動力電池系統(tǒng)故障診斷與預(yù)警功能設(shè)計

動力電池系統(tǒng)故障診斷與預(yù)警功能設(shè)計5.4.1顯示報警設(shè)計顯示報警內(nèi)容對于動力電池系統(tǒng)而言，電池管理系統(tǒng)（BMS）監(jiān)測采集處理的數(shù)據(jù)量極為龐大，不同的數(shù)據(jù)對應(yīng)著動力電池系統(tǒng)的不同狀態(tài)，對于駕駛?cè)硕?，將BMS所有處理的數(shù)據(jù)都進行觀測再做出判斷是不現(xiàn)實的，因此BMS需要將大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理完之后，實時地提供一些數(shù)據(jù)給駕駛?cè)擞脕砼袛嘞乱徊杰囕v操作是必要的，即BMS的顯示報警設(shè)計涉及如何甄別什么數(shù)據(jù)才是駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中所必需的（即儀表板上需要動力電池系統(tǒng)什么信息）。國際儀表要求見表5.14。表5.14國際儀表要求國際供表要求項日仗表顯術(shù)的信息整車車速累計行程傳統(tǒng)信號車門，制水器、ABSh安葷指、安仝氣囑電動汽車運行準(zhǔn)簿就堵.茶統(tǒng)故障、整車控制器打開動力電池電壓、電流、溫度、荷電眩態(tài).剩雜容詠、充電沒態(tài).故障和切斷電動機轉(zhuǎn)速、電壓，電流.溫度.迎熱，超速充電充電迎接、充電指示電氣安全絕緣電阻.幅電距離根據(jù)表5.14所示，BMS所需要顯示的動力電池的狀態(tài)為：當(dāng)前的電壓值、輸出的電流值、溫度狀況、剩余電量、剩余容量，如果是在充電狀態(tài)，表述為充電狀態(tài)，發(fā)生故障時表述為故障與切斷。在動力電池系統(tǒng)實際的使用過程中，以上所述幾個顯示報警的狀態(tài)是必需的。然而，動力電池系統(tǒng)定義的警示內(nèi)容比以上規(guī)定的要復(fù)雜很多，以下給出通常動力電池系統(tǒng)的警示內(nèi)容，見表5.15。表5.15BMS警示內(nèi)容BMS警示內(nèi)棄SOC剩余電量的多少總電壓窸統(tǒng)總電壓過高或過低單體電壓單體屯壓過高或過低單體壓差粗體之向咆壓差異是否過大放電電流動力電池系統(tǒng)輸出的電流是否超過了限定充電電帆充電電流是否超過了限定值動力電池系統(tǒng)是否帆度過高或過低溫是動力電池系統(tǒng)內(nèi)是否溫度座貴過大絕嫁阻值動力電池系統(tǒng)（或整車）絕貌陽.值是占過低.有釁動力電池系統(tǒng)在設(shè)計時需嚶承擔(dān)整牢其他系統(tǒng)的地緣,因此HMS_L眼絕緣值時會分為動力電池系統(tǒng)艷燎值勺整車系統(tǒng)絕垛值BMS自椅故障BMS收到喚陋信號后橙測動力電袍系統(tǒng)，是否存在故障或者BMS自身是否存在故障溫度:醐后故障底否能夠正常測量動力噌池系統(tǒng)溫度或溫度教據(jù)是否異常電流測量故障是拒能破止:常測墾動力屯池系統(tǒng)電流或電流數(shù)據(jù)是否異常屯壓測量故障是否能夠IF常測量動力電池系統(tǒng)電壓或電壓數(shù)據(jù)是否異激CAX通信故醯BMS內(nèi)部通信.