电动汽车锂电池管理系统的故障诊断的研究

白晓军 柳坤 王海涛 王充

摘要：在现代社会，在电动汽车的内部结构中，作为电动汽车最基本也是最关键的组成部分，锂电池管理系统一直是行业重视、人们关注的一个点。同时，锂电池管理系统可以被看做是一个连接点，是连接汽车和电池之间的核心纽带。由此可见，在电动汽车中，锂电池管理系统的常规运行和正常运作是极为重要的。故此，研究和探析电动汽车锂电池管理系统的故障，及其故障的诊断被提上日程。本篇文章通过简单的介绍锂电池管理系统及其故障的产生原因，就现阶段锂电池管理系统中存在的故障和相关诊断系统展开以下探讨。

关键词：电动汽车;锂电池管理系统;故障诊断

中图分类号：U469.72;U472                          文献标识码：A                                    文章编号：1674-957X（2020）20-0115-02

0  引言

现阶段，国家提出了生态文明建设，采用立法立策的方式提倡节能环保技术，提倡绿色发展。在绿色经济的大环境下，电动汽车行业应运而生，相关产业得以长足发展，电动汽车无论是使用量，还是生产量都得到了大幅度提升。电动汽车走入了千家万户。基于此种情况，如何维持电动汽车的性能，保障电动汽车的安全成为了当下汽车行业发展和建设过程中亟需解决的问题。在此基础上，作为电动汽车中不可或缺的一部分，锂电池管理系统的维护和故障诊断就显得尤为重要;同时，在锂电池管理系统的运行下，电池电路中带有的高压对电动汽车的平稳运行和安全使用起着重要作用。可以说，平稳运行的锂电池管理系统直接决定了电动汽车的安全性能和稳定性能。当电动汽车出现问题时，轻则可以导致管理系统失灵，汽车行驶出现小问题、小故障，重则可能引发安全事故，造成人身伤亡和财产损失。

1  鋰电池管理系统的基本概述

前文已经提到，在电动汽车的内部组成结构中，锂电池管理系统起到的作用是极大的，该系统有时候也被称作电池管家，主管电池的运行情况和使用情况。其应用的原因可以从以下两个方面展开，即：因为锂离子活性太高，不加以限制容易起火甚至爆炸。另一个原因是为了电池的实用寿命的，即：禁止电池过度放电、电池过度充电、高温断电时防止起火、低温断电时为了防止电池使用寿命出现不可逆性的损伤等等。作为连接汽车动力系统和汽车运行系统的纽带，锂电池管理系统起到的作用主要分成以下几点：第一，系统可以评估预算电池的基本状态，并分析其状态做出提前预警。第二，系统可以诊断电动汽车的内部电压情况和电压系统，是实现平稳运行电动汽车的先决条件。第三，系统能够贯穿电动汽车的整个行驶过程，并采用循环放电的方式保障内部电力的供应。第四，系统能够有效地控制锂电池的充放电过程，并采用及时阻断、平均电量的方式避免外部电池出现过充、内部电池出现负充等现象，进而最根本上避免了锂电池的过度使用和过度开发，以此来增加锂电池的使用时间和使用寿命。

除此之外，高压电气系统是电动汽车的重要组成部分，其功能主要包括以下三个方面：一是保证整车动力和电能的传输;二是可以自由检测高压系统的故障;三是保证整车设备和人员的安全。目前，电动汽车对高压系统提出了更高的要求，要求高压系统具备高压自动切断功能。因此，应首先对电池的失效模式和电池系统的安全性进行详细的分析。然后，应进行检测并采取适当的解决方案。再然后，在故障分析的基础上设计诊断系统。最后，根据诊断规范开发软件和故障诊断策略。

2  电动汽车锂电池管理系统故障的研究

在电动汽车锂电池管理系统中，其系统故障一般是从三个方面展开研究的，即：电路、电池和系统。其中，电路和电池故障最为常见，系统故障最为复杂。其主要的故障分类具体体现在以下方面：

2.1 电路故障

电路故障指的是电动汽车中锂电池的充放电电路，这是一种因短路现象而出现的故障。在此类故障的影响下，锂电池极易受损，容易出现损坏的情况，甚至有时会导致电池组爆炸，进而引发电动汽车的爆炸，给使用者的人身安全和财产安全都带来了较大的隐患，产生的后果也是极为严重的。因此，在电动汽车的锂电池中，应设立与电池容量等额的熔断装置和电路熔断器，进而在出现短路的情况下，将电路及时断开，以此来防止电路故障问题的出现，从而保障电动汽车的安全性能。

2.2 电池故障

在电动汽车中，电池的作用可谓是巨大的。特别是对纯电动汽车而言，电池是相关汽车运行行驶的主要动力。因此，电池组能够正常并且安全地运行是影响汽车是否可以正常使用的决定性因素之一。锂电池系统的电池不是由单一电池组成的，其系统电池是由多个电池组成的电池组构成的。虽然这些电池在规格和材料上相同，但是无法保障不同电池的供电性能和使用参数相同。加之，在电池长时间的运行过程中，不同的电池由于不同的位置，其损耗情况也是不一样的。这就会造成电池的使用时间和使用寿命出现了不一致的现象。在时间的推移下，电池的不一致现象会不断积累，不同电池的充放电的总体时间也会产生较大的差距，进而导致电池组供应放电的时间会急剧缩减，最终导致电池故障现象的出现。因此，为了避免此类现象的发生，可以采用及时检测电池容量，定期更换电池的方式，减少充放电过程对电池造成的损害，以此来避免电池故障的出现。

