電動汽車電池管理系統故障分析診斷系統設計與實現

楊淇，康小平，郜敏，李渝麗

（山西能源學院機電工程系，山西 晉中 030604）

氣候變化和能源安全問題近年來日益突出，電動汽車作為一種清潔能源交通工具備受關注。電動汽車電池管理系統是電動汽車中的重要組成部分，負責對電池的充放電過程進行監測、控制和保護。針對故障問題，開發一套電動汽車電池管理系統故障分析診斷系統具有重要的現實意義，系統可以通過實時采集電池性能數據，運用先進的數據分析和人工智能技術，迅速而準確地定位電池系統的故障點，為后續的維修提供有力的支持，對于提高電動汽車的可靠性、安全性和經濟性都有著積極的推動作用。

1 系統失效分析

電動汽車電池的失效可能對整個電池系統產生嚴重影響，特別是電池電解液泄漏、電池熱失控、絕緣層老化、電池組電壓壓差過大等會對電池系統產生嚴重的危害，輕則導致電池系統不穩定，影響整車性能，嚴重可能導致電池自燃或爆炸，因此，需要對其失效模式進行深入分析。本文總結了鋰離子動力電池組以及電池管理系統的失效模式、失效影響和失效原因，具體如表1 所示。

表1 鋰動力電池系統故障分析及影響

2 電動汽車電池管理系統故障分析診斷系統設計

2.1 電池建模

Thevenin 電池模型是一種廣泛應用于電源系統建模的模型，使用電壓源和內部電阻來表示電池的電特性。典型的Thevenin 模型具有良好的非線性性，可以準確模擬電池的動態特性，但是在描述鋰離子動力電池極化特性方面存在不足。因此，本文采用一種改進的Thevenin 模型，在該改進模型中，在Thevenin 模型的基礎上增加了一階RC 環路，以更準確地模擬濃差極化現象。圖1 為二階RC 電池模型。

圖1 二階RC 電池模型

2.2 電壓檢測與接觸器故障診斷

電壓檢測模塊主要用于實時監測電池組內各個單體電池的電壓，確保電池組的電壓平衡，防止電池過充或過放，在設計方案中選用高精度、低功耗的電壓傳感器，確保在廣泛的工作溫度范圍內具有良好的穩定性；采用高速ADC 進行電壓數據的采集，并設置電壓閾值，當任一單體電池電壓超過正常范圍，系統將觸發報警機制。

接觸器在電池管理系統中起到關鍵作用，用于控制電池組的充放電過程。接觸器故障可能導致電池系統無法正常工作，因此需要設計故障診斷模塊，在設計時，使用傳感器實時監測接觸器的狀態；在接觸器閉合時，通過電流傳感器監測通過接觸器的電流，確保電流在正常范圍內，確保電池系統的穩定工作。

2.3 高壓絕緣監測

高壓絕緣監測系統主要用于監測電池系統中的高壓絕緣狀態，及時發現并報警處理可能導致絕緣故障的情況，以確保整個電池系統的穩定性和安全性。該系統主要包括數據采集模塊、數據處理模塊、故障診斷模塊和通信模塊。

數據采集模塊的核心是絕緣電阻傳感器，其選擇需要考慮測量范圍、精度、穩定性和可靠性等因素，常用的絕緣電阻傳感器有電阻型和電容型兩種，由于電動汽車的電壓等級較高，所以選擇電容型絕緣電阻傳感器，且為保證測量的準確性，將傳感器與BMS 的其他部分隔離，防止電磁干擾。

數據處理模塊主要負責對采集的數據進行處理和分析，該模塊需要對數據進行濾波和去噪處理，以消除測量過程中的干擾，并對數據進行實時分析和處理，提取出關鍵的絕緣電阻參數，包括最大值、最小值、平均值等，最后將處理后的數據存儲在數據庫中，以供后續的故障診斷使用。

故障診斷模塊是整個系統的核心，需要根據處理后的數據判斷是否存在故障，為此在設計時設定了故障閾值，同時設計了一套智能診斷算法根據歷史數據和實時數據的變化趨勢進行故障預測和識別，既能保證故障的及時發現，又能避免誤報情況的發生。

通信模塊負責將故障信息發送給駕駛員或維修人員，在設計時采用無線通信技術，包括藍牙、Wi-Fi 等，以便于信息的實時傳輸和接收。

2.4 碰撞安全設計

為了確保電池管理系統的安全性，設計了碰撞檢測機制，該機制可以通過傳感器實時監測車輛的運行狀態，一旦檢測到碰撞，立即觸發安全保護機制；在檢測到碰撞后，安全保護機制立即啟動，電池管理系統進行斷電處理，以防止電流回流對電池造成損害，同時電池管理系統對故障進行診斷和處理，分析碰撞前后的電池參數變化，實現安全保護功能，保證電池系統處于可控范圍內。為此設計采用了基于加速度的碰撞檢測算法、基于速度變化的碰撞檢測算法等，算法能夠根據車輛的實際運行狀態進行優化和調整。

3 故障診斷策略的制定與仿真

3.1 策略制定

3.1.1 確定故障閾值

電動汽車電池管理系統用于監測和管理電池的狀態，調節電池之間電壓平衡、電流大小和溫度情況，而電壓反映了電池的電量狀態，溫度影響電池的性能和壽命，電流則與電池的充放電過程密切相關，所以在系統中需要考慮電池組在高溫、低溫、高速充電、高速放電等不同工況下可能出現的異常情況，設定合理的故障閾，達到及時發現電池組中的異常情況的目的，從而采取相應措施進行保護，確保整車的安全性。

通過電池管理系統的仿真工具，模擬各種工況下電池的行為，在仿真中，調整不同參數的故障閾值，觀察系統的響應和判斷準確性，從而驗證和優化故障閾值的設定；仿真結果與實際測試結果相結合，以確保系統的準確性和可靠性。

3.1.2 制定電池故障診斷策略

電池故障診斷基本流程如圖2 所示。

圖2 電池故障診斷流程

3.2 仿真分析

3.2.1 溫度控制策略仿真

磷酸鐵鋰電池組在15 ～35℃的工作溫度范圍內表現出最佳性能，本文在仿真過程中，將溫度設定為-5℃，模擬溫度較低的故障情況，該條件下電池組可能出現電池容量下降、電池內阻增大等問題，系統需要及時響應，啟動相應的加熱程序；在低溫故障的同時，啟動熱管理故障模型。當電池組溫度過低時，PTC 加熱程序將開始回升溫度，以防止電池組過度冷卻，保障電池組正常運行。圖3 為溫度故障仿真模擬圖。

圖3 溫度故障模擬圖

3.2.2 電壓控制策略仿真

本文采用對電池組總電壓過壓欠壓、不一致性電壓等仿真實驗來驗證電壓控制策略的可靠性。通過人工調試的方法輸入故障電壓信號從而模擬實現磷酸鐵鋰電池組實際工作中所能產生的故障，電壓故障模型將對電池組總電壓模擬故障與監測。將磷酸鐵鋰電池組過充和欠壓故障分別設置為40V 和15V，當在仿真過程中產生過充和欠壓故障類型時發出警報，快速反應并進行降壓和升壓處理。如圖4的電壓故障圖表示可快速識別電壓的故障。

圖4 電壓過壓/欠壓故障模擬圖

4 結語

本文主要設計了電動汽車電池管理系統故障分析診斷系統，在應用該系統后，能夠快速識別電動汽車電池管理系統的各項故障，相比傳統的診斷系統而言，識別效率、識別精準性等都得以提升，在實際應用中具有良好的效果。