；②控制器的通用性受到一定限制，不利于電池系統(tǒng)模塊化應(yīng)用。

3.1.2 分布式BMS

當(dāng)電池系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大時(shí)，分布式的BMS 在應(yīng)用中更為普遍分布式架構(gòu)將BMS的功能劃分到了主板BMU 與多個(gè)從板CMU中。

①星形連接(圖3)

圖3 星形連接結(jié)構(gòu)

②總線連接

基于總線的系統(tǒng)架構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)，總線式架構(gòu)的通信連接方式更為靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)，極大地簡(jiǎn)化硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，實(shí)現(xiàn)了模塊化，提高了系統(tǒng)的適用性和可移植性。其主要缺點(diǎn)就是成本相對(duì)較高。當(dāng)前用于電池管理系統(tǒng)的總線普遍為CAN總線。

圖4 總線連接結(jié)構(gòu)

4 北汽EU260 BMS 的控制策略

4.1 低壓控制上電策略

BMS 的控制策略對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，它是控制整車上下電流程與方式的，一個(gè)好的控制策略可以讓整車表現(xiàn)更加符合駕駛員的期待；不好的控制策略可能會(huì)使得駕駛員的駕駛意圖不能被充分捕捉。該策略模塊的主要作用就是明確了BMS 在低壓、高壓等各種情況下上電的條件，以及第一幀報(bào)文發(fā)送和初始化的具體要求。

（1）BMS 判斷VCU 輸出的“喚醒”信號(hào)為高電位，則被喚醒開始工作；

（2）BMS 判斷整車狀態(tài)為低壓?jiǎn)拘亚襐CU 輸出的“喚醒”信號(hào)為高電位，初始化之后進(jìn)入（3）；

（3）BMS 檢測(cè)外圍輸入輸出接口；如果出現(xiàn)故障首先上報(bào)，完成后BMS 自檢計(jì)數(shù)器上報(bào)為1；若無(wú)故障，BMS 自檢計(jì)數(shù)器上報(bào)為0；

4.2 高壓上電流程

（1）低壓上電完成后，BMS 檢測(cè)整車狀態(tài)進(jìn)行高壓診斷。高壓診斷發(fā)現(xiàn)有故障則進(jìn)行相應(yīng)的處理上報(bào)流程，如果無(wú)故障則自檢上報(bào)后進(jìn)入流程（2）

（2）車輛狀態(tài)為“高壓系統(tǒng)預(yù)充電狀態(tài)時(shí)”，BMS 控制繼電器吸合，將預(yù)充繼電器的狀態(tài)設(shè)置為“閉合”。如果高壓系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障，則按照既定原則進(jìn)行上報(bào)，如果無(wú)故障則自檢上報(bào)數(shù)據(jù)為“1”。

5 電池管理系統(tǒng)故障及分析

5.1 內(nèi)部故障

隨著電動(dòng)汽車的普及，消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品的要求也越來(lái)越高，所以動(dòng)力電池模組必須能夠滿足續(xù)航里程的要求?；诖四康模瑒?dòng)力電池包里面包含了許多個(gè)單體電池，它們串聯(lián)或者并聯(lián)起來(lái)，共同構(gòu)成了電池組，但是每一塊單體電池不可能保持完全一致，總會(huì)存在一些個(gè)體性差異。在車輛充電過(guò)程中，如果BMS 對(duì)于電池實(shí)時(shí)狀態(tài)比如SOC 的估計(jì)不準(zhǔn)確，或者說(shuō)電池充電系統(tǒng)發(fā)生故障，則會(huì)使某些單體電池發(fā)生過(guò)充。

如果沒(méi)有電池管理系統(tǒng)正確控制電池充放電，電池系統(tǒng)在老化以后會(huì)無(wú)法合理控制能量釋放，有可能導(dǎo)致能量大量釋放，從而引起起火。如果單一電池發(fā)生了起火，那么相鄰的其他電池單元也會(huì)被點(diǎn)燃從而引發(fā)嚴(yán)重的熱失控，最終導(dǎo)致動(dòng)力電池模塊起火爆炸，會(huì)進(jìn)一步危害整車的安全。

