電池管理系統循環復位和無響應故障機理及解決措施

高恒 王力 杜瑞 張鵬 嚴瓊

（1.武漢理工大學，現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070；2.上汽通用汽車有限公司武漢分公司，武漢 430000）

1 前言

發展新能源汽車是汽車行業降低碳排放的主要路徑，其中傳統燃油車增加48 V 輕混系統可以顯著降低燃油消耗量[1-3]。

傳統燃油車起動時，12 V 蓄電池為起動機供電，進而帶動發動機工作。在整車運行過程中，發動機通過帶動起動機做功，實現對12 V 蓄電池的充電，并為12 V 車載低壓負載供電。但整車長期未起動時，由于12 V 蓄電池的自身特性及整車休眠狀態下喚醒車輛各模塊工作的能量消耗，蓄電池的電壓會逐漸降低。

對于P0 架構的48 V 混合動力車型，在整車起動時，12 V 蓄電池提供電壓用于閉合48 V 動力電池繼電器，再由48 V動力電池驅動48 V電機帶動發動機起動，為整車提供動力。因此12 V 蓄電池電壓不足狀態對48 V 系統和整車工作狀態的影響與48 V動力電池的電池管理系統（Battery Management System，BMS）控制邏輯和低壓工作特性密切相關。

本文通過試驗研究12 V 蓄電池低電壓工況下BMS 的工作狀態，針對BMS 出現的無響應問題提出解決方案，并通過試驗驗證其可行性。

2 48 V混合動力系統的工作特性

P0架構的混合動力系統與傳統車的不同之處是其增加了48 V 動力電池、DC/DC 電源變換器模塊和電動機-發電機單元（Motor-Generator-Unit，MGU）。混合動力系統由混合動力控制單元（Hybrid Control Unit，HCU）控制，通過輕混系統可以實現車輛的智能起停、能量回收和扭矩補充等功能，也可以搭載更多電氣設備，為整車提供更多電氣化功能[4]。

本文的研究對象為上汽通用某48 V 混合動力車型，該車型48 V 混合動力系統結構如圖1 所示。12 V蓄電池為整車低壓負載和BMS供電。48 V總線連接48 V動力電池、DC/DC電源變換器和MGU，48 V動力電池可以通過48 V 總線輸出電流至MGU 提供輔助動力。當動力電池電壓低時，可以通過MGU回收制動能量和發動機多余能量進行充電。在48 V混合動力系統工作時，48 V 動力電池的部分電流通過DC/DC電源變換器轉換為12 V直流電流。當12 V蓄電池電量較高時，由12 V 蓄電池和DC/DC 電源變換器共同對整車模塊和BMS供電；當12 V蓄電池電量較低時，DC/DC 電源變換器在為整車模塊和BMS 供電的同時為12 V 蓄電池充電。HCU 監控12 V 蓄電池的狀態，控制DC/DC電源變換器和BMS，保證整車模塊和48 V混合動力系統正常工作。

圖1 48 V混合動力系統結構

48 V混合動力系統BMS外部控制邏輯如圖2所示。HCU 通過低壓接口連接動力電池BMS模塊，當整車狀態為附屬配件電源接通（ACC）/起動（Crank）時，HCU 進行狀態檢查，控制DC/DC 電源變換器進行預充，當48 V 總線電壓達到動力電池電壓的90%時，HCU 發送繼電器閉合（Relay Close）信號至BMS，BMS 控制動力電池繼電器閉合，48 V 總線上電開始工作。HCU 根據系統工作需要控制MGU 的開關及輸出功率。

圖2 48 V混合動力系統BMS結構

BMS 除控制和監控繼電器狀態外，還會對電芯和模組電壓、電流、溫度和12 V 電源電壓進行監控，通過CAN 總線與HCU 通信。在整車熄火休眠時，HCU 向BMS 發送繼電器斷開（Relay Open）信號，BMS 控制繼電器斷開后停止工作，HCU 按一定頻次喚醒BMS 進行動力電池狀態檢查并保存狀態數據。在整車休眠期間喚醒BMS 檢查過程中，如果發現模組內電芯電壓差值過大，則需要進行自均衡，保證電芯電壓的一致性。

在48 V 混合動力系統工作時，HCU 根據控制策略控制48 V動力電池荷電狀態（State Of Charge，SOC）不低于30%，保證48 V動力電池在長時間停放條件下不會由于采樣芯片能量消耗和電芯自放電導致電壓不足。較高的SOC 下限也可以避免過度放電，保證48 V動力電池具有較好的容量保持率和壽命[5]。

3 蓄電池電量對48 V 混合動力系統工作狀態的影響

3.1 蓄電池工作原理及充放電特性

車用12 V 蓄電池一般為鉛酸蓄電池，結構如圖3 所示，由正極板、負極板、隔板、電解液、槽殼、連接線和正負極接線端子等組成。

圖3 12 V蓄電池結構

在車輛使用過程中，根據車載用電器的需求，12 V 電池可能頻繁充放電，如果充放電控制策略不能有效保護電池，12 V 蓄電池可能產生電壓不足、容量降低等故障。尤其是長期停放時，12 V 蓄電池電壓不足會導致整車無法起動[6]。

