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      • 头条电池管理系统的故障自诊断系统
        2021-04-15 作者:刘文珍 金鹏  |  来源:《电气技术》  |  点击率:
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        导语电池的电流、电压及温度是判断电池是否稳定工作的重要指标,对电流、电压及温度采样的诊断,是对电池进行管理和维护的重要手段。有效管理和监控电池就成为电动汽车关键技术之一,电池管理系统(BMS)高效、安全、可靠地运行是电动汽车发展的关键,因此,对电池管理系统的故障进行在线诊断是一个必要措施。作者基于二汽东风混合动力公交车的电池管理系统,针对这三个方面,详细描述了故障成因以及判断方法。

        电动汽车的各种特性依赖于他的动力源—蓄电池,蓄电池优劣直接影响电动汽车的研究与发展。容量、比功率和峰值功率、快速充电、寿命、价格等是衡量蓄电池质量的几项指标。采用高性能、安全、环境友好且在能量密度、功率密度、循环寿命等方面都有优势的电池,在续驶里程、功率表现和电池寿命上为车辆提供了很好的保障。

        然而,尽管采用了各方面性能都较为优秀的电池,但现有的车用电池在随车使用中依然存在一系列的问题,最突出的表现就是:电池在运行过程中无法及时准确地预测与监控其状态,电池经常出现过充、过放、过热,且电池充放电特性受环境条件影响较大。这些情况不仅损害了电池本身的寿命,而且造成车辆使用者成本的增加,严重的还将造成车辆停驶、损坏甚至烧毁爆炸等极端危险的情况。

        因此,为了保护任意车辆工况下电池的安全性,同时将电池的实时参数反馈给车辆控制器,需要设计电池管理系统,保证电池正常运行、保护电池使用寿命和驾驶员安全。由于电池管理系统性能的优劣会严重影响电池安全和整车控制策略的执行,所以必须对电池管理系统进行故障诊断,以便整车控制系统根据当前的电池及其管理系统的状态优化整车控制策略,提高整车的动力性和行车安全性。

        本文针对电池管理系统可能出现的一系列故障进行剖析,对可能造成故障的原因进行分析,详细的研究了电池管理系统故障的在线诊断。

        诊断策略

        电池管理系统的在线故障诊断主要是为了确定电池管理系统自身的工作状态,因此,整个诊断过程在汽车上电过程中完成。诊断完成后,如果电池管理系统无故障,则电池管理系统通过CAN总线,向整车控制器(ECU)发送工作正常的信号,汽车可以正常行驶。如果诊断出故障,则产生故障报警并通过数码管显示对应的故障码,以便于维修人员快速的排查故障和进行维修。

        根据以往的经验和对电池管理系统本身的分析,本文设计了一套故障诊断策略。通过对故障现象的分析来确定故障类型和故障可能产生的原因。

        故障诊断表如表1所示:

        电池管理系统的故障自诊断系统

        表1 电池管理系统诊断策略

        1 BMS状态故障诊断策略

        BMS状态故障诊断首先要确定电池管理系统能够在上电后正常运行。因此,在电池管理系统内部设计一个蜂鸣器,由车载24V电源供电,默认状态为接通,并且由管理系统来控制电源的通断。上电后,若电池管理系统工作正常,则输出控制命令,断开蜂鸣器的电源,蜂鸣器不响。若电池管理系统不能正常工作,无法发出断开蜂鸣器电源的命令,则蜂鸣器长响,数码管显示“00”,表示BMS不能正常工作,需要检修。

        在后续的诊断中,如果有其它故障,则电池管理系统都会接通蜂鸣器电源,产生故障报警音,并且由数码管显示对应的故障代码。

        2 CAN通讯故障诊断策略

        CAN通讯是BMS与整车控制器(ECU)进行数据交换的唯一方式,CAN通讯的故障将导致整车控制器无法获取电池的有效数据,极大影响车辆正常运行。因此,对CAN通讯的诊断是十分重要和必要的。

        在CAN通讯故障诊断中,首先BMS向ECU发送一个固定的诊断数据包,ECU收到此诊断数据包后,将会在规定时间(如100ms)内发送一个表示通讯正常的数据包给BMS,若在诊断预设的时间(如1s)BMS未收到此表示通讯正常的数据包,BMS将会重复发送诊断数据包,若超过预设发送次数(如3次),BMS始终未收到表示通讯正常的数据包,则说明BMS与ECU通讯异常,则进行故障报警,同时数码管显示01。

        3 继电器状态故障诊断检测

        继电器状态故障诊断是要确定风扇和高压控制是否正常工作。因此,设计一个指示灯,由电池管理系统发送控制命令,控制指示灯亮或不亮。在对继电器状态进行故障诊断时,首先由电池管理系统发送控制命令,控制继电器吸合,此时指示灯亮,若指示灯不亮,说明BMS继电器状态故障,则进行故障报警,同时数码管显示02。

        4 采样故障诊断策略

        4.1 电流采样故障诊断策略

        电流是判断电池剩余容量(SOC)和充放电状态的重要技术参数。因此,对电流采样的故障诊断是十分必要的。

        在对电流采样进行故障诊断时,连续采集10次电流值,求这10个电流值的平均值。首先判断这个电流均值是否为一个固定值,且这个固定值是等于最大电流或最小电流的值,即满量程。若是,则产生此故障的原因可能是:电流传感器故障、电流传感器连接线故障、放大器零点漂移、基准源不对、AD故障。此时,进行故障报警,数码管显示11。

