动力电池系统故障诊断与预警功能设计

1、动力电池系统故障诊断与预警功能设计5.4.1 显示报警设计显示报警内容对于动力电池系统而言，电池管理系统（BMS）监测采集处理的数据量极为 庞大，不同的数据对应着动力电池系统的不同状态，对于驾驶人而言，将 BMS 所有处理的数据都进行观测再做出判断是不现实的，因此 BMS 需要将大量复杂 的数据处理完之后，实时地提供一些数据给驾驶人用来判断下一步车辆操作是必 要的，即 BMS 的显示报警设计涉及如何甄别什么数据才是驾驶人在行车过程中 所必需的（即仪表板上需要动力电池系统什么信息）。国际仪表要求见表 5.14。 表 5.14 国际仪表要求项日仪衷显示的信息整车车速累计行程传统信号车门.刮水器、A

2、BSh安金带，安危气嗨电动汽车运行准备就绪，柬统故阳、燧车拎制器打开动力电池电压，电流、温度、荷电狀态，剰余容駁、充电般态.故障和切断电动机特速、电压，电漩*覩度*过热，超速充电充电连接*充电捕示电气安全绝缘电W幌电距离根据表 5.14 所示， BMS 所需要显示的动力电池的状态为：当前的电压值、 输出的电流值、温度状况、剩余电量、剩余容量，如果是在充电状态，表述为充 电状态，发生故障时表述为故障与切断。在动力电池系统实际的使用过程中，以 上所述几个显示报警的状态是必需的。然而，动力电池系统定义的警示内容比以 上规定的要复杂很多，以下给出通常动力电池系统的警示内容，见表 5.15。表 5.15

3、 BMS 警示内容1出1S警示内容SOC剩余曲虽的塞少总电压耒统总电汗过禹或过低单体电Hi单体电压过窩或过低单体压差单体之问电吨差异足否过大旗电电掘功力吐池系统输出的电就呈否趙过了限定值充电电疯充电也流妊否超过了限定伉动力临池果统屁停冊度过髙或过低温歪动力电池系统内戏否温龙公异过大绝缘飢値动力电池系统（或整车）绝缘酣.值是卉过低”有曲动力电他系统在设计时需嚼卓扭 粮牟冀他系统的绝缥，因此HMS丄报绝缘值时会分为功力电池系统绝缘直与幣牟系统 绝嫌值BMS自幟故障BMS收到唤懸信号后检測动比电池系统，是否存在故障或者BMS自身基否存在故障温陛测量股障足習能够匸常测里动力屯他系统温度或温度数撇足否异

4、常电流测量畝障艮仲能够止常测屍敢力屯池系统屯潢或社流数据艮香异常电压测量战障足否龍够正常测量动力电池系址电压或址压数摇足否异帘匚屯、逋怕故障BMS内部通佶.勺整车通偿或勺充电仗备的通信是否正常显示报警分类设计根据前文所述的警示内容，从绝缘阻值往下，都是 BMS 无法自动处理的故 障，需要维修。对于驾驶人而言，除了在正常的驾驶过程中，需要知道剩余的电 量（SOC）、当前的电压值、输出的电流值、温度状况、剩余容量等信息外，故 障预警并不能以单一的信号灯表示示（亮起该信号灯说明故障，不亮则说明正常） 也不能简单地以信号灯的颜色加以区分故障的严重性（有些动力电池系统简单的 几种不同颜色的信号灯代表故障

5、的程度），BMS的显示报警应当保证驾驶人可以 充分认知动力电池系统的故障程度，以及在车辆所处的当前运行情况下需要采取 的措施，具体做了以下分类设计，见表5.16。表 5.16 BMS 显示报警内容HMS显示报警内客驾驻備息SOC总电压 申库取压 单.休压去sue以咼屯止零馬息反備给骂缺人*町以保证骂蚁人对-乍辆剌余廿駛业程 有-牛了解.邀免在屯吊不足时，进冇民趾肉驾驶.小现车訥半路停车的现 笙；丽取体的压揑从某些械端的市度希虑.如杲嗝驶人处于急用车的情捉， 而单懾压望超址r谦宦值，理论上不議堆錢弼驻汽弔，但是进一步便闭动力 Hi池磊统眾大的可崑性WfeJtfii用寿命，井不会轻易产生虫全问題，

6、町囚 在应急时继续攸用披电电療 克屯电流 温度绝缘阻位EMS自检敏障 船度测址核障 电流测量故障 屯压测量故障 CAN通信故辛此部井内容在显示M警设计时应当辻鹑映人如1也 冷同于上半部仆的内容. 別过限定的电沆或温咙不仅会隔低M丿j电池采缆的使用楷命.和H.会引起生 全问题，过大的电流高的温岌仝扭坏电了元器FK造战整车某崔功能失 灵，通侍的杜障会僅那驶人炭去对车辆部分甚至所有功能的韋控，因此，此 部好血须止驾骁人较知5.4.2 电池故障报警设计1.电池故障报警预分析对于电池管理系统（BMS）而言，不仅需要准确估计电池系统状态，更为关 键的功能在于通过对故障的有效检测和处理，确保高压系统的安全。

