北汽EU260 電池管理系統故障診斷分析

史成君

陜西國防工業職業技術學院 陜西省西安市 710300

1 前言

近年來，綠色環保的概念深入人心，所以新能源汽車已經成為了年輕人重視環保的一個非常好的選擇。新能源汽車的主要組成部件和傳統燃油車區別很大，傳統車的主要部件為發動機、汽車底盤、變速箱、車身。而電動汽車則主要由動力電池、驅動電機、電子控制模塊等組成。這其中電池管理系統的意義就非常重要了，它是電池控制的心臟。

隨著市場上新能源汽車保有量越來越高，人們也就越發重視安全問題，由于電動汽車使用動力電池模組，電池如果不能安全正常的工作，可能會產生漏液、起火等不良現象。如何做好電池管理已經成為了全世界研究新能源汽車安全防護領域的一個重要課題。然而當前世界各國對于動力電池相關技術的研究進度差距較大，我國以比亞迪和寧德時代為主的廠家對于電池技術有很多核心技術，美國以特斯拉為首的電動汽車企業也有自家核心的動力電池生產和管理技術，消費者必須對產品有足夠的信心才能心甘情愿購買，否則汽車產業將會止步不前。

在這樣的背景下，發展動力電池系統故障診斷技術大有可為，動力電池系統故障診斷技術在未來將會更進一步與前沿科學融合。當前數據采集、圖像處理、人工智能等技術的發展能夠有效促進電動汽車診斷理論多元化、智能化、精準化。

2 北汽EU260 電池系統的結構組成

2.1 動力電池模組

動力電池一直以來都是制約電動汽車發展的關鍵因素，其性能提升和充放電控制策略是各國爭相研究的主要課題，是直接關系到整車性能好壞和消費者認可與否的關鍵一環，當前大家普遍擔心續航里程不足的問題，這就必須得依靠動力電池技術的發展而解決。

而動力電池的發展一方面要靠電池材料技術的突破，這一方面現在也是研究重點，很多新材料都被嘗試做成電池，目前市面上比較成熟的還是鋰電池，各種復合材料的鋰電池構成了動力電池的主力軍。除此之外，研究電池管理策略也非常必要，同樣的電池模組，在不同的控制策略之下可能會對續航里程有截然不同的影響，所以，動力電池管理系統就應運而生。（圖1）

圖1 動力電池模組

2.2 電池管理系統

BMS 是電動汽車非常重要的一個系統，它主要是用來確保駕駛員的操作指令能夠通過整車VCU 傳給電池組，從而使得電池的放電策略能夠符合電動汽車的行駛狀態。比如在需要急加速的時候，駕駛員深踩加速踏板之后，BMS 需要控制電池模組提高放電速率加大電量供應，確保電動機短時間內迅速提高轉速，以完成加速超車的行為動作；反之，如果駕駛員踩下剎車，則要進行制動能量回收，此時電動機起到一個發電機的效果，反向給電池模組充電。

BMS 的功能主要有以下幾個方面：

①電池監控：監控電池的各種狀態包括，電壓，電流，溫度等

②電池保護：根據數據來對電池提供必要的保護，讓電池工作在一個安全的環境中。

③電池狀態估計

④電池性能最大化。BMS 要通過對所有的數據分析，來指定不同的均衡策略，最終的目的就是確保各個單體電池在充電的時候盡量都充滿，放電的時候盡量都放完。

⑤對用戶或外部設備進行反饋。

BMS 按其組成性質可分為硬件和軟件，其中硬件主要包括高壓盒、主板、傳感器和電線；軟件主要功能包括檢測電池各項主要指標、與MCU 和充電機進行通訊，控制電池充放電過程。

2.3 動力電池輔助元器件

2.3.1 預充繼電器與電阻

為了實現精準控制和確保電路不出現故障，需要引入預充電路，使用一個預充繼電器來進行預充回路的控制，可以有效起到限流的效果（圖2）。

圖2 預充繼電器與電阻

2.3.2 電流傳感器與保險

電流傳感器主要用來測量母線的充、放電電流大小,并能夠檢測充、放電電流的高低。保險的主要作用是防止過流。

2.4 動力電池箱

電動汽車動力電池箱主要包括上蓋和底座兩部分，兩者之間用螺釘連接形成一個整體。

3 BMS 的原理

3.1 動力電池管理系統的工作原理

純電動汽車根據BMS 中控制器之間的拓撲關系，可以分為集成式和分布式兩大類。

3.1.1 集成式BMS

集成式BMS 也稱為一體式BMS，是指將BMS 主控制器(BMU)、絕緣檢測、單體電池控制器(CMU)全部集中在一個控制器里，核心控制器直接完成數據采集、處理與控制功能。

這種架構整個通信過程集中在PCB 電路板內，模塊間通信相對簡單，在設計上可以節約成本、空間，可以顯著降低BMS 成本。其主要缺點是：①連接器和線束復雜；②控制器的通用性受到一定限制，不利于電池系統模塊化應用。

3.1.2 分布式BMS

當電池系統規模越來越大時，分布式的BMS 在應用中更為普遍分布式架構將BMS的功能劃分到了主板BMU 與多個從板CMU中。

①星形連接(圖3)

圖3 星形連接結構

②總線連接

基于總線的系統架構容易實現模塊化的設計，總線式架構的通信連接方式更為靈活，可擴展性強，極大地簡化硬件架構的設計難度，實現了模塊化，提高了系統的適用性和可移植性。其主要缺點就是成本相對較高。當前用于電池管理系統的總線普遍為CAN總線。

