隨著電動(dòng)汽車的日趨普及和發(fā)展，針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池在充放電工作中的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷是保證電動(dòng)汽車能夠穩(wěn)定正常運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)。

當(dāng)前電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（battery management system, BMS）針對(duì)電池故障的在線診斷策略多采用帶有延遲時(shí)間的閾值比較法。若監(jiān)測(cè)到的電池參數(shù)在延遲時(shí)間內(nèi)均處于故障閾值內(nèi)，即可判定故障的發(fā)生，設(shè)定延遲時(shí)間是為了在一定程度上規(guī)避采樣數(shù)據(jù)集中個(gè)別數(shù)據(jù)脈沖和針尖毛刺的影響，提高診斷的可靠性。

該方法的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單，運(yùn)算復(fù)雜度低，對(duì)于嵌入式設(shè)備微控單元（microcontroller unit, MCU）來(lái)說(shuō)便于移植和應(yīng)用，因此其已得到大多數(shù)動(dòng)力電池管理廠商的重視，功能也經(jīng)受了檢驗(yàn)。

在目前多數(shù)的嵌入式BMS產(chǎn)品或故障診斷芯片中，故障閾值和延遲時(shí)間兩個(gè)參數(shù)多被設(shè)為定值，但具體數(shù)值的標(biāo)定就成為了恒參的閾值比較法所面臨的難題。若延遲時(shí)間設(shè)置過(guò)短，對(duì)于一些可容忍的輕微異常檢測(cè)太過(guò)靈敏，則影響電池工作的穩(wěn)定性；若延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則可能對(duì)于負(fù)載短路等參數(shù)變化斜率大的故障檢測(cè)不及時(shí)，影響電池健康。

且隨著動(dòng)力電池循環(huán)使用次數(shù)的增加，電池的外特性也會(huì)隨之發(fā)生改變，恒定的故障診斷閾值也可能會(huì)在電池老化后出現(xiàn)診斷不及時(shí)的情況。

為改進(jìn)上述傳統(tǒng)故障診斷策略的相關(guān)缺陷，本文在對(duì)恒參的帶有延遲時(shí)間的閾值比較法進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套參數(shù)自適應(yīng)的電動(dòng)汽車電池故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)電池的不同狀態(tài)和故障程度智能優(yōu)化故障閾值和延遲時(shí)間，并對(duì)故障按等級(jí)進(jìn)行了分類，按故障等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的針對(duì)性處理。

1 原理介紹

本系統(tǒng)定位為由微控管理單元控制的嵌入式設(shè)備或集成于BMS的嵌入式管理模塊。系統(tǒng)通過(guò)前端與動(dòng)力電池連接的各傳感器采集電壓、電流和溫度等參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將采樣值傳輸?shù)胶蠖薓CU中進(jìn)行分析和處理，因此在線故障診斷的策略算法也在MCU中執(zhí)行，并根據(jù)診斷的結(jié)果最終控制相關(guān)動(dòng)作模塊來(lái)執(zhí)行后續(xù)的故障處理措施。

在嵌入式設(shè)備中帶有延遲時(shí)間的閾值比較法實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)離散化的處理方式進(jìn)行閾值比較和診斷延遲，以最小采樣間隔為時(shí)間精度，將每次得到的采樣值與故障閾值進(jìn)行比較。

當(dāng)出現(xiàn)第一個(gè)異常值時(shí)開(kāi)始疊加單位常量 ，并根據(jù)后續(xù)每次的比較結(jié)果決定是繼續(xù)疊加還是進(jìn)行重置。當(dāng)疊加結(jié)果X_Warnadd達(dá)到設(shè)定的上限X_WarnLim時(shí)，判定為該類故障產(chǎn)生；若疊加過(guò)程中采樣值恢復(fù)到正常范圍內(nèi)，則將疊加的結(jié)果重置，即不判定本次采樣值異常為產(chǎn)生故障。