7、制定 BMS 故障检测方案之前需要分析哪些故障需要被检测。因此首先需要对电池系统进行 预先危险性分析（PHA）,目的在于识别安全性关键部件、评价危险程度、提出 控制危险措施。表 5.17 为预警内容分类。表 5.17 预警内容分类范险源主鉴后果可行描俺电池先控电池过克电方常衰减，猊火爆炸电池电压檢测*电流检测、 诉度检测.碰憧检测业池过故电电池内塩瞎系.统包閒电池地失控电池确掩侪圧制电截压绝绿敏障高乐漏电绝绿检测线束连摟故障烏压互锁检测讎电器粘连粘连检测BMS故障硬件故嚴破件检测软件故障运行畦控2.电池故障诊断项目中国汽车行业推荐性标准 QC/T 8972011 中规定了电池故障诊断基本要求

8、项目和可扩展的故障诊断项目。可以认为标准中提及的故障内容是 BMS 进行故 障诊断的最基本要求，具体项目中需要结合实际情况进一步完善故障检测项目。 故障诊断的基本项目和可扩展项目见表 5.18 和表 5.19。表 5.18 故障诊断的基本项目Hl池隶统敞障珍新圳本项序号故障状态电池管理系统的故呼诊断项冃1电池温度大于温度设定值电池温度高2电池温度小于温度设定俏电池温度曲3单休模块）电压大于屯压设定M申体（模块）电压烏4单休（摸块屯压小于电压设定tn单体（摸块）屯压低5m体（榄块）一数性偏罡大于设宦条件叭休（榄块）一做件懾垦犬6充屯社溢f功率大于蝕大充电屯流（功率）值充电电流功率）大7放电电谎（

9、功率）大丁-酬大啟电电流（功率）值啟电电流功率）大表 5.19 故障诊断的可扩展项目故降诊斷的可扩展项口序号故障舷也池管理系统的核障诊断项口I鲍缘电阻小于设定低樂缘薄弱2soc fn大于设定值SOC髙3SOC值小丁设远值SDG1K4总电压人于设生值总电压高故障诊断的町扩展项H序号敝障状蛊电池管理系読的故障诊斷项目5总电压小于设定值总屯压低6外部通信接口电路1枚障外部通常接口故障7内部通信接口电路故障内部通倍接口故障S屯他系统内部漏差大丁温蓋设定伉屯他系统温差丸9内梆通信总线脱离内部通信网络战障10电池连接咆胆兀于设址值（或其他等效判定和T）电池连接松动电池故障检测方法从故障检测方法来看一般来说

10、可以分为物理和化学检测法、信号处理检测法、 基于模型的检测法。第一类：物理和化学检测法通过观察检测目标运行过程中的物理、化学状态 来进行故障诊断，如分析其电压、电流、温度、挥发气体等特性的变化，并与默 认阈值范围进行比较，从而进行故障判断。第二类：信号处理检测法通过检测目标运行过程中的信号状态进行故障诊断， 如信号时域、频域的变化，信号内容和时序与预设之间的差异。第三类：基于模型的检测法适用于不易观测的状态（如 SOC、SOH 等）、较 为复杂的状态（如SOS）,根据模型计算求解，从而评估故障状态。从故障检测实现手段来看，可以采用软件诊断和硬件诊断两种，并且可以同 时采用这两种方法实现设计上的

11、冗余。软件诊断有着计算能力强、易于迭代的优 点，适合于大多数的故障诊断，尤其是采用第二类和第三类检测法的故障。硬件 诊断有着可靠性强、响应快的优点，对于安全等级高的故障可以进行冗余设计（如 碰撞检测、单体电压检测等）。电池故障评估BMS 检测的故障大致可以分为三种类型。1）运行故障：主要指电池系统在运行过程中某些参数超出了阈值范围触发 的故障，如温度高故障、电流过大故障等。此类故障无须进行特殊维护即可自行 恢复。但如果轻易出现此类故障，说明系统在设计上存在一定的缺陷，或者是系 统存在潜在的其他故障。2）系统故障：主要指电池系统的元器件功能、连接可靠性等方面出现的故 障，如高压互锁故障、接触器粘

12、连故障等。此类故障需要进行维护和检修。3）外部故障：主要是指由于外部因素导致的电池系统无法正常工作的故障， 如铅酸蓄电池供电电压异常、整车故障、充电设备故障等。关于故障分级，通常BMS可分为Warning、Alarm、EPO三级，如图5.10所示。同时 BMS 可采取的应对故障的措施并不多，如报警、控制热管理系统、断 开接触器等。断开接触器是最后的防护底线，因此执行该动作务必谨慎，否则极 有可能引起次生故障。图 5.10 故障分级图Waminji抱警提示Alarm功率限制駛件EPO切断接触器Waminji抱警提示Alarm功率限制駛件EPO切断接触器War ning：轻微故障，该级别故障下允许

