1、纯电动汽车动力电池管理系统原理及故障诊断 许建忠 北京汇智慧众汽车技术研究院 电池管理系统 (BMS) , 即 Battery Management System, 是通过检测电池组中各个单体电池的状态, 综合计算后判断整个电池系统的荷电状态 SOC 和健康状态 SOH, 并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施, 从而实现对动力电池系统及各单体的充放电管理, 以保证动力电池系统安全稳定地运行。电池管理系统的基本功能可以分为检测、计算、管理和保护这四个方面。具体来看, 包括数据采集、状态监测、均衡控制、热管理、安全保护以及信息管理等功能。动力电池管理系统组成包括硬件和软件。硬
2、件方面可以分为主控模块和从控模块两大部分, 主要由数据采集单元 (采集模块) 、中央处理单元 (主控模块) 、显示单元、均衡单元检测模块 (电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测) 以及控制部件 (熔断装置和继电器) 等组成。中央处理单元由高压控制回路和主控板等组成, 数据采集单元由温度采集模块、电压采集模块等组成。一般采用 CAN 现场总线技术实现相互间的信息通讯。软件包括控制策略、实现控制策略的底层操作系统以及实现检测、运算和判断的应用程序。在动力电池管理系统中的软件设计, 功能一般包括系统初始化、自检功能、系统检测功能、电压检测、温度采集、电流检测、绝缘检测、SOC估算、CAN 通
3、讯、上下电控制, 放电均衡功能、充电管理和热管理等。动力电池管理技术指标包括:最高可测量总电压、最大可测量电流、SOC 估算误差、单体电压测量精度、电流测量精度、温度测量精度、工作温度范围、CAN 通讯、故障诊断、故障存储功能、在线监测与调试功能等。BMS 通过通讯接口与整车控制器、电机控制器、能量管理系统、车载显示系统和远程监控终端等进行通讯。譬如在北汽新能源的 EV200 车型中, 电机控制器、电池管理系统、整车控制器和车载充电器作为通讯报文收发节点, 通过 CAN 总线连接, 各节点可经过相互通讯了解其他部件工作状态, 使整车系统处于高效可靠的工作状态 (图 1) 。图 1 北汽新能源
4、EV200 控制系统网络通讯 下载原图对于电动汽车动力电池来讲, 各个整车厂商的控制策略基本相同, 但选用的控制元器件精度、性能有所不同, 特别是实现控制策略的算法、应用程序各不相同, 因此也成为各个厂家的特色和机密。各整车厂商在控制软件开发上, 会根据使用过程发现的问题不断完善, 可以通过刷程序来为车主的爱车升级。维修人员取得整车厂商的授权, 得到控制程序和密码后, 就可以通过车辆 OBD 接口对有关控制器程序重刷升级。下面就以某纯电动汽车动力电池管理系统为例, 对其管理策略以及故障检测诊断方法进行讲解。一、动力电池管理系统的任务动力电池管理系统的任务, 是保证高压供电系统绝缘安全, 防止电
5、池热失控, 实现电池对外部负载上下电控制、实现制动能量回馈;保障电池充放电过程安全、合理;实现电池信息与仪表和远程控制终端的交流通讯等。具体有如下内容。1. 电池参数检测电池参数检测包括总电压、总电流和单体电池电压的检测 (防止出现过充、过放甚至反极现象) ;温度检测 (最好每串电池、关键电缆接头等均有温度传感器) ;烟雾探测 (监测电解液泄漏) ;绝缘检测 (监测漏电) ;碰撞检测等。2. 电池状态估计电池状态估计包括荷电状态 (S O C) 或放电深度 (DOD) 、健康状态 (SOH) 、功能状态 (SOF) 、能量状态 (SOE) 以及故障及安全状态 (SOS) 等。3. 在线故障诊断
6、在线故障诊断包括故障检测、故障类型判断、故障定位和故障信息输出等。故障检测是指通过采集到的传感器信号, 采用诊断算法诊断故障类型, 并进行早期预警。电池故障是指电池组、高压电回路或热管理等各个子系统的传感器故障和执行器故障 (如接触器、风扇、泵、加热器等) , 以及网络故障、各种控制器软硬件故障等。电池组本身故障是指过压 (过充) 、欠压 (过放) 、过电流、超高温、内短路故障、接头松动、电解液泄漏和绝缘降低等。4. 电池安全控制与报警电池安全控制与报警包括热系统控制、高压电安全控制。BMS 诊断到故障后, 通过网络通知整车控制器, 并要求整车控制器进行有效处理 (超过一定阈值时BMS 也可以
