電動汽車鋰電池管理系統的故障診斷的研究

白曉軍 柳坤 王海濤 王充

摘要：在現代社會，在電動汽車的內部結構中，作為電動汽車最基本也是最關鍵的組成部分，鋰電池管理系統一直是行業重視、人們關注的一個點。同時，鋰電池管理系統可以被看做是一個連接點，是連接汽車和電池之間的核心紐帶。由此可見，在電動汽車中，鋰電池管理系統的常規運行和正常運作是極為重要的。故此，研究和探析電動汽車鋰電池管理系統的故障，及其故障的診斷被提上日程。本篇文章通過簡單的介紹鋰電池管理系統及其故障的產生原因，就現階段鋰電池管理系統中存在的故障和相關診斷系統展開以下探討。

關鍵詞：電動汽車;鋰電池管理系統;故障診斷

中圖分類號：U469.72;U472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0115-02

0? 引言

現階段，國家提出了生態文明建設，采用立法立策的方式提倡節能環保技術，提倡綠色發展。在綠色經濟的大環境下，電動汽車行業應運而生，相關產業得以長足發展，電動汽車無論是使用量，還是生產量都得到了大幅度提升。電動汽車走入了千家萬戶?；诖朔N情況，如何維持電動汽車的性能，保障電動汽車的安全成為了當下汽車行業發展和建設過程中亟需解決的問題。在此基礎上，作為電動汽車中不可或缺的一部分，鋰電池管理系統的維護和故障診斷就顯得尤為重要;同時，在鋰電池管理系統的運行下，電池電路中帶有的高壓對電動汽車的平穩運行和安全使用起著重要作用?？梢哉f，平穩運行的鋰電池管理系統直接決定了電動汽車的安全性能和穩定性能。當電動汽車出現問題時，輕則可以導致管理系統失靈，汽車行駛出現小問題、小故障，重則可能引發安全事故，造成人身傷亡和財產損失。

1? 鋰電池管理系統的基本概述

前文已經提到，在電動汽車的內部組成結構中，鋰電池管理系統起到的作用是極大的，該系統有時候也被稱作電池管家，主管電池的運行情況和使用情況。其應用的原因可以從以下兩個方面展開，即：因為鋰離子活性太高，不加以限制容易起火甚至爆炸。另一個原因是為了電池的實用壽命的，即：禁止電池過度放電、電池過度充電、高溫斷電時防止起火、低溫斷電時為了防止電池使用壽命出現不可逆性的損傷等等。作為連接汽車動力系統和汽車運行系統的紐帶，鋰電池管理系統起到的作用主要分成以下幾點：第一，系統可以評估預算電池的基本狀態，并分析其狀態做出提前預警。第二，系統可以診斷電動汽車的內部電壓情況和電壓系統，是實現平穩運行電動汽車的先決條件。第三，系統能夠貫穿電動汽車的整個行駛過程，并采用循環放電的方式保障內部電力的供應。第四，系統能夠有效地控制鋰電池的充放電過程，并采用及時阻斷、平均電量的方式避免外部電池出現過充、內部電池出現負充等現象，進而最根本上避免了鋰電池的過度使用和過度開發，以此來增加鋰電池的使用時間和使用壽命。

除此之外，高壓電氣系統是電動汽車的重要組成部分，其功能主要包括以下三個方面：一是保證整車動力和電能的傳輸;二是可以自由檢測高壓系統的故障;三是保證整車設備和人員的安全。目前，電動汽車對高壓系統提出了更高的要求，要求高壓系統具備高壓自動切斷功能。因此，應首先對電池的失效模式和電池系統的安全性進行詳細的分析。然后，應進行檢測并采取適當的解決方案。再然后，在故障分析的基礎上設計診斷系統。最后，根據診斷規范開發軟件和故障診斷策略。