2.3 电池管理系统（Battery Management System，BMS）故障

电池管理系统的功能是对电动汽车锂电池组进行监控和管理，当系统发生故障，则无法对电动汽车的电池组进行有效的监控。电池管理系统的组成部分很多，发生故障的可能性也很大。因此，有必要加强对相关系统故障的预防和处理，具体可以采用更新系统、定期维护系统的方式进行。

3  電动汽车锂电池管理系统故障诊断的要点研究

前文已经提到过，在电动汽车的内部结构中，其整体系统的高压电系统存在着较多的问题。比如说：安全性问题。这主要是因为电动汽车在运行的过程中，其产生的电流和电压都是较大的，并且远远高于安全电压的限额。一旦出现电池故障、电路故障，亦或是电池液泄露等情况，极易导致爆炸事故和安全事故的出现。同时，在爆炸中会伴随着燃烧现象，这些燃烧后的气体和物质对人体会造成不可逆的伤害，是需要格外重视和关注的。故此，为了更好地保障人们的生活安全和出现安全，需要开展相应的故障诊断措施，进而能够及时地掌握故障的动态，并采用合理的手段作出反应，以此来减少锂电池管理系统的故障情况。其故障诊断的要点具体体现在以下方面：

3.1 接触器的故障诊断

当锂电池系统出现故障时，接触器起到的作用是切断电路的作用，以此来保护电池的基本性能和电动汽车的安全性能。由此可知，接触器的故障诊断是非常重要的。一方面，接触器的正常使用是汽车正常运行的基础保障。另一方面，接触器为电动汽车锂电池延长了使用时间，具有非常积极的实用效益。

3.2 车身控制模块的故障诊断

在电动汽车中，其高压系统的控制离不开车身控制模块（Boay Control Module，BCM），BCM同样是控制系统安全的关键因素之一。故此，在实际的故障诊断过程中，一定要对称对车身控制模块进行定期检测、按时检修，尤其是高压母线与大地之间的电阻，务必要定时进行测量，以此来确保车身控制模块的正常使用。另外，还需将母线和大地之间的电阻和绝缘性能上报给控制模块局域网络（Controller Area Network，CAN），进而保障车内所有系统都能第一时间得知实际情况，并作出反应。需要注意的是，当车身控制模块检测出电阻或是绝缘状态出现问题时，可以采用细化系统，分级预警的方式来进行上报工作。

3.3 互锁电路的故障诊断

互锁电路又被称作高压互锁电路（High Voltage Inter-lock，HVIL），在互锁电路中，电池管理单元（Battery Management Unit，BMU）会采用定期管理、定时检测的方式观察互锁电路的状态和情况。一旦互锁电路出现故障，电池管理单元就会实时记录相应的故障情况，之后上报到整体控制器中，并随之将接触器断开。

4  锂电池管理系统故障诊断策略研究

4.1 故障诊断策略的开发

在策略开发的过程中，其具体主要包括三个部分：故障检测、故障数据管理和服务连接诊断。

第一，故障诊断的对象是蓄电池系统中的各个部件，在故障检测、原因分析、故障模式分析的情况下，对各部件进行故障诊断。

第二，故障数据管理是车载诊断系统的核心，也是车载诊断系统的核心内容，其主要内容是故障数据管理的诊断和处理算法。

第三，服务器连接诊断的内容包括提供根据ISO标准定义的电子控制单元，以及外部诊断设备通讯的底层驱动程序、协议。在车辆维修时，维修人员使用的外部诊断仪器，也是符合ISO标准的外部工具。它的主要功能是读取存储的故障代码，以保障维护工作的开展。

4.2 故障诊断软件的设计

车身控制模块诊断软件体系结构包括三个部分：主应用层软件、核心层软件和底层驱动软件。

应用层软件的任务是检测电池系统故障，读取电池状态数据，合理控制电池系统的关键控制变量。

核心软件层是故障诊断的中心，主要包括故障代码管理、诊断服务连接和故障代码存储三个部分。

底层驱动软件的主要内容则是读取和控制一些单片机状态。

4.3 故障诊断系统的核心

故障诊断系统的核心是故障数据管理，它具有四个功能：

第一，存储和管理蓄电池系统的故障代码;

第二，为了更方便地检查故障，需要存储和管理与故障相关的冻结帧信息;

第三，为应用程序的诊断服务提供连接功能程序和诊断仪;

第四，管理蓄电池系统故障灯及故障排除机制。

5  结束语

综上所述，对于电动汽车锂电池系统而言，其故障诊断的研究可以从故障研究和诊断系统研究入手。故此，在实际的研究过程中，要重视对相关故障的产生原因进行分析，并根据相关的原因提出有建设性和突破性的措施与建议。同时，要重视对诊断工作要点的探析，并在结合要点、立足实际的基础上，研究故障诊断的具体措施。通过上述措施和方法，为行业的发展和建设铺筑道路，为国家经济体系的优化和完善提供必要的基础依据。

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