電池管理系統(tǒng)故障自診斷的系統(tǒng)研究

劉文珍 金 鵬

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

電動(dòng)汽車的各種特性依賴于動(dòng)力源——蓄電池，蓄電池優(yōu)劣直接影響電動(dòng)汽車的研究與發(fā)展。容量、比功率和峰值功率、快速充電、壽命、價(jià)格等是衡量蓄電池質(zhì)量的幾項(xiàng)指標(biāo)。采用高性能、安全、環(huán)境友好且在能量密度、功率密度、循環(huán)壽命等方面都有優(yōu)勢(shì)的電池，在續(xù)駛里程、功率表現(xiàn)和電池壽命上為車輛提供了很好的保障。然而，盡管采用了各方面性能都較為優(yōu)秀的電池，但現(xiàn)有的車用電池在隨車使用中依然存在一系列的問題,最突出的表現(xiàn)就是：電池在運(yùn)行過程中無法及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)與監(jiān)控其狀態(tài)，電池經(jīng)常出現(xiàn)過充、過放、過熱，且電池充放電特性受環(huán)境條件影響較大。這些情況不僅損害了電池本身的壽命，而且造成車輛使用者成本的增加，嚴(yán)重的還將造成車輛停駛、損壞甚至燒毀爆炸等極端危險(xiǎn)的情況。

因此，為了保護(hù)任意車輛工況下電池的安全性，同時(shí)將電池的實(shí)時(shí)參數(shù)反饋給車輛控制器，需要設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)，保證電池正常運(yùn)行、保護(hù)電池使用壽命和駕駛員安全。由于電池管理系統(tǒng)性能的優(yōu)劣會(huì)嚴(yán)重影響電池安全和整車控制策略的執(zhí)行，所以必須對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，以便整車控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的電池及其管理系統(tǒng)的狀態(tài)優(yōu)化整車控制策略，提高整車的動(dòng)力性和行車安全性。

本文針對(duì)電池管理系統(tǒng)可能出現(xiàn)的一系列故障進(jìn)行剖析，對(duì)可能造成故障的原因進(jìn)行分析，詳細(xì)的研究了電池管理系統(tǒng)故障的在線診斷。

1 診斷策略

電池管理系統(tǒng)的在線故障診斷主要是為了確定電池管理系統(tǒng)自身的工作狀態(tài)，因此，整個(gè)診斷過程在汽車上電過程中完成。診斷完成后，如果電池管理系統(tǒng)無故障，電池管理系統(tǒng)就通過CAN 總線，向整車控制器（ECU）發(fā)送工作正常的信號(hào)，汽車可以正常行駛。如果診斷出故障，則產(chǎn)生故障報(bào)警并通過數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的故障碼，以便于維修人員快速的排查故障和進(jìn)行維修。

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)電池管理系統(tǒng)本身的分析，本文設(shè)計(jì)了一套故障診斷策略。通過對(duì)故障現(xiàn)象的分析來確定故障類型和故障可能產(chǎn)生的原因。

故障診斷表如表1所示。

表1 電池管理系統(tǒng)診斷策略

1.1 BMS 狀態(tài)故障診斷策略

BMS 狀態(tài)故障診斷首先要確定電池管理系統(tǒng)能夠在上電后正常運(yùn)行。因此，在電池管理系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)蜂鳴器，由車載24V 電源供電，默認(rèn)狀態(tài)為接通，并且由管理系統(tǒng)來控制電源的通斷。上電后，若電池管理系統(tǒng)工作正常，則輸出控制命令，斷開蜂鳴器的電源，蜂鳴器不響。若電池管理系統(tǒng)不能正常工作，無法發(fā)出斷開蜂鳴器電源的命令，則蜂鳴器長響，數(shù)碼管顯示“00”，表示BMS 不能正常工作，需要檢修。

在后續(xù)的診斷中，如果有其他故障，電池管理系統(tǒng)就會(huì)接通蜂鳴器電源，產(chǎn)生故障報(bào)警音，并且由數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的故障代碼。

1.2 CAN 通信故障診斷策略

CAN 通信是BMS 與整車控制器（ECU）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的惟一方式，CAN 通信的故障將導(dǎo)致整車控制器無法獲取電池的有效數(shù)據(jù)，極大影響車輛正常運(yùn)行。因此，對(duì)CAN 通信的診斷是十分重要和必要的。

