電池管理系統故障自診斷的系統研究

劉文珍 金 鵬

（北方工業大學機電工程學院，北京 100144）

電動汽車的各種特性依賴于動力源——蓄電池，蓄電池優劣直接影響電動汽車的研究與發展。容量、比功率和峰值功率、快速充電、壽命、價格等是衡量蓄電池質量的幾項指標。采用高性能、安全、環境友好且在能量密度、功率密度、循環壽命等方面都有優勢的電池，在續駛里程、功率表現和電池壽命上為車輛提供了很好的保障。然而，盡管采用了各方面性能都較為優秀的電池，但現有的車用電池在隨車使用中依然存在一系列的問題,最突出的表現就是：電池在運行過程中無法及時準確地預測與監控其狀態，電池經常出現過充、過放、過熱，且電池充放電特性受環境條件影響較大。這些情況不僅損害了電池本身的壽命，而且造成車輛使用者成本的增加，嚴重的還將造成車輛停駛、損壞甚至燒毀爆炸等極端危險的情況。

因此，為了保護任意車輛工況下電池的安全性，同時將電池的實時參數反饋給車輛控制器，需要設計電池管理系統，保證電池正常運行、保護電池使用壽命和駕駛員安全。由于電池管理系統性能的優劣會嚴重影響電池安全和整車控制策略的執行，所以必須對電池管理系統進行故障診斷，以便整車控制系統根據當前的電池及其管理系統的狀態優化整車控制策略，提高整車的動力性和行車安全性。

本文針對電池管理系統可能出現的一系列故障進行剖析，對可能造成故障的原因進行分析，詳細的研究了電池管理系統故障的在線診斷。

1 診斷策略

電池管理系統的在線故障診斷主要是為了確定電池管理系統自身的工作狀態，因此，整個診斷過程在汽車上電過程中完成。診斷完成后，如果電池管理系統無故障，電池管理系統就通過CAN 總線，向整車控制器（ECU）發送工作正常的信號，汽車可以正常行駛。如果診斷出故障，則產生故障報警并通過數碼管顯示對應的故障碼，以便于維修人員快速的排查故障和進行維修。

根據以往的經驗和對電池管理系統本身的分析，本文設計了一套故障診斷策略。通過對故障現象的分析來確定故障類型和故障可能產生的原因。

故障診斷表如表1所示。

表1 電池管理系統診斷策略

1.1 BMS 狀態故障診斷策略

BMS 狀態故障診斷首先要確定電池管理系統能夠在上電后正常運行。因此，在電池管理系統內部設計一個蜂鳴器，由車載24V 電源供電，默認狀態為接通，并且由管理系統來控制電源的通斷。上電后，若電池管理系統工作正常，則輸出控制命令，斷開蜂鳴器的電源，蜂鳴器不響。若電池管理系統不能正常工作，無法發出斷開蜂鳴器電源的命令，則蜂鳴器長響，數碼管顯示“00”，表示BMS 不能正常工作，需要檢修。

在后續的診斷中，如果有其他故障，電池管理系統就會接通蜂鳴器電源，產生故障報警音，并且由數碼管顯示對應的故障代碼。

1.2 CAN 通信故障診斷策略

CAN 通信是BMS 與整車控制器（ECU）進行數據交換的惟一方式，CAN 通信的故障將導致整車控制器無法獲取電池的有效數據，極大影響車輛正常運行。因此，對CAN 通信的診斷是十分重要和必要的。

在CAN 通信故障診斷中，首先BMS 向ECU發送一個固定的診斷數據包，ECU 收到此診斷數據包后，將會在規定時間（如100ms）內發送一個表示通信正常的數據包給BMS，若在診斷預設的時間（如1s）BMS 未收到此表示通信正常的數據包，BMS 將會重復發送診斷數據包；若超過預設發送次數（如3 次），BMS 始終未收到表示通信正常的數據包，則說明BMS 與ECU 通信異常，進行故障報警，同時數碼管顯示01。

1.3 繼電器狀態故障診斷檢測

繼電器狀態故障診斷是要確定風扇和高壓控制是否正常工作。因此，設計一個指示燈，由電池管理系統發送控制命令，控制指示燈亮或不亮。在對繼電器狀態進行故障診斷時，首先由電池管理系統發送控制命令，控制繼電器吸合，此時指示燈亮，若指示燈不亮，說明BMS 繼電器狀態故障，則進行故障報警，同時數碼管顯示02。

1.4 采樣故障診斷策略

1）電流采樣故障診斷策略

電流是判斷電池剩余容量（SOC）和充放電狀態的重要技術參數。因此，對電流采樣的故障診斷是十分必要的。

在對電流采樣進行故障診斷時，連續采集10 次電流值，求這10 個電流值的平均值。首先判斷這個電流均值是否為一個固定值，且這個固定值是等于最大電流或最小電流的值，即滿量程。若是，則產生此故障的原因可能是：電流傳感器故障、電流傳感器連接線故障、放大器零點漂移、基準源不對、AD 故障。此時，進行故障報警，數碼管顯示11。

若不滿足上述條件，則接著判斷這個電流均值是否為一個小于最大電流且大于最小電流的固定值，且超過預設的電流值誤差范圍。若是，則產生此故障的原因可能是：電流傳感器連接線故障、放大器零點漂移、基準源不對、AD 故障。此時進行故障報警，數碼管顯示12。