7、切断主回路电源) , 以防止高温、低温、过充、过放、过流、漏电等对电池和人身的损害。5. 充电控制BMS 中具有一个充电管理模块, 它能够根据电池的特性、温度高低以及充电机的功率等级, 控制充电机给电池进行安全充电。6. 电池均衡不一致性的存在使得电池组的容量小于组中最小单体的容量。电池均衡是根据单体电池信息, 采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式, 尽可能使电池组容量接近于最小单体的容量。7. 热管理根据电池组内温度分布信息及充放电需求, 决定主动加热/散热的强度, 使得电池尽可能工作在最适合的温度, 充分发挥电池的性能。8. 网络通讯BMS 需要与整车控制器等网络节点通信。同时, BMS
8、 在车辆上拆卸不方便, 需要在不拆壳的情况下进行在线标定、监控和升级维护等, 一般的车载网络均采用CAN。9. 信息存储用于存储关键数据, 如 SOC、SOH、SOF、SOE、累积充放电 Ah 数、故障码和一致性等。1 0. 电磁兼容由于电动车使用环境恶劣, 要求 BMS 具有良好的抗电磁干扰能力, 同时要求BMS 对外辐射小。二、动力电池管理系统主要检测、管理和保护内容1. 基础电池模块电池电压检测图 2 是动力电池管理系统内部 CAN 通讯以及与外部系统 CAN 通讯关系框图。几个单个电芯并联后 (大容量电芯单个) 形成基础模块, 基础模块再串联形成便于在电池包内布置的模组。每个模组编上序
9、号, 每个模组内的基础模块也都有自己的序号, 即 n 模组 xx 号电池。各个模组内电池基础模块正负极分别引出检测线, 集中成低压检测线束, 送到电压采集从控盒对应的接插件上, 然后分别引导电芯电压检测电阻矩阵的对应电阻 (图 3) 。图 2 动力电池管理系统与外部系统 CAN 通讯关系框图 下载原图图 3 电芯电压检测接点分布 下载原图从控盒电路板上的检测电路对各个电芯巡回检查, 电压数据经隔离后送到电路板计算区域处理, 再通过内部 CAN 线送主控盒分析处理。主控盒要进一步计算整个电池包的 SOC, 以及最高电压电芯与最低电压电芯的差值是否超标, 是否达到放电截止电压或充电截止电压, 然后
10、再做后续控制处理。电池温度检测一般在电池模组上安置温度传感器检查, 温度传感器安置在模组的接线柱附近。温度传感器的测量引线分别送到从控盒的插接件对应 PIN 脚上, 由从控盒内电路测量处理, 并经内部 CAN 线送到主控盒电路上处理。温度信号对于电池的热保护, 对于高低温加热或冷却控制是十分重要的因素。电芯电压检测用电阻阵列取电芯电压值, 每个电芯的正极和负极引出检测线, 连接到电阻阵列对应的电阻前, 由控制板上的测量电路按顺序接通检测电阻。这样在检测电阻上就可以取到某个电芯的电压值。控制板上的测量电路把检测到的每个电芯的电压值进行比较、运算和判断, 判断电芯一致性是否符合要求。放电时单个电芯
11、达到放点截止电压, 停止放电;充电时单个电芯达到充电截止电压, 停止充电 (图 4) 。图 4 电芯电压检测线与检测电阻阵列 下载原图2. 动力电池母线继电器开闭状态检测与高压回路绝缘检测(1) 动力电池对外高压上下电过程控制图 5 是动力电池上下电过程原理图。动力电池对外部负载上的电指令如下。图 5 动力电池上下电过程原理图 下载原图驾驶员起动车辆, 钥匙置 ON 位, 动力电池负极继电器闭合, 全车高压系统各个控制器初始化、自检, 完成后通过 CAN 线通报。动力电池对内部电芯电压和温度检查合格、母线绝缘检测合格, 动力电池主控盒接通预充继电器 (预充继电器与预充电阻串联, 然后与正极继电
12、器并联) 。动力电池为外部负载所有电容器充电, 当充电电压与动力电池电压差值小于 5 V 时认为预充结束, 控制闭合主正继电器, 对外负载上电。主正闭合 10 ms 后, 预充继电器断开, 仪表屏幕显示“READY”, 上电结束。当起动钥匙置 OFF 位, 动力电池主控盒控制主正继电器和主负继电器断开, 全车高压下电。在高压上电后如果发生重要故障, 主控盒也会断开主正和主负继电器。(2) 动力电池高压回路关键控制点的电压检测动力电池对外高压上下电过程, 有几个重要时间节点必须检测高压回路的关键控制点。图 5 中 V1 检测的是动力电池串连后的总电压, 当维修开关 MSD 插入良好, 或者没有配