可整車遮信或與充電段備的通信是否正常顯示報警分類設(shè)計根據(jù)前文所述的警示內(nèi)容，從絕緣阻值往下，都是BMS無法自動處理的故障，需要維修。對于駕駛?cè)硕裕嗽谡５鸟{駛過程中，需要知道剩余的電量（SOC）、當(dāng)前的電壓值、輸出的電流值、溫度狀況、剩余容量等信息外，故障預(yù)警并不能以單一的信號燈表示示（亮起該信號燈說明故障，不亮則說明正常），也不能簡單地以信號燈的顏色加以區(qū)分故障的嚴(yán)重性（有些動力電池系統(tǒng)簡單的幾種不同顏色的信號燈代表故障的程度），BMS的顯示報警應(yīng)當(dāng)保證駕駛?cè)丝梢猿浞终J(rèn)知動力電池系統(tǒng)的故障程度，以及在車輛所處的當(dāng)前運行情況下需要采取的措施，具體做了以下分類設(shè)計，見表5.16。表5.16BMS顯示報警內(nèi)容HMS兄.示報警內(nèi)容彗馳席擔(dān)SOC總電壓sue口及也壓等信息住窗給罵覲人.可以保證駕駛?cè)薔牛輛剿余行駛里程有-個了解，謂免在電量不足時，進行&距離駕駛.出現(xiàn)車輛半躇停車的現(xiàn)裝；而甌體的屆差從某些槌端的布度考慮，如果甥駛?cè)颂幱诩庇密嚨那橐?，而單體壓箜超htr沒定值.理論上不雀地維鳥駛汽車.怛是撒一步使用我力地池系統(tǒng)最大的可能性是縮坂其使用壽命，并不會輕M產(chǎn)生安全間題，M以在應(yīng)急時堪蜓使用單體電壓單.體壓差安全信息放電電流就部分內(nèi)容在顯示瑣瞥設(shè)計時應(yīng)當(dāng)讓媽駛?cè)酥?札不同于上半部介的內(nèi)容，超過限定的電流或溫度不僅會降低命力屯池系統(tǒng)的使用壽命.mn.會引起安壘問嬲.過大的電流烏過高的溫度全損壞電了?元器件，造成整車某些幼能失靈，諭侑的敵障住使羿駛?cè)耍ト囕v部分其至所有功能的掌控，因此，此偷努，必緬讓彭駛?cè)巳c知充電電流溫度溫蕓艷緣阻信I3MS白粒故障配度測址故障電流泗量故障電壓濁量故障CAN通信故障5.4.2電池故障報警設(shè)計1.電池故障報警預(yù)分析對于電池管理系統(tǒng)（BMS）而言，不僅需要準(zhǔn)確估計電池系統(tǒng)狀態(tài)，更為關(guān)鍵的功能在于通過對故障的有效檢測和處理，確保高壓系統(tǒng)的安全。制定BMS故障檢測方案之前需要分析哪些故障需要被檢測。因此首先需要對電池系統(tǒng)進行預(yù)先危險性分析（PHA），目的在于識別安全性關(guān)鍵部件、評價危險程度、提出控制危險措施。表5.17為預(yù)警內(nèi)容分類。表5.17預(yù)警內(nèi)容分類