3.2 蓄電池電量與動力系統工作的關系

12 V 鉛酸蓄電池的正常工作電壓一般為10.5～12.5 V，整車設置相應的低壓閾值，在電池電壓過低時提醒駕駛員12 V 蓄電池狀態不正常，整車進入弱電模式。弱電模式下整車各模塊用電受到限制，且48 V 混合動力系統由于繼電器無法閉合而停止工作，BMS 模塊會繼續監控動力電池狀態。當車輛長期停放或者12 V 蓄電池老化導致電壓進一步降低時，BMS 等低壓模塊仍會被HCU 喚醒繼續工作，直到電壓低于模塊最低工作電壓。

在12 V蓄電池電壓處于10.5～12.5 V范圍內時，整車各模塊正常工作，車輛可以正常起動，48 V 混合動力系統正常工作。在12 V 蓄電池電壓低于10.5 V時，48 V混合動力系統可能出現2種狀態：

a. 當12 V 蓄電池電壓滿足BMS 等模塊正常工作但不滿足繼電器閉合條件時，BMS 可以正常監控動力電池狀態，如電壓、溫度等，但48 V 混合動力系統無法正常工作。

b. 當12 V 蓄電池進一步放電導致電壓嚴重不足時，12 V 蓄電池供電電壓低于BMS 內微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）芯片工作電壓，MCU 芯片工作狀態異常，BMS故障。

為了研究12 V 蓄電池電壓對48 V 混合動力系統工作狀態的影響，本文進行臺架試驗研究。使用可編程電源替換12 V蓄電池，設置電源電壓從12.5 V起每小時降低0.5 V，直到降低至6.0 V，其間車輛處于ACC 模式。由于DC/DC 電源變換器和MGU 控制器工作電壓為5 V，由HCU 供電，該試驗僅需觀察HCU和BMS狀態。

試驗結果如表1 所示：當12 V 電源電壓處于[10.5,12.5]V 范圍內時，系統正常工作，可以讀取到BMS 反饋的電池電壓等信號；當12 V 電源電壓處于[6.0,10.5)V范圍內時，繼電器工作異常，無法正常閉合，BMS 上報繼電器狀態異常故障碼；當12 V 電源電壓低于6.0 V 時，BMS 無響應，HCU 上報該故障，請求點亮故障燈。

表1 12 V電源電壓與BMS工作狀態的關系

試驗中繼電器無法閉合的原因可能是線圈供電電壓不足，導致動觸點無法有效吸合。BMS 無響應的原因可能是12 V 電源電壓過低導致MCU 無法正常工作。

試驗后拆除可編程電源，重新安裝正常12 V 蓄電池并檢查車輛狀態。車輛進入ACC 模式后發現BMS 依然無響應，車輛發動機故障燈點亮。為確認問題，將48 V 動力電池從整車拆下，研究其故障原因。

由48 V 動力電池系統結構可知，12 V 蓄電池只為BMS 供電，且48 V 動力電池與HCU 的通信由BMS 負責，初步判斷為BMS 故障。更換故障電池BMS 控制器后其通信恢復正常，電芯電壓和模組電壓正常，故鎖定故障發生在BMS 內部。BMS 內部主要芯片為MCU 芯片和采樣芯片，其中采樣芯片由模組直接供電，與MCU 芯片的通信方式采用串行外圍設備接口（Serial Peripheral interface，SPI），其工作不受12 V 電源電壓影響。MCU 芯片的供電由BMS 將12 V電壓轉換為5 V的芯片工作電壓。故BMS無響應很可能是12 V電源電壓過低，MCU芯片供電電壓不足使芯片工作異常所致。根據相關研究，MCU 芯片出現的異常經常為程序跑飛、隨機存儲器（Random Access Memory，RAM）寫入錯誤等失效模式，會導致應用系統卡頓、無法復位等問題[7]。

3.3 降低BMS供電電壓試驗

為了確定BMS 無法恢復正常的具體原因，設計臺架試驗模擬12 V 供電電壓降低工況，進一步研究BMS的MCU芯片具體失效原因。

該BMS 的MCU 芯片為汽車行業應用較為廣泛的NXP S12ZVC 系列MCU 芯片，芯片的工作電壓為3.5～18.0 V。該芯片工作電壓范圍寬、集成度高、接口多、可拓展性強，成為很多動力電池BMS 硬件的低成本解決方案。

48 V 動力電池BMS 試驗臺架搭建如圖4 所示，由上位機、可編程電源和48 V 動力電池組成，由可編程電源模擬12 V 電源供電，電源設置為在2 000 s內電壓在6.0 V、3.5 V、6.0 V 間線性變化，電源編程曲線如圖5 所示，正常情況下HCU 每隔4 h 喚醒BMS 工作一次，BMS 每次被喚醒后工作30 s 左右。為了加快試驗進度，設置上位機每分鐘喚醒BMS 工作一次，30 min后試驗結束，檢查BMS狀態。