在CAN 通信故障診斷中，首先BMS 向ECU發(fā)送一個(gè)固定的診斷數(shù)據(jù)包，ECU 收到此診斷數(shù)據(jù)包后，將會(huì)在規(guī)定時(shí)間（如100ms）內(nèi)發(fā)送一個(gè)表示通信正常的數(shù)據(jù)包給BMS，若在診斷預(yù)設(shè)的時(shí)間（如1s）BMS 未收到此表示通信正常的數(shù)據(jù)包，BMS 將會(huì)重復(fù)發(fā)送診斷數(shù)據(jù)包；若超過預(yù)設(shè)發(fā)送次數(shù)（如3 次），BMS 始終未收到表示通信正常的數(shù)據(jù)包，則說明BMS 與ECU 通信異常，進(jìn)行故障報(bào)警，同時(shí)數(shù)碼管顯示01。

1.3 繼電器狀態(tài)故障診斷檢測(cè)

繼電器狀態(tài)故障診斷是要確定風(fēng)扇和高壓控制是否正常工作。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)指示燈，由電池管理系統(tǒng)發(fā)送控制命令，控制指示燈亮或不亮。在對(duì)繼電器狀態(tài)進(jìn)行故障診斷時(shí)，首先由電池管理系統(tǒng)發(fā)送控制命令，控制繼電器吸合，此時(shí)指示燈亮，若指示燈不亮，說明BMS 繼電器狀態(tài)故障，則進(jìn)行故障報(bào)警，同時(shí)數(shù)碼管顯示02。

1.4 采樣故障診斷策略

1）電流采樣故障診斷策略

電流是判斷電池剩余容量（SOC）和充放電狀態(tài)的重要技術(shù)參數(shù)。因此，對(duì)電流采樣的故障診斷是十分必要的。

在對(duì)電流采樣進(jìn)行故障診斷時(shí)，連續(xù)采集10 次電流值，求這10 個(gè)電流值的平均值。首先判斷這個(gè)電流均值是否為一個(gè)固定值，且這個(gè)固定值是等于最大電流或最小電流的值，即滿量程。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：電流傳感器故障、電流傳感器連接線故障、放大器零點(diǎn)漂移、基準(zhǔn)源不對(duì)、AD 故障。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示11。

若不滿足上述條件，則接著判斷這個(gè)電流均值是否為一個(gè)小于最大電流且大于最小電流的固定值，且超過預(yù)設(shè)的電流值誤差范圍。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：電流傳感器連接線故障、放大器零點(diǎn)漂移、基準(zhǔn)源不對(duì)、AD 故障。此時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示12。

若不滿足上述條件，則繼續(xù)判斷10 次電流值的方差是否很大。若是，說明電流零點(diǎn)波動(dòng)很大，則產(chǎn)生此故障的原因是接地故障。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示13。

2）電壓采樣故障診斷策略

電壓是判斷電池是否正常使用的重要參數(shù)，電池過充電和過放電均損壞電池的使用壽命，因此，對(duì)電壓采樣故障診斷也是相當(dāng)重要的。

（1）單體電壓采樣故障診斷

在上述故障診斷均沒有發(fā)生時(shí)，對(duì)單體電壓采樣進(jìn)行故障診斷。首先，采集10 次單體電壓值，對(duì)每一路的單體電壓求平均和方差。判斷單體電壓是否出現(xiàn)部分為零的情況。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：采樣通道沒有打開或者通道芯片燒壞了、采樣通道連接線斷開、采樣通道上電阻燒壞了、Ι/O引腳使用錯(cuò)誤。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示20，表示BMS 部分單體電壓采樣故障。

若不是，則判斷單體電壓值是否全部為零。如果全部單體電壓值為零，此時(shí)，判斷總電壓值是否為零。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：AD 故障、隔離芯片故障、隔離前的電阻燒壞了、采樣通道故障。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示21，表示BMS 全部單體電壓采樣故障。若不是，則產(chǎn)生此故障的原因是：所有采樣通道故障。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示22，表示BMS 所有采樣通道故障。

若不是，則判斷單體電壓是否出現(xiàn)一路高一路低的現(xiàn)象。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：某一路采樣通道漏電，則該箱電池的單體電壓在原有正常電壓值的基礎(chǔ)上要加上漏電的電壓值。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示23，表示BMS 單體電壓出現(xiàn)一路高一路低的故障。