2? 電動汽車鋰電池管理系統故障的研究

在電動汽車鋰電池管理系統中，其系統故障一般是從三個方面展開研究的，即：電路、電池和系統。其中，電路和電池故障最為常見，系統故障最為復雜。其主要的故障分類具體體現在以下方面：

2.1 電路故障

電路故障指的是電動汽車中鋰電池的充放電電路，這是一種因短路現象而出現的故障。在此類故障的影響下，鋰電池極易受損，容易出現損壞的情況，甚至有時會導致電池組爆炸，進而引發電動汽車的爆炸，給使用者的人身安全和財產安全都帶來了較大的隱患，產生的后果也是極為嚴重的。因此，在電動汽車的鋰電池中，應設立與電池容量等額的熔斷裝置和電路熔斷器，進而在出現短路的情況下，將電路及時斷開，以此來防止電路故障問題的出現，從而保障電動汽車的安全性能。

2.2 電池故障

在電動汽車中，電池的作用可謂是巨大的。特別是對純電動汽車而言，電池是相關汽車運行行駛的主要動力。因此，電池組能夠正常并且安全地運行是影響汽車是否可以正常使用的決定性因素之一。鋰電池系統的電池不是由單一電池組成的，其系統電池是由多個電池組成的電池組構成的。雖然這些電池在規格和材料上相同，但是無法保障不同電池的供電性能和使用參數相同。加之，在電池長時間的運行過程中，不同的電池由于不同的位置，其損耗情況也是不一樣的。這就會造成電池的使用時間和使用壽命出現了不一致的現象。在時間的推移下，電池的不一致現象會不斷積累，不同電池的充放電的總體時間也會產生較大的差距，進而導致電池組供應放電的時間會急劇縮減，最終導致電池故障現象的出現。因此，為了避免此類現象的發生，可以采用及時檢測電池容量，定期更換電池的方式，減少充放電過程對電池造成的損害，以此來避免電池故障的出現。

2.3 電池管理系統（Battery Management System，BMS）故障

電池管理系統的功能是對電動汽車鋰電池組進行監控和管理，當系統發生故障，則無法對電動汽車的電池組進行有效的監控。電池管理系統的組成部分很多，發生故障的可能性也很大。因此，有必要加強對相關系統故障的預防和處理，具體可以采用更新系統、定期維護系統的方式進行。

3? 電動汽車鋰電池管理系統故障診斷的要點研究

前文已經提到過，在電動汽車的內部結構中，其整體系統的高壓電系統存在著較多的問題。比如說：安全性問題。這主要是因為電動汽車在運行的過程中，其產生的電流和電壓都是較大的，并且遠遠高于安全電壓的限額。一旦出現電池故障、電路故障，亦或是電池液泄露等情況，極易導致爆炸事故和安全事故的出現。同時，在爆炸中會伴隨著燃燒現象，這些燃燒后的氣體和物質對人體會造成不可逆的傷害，是需要格外重視和關注的。故此，為了更好地保障人們的生活安全和出現安全，需要開展相應的故障診斷措施，進而能夠及時地掌握故障的動態，并采用合理的手段作出反應，以此來減少鋰電池管理系統的故障情況。其故障診斷的要點具體體現在以下方面：

3.1 接觸器的故障診斷

當鋰電池系統出現故障時，接觸器起到的作用是切斷電路的作用，以此來保護電池的基本性能和電動汽車的安全性能。由此可知，接觸器的故障診斷是非常重要的。一方面，接觸器的正常使用是汽車正常運行的基礎保障。另一方面，接觸器為電動汽車鋰電池延長了使用時間，具有非常積極的實用效益。

3.2 車身控制模塊的故障診斷

在電動汽車中，其高壓系統的控制離不開車身控制模塊（Boay Control Module，BCM），BCM同樣是控制系統安全的關鍵因素之一。故此，在實際的故障診斷過程中，一定要對稱對車身控制模塊進行定期檢測、按時檢修，尤其是高壓母線與大地之間的電阻，務必要定時進行測量，以此來確保車身控制模塊的正常使用。另外，還需將母線和大地之間的電阻和絕緣性能上報給控制模塊局域網絡（Controller Area Network，CAN），進而保障車內所有系統都能第一時間得知實際情況，并作出反應。需要注意的是，當車身控制模塊檢測出電阻或是絕緣狀態出現問題時，可以采用細化系統，分級預警的方式來進行上報工作。