圖4 試驗臺架

圖5 電源電壓隨時間變化曲線

3.4 降低BMS供電電壓試驗結果分析

試驗后對BMS進行狀態檢查發現BMS無響應，更換電路板后BMS 通信恢復。對故障電路板進行檢查，使用萬用表檢查CAN 通信線路通斷和線路終端電阻，確認CAN 通信線路和電壓正常。通過40倍顯微鏡和X 光探測觀察MCU 芯片焊點，均無異常。連接示波器對MCU 芯片進行晶振測試，故障BMS 的MCU 芯片晶振周期為4.040 ms，頻率為247.5 Hz，正常MCU 芯片晶振頻率為4 MHz，故障BMS 的MCU 芯片晶振頻率嚴重異常，MCU 芯片發生故障可能是導致BMS無響應的原因。

通過專用工具讀取MCU 芯片內數據，如圖6 所示，發現在地址0x100084 開始出現“X”，“X”代表編程器或調試器無法判斷讀出的內容是“0”或“1”。結合試驗分析該問題出現的原因為BMS 被喚醒對電池狀態進行檢查，在擦寫數據時發生供電電壓低或者不穩定情況，影響了電擦除可編程只讀存儲器（Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）的擦寫操作，在EEPROM 中存儲了無法識別的錯誤值，EEPROM 出現糾錯塊（ECC Block）錯誤[8]。

圖6 EEPROM內故障值

12 V電源維護后MCU芯片被重新喚醒，在啟動過程中讀到該段故障代碼時根據芯片底層邏輯會立即復位重啟。但是故障代碼無法自行清除，該EEPROM 中故障依然存在，MCU 會陷入重復啟動的循環過程，由于復位循環時間過短，其應用層無法啟動，因此HCU 上報BMS 無響應故障并點亮故障燈。

4 問題解決及驗證

試驗及分析結果確認了BMS 工作電壓低于6 V時會導致MCU 芯片供電電壓不足產生故障，且MCU 芯片無法自行清除故障。由于MCU 應用層無法啟動，也就無法通過正常的車載診斷系統（On-Board Diagnosis，OBD）接口對其進行軟件刷新修正故障。如果用戶由于車輛長期停放或者12 V 電源故障引起該問題后無法通過售后服務解決，只能更換48 V動力電池。

4.1 確認解決方案

該無響應故障產生的直接原因是MCU 芯片底層邏輯要求其讀到故障碼后立即重啟，MCU 芯片無法自行清除故障值。因此最直接的解決方案應該是將MCU 芯片的底層邏輯修正為識別到該故障值后清除代碼再重新啟動，該方案驗證周期較長，無法快速解決當前產品故障。

通過研究BMS 控制邏輯和軟件程序，發現可以通過修改BMS 的控制邏輯避免MCU 存儲故障值。具體方案為：當BMS 被喚醒后，如果監測到12 V 電源電壓低于6 V，則BMS 本次工作不在MCU 中保存任何數據，避免在低電壓條件下MCU 對EEPROM的擦寫操作，從而避免電壓嚴重不足產生故障值后MCU芯片無法正常啟動的問題。

4.2 驗證方案有效性

對BMS 的控制邏輯進行優化后，將新軟件刷寫至MCU，按照3.3 節搭建的試驗臺架，設置同樣的12 V 電源低電壓供電試驗。設置完成后，使用試驗臺架進行驗證。

試驗過程中BMS 的電壓信號正常，試驗后BMS通信正常，使用示波器對MCU 芯片進行晶振頻率檢測，確認其晶振頻率為4 MHz，晶振頻率正常。

由于MCU 在低電壓下不保存狀態數據，在整車12 V 電源得到維護后，車輛起動時動力電池的初始SOC可能由于中間狀態數據未保存而存在誤差。但是在充放電循環后可以通過SOC 修正算法進行修正，由于該48 V 動力電池容量較小且充放電倍率大，因此其實際充放電循環較快，SOC可以得到快速修正[9-11]。

經過整車測試，更換12 V 電池后發動機故障燈不點亮，行駛約3 km 后電池可以正常進入起停狀態，確認該方案對車輛使用無影響。

5 結束語

本文基于上汽通用某48 V 混合動力車型，通過對BMS 低電壓供電的試驗研究，發現MCU 芯片在低電壓條件下工作不穩定將導致BMS 無響應故障，通過對BMS 控制邏輯的修改可以有效避免低供電電壓導致的MCU 芯片復位循環，提高了12 V 蓄電池低電壓情況下48 V混合動力系統工作的可靠性。

BMS 軟件修改后在12 V 蓄電池電壓嚴重不足的情況下不保存動力電池狀態數據，針對SOC 初始值不準確的問題，BMS 在電池重新啟動后可以對SOC 進行修正，通過算法優化可實現混合動力系統正常工作且不影響用戶體驗。