電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)故障分析診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊淇，康小平，郜敏，李渝麗

（山西能源學(xué)院機(jī)電工程系，山西 晉中 030604）

氣候變化和能源安全問題近年來日益突出，電動(dòng)汽車作為一種清潔能源交通工具備受關(guān)注。電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車中的重要組成部分，負(fù)責(zé)對(duì)電池的充放電過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)。針對(duì)故障問題，開發(fā)一套電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)故障分析診斷系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，系統(tǒng)可以通過實(shí)時(shí)采集電池性能數(shù)據(jù)，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，迅速而準(zhǔn)確地定位電池系統(tǒng)的故障點(diǎn)，為后續(xù)的維修提供有力的支持，對(duì)于提高電動(dòng)汽車的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性都有著積極的推動(dòng)作用。

1 系統(tǒng)失效分析

電動(dòng)汽車電池的失效可能對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，特別是電池電解液泄漏、電池?zé)崾Э?、絕緣層老化、電池組電壓壓差過大等會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，輕則導(dǎo)致電池系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響整車性能，嚴(yán)重可能導(dǎo)致電池自燃或爆炸，因此，需要對(duì)其失效模式進(jìn)行深入分析。本文總結(jié)了鋰離子動(dòng)力電池組以及電池管理系統(tǒng)的失效模式、失效影響和失效原因，具體如表1 所示。

表1 鋰動(dòng)力電池系統(tǒng)故障分析及影響

2 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)故障分析診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電池建模

Thevenin 電池模型是一種廣泛應(yīng)用于電源系統(tǒng)建模的模型，使用電壓源和內(nèi)部電阻來表示電池的電特性。典型的Thevenin 模型具有良好的非線性性，可以準(zhǔn)確模擬電池的動(dòng)態(tài)特性，但是在描述鋰離子動(dòng)力電池極化特性方面存在不足。因此，本文采用一種改進(jìn)的Thevenin 模型，在該改進(jìn)模型中，在Thevenin 模型的基礎(chǔ)上增加了一階RC 環(huán)路，以更準(zhǔn)確地模擬濃差極化現(xiàn)象。圖1 為二階RC 電池模型。

圖1 二階RC 電池模型

2.2 電壓檢測(cè)與接觸器故障診斷

電壓檢測(cè)模塊主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組內(nèi)各個(gè)單體電池的電壓，確保電池組的電壓平衡，防止電池過充或過放，在設(shè)計(jì)方案中選用高精度、低功耗的電壓傳感器，確保在廣泛的工作溫度范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性；采用高速ADC 進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)的采集，并設(shè)置電壓閾值，當(dāng)任一單體電池電壓超過正常范圍，系統(tǒng)將觸發(fā)報(bào)警機(jī)制。

接觸器在電池管理系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用，用于控制電池組的充放電過程。接觸器故障可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)無法正常工作，因此需要設(shè)計(jì)故障診斷模塊，在設(shè)計(jì)時(shí)，使用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸器的狀態(tài)；在接觸器閉合時(shí)，通過電流傳感器監(jiān)測(cè)通過接觸器的電流，確保電流在正常范圍內(nèi)，確保電池系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

2.3 高壓絕緣監(jiān)測(cè)

高壓絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)電池系統(tǒng)中的高壓絕緣狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警處理可能導(dǎo)致絕緣故障的情況，以確保整個(gè)電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、故障診斷模塊和通信模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊的核心是絕緣電阻傳感器，其選擇需要考慮測(cè)量范圍、精度、穩(wěn)定性和可靠性等因素，常用的絕緣電阻傳感器有電阻型和電容型兩種，由于電動(dòng)汽車的電壓等級(jí)較高，所以選擇電容型絕緣電阻傳感器，且為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，將傳感器與BMS 的其他部分隔離，防止電磁干擾。

數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，該模塊需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和去噪處理，以消除測(cè)量過程中的干擾，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，提取出關(guān)鍵的絕緣電阻參數(shù)，包括最大值、最小值、平均值等，最后將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，以供后續(xù)的故障診斷使用。

故障診斷模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，需要根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)判斷是否存在故障，為此在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定了故障閾值，同時(shí)設(shè)計(jì)了一套智能診斷算法根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和識(shí)別，既能保證故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，又能避免誤報(bào)情況的發(fā)生。

