基于電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)故障診斷與高效維修

摘要：隨著全球?qū)Νh(huán)保和可持續(xù)能源的關(guān)注度不斷增強(qiáng)，電動(dòng)汽車作為一種清潔能源交通工具正逐漸成為主流。電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分，對(duì)電池性能和壽命的有效管理有著關(guān)鍵的作用。然而在該系統(tǒng)的日常運(yùn)行中不可避免地會(huì)出現(xiàn)故障，影響了電動(dòng)汽車的性能、安全性和可靠性。為此，研究了電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)故障診斷與維修的關(guān)鍵問題，以期為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持，提高電池系統(tǒng)的可靠性，降低維護(hù)成本，從而推動(dòng)電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電池管理系統(tǒng)；故障診斷；高效維修

中圖分類號(hào)：U472.9? 收稿日期：2023-09-25

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406025

1 前言

近年來，電動(dòng)汽車市場呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，電池技術(shù)也不斷進(jìn)步，但與之相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)的故障診斷與維修技術(shù)存在挑戰(zhàn)，其水平亟需提高。因此，有必要深入研究電池管理系統(tǒng)的故障診斷方法，并提出高效的維修策略，以確保電動(dòng)汽車的可靠性和維護(hù)效率。

2 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)

21 電池管理系統(tǒng)功能和作用

電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測電池的狀態(tài)，包括電壓、電流、溫度等參數(shù)，以確保電池處于安全、高效的工作狀態(tài)。充放電控制管理電池的充電和放電過程，確保在最佳電池工作范圍內(nèi)，延長電池壽命，提高能源利用效率。溫度控制監(jiān)測和調(diào)控電池溫度，防止過熱或過冷情況，維持電池在適宜的工作溫度范圍內(nèi)。均衡控制對(duì)電池組內(nèi)的各個(gè)電池單體進(jìn)行控制，防止電池容量不均勻?qū)е滦阅芟陆岛蛪勖s短。故障檢測與保護(hù)及時(shí)檢測并處理電池系統(tǒng)的故障，采取保護(hù)措施，防止?jié)撛诘陌踩L(fēng)險(xiǎn)［1］。

22 電池管理系統(tǒng)組成部分

電池管理單元負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制電池的各項(xiàng)參數(shù)，是電池管理系統(tǒng)的核心部分。電池傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給電池管理單元，充電控制器控制電池充電的過程確保充電效率和安全性。放電控制器管理電池的放電過程，調(diào)節(jié)電池的輸出功率，以滿足車輛的動(dòng)力需求。通信接口與車輛的其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與整車系統(tǒng)的協(xié)同工作。

23 不同類型電池管理系統(tǒng)的比較

鋰離子電池廣泛用于電動(dòng)汽車，其管理系統(tǒng)注重對(duì)電壓、溫度的精確控制，以及對(duì)充電、放電過程的高效管理。鎳氫電池系統(tǒng)相對(duì)較老，需要更復(fù)雜的管理以防止過充和過放。固態(tài)電池具有更高的能量密度和安全性，其管理系統(tǒng)需要應(yīng)對(duì)新型電池的特殊性能，包括更高的溫度要求和更復(fù)雜的電化學(xué)特性。對(duì)于一些電動(dòng)汽車，超級(jí)電容器作為輔助能源儲(chǔ)存單元，其管理系統(tǒng)需要考慮超級(jí)電容器的充放電特性和與主電池的協(xié)同工作。不同類型的電池管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上有一些差異，需要根據(jù)電池類型的不同調(diào)整其參數(shù)和控制策略，以最大程度地提高電池的性能和壽命［2］。

3 電池管理系統(tǒng)常見故障及原因與影響

31 電池系統(tǒng)故障分類及可能原因

目前，故障的發(fā)生頻率如表1所示。

由表1可知，電池老化是最常見的故障模式，占據(jù)總故障的最大比例，過放和溫度異常也是需要關(guān)注的高頻故障模式，可能需要進(jìn)一步的改進(jìn)措施。