3.3 互鎖電路的故障診斷

互鎖電路又被稱作高壓互鎖電路（High Voltage Inter-lock，HVIL），在互鎖電路中，電池管理單元（Battery Management Unit，BMU）會采用定期管理、定時檢測的方式觀察互鎖電路的狀態和情況。一旦互鎖電路出現故障，電池管理單元就會實時記錄相應的故障情況，之后上報到整體控制器中，并隨之將接觸器斷開。

4? 鋰電池管理系統故障診斷策略研究

4.1 故障診斷策略的開發

在策略開發的過程中，其具體主要包括三個部分：故障檢測、故障數據管理和服務連接診斷。

第一，故障診斷的對象是蓄電池系統中的各個部件，在故障檢測、原因分析、故障模式分析的情況下，對各部件進行故障診斷。

第二，故障數據管理是車載診斷系統的核心，也是車載診斷系統的核心內容，其主要內容是故障數據管理的診斷和處理算法。

第三，服務器連接診斷的內容包括提供根據ISO標準定義的電子控制單元，以及外部診斷設備通訊的底層驅動程序、協議。在車輛維修時，維修人員使用的外部診斷儀器，也是符合ISO標準的外部工具。它的主要功能是讀取存儲的故障代碼，以保障維護工作的開展。

4.2 故障診斷軟件的設計

車身控制模塊診斷軟件體系結構包括三個部分：主應用層軟件、核心層軟件和底層驅動軟件。

應用層軟件的任務是檢測電池系統故障，讀取電池狀態數據，合理控制電池系統的關鍵控制變量。

核心軟件層是故障診斷的中心，主要包括故障代碼管理、診斷服務連接和故障代碼存儲三個部分。

底層驅動軟件的主要內容則是讀取和控制一些單片機狀態。

4.3 故障診斷系統的核心

故障診斷系統的核心是故障數據管理，它具有四個功能：

第一，存儲和管理蓄電池系統的故障代碼;

第二，為了更方便地檢查故障，需要存儲和管理與故障相關的凍結幀信息;

第三，為應用程序的診斷服務提供連接功能程序和診斷儀;

第四，管理蓄電池系統故障燈及故障排除機制。

5? 結束語

綜上所述，對于電動汽車鋰電池系統而言，其故障診斷的研究可以從故障研究和診斷系統研究入手。故此，在實際的研究過程中，要重視對相關故障的產生原因進行分析，并根據相關的原因提出有建設性和突破性的措施與建議。同時，要重視對診斷工作要點的探析，并在結合要點、立足實際的基礎上，研究故障診斷的具體措施。通過上述措施和方法，為行業的發展和建設鋪筑道路，為國家經濟體系的優化和完善提供必要的基礎依據。

參考文獻：

[1]周炳偉，許茗宸.電動汽車電池管理系統故障診斷[J].黑龍江科學，2020，11（10）：76-77.

[2]董樂然.電動汽車電池管理系統的故障診斷[J].電工技術，2019（01）：14-17.

[3]閆云敬.電動汽車電池管理系統故障診斷思路研究[J].科學技術創新，2018（27）：144-145.

[4]汪亮.電動汽車鋰電池管理系統的故障診斷方法分析[J].汽車實用技術，2018（15）：18-19.

[5]許建忠.純電動汽車動力電池管理系統原理及故障診斷[J].汽車與駕駛維修（維修版），2017（S1）：38-44.

[6]鄒明森.淺談電動汽車鋰電池管理系統故障診斷[J].內燃機與配件，2017（10）：59-60.