电动汽车电池管理系统故障分析诊断系统设计与实现

杨淇，康小平，郜敏，李渝丽

（山西能源学院机电工程系，山西 晋中 030604）

气候变化和能源安全问题近年来日益突出，电动汽车作为一种清洁能源交通工具备受关注。电动汽车电池管理系统是电动汽车中的重要组成部分，负责对电池的充放电过程进行监测、控制和保护。针对故障问题，开发一套电动汽车电池管理系统故障分析诊断系统具有重要的现实意义，系统可以通过实时采集电池性能数据，运用先进的数据分析和人工智能技术，迅速而准确地定位电池系统的故障点，为后续的维修提供有力的支持，对于提高电动汽车的可靠性、安全性和经济性都有着积极的推动作用。

1 系统失效分析

电动汽车电池的失效可能对整个电池系统产生严重影响，特别是电池电解液泄漏、电池热失控、绝缘层老化、电池组电压压差过大等会对电池系统产生严重的危害，轻则导致电池系统不稳定，影响整车性能，严重可能导致电池自燃或爆炸，因此，需要对其失效模式进行深入分析。本文总结了锂离子动力电池组以及电池管理系统的失效模式、失效影响和失效原因，具体如表1 所示。

表1 锂动力电池系统故障分析及影响

2 电动汽车电池管理系统故障分析诊断系统设计

2.1 电池建模

Thevenin 电池模型是一种广泛应用于电源系统建模的模型，使用电压源和内部电阻来表示电池的电特性。典型的Thevenin 模型具有良好的非线性性，可以准确模拟电池的动态特性，但是在描述锂离子动力电池极化特性方面存在不足。因此，本文采用一种改进的Thevenin 模型，在该改进模型中，在Thevenin 模型的基础上增加了一阶RC 环路，以更准确地模拟浓差极化现象。图1 为二阶RC 电池模型。

图1 二阶RC 电池模型

2.2 电压检测与接触器故障诊断

电压检测模块主要用于实时监测电池组内各个单体电池的电压，确保电池组的电压平衡，防止电池过充或过放，在设计方案中选用高精度、低功耗的电压传感器，确保在广泛的工作温度范围内具有良好的稳定性；采用高速ADC 进行电压数据的采集，并设置电压阈值，当任一单体电池电压超过正常范围，系统将触发报警机制。

接触器在电池管理系统中起到关键作用，用于控制电池组的充放电过程。接触器故障可能导致电池系统无法正常工作，因此需要设计故障诊断模块，在设计时，使用传感器实时监测接触器的状态；在接触器闭合时，通过电流传感器监测通过接触器的电流，确保电流在正常范围内，确保电池系统的稳定工作。

2.3 高压绝缘监测

高压绝缘监测系统主要用于监测电池系统中的高压绝缘状态，及时发现并报警处理可能导致绝缘故障的情况，以确保整个电池系统的稳定性和安全性。该系统主要包括数据采集模块、数据处理模块、故障诊断模块和通信模块。

数据采集模块的核心是绝缘电阻传感器，其选择需要考虑测量范围、精度、稳定性和可靠性等因素，常用的绝缘电阻传感器有电阻型和电容型两种，由于电动汽车的电压等级较高，所以选择电容型绝缘电阻传感器，且为保证测量的准确性，将传感器与BMS 的其他部分隔离，防止电磁干扰。

数据处理模块主要负责对采集的数据进行处理和分析，该模块需要对数据进行滤波和去噪处理，以消除测量过程中的干扰，并对数据进行实时分析和处理，提取出关键的绝缘电阻参数，包括最大值、最小值、平均值等，最后将处理后的数据存储在数据库中，以供后续的故障诊断使用。

故障诊断模块是整个系统的核心，需要根据处理后的数据判断是否存在故障，为此在设计时设定了故障阈值，同时设计了一套智能诊断算法根据历史数据和实时数据的变化趋势进行故障预测和识别，既能保证故障的及时发现，又能避免误报情况的发生。

通信模块负责将故障信息发送给驾驶员或维修人员，在设计时采用无线通信技术，包括蓝牙、Wi-Fi 等，以便于信息的实时传输和接收。

2.4 碰撞安全设计

为了确保电池管理系统的安全性，设计了碰撞检测机制，该机制可以通过传感器实时监测车辆的运行状态，一旦检测到碰撞，立即触发安全保护机制；在检测到碰撞后，安全保护机制立即启动，电池管理系统进行断电处理，以防止电流回流对电池造成损害，同时电池管理系统对故障进行诊断和处理，分析碰撞前后的电池参数变化，实现安全保护功能，保证电池系统处于可控范围内。为此设计采用了基于加速度的碰撞检测算法、基于速度变化的碰撞检测算法等，算法能够根据车辆的实际运行状态进行优化和调整。

3 故障诊断策略的制定与仿真

3.1 策略制定

3.1.1 确定故障阈值

电动汽车电池管理系统用于监测和管理电池的状态，调节电池之间电压平衡、电流大小和温度情况，而电压反映了电池的电量状态，温度影响电池的性能和寿命，电流则与电池的充放电过程密切相关，所以在系统中需要考虑电池组在高温、低温、高速充电、高速放电等不同工况下可能出现的异常情况，设定合理的故障阈，达到及时发现电池组中的异常情况的目的，从而采取相应措施进行保护，确保整车的安全性。

通过电池管理系统的仿真工具，模拟各种工况下电池的行为，在仿真中，调整不同参数的故障阈值，观察系统的响应和判断准确性，从而验证和优化故障阈值的设定；仿真结果与实际测试结果相结合，以确保系统的准确性和可靠性。

3.1.2 制定电池故障诊断策略

电池故障诊断基本流程如图2 所示。

图2 电池故障诊断流程

3.2 仿真分析

3.2.1 温度控制策略仿真

磷酸铁锂电池组在15 ～35℃的工作温度范围内表现出最佳性能，本文在仿真过程中，将温度设定为-5℃，模拟温度较低的故障情况，该条件下电池组可能出现电池容量下降、电池内阻增大等问题，系统需要及时响应，启动相应的加热程序；在低温故障的同时，启动热管理故障模型。当电池组温度过低时，PTC 加热程序将开始回升温度，以防止电池组过度冷却，保障电池组正常运行。图3 为温度故障仿真模拟图。

图3 温度故障模拟图

3.2.2 电压控制策略仿真

本文采用对电池组总电压过压欠压、不一致性电压等仿真实验来验证电压控制策略的可靠性。通过人工调试的方法输入故障电压信号从而模拟实现磷酸铁锂电池组实际工作中所能产生的故障，电压故障模型将对电池组总电压模拟故障与监测。将磷酸铁锂电池组过充和欠压故障分别设置为40V 和15V，当在仿真过程中产生过充和欠压故障类型时发出警报，快速反应并进行降压和升压处理。如图4的电压故障图表示可快速识别电压的故障。

图4 电压过压/欠压故障模拟图

4 结语

本文主要设计了电动汽车电池管理系统故障分析诊断系统，在应用该系统后，能够快速识别电动汽车电池管理系统的各项故障，相比传统的诊断系统而言，识别效率、识别精准性等都得以提升，在实际应用中具有良好的效果。