電池單體故障可能原因是材料老化、電極腐蝕、電池短路等，會(huì)降低電池組總體容量，減少續(xù)航里程影響動(dòng)力輸出。電池組不平衡可能是充放電不均勻、電池單體故障導(dǎo)致組內(nèi)電量差異等，會(huì)降低整個(gè)電池組的效能，影響車輛的平穩(wěn)性和駕駛體驗(yàn)。充電控制故障可能是充電器故障、控制器軟硬件問題等，過充會(huì)導(dǎo)致電池性能下降、安全風(fēng)險(xiǎn)增加，過放會(huì)縮短電池壽命。放電控制故障可能原因是放電控制器故障、電池連接問題等，放電異常會(huì)導(dǎo)致電池輸出功率不穩(wěn)定，影響車輛的動(dòng)力性能。溫度控制故障可能原因是溫度傳感器故障、冷卻系統(tǒng)問題等，過熱或過冷都會(huì)導(dǎo)致電池性能下降、安全隱患增加，影響整車穩(wěn)定性。

32 故障對(duì)電動(dòng)汽車性能的影響

電池故障數(shù)量與故障率統(tǒng)計(jì)表見表2，可通過比較不同型號(hào)和年限的故障率，來識(shí)別性能較差的電池。

故障會(huì)導(dǎo)致電池輸出功率不穩(wěn)定降低電動(dòng)汽車的加速性能，電池系統(tǒng)故障會(huì)影響電池的有效容量，降低電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。充電控制故障導(dǎo)致充電效率降低延長充電時(shí)間，溫度控制故障會(huì)導(dǎo)致電池過熱增加安全隱患。電池組件之間的不平衡或其他故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電動(dòng)汽車系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，影響駕駛安全性［3］。

4 電池管理系統(tǒng)故障診斷方法

41 傳統(tǒng)診斷方法

a.手動(dòng)檢測和測量。通過使用多米特或電壓表，對(duì)電池組中的每個(gè)電池單體進(jìn)行電壓測量，以確保它們?cè)谡７秶鷥?nèi)。通過安裝電流傳感器，檢測電池組的充放電電流，以確保電流在安全范圍內(nèi)，使用溫度傳感器測量電池組的溫度，確保電池工作在適宜的溫度范圍內(nèi)，對(duì)電池組和相關(guān)連接進(jìn)行外觀檢查，查找可能的物理損傷或連接問題。該方法的優(yōu)勢(shì)是直觀、簡單，不需要復(fù)雜的設(shè)備，對(duì)一些明顯的故障如破損的電纜或電極，能夠快速發(fā)現(xiàn)。但是需要依賴人工經(jīng)驗(yàn)，可能無法發(fā)現(xiàn)隱蔽或初期故障，不適用于大規(guī)模電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

b.數(shù)據(jù)記錄與分析。使用傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄電池組的電壓、電流、溫度等參數(shù)。在故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄相關(guān)的故障數(shù)據(jù)，包括發(fā)生時(shí)間、電池狀態(tài)、充放電過程等信息，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋找異常模式或故障特征，基于歷史數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行故障預(yù)測，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題。該方法能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電池系統(tǒng)的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，可以對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理，提高故障檢測的準(zhǔn)確性。但是需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，對(duì)于某些突發(fā)性故障可能無法提前預(yù)測。

42 先進(jìn)診斷技術(shù)

421 智能診斷系統(tǒng)

智能診斷系統(tǒng)利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測電池組各項(xiàng)參數(shù)，通過預(yù)設(shè)的算法和規(guī)則進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，以檢測潛在的故障或異常情況。通過安裝在電池組中的各種傳感器包括電壓、電流、溫度等，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集電池系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。采集到的數(shù)據(jù)會(huì)被傳輸?shù)街悄茉\斷系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，預(yù)設(shè)的算法和規(guī)則是智能診斷系統(tǒng)的核心，通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，系統(tǒng)能夠檢測電池系統(tǒng)中可能存在的故障或異常情況。智能診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測電池系統(tǒng)的狀態(tài)，能夠迅速響應(yīng)任何異常變化，提高故障檢測的及時(shí)性。智能診斷系統(tǒng)在電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)中扮演著重要角色，為提高電池系統(tǒng)的可靠性和安全性提供強(qiáng)大的支持［4］。

