动力电池系统故障诊断与预警功能设计
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
1.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
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 BMS警示内容
2.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的信号灯代表故障的程度），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
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。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
2.电池故障诊断项目
中国汽车行业推荐性标准QC/T 897—2011中规定了电池故障诊断基本要求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
表5.19 故障诊断的可扩展项目
3.电池故障检测方法
从故障检测方法来看一般来说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）。
4.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。
预警级别颜
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
Warning：轻微故障，该级别故障下允许车辆运行，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。
EPO：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EPO切断接触器的方式也可以有两种方式。第一种是软件EPO，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EPO，直接通过硬件电路切断接触器供电实现保护。
5.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；或总电压偏高。
故障原因：①采集误差；②从控板均衡功能差或失效；③电池单体容量低，充电时电压上升较快。
处理方法：①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；②检查电压采样线是否断裂，虚接；③
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：①采集误差；②从控板均衡功能差或失效；③电池单体自放电率大；④电池单体容量低，放电时电压下降较快。
处理方法：①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；②检查电压采样线是否断裂，虚接；③更换从控板；④对故障电池包进行更换。

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