危險源主要后果可行措施電池失控電池過克電電池過放電電池內(nèi)短路系統(tǒng)成慚電池盛失控電池碰撞擠壓壽命衰喊，起火爆炸電■電壓檢測、電流檢醐、溫度檢測，碰悻檢測漏電荷壓絕緣故障高壓漏電絕緣箱測線束連摟故障高壓互鎖檢測第電器粘連粘連檢測BMS枚障硬件故障4潮失控硬件檢蒯軟件枚障運行監(jiān)控2.電池故障診斷項目中國汽車行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)QC/T897-2011中規(guī)定了電池故障診斷基本要求項目和可擴展的故障診斷項目?？梢哉J(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)中提及的故障內(nèi)容是BMS進行故障診斷的最基本要求，具體項目中需要結(jié)合實際情況進一步完善故障檢測項目。故障診斷的基本項目和可擴展項目見表5.18和表5.19。表5.18故障診斷的基本項目電池系統(tǒng)故障診斷括本項□序號故障狀態(tài)電池管現(xiàn)系統(tǒng)的故障診斷項目1電池溫度大于溫度注定值電池溫度高2電池溫度小于溫度設(shè)定值電池溫度爬3單體〔模塊）電壓大于電壓設(shè)定山單體（模換〕電壓鬲4單體（模塊）屯壓小于電壓設(shè)定值單體（模塊）電氏做5單體（模塊）一致性偏差大于設(shè)定條件W體（.模塊）一敦性:偏星大6充電電流（防率）大于最大充也里流｛功率）值充電電流｛功率）大7放電電流（功率）大于最大放電屯流（功率）值放電電流（功隼）大表5.19故障診斷的可擴展項目故障診斷的M擴展項口序號故障狀態(tài)也池管理系鴕的故障診斷項口1絕緣電阻小于設(shè)定他絕緣薄弱2socfn大于位定值SOC高3SOC值小T設(shè)定值SDC低4總電廂大亍設(shè)定值總電壓高故障診斷的可擴展項H序號故障狀態(tài)電池管理系統(tǒng)的故障診斷項目5總電壓小于設(shè)定值息屯壓低6外部通席接口電路故障外部通信接口故障7內(nèi)部通信接口電路故障內(nèi)部通信接口故障8電池系統(tǒng)內(nèi)部溫差大丁溫差設(shè)定位電池系統(tǒng)溫差大9內(nèi)部通信總統(tǒng)脫離內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)故障10電池連按電阻大十設(shè)疫值（或以他等效判定條件｝電池迎接松動電池故障檢測方法從故障檢測方法來看一般來說可以分為物理和化學(xué)檢測法、信號處理檢測法、基于模型的檢測法。第一類：物理和化學(xué)檢測法通過觀察檢測目標(biāo)運行過程中的物理、化學(xué)狀態(tài)來進行故障診斷，如分析其電壓、電流、溫度、揮發(fā)氣體等特性的變化，并與默認(rèn)閾值范圍進行比較，從而進行故障判斷。第二類：信號處理檢測法通過檢測目標(biāo)運行過程中的信號狀態(tài)進行故障診斷，如信號時域、頻域的變化，信號內(nèi)容和時序與預(yù)設(shè)之間的差異。第三類：基于模型的檢測法適用于不易觀測的狀態(tài)（如SOC、SOH等）、較為復(fù)雜的狀態(tài)（如SOS），根據(jù)模型計算求解，從而評估故障狀態(tài)。從故障檢測實現(xiàn)手段來看，可以采用軟件診斷和硬件診斷兩種，并且可以同時采用這兩種方法實現(xiàn)設(shè)計上的冗余。軟件診斷有著計算能力強、易于迭代的優(yōu)點，適合于大多數(shù)的故障診斷，尤其是采用第二類和第三類檢測法的故障。硬件診斷有著可靠性強、響應(yīng)快的優(yōu)點，對于安全等級高的故障可以進行冗余設(shè)計（如碰撞檢測、單體電壓檢測等）。電池故障評估BMS檢測的故障大致可以分為三種類型。1） 運行故障：主要指電池系統(tǒng)在運行過程中某些參數(shù)超出了閾值范圍觸發(fā)的故障，如溫度高故障、電流過大故障等。此類故障無須進行特殊維護即可自行恢復(fù)。但如果輕易出現(xiàn)此類故障，說明系統(tǒng)在設(shè)計上存在一定的缺陷，或者是系統(tǒng)存在潛在的其他故障。2） 系統(tǒng)故障：主要指電池系統(tǒng)的元器件功能、連接可靠性等方面出現(xiàn)的故障，如高壓互鎖故障、接觸器粘連故障等。此類故障需要進行維護和檢修。3） 外部故障：主要是指由于外部因素導(dǎo)致的電池系統(tǒng)無法正常工作的故障，如鉛酸蓄電池供電電壓異常、整車故障、充電設(shè)備故障等。關(guān)于故障分級，通常BMS可分為Warning、Alarm、EPO三級，如圖5.10所示。同時BMS可采取的應(yīng)對故障的措施并不多，如報警、控制熱管理系統(tǒng)、斷開接觸器等。斷開接觸器是最后的防護底線，因此執(zhí)行該動作務(wù)必謹(jǐn)慎，否則極有可能引起次生故障。圖5.10故障分級圖