若不是，則判斷上述的方差是不是很大。若是，說明單體電壓波動(dòng)特別大，不穩(wěn)定，則產(chǎn)生此故障的原因是：BMS 隔離前的電阻虛焊。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示24，表示BMS 單體電壓不穩(wěn)定故障。

若不是，則判斷單體電壓和總電壓是否均超出預(yù)設(shè)的誤差范圍。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：分壓電阻溫漂、AD 故障。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示25，表示BMS 單體電壓和總電壓采樣均故障。

（2）總電壓采樣故障診斷

在上述故障診斷均沒有發(fā)生時(shí)，對(duì)總電壓進(jìn)行故障診斷。判斷總電壓是否超出預(yù)設(shè)的誤差范圍。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：總電壓的比例系數(shù)不對(duì)。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示26，表示BMS 總電壓采樣故障。

若不是，則判斷總電壓值是否為零。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：總電壓采樣通道沒有打開或者通道芯片燒壞了、采樣通道連接線斷開、采樣通道上電阻燒壞了。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示27，表示BMS 總電壓采樣通道故障。

若不是，則判斷所有單體電壓值之和與總電壓值之差是否超過預(yù)設(shè)范圍。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：BMS 器件造成單體電壓誤差稍大但在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示28，表示BMS 單體電壓采樣通道器件誤差大。

3）溫度采樣故障診斷策略

電池溫度過高容易損壞電池使用壽命，嚴(yán)重的導(dǎo)致電池自燃；電池溫度過低則不能正常工作，因此，溫度采樣是防止電池過熱和過冷的重要參數(shù)，溫度采樣故障診斷是防止電池過熱和過冷的重要技術(shù)手段，也是延長電池使用壽命和保證電池安全使用的重要技術(shù)手段。

在上述故障診斷均沒有發(fā)生時(shí)，對(duì)溫度采樣進(jìn)行故障診斷。首先，判斷全部溫度值是否滿量程。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：地線斷開或者AD 基準(zhǔn)不對(duì)。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示31，表示BMS 溫度采樣全部故障。

若不是，則判斷采樣溫度值是否超出正常的工作范圍，且超出預(yù)設(shè)的誤差范圍。若是，則產(chǎn)生此故障的原因可能是：溫度的比例系數(shù)不對(duì)、溫度傳感器工作不正常，此時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示32，表示BMS 溫度采樣值超出正常工作范圍，且超出預(yù)設(shè)誤差范圍。

若不是，則判斷是否出現(xiàn)單路或多路溫度值滿量程的現(xiàn)象。若是，則產(chǎn)生此故障的原因是：連接線松脫。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示33，表示BMS 單路或多路溫度采樣滿量程的故障。

若不是，則判斷是否出現(xiàn)單路或多路溫度值為零的現(xiàn)象。若是，則產(chǎn)生此故障的原因是：航空頭短路。此時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警，數(shù)碼管顯示34，表示BMS 單路或多路溫度采樣為零的故障。

當(dāng)上訴故障診斷完成時(shí)，如果所有故障診斷均判斷為否，則說明電池管理系統(tǒng)沒有故障。此時(shí)，BMS 通過CAN 向ECU 發(fā)送工作正常的信號(hào)，通知車輛可以正常行駛。

2 程序流程圖（見圖1）

圖1

3 結(jié)論

本文針對(duì)電池管理系統(tǒng)可能出現(xiàn)的一系列故障，在開機(jī)自檢中進(jìn)行在線診斷?；诮?jīng)驗(yàn)及對(duì)電池管理系統(tǒng)的硬件分析，制定BMS 診斷策略。二汽東風(fēng)混合動(dòng)力公交車EQ6110 的電池管理系統(tǒng)采用本文所述診斷策略，準(zhǔn)確及時(shí)地對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，并給出警報(bào)從而避免不必要的損失。

調(diào)試工作都是在車體上實(shí)時(shí)進(jìn)行的，通過現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及模擬各種故障狀況，對(duì)該BMS 診斷策略進(jìn)行驗(yàn)證與完善。因此，對(duì)相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，便于技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)有效、快捷地對(duì)車輛電池管理系統(tǒng)進(jìn)行故障排查，由此增強(qiáng)了車用電池管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性及經(jīng)濟(jì)適用性，對(duì)電池管理系統(tǒng)的進(jìn)一步維護(hù)和開發(fā)具有很大的作用和實(shí)用意義。