北汽動力電池系統(tǒng)及故障案例分析

張永新

摘? 要：近些年，隨著電動汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，動力電池在電動汽車上的應(yīng)用成為必然，在它自身逐步完善的同時(shí)又加快推動了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的升級換代。保證電動汽車系統(tǒng)電能傳輸?shù)氖撬膭恿﹄姵馗邏合到y(tǒng)，并在傳輸過程中不斷檢測高壓動力電池系統(tǒng)的接地故障、斷路故障、高壓故障和絕緣故障等，它是保障電動汽車人員和設(shè)備安全的第一要?jiǎng)?wù)，也是電動汽車能大規(guī)模量產(chǎn)的核心技術(shù)之一。該文對北汽新能源品牌電動汽車的動力電池系統(tǒng)組成、原理及其故障現(xiàn)象與排除方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：動力電池;組成原理;故障分析

中圖分類號：U46? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 北汽電動汽車動力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

1.1 北汽動力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

北汽的動力電池系統(tǒng)主要由動力電池模組、電池管理系統(tǒng)、動力電池箱及輔助元器件等四部分組成，如圖1所示。

1.2 北汽動力電池系統(tǒng)模組

北汽的動力電池系統(tǒng)模組主要由電池單體、電池模塊、電池模組等3個(gè)部分組成。

1.3 北汽的動力電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)按性質(zhì)可分為硬件和軟件，按功能可分為數(shù)據(jù)采集單元和控制單元。BMS硬件：主板、從板及高壓盒，還包括采集高壓線、電流、溫度等數(shù)據(jù)的電子器件。BMS軟件：檢測電池的電壓、電流、SOC值、絕緣電阻值、溫度值，通過與VCU、充電機(jī)的通信控制動力電池系統(tǒng)的充放電。

1.4 動力電池箱

支撐、固定、包圍電池系統(tǒng)的組件，主要包括上蓋和下托盤，還有輔助元器件，象過渡件、護(hù)板、螺栓等，動力電池箱有承載及保護(hù)動力電池組及電氣元件的作用。

1.5 輔助元器件

主要包括動力電池系統(tǒng)內(nèi)部的電子電器元件，象熔斷器、繼電器、分流器、接插件、煙霧傳感器等，電子電器元件以外的輔助元器件、象密封條、絕緣材料等。

2 北汽的動力電池管理系統(tǒng)工作原理

2.1 北汽的動力電池管理系統(tǒng)的功能

北汽的動力電池管理系統(tǒng)的主要功能如下：其動力電池系統(tǒng)的過流、欠壓、過壓、SOC估算、低溫和高溫的保護(hù)，充放電管理、繼電器控制、故障報(bào)警及處理、均衡控制與其他控制ECU通信等功能都是通過電流、電壓及溫度參數(shù)的檢測等方法實(shí)現(xiàn)。

2.2 北汽動力電池管理系統(tǒng)的作用

電池管理系統(tǒng)的作用為電池保護(hù)和管理的核心部件，在動力電池系統(tǒng)中，它的作用就相當(dāng)于人的大腦。它不但能保障動力電池系統(tǒng)安全可靠的工作，而且還要盡力發(fā)揮動力電池的潛力和延長工作年限，作為整車控制器VCU和動力電池系統(tǒng)以及駕駛者之間通信的橋梁，通過控制接觸器控制動力電池組的充放電，并向VCU上報(bào)動力電池系統(tǒng)的基本參數(shù)及故障信息。

2.3 電池管理系統(tǒng)的絕緣監(jiān)控

動力電池系統(tǒng)的絕緣值分為2個(gè)：正極與外殼的絕緣值、負(fù)極與外殼的絕緣值。正對地緣阻值及負(fù)對地絕緣阻值均大于等于20 Mohm為合格，小于20 Mohm為不合格，如圖2所示。

2.4 電池管理系統(tǒng)的充電管理

2.4.1 使用慢充樁充電

在慢充充電時(shí)使用車載充電機(jī)進(jìn)行充電，充電電流可達(dá)到10 A。當(dāng)單體電芯的工作電壓高于3.6 V時(shí)，應(yīng)降低充電電流值為5 A，當(dāng)單體電芯工作電壓到達(dá)3.7 V時(shí)，應(yīng)降低充電電流為0 A，并請求VCU停止充電。

2.4.2 使用快充樁充電

快速充電采用地面充電樁進(jìn)行充電，此時(shí)不使用車載充電機(jī)，在不同環(huán)境溫度下，采用恒流充電方式充至動力電池組總電壓達(dá)到規(guī)定值，或者充至最高單體電壓達(dá)到此環(huán)境溫度下的規(guī)定電壓值，再以恒壓充電方式充至電流值不大于0.8 A后停止充電;在充電過程中，如果單體壓差大于300 mV，則停止充電，報(bào)充電故障。

2.5 電池管理系統(tǒng)的能量回收管理

可接受最大回饋電壓：動力電池可以承受由電機(jī)產(chǎn)生的最大365 V的感應(yīng)電動勢;可接受回饋電流SOC范圍：動力電池可以接受回饋電流的SOC范圍為0～90;制動能量回收的要求：動力電池可以接受表1中的脈沖回饋電流和持續(xù)時(shí)間。