13、置维修开关, V1 可以测出总电压。也就是说, V1 电压值可以判断动力电池串联回路的电联接是否完好。V2 检测的是预充电阻之后的电压, 预充继电器闭合后高压回路接通, V2 电压随着电容器充电迅速上升。当 V2 与 V1 差值小于 5 V 时, 判定为预充电结束, 闭合主正继电器。当预充电时间超过设定时间, 系统判断并记录预充电超时故障。正极母线继电器和预充电继电器闭合时间会重叠 10 ms, 保证对外供电流畅。如果 V2 与 V1 电压相等, 预充电继电器判定已经断开, 或因故障没有按要求闭合。负极继电器闭合后, 主正继电器和预充电继电器都没有闭合, V3 电压为 0 V;当预充电继电器闭
14、合, 主正继电器断开, V3 电压等于 V2 电压;当主正继电器闭合后, V3 电压等于 V1 电压。由 V1、V2 和 V3 电压值的比较, 就可以判断各个继电器触点是否按要求正确开闭。V1、V2 和 V3 电压检测点位置设置在继电器主触点处, 通常用螺栓把检测线的线端固定在主触点座上, 检测线连接到高压检测盒。 (图 6) 是某款车高压回路绝缘检测与继电器开闭状态检测控制盒。图 6 高压回路绝缘检测与继电器开闭状态检测控制盒 下载原图(3) 高压回路绝缘状况检测高压回路绝缘状况检测点, 设置在正极母线和负极母线接触器主触点处, 动力电池金属底壳与车身搭铁良好。通过检测高圧回路正负母线对车辆
15、底盘的绝缘电阻, 来反映高压电气系统的绝缘性能。为检测绝缘电阻, 将动力电池高压电源作为检测电源, 在电源正极、负极和车辆底盘之间建立桥式阻抗网络, 如图 7a 所示。其中绝缘监测电路 A 点与电源正极相连, B 点与电源负极相连, 0 点与车辆底盘相连。U o为高压电源的输出电压, I 为绝缘检测电路内部电流。R g1、R g2分别为高压正、负极引线对底盘的绝缘电阻 (可以想象成一个实体电阻) , 其阻值根据正负母线对地 (电池包壳体对车身搭铁) 绝缘状况可能是变化的。母线对车身地绝缘良好, R g阻值无穷大;母线绝缘层损坏, R g阻值会变小。限流电阻 R 有 2 个, 阻值非常大, 有的
16、电动汽车中 R 的阻值达到 20 k。T1、T 2为电子控制开关管, 由高压盒内部控制器通过控制其导通与关断, 改变点 A 和点 B 之间的等效电阻和电源的输出电流 I。根据 Uo、I 和等效电阻之间的关系, 可以计算出 Rg1和 Rg2。相对电压 Uo而言, 开关管 T1 和 T2 的导通电压很小, 可以忽略不计。在电动汽车运行过程中, 电压 Uo随着电量变化而变化, 其数值要和电流 I 同时采集。图 7 变阻抗网络电路 下载原图当 T1导通、T 2关断时, 图 7b 桥式阻抗网络的等效形式为 Rg1与 R 并联后与 Rg2串联。这时, 电源电压为 U01, 电流为 I1。当 T2导通、T
17、1关断时, 图 7c 桥式阻抗网络的等效形式为 Rg2与 R 并联后与 Rg1串联, 这时, 电源电压为 U02、电流为 I 2。当高压电源正、负极引线对底盘绝缘性能较好, 满足 Rg110R 以及 Rg210R 时, 可以做以下近似处理。由式 (1) 式 (4) 可得如下。如果 T1和 T2同时关断时, 电流 I 大于 2 m A, 说明绝缘电阻 Rg1和 Rg2之和小于250 k, 电源的正、负极引线电缆对底盘的绝缘性能都不好, 检测系统不再单独检测 Rg1和 Rg2, 并立即发出报警信号。绝缘电阻是反映电池用电安全的重要方面, 根据人体所能承受的电压范围, 当监测到绝缘电阻小于 500/