        若不满足上述条件,则接着判断这个电流均值是否为一个小于最大电流且大于最小电流的固定值,且超过预设的电流值误差范围。若是,则产生此故障的原因可能是:电流传感器连接线故障、放大器零点漂移、基准源不对、AD故障。此时进行故障报警,数码管显示12。

        若不满足上述条件,则继续判断10次电流值的方差是否很大。若是,说明电流零点波动很大,则产生此故障的原因是接地故障。此时,进行故障报警,数码管显示13。

        4.2 电压采样故障诊断策略

        电压是判断电池是否正常使用的重要参数,电池过充电和过放电均损坏电池的使用寿命,因此,对电压采样故障诊断也是相当重要的。

        (1)单体电压采样故障诊断

        在上述故障诊断均没有发生时,对单体电压采样进行故障诊断。首先,采集10次单体电压值,对每一路的单体电压求平均和方差。判断单体电压是否出现部分为零的情况。若是,则产生此故障的原因可能是:采样通道没有打开或者通道芯片烧坏了、采样通道连接线断开、采样通道上电阻烧坏了、I/O管脚使用错误。此时,进行故障报警,数码管显示20,表示BMS部分单体电压采样故障。

        若不是,则判断单体电压值是否全部为零。如果全部单体电压值为零,此时,判断总电压值是否为零。若是,则产生此故障的原因可能是:AD故障、隔离芯片故障、隔离前的电阻烧坏了、采样通道故障。此时,进行故障报警,数码管显示21,表示BMS全部单体电压采样故障。若不是,则产生此故障的原因是:所有采样通道故障。此时,进行故障报警,数码管显示22,表示BMS所有采样通道故障。

        若不是,则判断单体电压是否出现一路高一路低的现象。若是,则产生此故障的原因可能是:某一路采样通道漏电,则该箱电池的单体电压在原有正常电压值的基础上要加上漏电的电压值。此时,进行故障报警,数码管显示23,表示BMS单体电压出现一路高一路低的故障。

        若不是,则判断上述的方差是不是很大。若是,说明单体电压波动特别大,不稳定,则产生此故障的原因是:BMS隔离前的电阻虚焊。此时,进行故障报警,数码管显示24,表示BMS单体电压不稳定故障。

        若不是,则判断单体电压和总电压是否均超出预设的误差范围。若是,则产生此故障的原因可能是:分压电阻温漂、AD故障。此时,进行故障报警,数码管显示25,表示BMS单体电压和总电压采样均故障。

        (2)总电压采样故障诊断

        在上述故障诊断均没有发生时,对总电压进行故障诊断。判断总电压是否超出预设的误差范围。若是,则产生此故障的原因可能是:总电压的比例系数不对。此时,进行故障报警,数码管显示26,表示BMS总电压采样故障。

        若不是,则判断总电压值是否为零。若是,则产生此故障的原因可能是:总电压采样通道没有打开或者通道芯片烧坏了、采样通道连接线断开、采样通道上电阻烧坏了。此时,进行故障报警,数码管显示27,表示BMS总电压采样通道故障。

        若不是,则判断所有单体电压值之和与总电压值之差是否超过预设范围。若是,则产生此故障的原因可能是:BMS器件造成单体电压误差稍大但在预设范围内。此时,进行故障报警,数码管显示28,表示BMS单体电压采样通道器件误差大。

        4.3 温度采样故障诊断策略

        电池温度过高容易损坏电池使用寿命,严重的导致电池自燃;电池温度过低则不能正常工作,因此,温度采样是防止电池过热和过冷的重要参数,温度采样故障诊断是防止电池过热和过冷的重要技术手段,也是延长电池使用寿命和保证电池安全使用的重要技术手段。

        在上述故障诊断均没有发生时,对温度采样进行故障诊断。首先,判断全部温度值是否满量程。若是,则产生此故障的原因可能是:地线断开或者AD基准不对。此时,进行故障报警,数码管显示31,表示BMS温度采样全部故障。

        若不是,则判断采样温度值是否超出正常的工作范围,且超出预设的误差范围。若是,则产生此故障的原因可能是:温度的比例系数不对、温度传感器工作不正常,此时进行故障报警,数码管显示32,表示BMS温度采样值超出正常工作范围,且超出预设误差范围。

        若不是,则判断是否出现单路或多路温度值满量程的现象。若是,则产生此故障的原因是:连接线松脱。此时,进行故障报警,数码管显示33,表示BMS单路或多路温度采样满量程的故障。

        若不是,则判断是否出现单路或多路温度值为零的现象。若是,则产生此故障的原因是:航空头短路。此时,进行故障报警,数码管显示34,表示BMS单路或多路温度采样为零的故障。

        当上诉故障诊断完成时,如果所有故障诊断均判断为否,则说明电池管理系统没有故障。此时,BMS通过CAN向ECU发送工作正常的信号,通知车辆可以正常行驶。

        总结

        本文针对电池管理系统可能出现的一系列故障,在开机自检中进行在线诊断。基于经验及对电池管理系统的硬件分析,制定BMS诊断策略。二汽东风混合动力公交车EQ6110的电池管理系统采用本文所述诊断策略,准确及时地对电池管理系统进行故障诊断,并给出警报从而避免不必要的损失。

        调试工作都是在车体上实时进行的,通过现场经验及模拟各种故障状况,对该BMS诊断策略进行验证与完善。因此,对相关技术人员进行技术培训,便于技术人员在现场有效、快捷地对车辆电池管理系统进行故障排查,由此增强了车用电池管理系统的稳定性、安全性及经济适用性,对电池管理系统的进一步维护和开发具有很大的作用和实用意义。

        (编自《电气技术》,原文标题为“电池管理系统故障自诊断的系统研究”,作者为刘文珍、金鹏。)

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