同時(shí)，為了保護(hù)動(dòng)力電池的安全，系統(tǒng)對(duì)各類故障均設(shè)定了兩種故障閾值，分別對(duì)應(yīng)警告和保護(hù)兩種等級(jí)故障保護(hù)措施。警告等級(jí)的故障閾值通常略低于電池的極限承受值，讓駕駛員也能夠自己察覺(jué)到故障，并通過(guò)人工措施進(jìn)行處理。

圖1 帶有延遲時(shí)間的閾值比較法故障診斷流程圖

2 電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

系統(tǒng)的硬件主要由集成了MCU的BMU主機(jī)、前端參數(shù)采樣單元、用于故障保護(hù)的高壓繼電器和用于顯示各參數(shù)的顯示屏輔助模塊組成。顯示屏采用24V的直流電源直接供電，BMU主機(jī)以及各采樣單元均從動(dòng)力電池取電。

BMU主機(jī)的中央處理器MCU采用飛思卡爾公司的專用于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的微控制器MC9S12G 16位單片機(jī)，此款單片機(jī)包括2個(gè)異步串口通信SCI和1個(gè)串行外設(shè)接口SPI，同時(shí)內(nèi)部集成了MSCAN模塊，便于實(shí)現(xiàn)與各采樣單元的數(shù)據(jù)交互。

前端參數(shù)采樣單元需實(shí)現(xiàn)的功能包括對(duì)動(dòng)力電池組總壓、單體電芯和溫度以及工作電流的采樣。其中電芯電壓和溫度采樣通過(guò)TI公司的PL455芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。PL455芯片是一款高度集成式鋰離子電池監(jiān)控和保護(hù)器件，單片最多可以采集16個(gè)串聯(lián)電池的電壓和8個(gè)溫度以及支持其他傳感器的AUX輸入，并通過(guò)高速差動(dòng)通信鏈路提供報(bào)告。管腳輸入電壓范圍在◆0.3～6V之間，因此可兼容絕大多數(shù)品牌的單體電芯。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

同時(shí)，通過(guò)PL455芯片的數(shù)據(jù)報(bào)告機(jī)制，可以定位出故障的電芯位置，便于后續(xù)維護(hù)人員進(jìn)行處理。采樣選擇的是目前工程上比較常用在動(dòng)力電池檢測(cè)領(lǐng)域AS8510數(shù)據(jù)采集前端芯片，其可在 -40℃～125℃的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)作溫度范圍內(nèi)測(cè)量電流，誤差僅為5‰。

通信方面分為內(nèi)部通信和外部通信兩部分，外部通信主要采用CAN總線和485總線兩種通信方式，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電流采樣單元CSU和外接顯示屏的數(shù)據(jù)通信。CAN總線是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，它是一種多主總線，速率最高可達(dá)到1Mbit/s，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器等眾多環(huán)境之中。

而RS-485總線也可適應(yīng)長(zhǎng)距離通信的需求，總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓。因其布線簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于視頻傳輸?shù)阮I(lǐng)域之中。

對(duì)故障后的保護(hù)措施分為警告和切斷動(dòng)力電池工作回路兩種，系統(tǒng)中采用高壓繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池工作回路導(dǎo)通和關(guān)斷的控制。高壓繼電器由控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)兩大部分組成，是一種通過(guò)小電流去控制較大電流的“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。它也能夠起到隔離高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)的作用。本系統(tǒng)根據(jù)MCU的分析運(yùn)算結(jié)果，對(duì)高壓繼電器輸出控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池工作回路的保護(hù)控制。

系統(tǒng)在工作過(guò)程中，首先由前端參數(shù)采樣單元采集電池的工作參數(shù)，隨后BMU的MCU基于采集到的參數(shù)進(jìn)行分析和處理，MCU得到相應(yīng)的運(yùn)算結(jié)果后，對(duì)各功能執(zhí)行器件輸出控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)各類功能，顯示屏輔佐用于顯示系統(tǒng)內(nèi)各模塊運(yùn)算的結(jié)果，便于使用者了解當(dāng)前動(dòng)力電池的工作狀態(tài)。因此，本文設(shè)計(jì)的故障診斷策略是在MCU中完成的。

3 在線故障診斷算法優(yōu)化（略）

3.1 對(duì)故障閾值的改進(jìn)