通信模塊負(fù)責(zé)將故障信息發(fā)送給駕駛員或維修人員，在設(shè)計(jì)時(shí)采用無線通信技術(shù)，包括藍(lán)牙、Wi-Fi 等，以便于信息的實(shí)時(shí)傳輸和接收。

2.4 碰撞安全設(shè)計(jì)

為了確保電池管理系統(tǒng)的安全性，設(shè)計(jì)了碰撞檢測(cè)機(jī)制，該機(jī)制可以通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的運(yùn)行狀態(tài)，一旦檢測(cè)到碰撞，立即觸發(fā)安全保護(hù)機(jī)制；在檢測(cè)到碰撞后，安全保護(hù)機(jī)制立即啟動(dòng)，電池管理系統(tǒng)進(jìn)行斷電處理，以防止電流回流對(duì)電池造成損害，同時(shí)電池管理系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行診斷和處理，分析碰撞前后的電池參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能，保證電池系統(tǒng)處于可控范圍內(nèi)。為此設(shè)計(jì)采用了基于加速度的碰撞檢測(cè)算法、基于速度變化的碰撞檢測(cè)算法等，算法能夠根據(jù)車輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

3 故障診斷策略的制定與仿真

3.1 策略制定

3.1.1 確定故障閾值

電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)和管理電池的狀態(tài)，調(diào)節(jié)電池之間電壓平衡、電流大小和溫度情況，而電壓反映了電池的電量狀態(tài)，溫度影響電池的性能和壽命，電流則與電池的充放電過程密切相關(guān)，所以在系統(tǒng)中需要考慮電池組在高溫、低溫、高速充電、高速放電等不同工況下可能出現(xiàn)的異常情況，設(shè)定合理的故障閾，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池組中的異常情況的目的，從而采取相應(yīng)措施進(jìn)行保護(hù)，確保整車的安全性。

通過電池管理系統(tǒng)的仿真工具，模擬各種工況下電池的行為，在仿真中，調(diào)整不同參數(shù)的故障閾值，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)和判斷準(zhǔn)確性，從而驗(yàn)證和優(yōu)化故障閾值的設(shè)定；仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相結(jié)合，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.1.2 制定電池故障診斷策略

電池故障診斷基本流程如圖2 所示。

圖2 電池故障診斷流程

3.2 仿真分析

3.2.1 溫度控制策略仿真

磷酸鐵鋰電池組在15 ～35℃的工作溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出最佳性能，本文在仿真過程中，將溫度設(shè)定為-5℃，模擬溫度較低的故障情況，該條件下電池組可能出現(xiàn)電池容量下降、電池內(nèi)阻增大等問題，系統(tǒng)需要及時(shí)響應(yīng)，啟動(dòng)相應(yīng)的加熱程序；在低溫故障的同時(shí)，啟動(dòng)熱管理故障模型。當(dāng)電池組溫度過低時(shí)，PTC 加熱程序?qū)㈤_始回升溫度，以防止電池組過度冷卻，保障電池組正常運(yùn)行。圖3 為溫度故障仿真模擬圖。

圖3 溫度故障模擬圖

3.2.2 電壓控制策略仿真

本文采用對(duì)電池組總電壓過壓欠壓、不一致性電壓等仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證電壓控制策略的可靠性。通過人工調(diào)試的方法輸入故障電壓信號(hào)從而模擬實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池組實(shí)際工作中所能產(chǎn)生的故障，電壓故障模型將對(duì)電池組總電壓模擬故障與監(jiān)測(cè)。將磷酸鐵鋰電池組過充和欠壓故障分別設(shè)置為40V 和15V，當(dāng)在仿真過程中產(chǎn)生過充和欠壓故障類型時(shí)發(fā)出警報(bào)，快速反應(yīng)并進(jìn)行降壓和升壓處理。如圖4的電壓故障圖表示可快速識(shí)別電壓的故障。

圖4 電壓過壓/欠壓故障模擬圖

4 結(jié)語

本文主要設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)故障分析診斷系統(tǒng)，在應(yīng)用該系統(tǒng)后，能夠快速識(shí)別電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的各項(xiàng)故障，相比傳統(tǒng)的診斷系統(tǒng)而言，識(shí)別效率、識(shí)別精準(zhǔn)性等都得以提升，在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的效果。