422 機(jī)器學(xué)習(xí)在故障診斷中的應(yīng)用

機(jī)器學(xué)習(xí)算法通過分析大量歷史數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)電池系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)和可能的故障模式。

基于學(xué)習(xí)到的特征和模式，機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立預(yù)測模型用于識(shí)別未來可能發(fā)生的故障。機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠自動(dòng)進(jìn)行特征提取，識(shí)別數(shù)據(jù)中與故障相關(guān)的特征，學(xué)習(xí)到的模型能夠?qū)Σ煌愋偷墓收线M(jìn)行分類，使系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別當(dāng)前發(fā)生的故障。機(jī)器學(xué)習(xí)模型具有在線學(xué)習(xí)的能力，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷更新自身適應(yīng)電池系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化，系統(tǒng)能夠自動(dòng)優(yōu)化模型，確保診斷模型能夠適應(yīng)不同車型和電池組的特性，提高準(zhǔn)確性。

機(jī)器學(xué)習(xí)能夠處理大量復(fù)雜的電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提高了對(duì)故障的靈敏度和精確性，機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠自動(dòng)調(diào)整，適應(yīng)不同條件下的電池系統(tǒng)運(yùn)行，提高了診斷的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。對(duì)于電池系統(tǒng)中復(fù)雜的非線性關(guān)系，機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠更好地捕捉和理解，提高了故障診斷的綜合性能。機(jī)器學(xué)習(xí)在電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)故障診斷中展現(xiàn)出強(qiáng)大的能力，使得系統(tǒng)能夠更智能地分析和預(yù)測故障，為提高電池系統(tǒng)的可靠性和安全性提供了先進(jìn)的技術(shù)支持。

5 電池管理系統(tǒng)高效維修策略

51 常用的維修策略

a.預(yù)防性維護(hù)。實(shí)施定期的電池系統(tǒng)健康檢查，包括電池狀態(tài)、電壓、電流和溫度的監(jiān)測，以及對(duì)連接和絕緣狀態(tài)的檢查。利用數(shù)據(jù)記錄和分析工具，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，以識(shí)別電池系統(tǒng)中潛在的問題趨勢(shì)，提前采取措施預(yù)防故障。通過提前發(fā)現(xiàn)潛在問題避免故障的發(fā)生，降低維修成本和車輛停滯時(shí)間，通過數(shù)據(jù)分析制定更科學(xué)的維護(hù)計(jì)劃，提高電池系統(tǒng)的壽命和性能。

b.快速故障定位。使用工具讀取電池管理系統(tǒng)的故障碼，提供快速的故障診斷線索，利用智能監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測電池系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。利用遠(yuǎn)程診斷技術(shù)，使專業(yè)技術(shù)人員可以通過遠(yuǎn)程方式協(xié)助故障定位提高診斷效率。

它提高了故障診斷的速度和準(zhǔn)確性，縮短了維修周期，同時(shí)可迅速采取措施，減小故障對(duì)車輛性能和安全性的影響。

c.模塊化維修。將電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)為模塊化結(jié)構(gòu)，使各個(gè)部分可以獨(dú)立工作方便故障定位和修復(fù)。針對(duì)可能出現(xiàn)故障的組件，設(shè)計(jì)成易于更換的模塊，降低更換時(shí)間和維修難度，采用標(biāo)準(zhǔn)化連接接口使得模塊之間的連接更加簡便，減少維修過程中的操作步驟。它提高了維修效率，降低了維修的復(fù)雜度和難度，也縮短了維修時(shí)間減少了車輛停滯時(shí)間，提高了車輛的可用性［5］。