圖4 總線連接結構

4 北汽EU260 BMS 的控制策略

4.1 低壓控制上電策略

BMS 的控制策略對于電動汽車來說至關重要，它是控制整車上下電流程與方式的，一個好的控制策略可以讓整車表現更加符合駕駛員的期待；不好的控制策略可能會使得駕駛員的駕駛意圖不能被充分捕捉。該策略模塊的主要作用就是明確了BMS 在低壓、高壓等各種情況下上電的條件，以及第一幀報文發送和初始化的具體要求。

（1）BMS 判斷VCU 輸出的“喚醒”信號為高電位，則被喚醒開始工作；

（2）BMS 判斷整車狀態為低壓喚醒且VCU 輸出的“喚醒”信號為高電位，初始化之后進入（3）；

（3）BMS 檢測外圍輸入輸出接口；如果出現故障首先上報，完成后BMS 自檢計數器上報為1；若無故障，BMS 自檢計數器上報為0；

4.2 高壓上電流程

（1）低壓上電完成后，BMS 檢測整車狀態進行高壓診斷。高壓診斷發現有故障則進行相應的處理上報流程，如果無故障則自檢上報后進入流程（2）

（2）車輛狀態為“高壓系統預充電狀態時”，BMS 控制繼電器吸合，將預充繼電器的狀態設置為“閉合”。如果高壓系統發現故障，則按照既定原則進行上報，如果無故障則自檢上報數據為“1”。

5 電池管理系統故障及分析

5.1 內部故障

隨著電動汽車的普及，消費者對于產品的要求也越來越高，所以動力電池模組必須能夠滿足續航里程的要求。基于此目的，動力電池包里面包含了許多個單體電池，它們串聯或者并聯起來，共同構成了電池組，但是每一塊單體電池不可能保持完全一致，總會存在一些個體性差異。在車輛充電過程中，如果BMS 對于電池實時狀態比如SOC 的估計不準確，或者說電池充電系統發生故障，則會使某些單體電池發生過充。

如果沒有電池管理系統正確控制電池充放電，電池系統在老化以后會無法合理控制能量釋放，有可能導致能量大量釋放，從而引起起火。如果單一電池發生了起火，那么相鄰的其他電池單元也會被點燃從而引發嚴重的熱失控，最終導致動力電池模塊起火爆炸，會進一步危害整車的安全。

5.2 外部故障

BMS 必須要有非常精準的溫度電壓電流數據的采集才可以要實現電壓均衡、過流和欠壓/過壓保護及SOC 估計等功能。而實現這些功能需要一系列相關的傳感器。如果傳感器發生故障，其后果可能非常嚴重。

6 案例分析——北汽EU260 快充樁與車輛無法通訊

1.首先確保車輛本身狀態正常，其次確保充電系統與北汽EU260 車輛匹配。

2.目測檢查車輛快充接口各連接端子有無明顯的物理損壞，如圖5。

圖5 車輛快充接口及各連接端子

3.檢查快充槍，看是否存在明顯的物理傷痕，包括端子處有短路燒蝕的痕跡，或者端子處有明顯的生銹現象。如果沒有以上明顯的物理損壞，并且還是在充電的時候顯示整車充電通訊故障，那么就需要用儀表對快充接口進行進一步的測量以鎖定故障原因。

圖6 車輛快充接口及各連接端子

測量快充口8 針與車身負極的阻值小于0.5Ω，如果測量8 針與接地線端子不導通則更換快充線束；如果8 針與接地阻值不符，可能是螺絲松動導致。測量4 針和7 針的電阻值是否為1000±50Ω，如果阻值與標準不符則更換快充線束。

4.檢查確保充電槍和車身快充接口之間的連接沒有問題，插接緊固，啟動充電，判斷充電喚醒信號是否正常，看儀表是否喚醒。

5.若未喚醒，則測量前機艙低壓電器盒內的充電保險絲。如果保險絲電阻正常，則應該用萬用表去測量電壓值，沒有電壓的話應當斷開充電槍；如果電阻不正常，說明保險絲損壞，則首先更換保險絲后再進行測試。

接下來進一步檢查快充線束連接端子，看是否存在接觸不良或者生銹退針等現象，若有問題則維修，沒有問題則測量快充9 針和2 針是否導通，如不導通則更換快充線束，導通則繼續測量。

6.測量3 針和搭鐵點端子的阻值應小于0.5Ω，如果測量出來的結果與正常值不同，則應檢查和更換線束。

7 結論

在當前形勢下，節能環保成為全球各國共同關心的議題，清潔能源的大力推廣是必然的，傳統燃油車未來一定會逐漸淡出人們的視野，取而代之的新能源汽車將會成為主導汽車產業的新興力量，而新能源汽車想要不斷發展，必須依賴于清潔能源動力技術的不斷突破。對于純電動汽車來說，電池就是其核心技術之一，本文以北汽EU260 新能源車型為例，系統分析了新能源汽車電池管理系統的結構原理，并對常見故障類型和診斷方式進行了詳細介紹，從多個角度對新能源汽車電池管理系統維修策略與診斷方式進行了闡述，本文對今后進行新能源汽車的電池管理系統的故障和診斷的方式和策略選取方面有一定的參考價值。