在電池管理系統中，故障診斷是一個關鍵環節，完善的故障診斷政策是保障車輛正常、安全運作的必備條件。本文基于一套電池管理系統，實作了對電池4 個類别共14 項故障的全面診斷與處理，有效提高了動力電池及整車安全運作的可靠性。
電池管理系統（Battery Management System，BMS）是純電動汽車動力系統的核心，其主要任務是保證電池系統安全性、耐久性及動力性。電池故障診斷是保證電池安全的必要技術之一，國家（推薦性）标準GB/T 38661—2020 規定電池管理系統需具備電池故障診斷功能，并規定了電池故障診斷基本項目及可擴充項目共17 項故障。基于我司C項目，我們開發了一套具有故障診斷功能的電池管理系統，該系統将電池故障分為電池安全故障、電池嚴重故障、電池一般故障及硬體故障4 個類别共14 項故障（圖1），通過對這些故障進行診斷并處理，保證了純電動汽車動力電池系統的安全可靠。
圖1 具有故障診斷功能的電池管理系統
故障診斷與處理
1. 安全類電池故障
安全類電池故障會威脅到客戶的人身安全，如車輛起火等。此類故障主要包含電池熱失控故障。锂離子電池（三元）的安全工作區域如圖2 所示，當電池溫度超過150 ℃時，電池電芯易發生熱失控起火爆炸，進而熱擴散，導緻電池包甚至整車起火燃燒，嚴重影響駕駛員人身安全。GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求标準》最新規定，電池包或系統在由于單個電池熱失控引起熱擴散，進而導緻乘員艙發生危險之前5 min，應提供一個熱事件報警信号。
圖2 锂離子電池安全工作區域示意
C 項目管理系統，當電池包内某一單體發生熱失控時，可實時上報報警信号，VCU 識别到報警信号後提示客戶離開，并啟動電池液冷系統對電池包進行冷卻降溫，保證了客戶的人身安全，見表1。
表1 安全類電池故障的診斷與處理
2. 電池嚴重故障
電池嚴重故障為可造成車輛動力中斷的故障，影響車輛正常行駛。此類故障主要包含電池外短路、電池絕緣、電池過充、過放、過溫、充電過流和放電過流故障，見表2。電池外短路故障：電池在充放電過程中，高壓回路發生短路會導緻锂電池發生損壞，造成車輛動力中斷。BMS 通過識别高壓回路中的電流大小，來判斷電池包發生外短路故障；VCU 識别到故障碼後迅速斷開接觸器—熔斷器高壓保護回路，避免電池發生損壞。
表2 電池嚴重故障及診斷處理
電池絕緣故障：電池絕緣阻值降低時，造成電池發生漏電現象，可能會導緻客戶發生觸電，對客戶人身安全産生影響。C 項目管理系統，通過電阻橋法對高壓回路絕緣阻值進行實時測量，當絕緣阻值低于某一故障門檻值後，BMS 上報絕緣嚴重故障。
VCU 識别到故障後，提示客戶前往4S 店保養電池。電池過充、過放及過溫故障：如圖2 所示，當電池過充時，電池容易形成锂枝晶造成電池内短路；電池過放時，正極破壞造成短路；電池過溫時會導緻電池發生熱失控；電池過充、過放及過溫均會對電池造成不可逆損壞，甚至發生熱失控安全事故。C 項目管理系統，通過識别電池電壓、溫度來判斷電池是否發生過充、過放及過溫故障。
電池充電過流、放電過流故障：當電池充電電流或放電電流高于故障門檻值時，會對電池造成不可逆的損壞。VCU 識别到BMS 上報的電池充電過流或放電過流故障後，斷開高壓，停止當次充放電過程。
3. 一般類電池故障
一般電池故障不會造成車輛動力中斷，但會對電池功能産生影響，如影響車輛續駛裡程，對車輛進行限功率等，此類故障主要包括電池壓差、電池溫差故障，見表3。
表3 一般電池故障及診斷處理
電池壓差過大故障：當電池中某一串子產品自放電較為嚴重時，該子產品電壓與其他相比壓差較大，當壓差超過故障門檻值時，BMS 即會上報電池壓差故障。由于車輛放電過程以Vmin 作為判斷依據，電池壓差較大，會造成車輛可用續駛裡程減少，甚至會引起SOC不準，影響車輛正常行駛。
電池溫差過大故障：電池電壓與溫度強相關，當電池溫差較大時，最高溫度點與最低溫度點對應電壓內插補點會增大，造成電池一緻性降低，壓差增大，會造成車輛可用續駛裡程減少，甚至會引起SOC 不準，影響車輛正常行駛。
4. 硬體故障
硬體故障主要是對電池電壓、電流、溫度及絕緣等資訊的采集單元進行診斷，若采集單元發生故障，則電池資訊将無法上報，車輛将無法正常使用。硬體故障主要包含電壓采集線松動、電流傳感器采集失效、溫度傳感器短路/ 開路、絕緣檢測系統故障，見表4。
表4 硬體故障及診斷處理
電壓采集線松動故障：電壓采集線松動時，采集線對應電池單體的采集電壓将異常偏高或偏低，若不将此異常電壓剔除，則易觸發電池欠壓或過壓故障，造成車輛無法正常行駛。當BMS 檢測到某一單體電壓有異常變化時，BMS 即上報采集線松動故障。
電流傳感器采集失效：電流傳感器采集失效時，采集的電流值将為無效值，造成車輛安時積分不準确，SOC 不準，影響車輛正常行駛。當BMS 檢測到電池電壓變化但電流未發生變化時，即上報電流傳感器采集失效故障。
溫度傳感器采集失效：溫度傳感器采集失效時，采集線束對應溫感的采集溫度将異常偏高和偏低，若不将此異常溫度剔除，則易觸發電池過溫故障，造成車輛無法正常行駛。當BMS 檢測到某一溫感資訊有異常時，BMS 即上報溫度傳感器采集失效故障。
絕緣檢測系統故障：當絕緣檢測系統發生故障時，BMS 無法檢測到高壓回路絕緣狀态。若高壓回路此時絕緣發生異常，BMS 無法上報絕緣嚴重故障，可能會造成客戶觸電風險。
結束語
電池管理系統及動力電池的故障診斷與處理，對保障動力電池及保障整車安全可靠運作具有重要意義。
本文詳細介紹了我司自主研發的電池管理系統中的故障診斷與處理功能，實作了對電池安全故障、電池嚴重故障、電池一般故障及硬體故障的全面故障與處理，可精确診斷并上報對應故障碼，同時整車識别到故障碼後也會做相應預警與處理，充分保證了車輛安全及可靠運作。
來源：AI《汽車制造業》
作者：劉平 秦立李 李申申 姜點雙
工作機關：江淮汽車集團新能源乘用車公司
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