通過(guò)電池狀態(tài)對(duì)故障閾值進(jìn)行在線修正，可提高對(duì)電池各類故障診斷的及時(shí)性和有效性，更好地降低充電過(guò)程中過(guò)壓或過(guò)流等情況對(duì)電池的損傷。

3.2 對(duì)延遲時(shí)間的改進(jìn)

通過(guò)Simulink仿真證明了該改進(jìn)后的閾值比較法在檢測(cè)故障過(guò)程中可根據(jù)不同程度的故障針對(duì)性地調(diào)整診斷時(shí)間，同時(shí)也能有效濾除一些瞬時(shí)的采樣波動(dòng)，有助于診斷的準(zhǔn)確性。在實(shí)際系統(tǒng)中須將其轉(zhuǎn)換為嵌入式程序語(yǔ)言，以供嵌入式設(shè)備執(zhí)行。

3.3 故障等級(jí)的判定

模型中通過(guò)設(shè)定不同的故障閾值，將每類故障劃分為兩個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)的警告和回路保護(hù)兩種處理措施。其中警告的故障閾值較低，通?？稍O(shè)定在電池極限承受值的95%左右。這也是為了提前警示駕駛員電池可能出現(xiàn)的安全故障，使其在可能的情況下先采取一定的人工措施來(lái)防止故障產(chǎn)生。因此系統(tǒng)中設(shè)定警告等級(jí)處理措施為信息報(bào)警，或指示燈閃爍即可。

保護(hù)等級(jí)的安全閾值在極限承受值的100%左右，若用戶在收到警告后未能有效地降低該類故障的參數(shù)指標(biāo)，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步采取相應(yīng)的保護(hù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的處理。本系統(tǒng)中所采取的保護(hù)措施為通過(guò)控制串接在動(dòng)力電池工作回路上的高壓繼電器，來(lái)強(qiáng)行切斷電源與負(fù)載之間的工作回路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池和負(fù)載的保護(hù)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果（略）

實(shí)驗(yàn)中采用的電芯松下NCR18650B-H00HA，單體滿充電壓4.25V，額定充電電流為1.62A，由于受限于環(huán)境和安全等因素，而PL455芯片又需滿足采樣的串聯(lián)電芯數(shù)目最少為6串，因此實(shí)驗(yàn)中選擇3并6串的電芯連接方式來(lái)模擬一個(gè)實(shí)際的電池組。

對(duì)電池工作環(huán)境的模擬選用的是新科華公司的MTL-T系列電池充放電機(jī)，通過(guò)對(duì)其內(nèi)部微控制器的設(shè)置可實(shí)時(shí)改變電池的充放電工作過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)，以此來(lái)檢驗(yàn)不同工況下系統(tǒng)的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中硬件連接如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)硬件連接圖

測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)能根據(jù)不同的故障程度，智能化調(diào)整檢測(cè)花費(fèi)的時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)程度嚴(yán)重的故障加速處理。一方面盡可能減小大故障對(duì)動(dòng)力電池帶來(lái)的損傷，另一方面也對(duì)一些細(xì)微的異常檢測(cè)地更加苛刻，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行。

結(jié)論

本文對(duì)傳統(tǒng)BMS系統(tǒng)中所采用的閾值比較法故障診斷策略進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種可根據(jù)電池狀態(tài)自適應(yīng)的電動(dòng)汽車電池故障在線診斷方法。其可根據(jù)電池的故障程度，智能化地優(yōu)化所需的故障閾值和診斷延遲時(shí)間，達(dá)到對(duì)嚴(yán)重故障快速響應(yīng)、輕微故障慢響應(yīng)的目的，并能有效濾除采樣和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中一些脈沖信號(hào)，針尖毛刺的干擾。

在保證了動(dòng)力電池持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，能夠及時(shí)有效地規(guī)避異常故障所帶來(lái)的損傷和危害。但本方法目前所采用的影響檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)的因素還較為基礎(chǔ)和單一，在之后的深入研究中還可增加更多的控制變量，以增強(qiáng)控制的科學(xué)性和有效性。