3 北汽動力電池管理系統(tǒng)故障處理

保證電動汽車系統(tǒng)電能傳輸?shù)氖撬膭恿﹄姵馗邏合到y(tǒng)，并在傳輸過程中不斷檢測高壓動力電池系統(tǒng)的接地故障、斷路故障、高壓故障和絕緣故障等，它是保障電動汽車人員和設(shè)備安全的第一要?jiǎng)?wù)，也是電動汽車能大規(guī)模量產(chǎn)的核心技術(shù)之一。

3.1 北汽動力電池管理系統(tǒng)的故障級別設(shè)置

1級故障：動力電池在此故障情況下功能已經(jīng)全部失效，請求其他控制器ECU馬上（1 s內(nèi)）停止充電或放電。如果其他控制器ECU在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有做出響應(yīng)，動力電池管理系統(tǒng)將于2 s后主動斷開高壓繼電器停止充電或放電;2級故障：表明動力電池在此故障情況下功能全部失效，請求其他控制器ECU停止充電或者放電;其他控制器ECU應(yīng)在一定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)響應(yīng)動力電池系統(tǒng)停止充電或放電請求;3級故障：動力電池在此故障情況下性能將會下降，動力電池管理系統(tǒng)會降低最大允許充/放電電流。

3.2 北汽動力電池管理系統(tǒng)的常見故障診斷

要想最大限度地發(fā)揮北汽電動汽車動力電池系統(tǒng)的效能，那么就必須充分發(fā)揮軟硬件的配合，保障動力電池組的安全和使用壽命。如果動力電池管理系統(tǒng)發(fā)生故障，它將會失去了對動力電池的監(jiān)管，極易導(dǎo)致動力電池的過載、過熱、過充、過放以及不一致性問題的增加，進(jìn)而不能計(jì)算動力電池的SOC值，最終影響動力電池的使用壽命、性能和行車安全。由此可見動力電池管理系統(tǒng)一般會對動力電池組的總電壓、總電流、單體電壓和溫度等傳感器信號實(shí)時(shí)進(jìn)行采樣監(jiān)控，并將采樣的參數(shù)及時(shí)傳送給整車控制器VCU。

3.2.1 故障現(xiàn)象：SOC異常

如無顯示，數(shù)值明顯不符合邏輯。解決辦法：停車或者關(guān)閉車鑰匙后重新啟動;檢查儀表顯示報(bào)警有無點(diǎn)亮，并做好現(xiàn)象記錄;聯(lián)系專業(yè)售后人員進(jìn)行復(fù)查，維修人員確認(rèn)無誤后正常使用。

3.2.2 故障現(xiàn)象：續(xù)航里程低于經(jīng)驗(yàn)值

解決辦法：聯(lián)系維護(hù)人員，檢查充放電過程，容量是否衰減，BMS控制是否正常。

3.2.3 故障現(xiàn)象：電池過熱報(bào)警/保護(hù)

解決辦法：10 s內(nèi)減速，停車觀察;檢查報(bào)警是否消除，檢查是否有其他故障，并做好記錄;如果報(bào)警或保護(hù)消除，可以繼續(xù)駕駛，否則，聯(lián)系售后人員;運(yùn)行中如果連續(xù)3次以上出現(xiàn)停車、減速故障消除時(shí)，聯(lián)系售后人員。

3.2.4 故障現(xiàn)象：SOC過低報(bào)警/保護(hù)

解決辦法：SOC低于30%報(bào)警出現(xiàn)時(shí)減速行駛，尋找最近的充電站進(jìn)行充電;停車休息3 min～5 min后行駛，檢查故障是否能自動消除;如果故障不能自行解除，且仍未駛達(dá)充電站的，聯(lián)系售后人員解決。

3.2.5 故障現(xiàn)象：電壓/電流明顯異常

解決辦法：關(guān)閉車鑰匙，迅速下車并保存適當(dāng)距離;聯(lián)系專業(yè)技術(shù)人員處理。

3.2.6 故障現(xiàn)象：鑰匙打ON/START后不工作

解決辦法：檢查并維護(hù)低壓電源;如果打ON后能工作，檢查儀表盤上故障顯示，并記錄;如果打START后仍不能工作，聯(lián)系專業(yè)人員。

3.2.7 故障現(xiàn)象：不能充電

解決辦法：檢查SOC當(dāng)前數(shù)值;檢查充電線纜是否按照正確方法連接;如果由環(huán)境溫度超出使用范圍，終止使用;聯(lián)系維修人員。

3.2.8 故障現(xiàn)象：運(yùn)行時(shí)高壓短時(shí)間丟失

解決辦法：檢查系統(tǒng)屏蔽層是否有效，檢查繼電器是否能正常動作，檢查主回路是否接觸良好。

參考文獻(xiàn)

[1]尹力卉，王林.新能源汽車技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[2]徐艷民.電動汽車動力電池及電源管理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.