18、V 时, 电池管理系统即对驾乘人员做出安全警告或做出切断高压继电器动作。3. 动力电池母线电流与电压检测动力电池母线电流检测一般有 2 种方法:一种是在电池高压回路串联检测电流传感器 (图 8) ;另一种是用霍尔电流传感器套在高压母线上 (图 9) 。检测的电流信号送到控制盒。母线电流用以判断是否过放或过充, 是否降功率运行, 主控盒是否采取进一步相应措施。数据还送到显示仪表、整车控制器和数据采集终端。动力母线电压信息直接在正负母线接线柱上取出, 送到高压绝缘盒内, 隔离处理后检测计算即可。图 8 串联在主回路内的电流传感器 下载原图图 9 套装在母线上的霍尔电流传感器 下载原图4. 热管理系
19、统当车辆在不同运行工况下, 电池系统由于其自身有一定的内阻, 在输出功率、电能的同时产生一定的热量, 从而产生热量累积使电池温度升高, 空间布置的不同使得各处电池温度并不一致。当电池温度超出其正常工作温度区间时, 必须限功率工作, 否则会影响电池的寿命。为了保证电池系统的电性能和寿命, 车用动力电池系统一般设计有热管理系统。锂动力电池对环境温度有一定的要求, 在 050工作较好, 低于-10充放电就困难了。特别是低温充电时要采取加热措施, 环境温度高时要采取冷却降温措施。电池热管理系统是确保电池系统工作在适宜温度范围内的一套管理系统, 主要由电池箱、传热介质、监测元器件等构成。电池热管理系统有
20、如下几项主要功能。(1) 电池温度的准确测量和监控。(2) 电池组温度过高时的有效散热和通风。(3) 低温条件下的快速加热, 使电池组能够正常工作。(4) 有害气体产生时的有效通风。(5) 保证电池组温度场的均匀分布。从动力电池包结构布局来看, 热管理系统要考虑到电池单体和电池模块 2 个层次的结构, 还要考虑电池单体和电池模块所在不同位置的不同温度场的影响。在进行电池热管理时, 一般要求考虑几个方面因素。(1) 电池满功率工作时所在的温度区间, 温度高时电池必须降功率工作的温度区间;低温环境下, 电池低温起动性能要求及电池加热功能起动。(2) 电池制热功能:电池系统需要设计在低温下能够快速升
21、温, 以达到整车大功率和能量的需求。(3) 电池制冷功能:风冷方案有风道、风扇的位置及功率的选择, 风扇的控制策略等。液冷方案要考虑冷却管道渗漏维护, 进出口冷却剂的流量、温度和压降, 以及水泵和风扇的控制策略等。5. 电池管理系统的工作模式电池管理系统有 5 种工作模式, 即下电模式、上电模式、放电模式、充电模式及故障处理模式, 具体内容如下。(1) 下电模式下电模式是整个系统的低压与高压部分处于不工作状态的模式。在下电模式下, 动力电池管理系统控制的所有高压继电器均处于断开状态。低压控制电源处于不供电的状态, 只有动力电池内部控制器的低压常供电有静态维持电流。(2) 准备模式准备模式时,
22、系统所有的接触器均处于未吸合状态。当系统接收到外界起钥动匙 ON 挡信号、整车控制器、电机控制器和充电插头开关等部件发出的硬线信号, 或受 CAN 报文控制的低压信号后, 动力电池管理系统的控制初始化、自检完成后, 电池管理系统进入下一步上电模式。(3) 上电模式当电池管理系统自检合格后, 检测到起动钥匙的高压上电信号后, 系统将首先闭合主负继电器。由于驱动电机是感性负载, 驱动电机控制器内部电路有大电容, 为防止过大的电流冲击, 负极接触器闭合后, 先闭合与正极继电器并联的预充电阻和预充接触器, 进入预充电状态。当电机控制器内电容两端电压达到母线电压的 90%时, 立即闭合主正继电器, 延迟
23、 10 ms 后, 断开预充接触器进入放电模式。(4) 充电模式当电池管理系统检测充电唤醒信号时, 系统即进入充电模式。在该模式下, 主正、主负继电器闭合;同时为保证低压控制电源持续供电, DC/DC 直流转换接触器需处于工作状态。充电模式下, 动力电池管理系统不响应起动钥匙发出的任何指令, 充电插件发出的充电唤醒信号作为充电模式的判定依据。磷酸铁锂电池低温条件下的充电特性不好, 从充电安全考虑, 在进入充电模式之前对系统进行一次温度判别。当电池温度低于 0时, 系统进入充电预热模式, 此时通过接通电池包内加热继电器向铺设在电池箱内的加热毯供电, 对电池模组预热;当电池包内的温度高于 0时,