52 快速故障定位

利用智能診斷系統(tǒng)和工具，通過連接到電池管理系統(tǒng)的接口，讀取系統(tǒng)生成的故障碼，故障碼提供了對(duì)電池系統(tǒng)問題的直觀線索，幫助快速鎖定故障源，其適用于常見的故障情況，如電池單體失效、充放電異常等。使用實(shí)時(shí)監(jiān)測工具，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)電池系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，它能夠捕捉瞬時(shí)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池系統(tǒng)的異常狀態(tài)，有助于故障的迅速定位，適用于需要實(shí)時(shí)監(jiān)測的情況，如電池溫度突然升高、電壓波動(dòng)等。

遠(yuǎn)程診斷是利用互聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程專業(yè)技術(shù)人員對(duì)電池系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障分析。它可以在不同地點(diǎn)進(jìn)行診斷，減少對(duì)現(xiàn)場的依賴，提高故障診斷的效率，適用于需要即時(shí)響應(yīng)和專業(yè)技術(shù)支持的情境，特別是在維修人員無法直接到達(dá)現(xiàn)場的情況下。在維修過程中，結(jié)合這些工具的使用，可以更迅速地找到故障源并采取相應(yīng)的修復(fù)措施，最大程度地減少車輛停滯時(shí)間。

53 高效維修工具和設(shè)備

使用先進(jìn)的電池測試儀，可以全面評(píng)估電池組的性能，包括電壓、容量、內(nèi)阻等，快速了解電池的健康狀況。配備電池維修工作站，提供維修人員所需的各種工具和設(shè)備，使其能夠高效地進(jìn)行維護(hù)和修理工作。提供專業(yè)充電器，用于對(duì)電池組進(jìn)行精確而安全的充電，確保電池在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。它提高了維修的專業(yè)性和準(zhǔn)確性，減少了人工操作的復(fù)雜性，提高了工作效率，通過對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行全面測試，有助于更全面地了解電池的健康狀況。

模擬測試裝置是使用功能模擬器模擬電池系統(tǒng)在不同工作條件下的性能，幫助維修人員模擬和診斷實(shí)際運(yùn)行中的故障。利用虛擬仿真軟件對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行虛擬測試，更好地理解和分析系統(tǒng)的工作原理。它提供了一個(gè)安全、控制良好的環(huán)境，使得維修人員可以在實(shí)際應(yīng)用之前進(jìn)行練習(xí)和測試，有助于快速定位和解決各種潛在問題，提高了維修的效率和準(zhǔn)確性。

替代電池是通過提供備用電池組，它具備相同規(guī)格和性能，可以在維修期間迅速替換故障電池組，減少車輛停滯時(shí)間，利用智能電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)備用電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程管理。它最小化了車輛停滯時(shí)間，提高了整體運(yùn)營效率，保障了車輛在維修過程中的可用性，確保運(yùn)輸任務(wù)的順利進(jìn)行。

54 維修人員培訓(xùn)和技能要求

提供系統(tǒng)化的培訓(xùn)課程，包括電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)、工作原理、故障診斷方法和維修技能，安排實(shí)際電池系統(tǒng)的操作演練，使維修人員能夠親自操作和熟悉實(shí)際維修流程。

確保維修人員對(duì)電池系統(tǒng)有深入的理解，能夠準(zhǔn)確診斷和解決各類故障，提高維修人員的操作熟練度，減少操作失誤的可能性。

6 結(jié)語

通過深入分析電池管理系統(tǒng)故障診斷與高效維修，不僅提高了電池系統(tǒng)的可靠性和性能，降低了維修成本，也為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了實(shí)用性解決方案。對(duì)推動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)的進(jìn)步、提升用戶體驗(yàn)以及促進(jìn)可持續(xù)交通發(fā)展起到積極作用。

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作者簡介：

王聰聰，女，1995年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娨夯旌蟿?dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車。