若不滿足上述條件，則繼續判斷10 次電流值的方差是否很大。若是，說明電流零點波動很大，則產生此故障的原因是接地故障。此時，進行故障報警，數碼管顯示13。

2）電壓采樣故障診斷策略

電壓是判斷電池是否正常使用的重要參數，電池過充電和過放電均損壞電池的使用壽命，因此，對電壓采樣故障診斷也是相當重要的。

（1）單體電壓采樣故障診斷

在上述故障診斷均沒有發生時，對單體電壓采樣進行故障診斷。首先，采集10 次單體電壓值，對每一路的單體電壓求平均和方差。判斷單體電壓是否出現部分為零的情況。若是，則產生此故障的原因可能是：采樣通道沒有打開或者通道芯片燒壞了、采樣通道連接線斷開、采樣通道上電阻燒壞了、Ι/O引腳使用錯誤。此時，進行故障報警，數碼管顯示20，表示BMS 部分單體電壓采樣故障。

若不是，則判斷單體電壓值是否全部為零。如果全部單體電壓值為零，此時，判斷總電壓值是否為零。若是，則產生此故障的原因可能是：AD 故障、隔離芯片故障、隔離前的電阻燒壞了、采樣通道故障。此時，進行故障報警，數碼管顯示21，表示BMS 全部單體電壓采樣故障。若不是，則產生此故障的原因是：所有采樣通道故障。此時，進行故障報警，數碼管顯示22，表示BMS 所有采樣通道故障。

若不是，則判斷單體電壓是否出現一路高一路低的現象。若是，則產生此故障的原因可能是：某一路采樣通道漏電，則該箱電池的單體電壓在原有正常電壓值的基礎上要加上漏電的電壓值。此時，進行故障報警，數碼管顯示23，表示BMS 單體電壓出現一路高一路低的故障。

若不是，則判斷上述的方差是不是很大。若是，說明單體電壓波動特別大，不穩定，則產生此故障的原因是：BMS 隔離前的電阻虛焊。此時，進行故障報警，數碼管顯示24，表示BMS 單體電壓不穩定故障。

若不是，則判斷單體電壓和總電壓是否均超出預設的誤差范圍。若是，則產生此故障的原因可能是：分壓電阻溫漂、AD 故障。此時，進行故障報警，數碼管顯示25，表示BMS 單體電壓和總電壓采樣均故障。

（2）總電壓采樣故障診斷

在上述故障診斷均沒有發生時，對總電壓進行故障診斷。判斷總電壓是否超出預設的誤差范圍。若是，則產生此故障的原因可能是：總電壓的比例系數不對。此時，進行故障報警，數碼管顯示26，表示BMS 總電壓采樣故障。

若不是，則判斷總電壓值是否為零。若是，則產生此故障的原因可能是：總電壓采樣通道沒有打開或者通道芯片燒壞了、采樣通道連接線斷開、采樣通道上電阻燒壞了。此時，進行故障報警，數碼管顯示27，表示BMS 總電壓采樣通道故障。

若不是，則判斷所有單體電壓值之和與總電壓值之差是否超過預設范圍。若是，則產生此故障的原因可能是：BMS 器件造成單體電壓誤差稍大但在預設范圍內。此時，進行故障報警，數碼管顯示28，表示BMS 單體電壓采樣通道器件誤差大。

3）溫度采樣故障診斷策略

電池溫度過高容易損壞電池使用壽命，嚴重的導致電池自燃；電池溫度過低則不能正常工作，因此，溫度采樣是防止電池過熱和過冷的重要參數，溫度采樣故障診斷是防止電池過熱和過冷的重要技術手段，也是延長電池使用壽命和保證電池安全使用的重要技術手段。

在上述故障診斷均沒有發生時，對溫度采樣進行故障診斷。首先，判斷全部溫度值是否滿量程。若是，則產生此故障的原因可能是：地線斷開或者AD 基準不對。此時，進行故障報警，數碼管顯示31，表示BMS 溫度采樣全部故障。

若不是，則判斷采樣溫度值是否超出正常的工作范圍，且超出預設的誤差范圍。若是，則產生此故障的原因可能是：溫度的比例系數不對、溫度傳感器工作不正常，此時進行故障報警，數碼管顯示32，表示BMS 溫度采樣值超出正常工作范圍，且超出預設誤差范圍。

若不是，則判斷是否出現單路或多路溫度值滿量程的現象。若是，則產生此故障的原因是：連接線松脫。此時，進行故障報警，數碼管顯示33，表示BMS 單路或多路溫度采樣滿量程的故障。

若不是，則判斷是否出現單路或多路溫度值為零的現象。若是，則產生此故障的原因是：航空頭短路。此時，進行故障報警，數碼管顯示34，表示BMS 單路或多路溫度采樣為零的故障。

當上訴故障診斷完成時，如果所有故障診斷均判斷為否，則說明電池管理系統沒有故障。此時，BMS 通過CAN 向ECU 發送工作正常的信號，通知車輛可以正常行駛。

2 程序流程圖（見圖1）

圖1

3 結論

本文針對電池管理系統可能出現的一系列故障，在開機自檢中進行在線診斷。基于經驗及對電池管理系統的硬件分析，制定BMS 診斷策略。二汽東風混合動力公交車EQ6110 的電池管理系統采用本文所述診斷策略，準確及時地對電池管理系統進行故障診斷，并給出警報從而避免不必要的損失。

調試工作都是在車體上實時進行的，通過現場經驗及模擬各種故障狀況，對該BMS 診斷策略進行驗證與完善。因此，對相關技術人員進行技術培訓，便于技術人員在現場有效、快捷地對車輛電池管理系統進行故障排查，由此增強了車用電池管理系統的穩定性、安全性及經濟適用性，對電池管理系統的進一步維護和開發具有很大的作用和實用意義。