Waminji

報警提示Alarm

功率限制IWaminji

報警提示Alarm

功率限制I軟件EPO切斷接觸器硬件EPO切斷接觸器Warning:輕微故障，該級別故障下允許車輛運行，報警提示。Alarm:嚴(yán)重故障，當(dāng)出現(xiàn)該級別故障時不允許車輛起動，BMS不進行上電操作。若車輛已經(jīng)在運行中，BMS不強行切斷接觸器，但需要進行必要的功率限制。EPO：緊急故障，當(dāng)出現(xiàn)該級別故障時BMS無論在任何模式下都需要切斷接觸器。同時上面提到故障診斷的實現(xiàn)手段可以分為軟件診斷和硬件診斷。因此觸發(fā)EPO切斷接觸器的方式也可以有兩種方式。第一種是軟件EPO,可以立即或是評估當(dāng)前是否有粘連風(fēng)險后再斷開接觸器。第二種是硬件EPO,直接通過硬件電路切斷接觸器供電實現(xiàn)保護。電池故障處理方法（1）電壓類故障1） 電池電壓高：滿電靜置后，電池單串或幾串電壓明顯偏高，其他單體正常；或總電壓偏高。故障原因：①采集誤差；②從控板均衡功能差或失效；③電池單體容量低，充電時電壓上升較快。處理方法：①單體電壓顯示值較其余單體偏高，測量單體實際電壓值進行比對，若實際值較顯示值低，且與其他單體電壓相同，則以實際值為標(biāo)準(zhǔn)對從控板單體電壓進行校準(zhǔn)；若測量值與顯示值相符，則人工對單體電池進行放電均衡；②檢查電壓采樣線是否斷裂，虛接；③更換從控板。2） 電池電壓低：滿電靜置后，電池單只或幾只單體明顯偏低，其他單體正常。故障原因：①采集誤差；②從控板均衡功能差或失效；③電池單體自放電率大；④電池單體容量低，放電時電壓下降較快。處理方法：①單體電壓顯示值較其余單體偏低，測量單體實際電壓值進行比對，若實際值較顯示值高，且與其他單體電壓相同，則以實際值為標(biāo)準(zhǔn)對從控板單體電壓進行校準(zhǔn)；若測量值與顯示值相符，則人工對單體電池進行充電均衡；②檢查電壓采樣線是否斷裂，虛接；③更換從控板；④對故障電池包進行更換。3） 壓差：動態(tài)壓差/靜態(tài)壓差。充電時單體電壓迅速至滿電截止電壓跳槍；踩加速踏板時，單體電壓比其他下降迅速；踩制動踏板時，單體電壓比其他串下降、上升迅速。故障原因：①連接電池銅排緊固螺母松動；②連接面有污物；③電池單體自放電率大；④電池單體焊接連接銅排開焊（造成該串單體容量低）；⑤個別電池單體漏液。處理方法：①對螺母進行緊固；②清除連接面異物；③對單串電池進行充/放電均衡；④對問題電池包進行更換。4） 電壓跳變：車輛運行或充電時，單體電壓跳變。故障原因：①電壓采集線連接點松動；②從控板故障。處理方法：①對連接點進行緊固；②更換從控板。（2） 溫度類故障1） 加熱故障：溫度低于某一數(shù)值后，在充電時，加熱不開啟。2） 散熱故障：溫度高于某一數(shù)值后，散熱風(fēng)扇未工作。故障原因：①加熱繼電器、風(fēng)扇繼電器或主控板故障；②加熱器、散熱器或繼電器供電電路異常。處理方法：①更換繼電器或主控板；②進行加熱器、散熱器或繼電器供電電路修復(fù)。3） 溫度高：電池系統(tǒng)中某個或某幾個溫度點偏高，運行或充電中達到報警閾值。故障原因：①溫度傳感器故障；②從控板故障；③電連接異常局部發(fā)熱；④冷卻系統(tǒng)未開啟，散熱差；⑤靠近電動機等熱源；⑥過充電。處理方法：①測量溫度傳感器電阻值與顯示值進行比對，若實際值較顯示值低，且與其他溫度值相同，則以實際值為標(biāo)準(zhǔn)對從控板溫度值進行校準(zhǔn)；②緊固電連接點，清除連接點異物;③確保風(fēng)扇開啟；④增加隔熱材料與熱源進行隔離；⑤暫停運營進行散熱;⑥立即停止充電；⑦更換從控板。4） 溫度低：電池系統(tǒng)中某個或者某幾個溫度點偏低，運行或充電中達到報警閾值。故障原因：①溫度傳感器故障；②從控板故障。處理方法：①測量溫度傳感器電阻值與顯示值進行比對，若實際值較顯示值高，且與其他溫度值相同，則以實際值為標(biāo)準(zhǔn)對從控板溫度值進行校準(zhǔn)；②更換從控板。（3） 充電故障1） 非車載充電故障。故障原因：①電池故障（電壓、溫度、絕緣等異常）；②BMU故障（充電模塊或充電CAN異常）；③主負(fù)繼電器、充電繼電器異常；④CC1對地電阻、CC2對地電壓異常；⑤PE地異常。處理方法：①排除電池故障；②修復(fù)/更換失效部件；③截存充電電報文，分析故障原因。2） 車載充電故障。故障原因：①電池故障（電壓、溫度、絕緣等異常）；②BMU故障（充電模塊或充電CAN異常）；③主負(fù)繼電器、充電繼電器異常；④CC對地電阻、CP對地電壓異常；⑤PE地異常。處理方法：①排除電池故障；②修復(fù)/更換失效部件；③截存充電報文，分析故障原因。（4） 絕緣故障：絕緣阻值低故障原因：①電池箱或插件進水，電池單體漏液；②環(huán)境濕度大，絕緣誤報。處理方法：①正極對地，如果有電壓或絕緣阻值小于規(guī)定值，則判定負(fù)極電路漏電;②負(fù)極