13、车辆运行，报警提示。Alarm:严重故障，当出现该级别故障时不允许车辆起动，BMS不进行上电 操作。若车辆已经在运行中， BMS 不强行切断接触器，但需要进行必要的功率 限制。EP0：紧急故障，当出现该级别故障时BMS无论在任何模式下都需要切断接 触器。同时上面提到故障诊断的实现手段可以分为软件诊断和硬件诊断。因此触 发EP0切断接触器的方式也可以有两种方式。第一种是软件EP0,可以立即或是 评估当前是否有粘连风险后再断开接触器。第二种是硬件EP0,直接通过硬件电 路切断接触器供电实现保护。电池故障处理方法（1）电压类故障1）电池电压高：满电静置后，电池单串或几串电压明显偏高，其他单体正 常；

14、或总电压偏高。故障原因：采集误差；从控板均衡功能差或失效；电池单体容量低， 充电时电压上升较快。处理方法：单体电压显示值较其余单体偏高，测量单体实际电压值进行比 对，若实际值较显示值低，且与其他单体电压相同，则以实际值为标准对从控板 单体电压进行校准；若测量值与显示值相符，则人工对单体电池进行放电均衡； 检查电压采样线是否断裂，虚接；更换从控板。2）电池电压低：满电静置后，电池单只或几只单体明显偏低，其他单体正 常。故障原因：采集误差；从控板均衡功能差或失效；电池单体自放电率大； 电池单体容量低，放电时电压下降较快。处理方法：单体电压显示值较其余单体偏低，测量单体实际电压值进行比 对，若实际值

15、较显示值高，且与其他单体电压相同，则以实际值为标准对从控板 单体电压进行校准；若测量值与显示值相符，则人工对单体电池进行充电均衡； 检查电压采样线是否断裂，虚接；更换从控板；对故障电池包进行更换。3）压差：动态压差/静态压差。充电时单体电压迅速至满电截止电压跳枪； 踩加速踏板时，单体电压比其他下降迅速；踩制动踏板时，单体电压比其他串下 降、上升迅速。故障原因：连接电池铜排紧固螺母松动；连接面有污物；电池单体自 放电率大；电池单体焊接连接铜排开焊（造成该串单体容量低）；个别电池 单体漏液。处理方法：对螺母进行紧固；清除连接面异物；对单串电池进行充/ 放电均衡；对问题电池包进行更换。4）电压跳变：

16、车辆运行或充电时，单体电压跳变。故障原因：电压采集线连接点松动；从控板故障。处理方法：对连接点进行紧固；更换从控板。（2）温度类故障1）加热故障：温度低于某一数值后，在充电时，加热不开启。2）散热故障：温度高于某一数值后，散热风扇未工作。故障原因：加热继电器、风扇继电器或主控板故障；加热器、散热器或 继电器供电电路异常。处理方法：更换继电器或主控板；进行加热器、散热器或继电器供电电 路修复。3）温度高：电池系统中某个或某几个温度点偏高，运行或充电中达到报警 阈值。故障原因：温度传感器故障；从控板故障；电连接异常局部发热； 冷却系统未开启，散热差；靠近电动机等热源；过充电。处理方法：测量温度传感

17、器电阻值与显示值进行比对，若实际值较显示值 低，且与其他温度值相同，则以实际值为标准对从控板温度值进行校准；紧固 电连接点，清除连接点异物;确保风扇开启；增加隔热材料与热源进行隔离； 暂停运营进行散热;立即停止充电；更换从控板。4）温度低：电池系统中某个或者某几个温度点偏低，运行或充电中达到报 警阈值。故障原因：温度传感器故障；从控板故障。处理方法：测量温度传感器电阻值与显示值进行比对，若实际值较显示值 高，且与其他温度值相同，则以实际值为标准对从控板温度值进行校准；更换 从控板。（3）充电故障1）非车载充电故障。故障原因：电池故障（电压、温度、绝缘等异常）；BMU故障（充电模 块或充电CAN异常）；主负继电器、充电继电器异常；CC1对地电阻、CC2 对地电压异常；PE地异常。处理方法：排除电池故障；修复/更换失效部件；截存充电 电报文，分析故障原因。2）车载充电故障。故障原因：电池故障（电压、温度、绝缘等异常）；BMU故障（充电模 块或充电CAN异常）；主负继电器、充电继电器异常；CC对地电阻、CP对 地电压异常；PE地异常。处理方法：排除电池故障；修复/更换失效部件；截存充电报文，分 析故障原因。（4）绝缘故障：绝缘阻值低故障原因：电池箱或插件进水，电池单体漏液；环境湿度大，绝缘误报。处理方法：正极对地，如果有电压或绝缘阻值小于规定值，则判定负极电 路漏