5.2 外部故障

BMS 必須要有非常精準(zhǔn)的溫度電壓電流數(shù)據(jù)的采集才可以要實(shí)現(xiàn)電壓均衡、過(guò)流和欠壓/過(guò)壓保護(hù)及SOC 估計(jì)等功能。而實(shí)現(xiàn)這些功能需要一系列相關(guān)的傳感器。如果傳感器發(fā)生故障，其后果可能非常嚴(yán)重。

6 案例分析——北汽EU260 快充樁與車輛無(wú)法通訊

1.首先確保車輛本身狀態(tài)正常，其次確保充電系統(tǒng)與北汽EU260 車輛匹配。

2.目測(cè)檢查車輛快充接口各連接端子有無(wú)明顯的物理?yè)p壞，如圖5。

圖5 車輛快充接口及各連接端子

3.檢查快充槍，看是否存在明顯的物理傷痕，包括端子處有短路燒蝕的痕跡，或者端子處有明顯的生銹現(xiàn)象。如果沒(méi)有以上明顯的物理?yè)p壞，并且還是在充電的時(shí)候顯示整車充電通訊故障，那么就需要用儀表對(duì)快充接口進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)量以鎖定故障原因。

圖6 車輛快充接口及各連接端子

測(cè)量快充口8 針與車身負(fù)極的阻值小于0.5Ω，如果測(cè)量8 針與接地線端子不導(dǎo)通則更換快充線束；如果8 針與接地阻值不符，可能是螺絲松動(dòng)導(dǎo)致。測(cè)量4 針和7 針的電阻值是否為1000±50Ω，如果阻值與標(biāo)準(zhǔn)不符則更換快充線束。

4.檢查確保充電槍和車身快充接口之間的連接沒(méi)有問(wèn)題，插接緊固，啟動(dòng)充電，判斷充電喚醒信號(hào)是否正常，看儀表是否喚醒。

5.若未喚醒，則測(cè)量前機(jī)艙低壓電器盒內(nèi)的充電保險(xiǎn)絲。如果保險(xiǎn)絲電阻正常，則應(yīng)該用萬(wàn)用表去測(cè)量電壓值，沒(méi)有電壓的話應(yīng)當(dāng)斷開充電槍；如果電阻不正常，說(shuō)明保險(xiǎn)絲損壞，則首先更換保險(xiǎn)絲后再進(jìn)行測(cè)試。

接下來(lái)進(jìn)一步檢查快充線束連接端子，看是否存在接觸不良或者生銹退針等現(xiàn)象，若有問(wèn)題則維修，沒(méi)有問(wèn)題則測(cè)量快充9 針和2 針是否導(dǎo)通，如不導(dǎo)通則更換快充線束，導(dǎo)通則繼續(xù)測(cè)量。

6.測(cè)量3 針和搭鐵點(diǎn)端子的阻值應(yīng)小于0.5Ω，如果測(cè)量出來(lái)的結(jié)果與正常值不同，則應(yīng)檢查和更換線束。

7 結(jié)論

在當(dāng)前形勢(shì)下，節(jié)能環(huán)保成為全球各國(guó)共同關(guān)心的議題，清潔能源的大力推廣是必然的，傳統(tǒng)燃油車未來(lái)一定會(huì)逐漸淡出人們的視野，取而代之的新能源汽車將會(huì)成為主導(dǎo)汽車產(chǎn)業(yè)的新興力量，而新能源汽車想要不斷發(fā)展，必須依賴于清潔能源動(dòng)力技術(shù)的不斷突破。對(duì)于純電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，電池就是其核心技術(shù)之一，本文以北汽EU260 新能源車型為例，系統(tǒng)分析了新能源汽車電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，并對(duì)常見(jiàn)故障類型和診斷方式進(jìn)行了詳細(xì)介紹，從多個(gè)角度對(duì)新能源汽車電池管理系統(tǒng)維修策略與診斷方式進(jìn)行了闡述，本文對(duì)今后進(jìn)行新能源汽車的電池管理系統(tǒng)的故障和診斷的方式和策略選取方面有一定的參考價(jià)值。