24、系统可进入充电模式, 即闭合主正、主负接触器。(5) 故障模式故障模式是控制系统中常出现的一种状态。由于动力电池高压的使用关系到使用者和维修人员的人身安全, 因而动力电池管理系统对于各种工作模式采取“安全第一”的原则。电池管理系统对于故障的响应还需根据故障等级而定:当其故障级别较低, 系统可采取报错或发出轻微报警信号的方式告知驾驶人员;而当故障级别较高, 甚至伴随有危险时, 系统将采取断开高压接触器的控制策略。以下为行车状态下 3 类故障的处理方法 (图 10) 。图 1 0 行车状态下三类故障的处理方法 下载原图三级故障:表明动力电池性能下降, 电池管理系统降低最大允许充/放电电流。二级故障
25、:表明动力电池在此状态下功能已经丧失, 请求其他控制器停止充电或者放电;其他控制器应在一定的延时时间内响应动力电池停止充电或放电请求。一级故障:表明动力电池在此状态下功能已经丧失, 请求其他控制器立即 (1 s内) 停止充电或放电。如果其他控制器在指定时间内未作出响应, 电池管理系统将在 2 s 后主动停止充电或放电 (即断开高压继电器) 。注意, 其他控制器响应动力电池二级故障的延时时间建议少于 60 s, 否则会引发动力电池上报一级故障。充电状态下, 电量随电压的增长呈现上升趋势, 为防止电池过充, 当电池电压高于设定值时, 充电器接触器即断开。由于电荷累计效应的影响, 电池电压又会有小幅
26、度回落。电池 SOC 值随单体电压值变化的总趋势为, SOC 值随单体电压值的增加而增加, 但 SOC 值为 20%85%的电压值变化并不明显。放电状态下, 磷酸铁锂电池的单体电压值随着 SOC 的减小而降低。为防止电池的过放电, 当电池端电压低于预设值时, B+接触器即断开, 同样由于电荷累积效应, 电压随后又有小幅度回升。SOH 是用于表征电池是否可正常工作的一个重要指标, 电池健康状况将直接关系电池性能。当 SOH 状态较差时, 电池可能已经处于失效状态。电池包失效的方式包括电池单体电压波动较大和电池包蓄电容量急剧下降两种;单体电池失效常出现充电瞬间充满, 放电又瞬间放完的现象。SOH
27、与电池单体的状态关系极其密切, 单体的容量骤然下降也将导致整个电池包的储电容量急剧下降。(1) 通过车载充电机充电 (慢充模式) 车载充电机 (On-board Charger) 将输入的交流电转换成直流电输出。车载充电机需要与充电桩、BMS、VCU 进行通讯, 根据动力电池的当前状态控制车载充电机 (OBC) 对动力电池进行充电。充电电流主要跟温度和单体电压有关, 温度越低或者越高, 充电电流越小;单体电压越高, 充电电流越小。(2) 直流充电桩 (快充模式) 快充充电桩和车辆之间进行通讯, 根据动力电池的当前状态 (电池温度和单体电压) , 控制快充桩对动力电池进行充电。充电电流主要跟温度
28、和单体电压有关, 温度越低或者越高, 充电电流越小;单体电压越高, 充电电流越小。三.动力电池控制策略下面将以装配在某款纯电动汽车上的某品牌动力电池为例, 来学习整个动力电池控制策略。本策略是基于 STATE 机制的电池系统上下电控制策略, 根据外部输入信号, 由整车控制器发送工作模式。工作模式可分为 3 种:行车模式、快充模式和慢充模式。1.低压控制上电策略该控制策略模块明确 BMS 低压上电条件及第一帧报文发送、初始化要求。(1) BMS 判断 VCU 输出的“唤醒”信号为高电位, BMS 被唤醒开始工作之后进入下一步;如果 BMS 被唤醒后 VCU 输出的“唤醒”信号为低电位, BMS
29、自检计数器上报为 0 之后, 根据整车状态执行相应高压下电、低压下电流程。(2) BMS 判断整车状态为“新能源低压供电”或“新能源低压自检”, 且 VCU输出的“唤醒”信号为高电位, BMS 开始初始化之后进入下一步。(3) BMS 检测外围输入输出接口;读取 EEPROM 中存储的可用容量、SOC、故障等信息、巡检单体电池状态、巡检温度、高压诊断 1 (包括 MSD 检测;电池绝缘检测;V1、V2、V3 及总电流检测, 其中 V3 检测 EP 阶段实现) 、负极继电器粘连检测、正极及预充继电器同时粘连检测 (新增 V3 检测后实现) 动力电池高压互锁检测) 。如果出现故障, 按照故障策略处理首先上报故障到 EVBUS, 故障状态上报完成后, BMS 自检计数器上报为 1;若无故障, BMS 自检计数器上报为
