电池管理系统故障自诊断的系统研究

2012 年第 4 期
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研究与开发
1.4 采样故障诊断策略 1）电流采样故障诊断策略 电流是判断电池剩余容量（SOC）和充放电状
态的重要技术参数。因此，对电流采样的故障诊断 是十分必要的。
在对电流采样进行故障诊断时，连续采集 10 次 电流值，求这 10 个电流值的平均值。首先判断这个 电流均值是否为一个固定值，且这个固定值是等于 最大电流或最小电流的值，即满量程。若是，则产 生此故障的原因可能是：电流传感器故障、电流传 感器连接线故障、放大器零点漂移、基准源不对、 AD 故障。此时，进行故障报警，数码管显示 11。
21
为
百度文库
总电压值为零：AD 故障、隔离芯片故障、隔离前的电阻烧坏了
22
电
采
压
零
全部单体电压为零
单
总电压值正常：所有采样通道故障
23
样 故 障
采 样
故
体 明电 显压
单体电压一路高 采样通道漏电
一路低，偏稳定
24
障
波 单体电压波动，
动
隔离前的电阻虚焊
不稳定
25
单体电压和总电压均
超出误差范围
分压电阻温漂、AD 故障
若不满足上述条件，则接着判断这个电流均值 是否为一个小于最大电流且大于最小电流的固定 值，且超过预设的电流值误差范围。若是，则产生 此故障的原因可能是：电流传感器连接线故障、放 大器零点漂移、基准源不对、AD 故障。此时进行 故障报警，数码管显示 12。
若不满足上述条件，则继续判断 10 次电流值的 方差是否很大。若是，说明电流零点波动很大，则 产生此故障的原因是接地故障。此时，进行故障报 警，数码管显示 13。
因此，为了保护任意车辆工况下电池的安全性，
同时将电池的实时参数反馈给车辆控制器，需要设 计电池管理系统，保证电池正常运行、保护电池使 用寿命和驾驶员安全。由于电池管理系统性能的优 劣会严重影响电池安全和整车控制策略的执行，所 以必须对电池管理系统进行故障诊断，以便整车控 制系统根据当前的电池及其管理系统的状态优化整 车控制策略，提高整车的动力性和行车安全性。
继电器状态故障诊断是要确定风扇和高压控制 是否正常工作。因此，设计一个指示灯，由电池管 理系统发送控制命令，控制指示灯亮或不亮。在对 继电器状态进行故障诊断时，首先由电池管理系统 发送控制命令，控制继电器吸合，此时指示灯亮， 若指示灯不亮，说明 BMS 继电器状态故障，则进行 故障报警，同时数码管显示 02。
2）电压采样故障诊断策略 电压是判断电池是否正常使用的重要参数，电 池过充电和过放电均损坏电池的使用寿命，因此， 对电压采样故障诊断也是相当重要的。 （1）单体电压采样故障诊断 在上述故障诊断均没有发生时，对单体电压采 样进行故障诊断。首先，采集 10 次单体电压值，对 每一路的单体电压求平均和方差。判断单体电压是 否出现部分为零的情况。若是，则产生此故障的原 因可能是：采样通道没有打开或者通道芯片烧坏了、 采样通道连接线断开、采样通道上电阻烧坏了、I/O 引脚使用错误。此时，进行故障报警，数码管显示 20，表示 BMS 部分单体电压采样故障。 若不是，则判断单体电压值是否全部为零。如 果全部单体电压值为零，此时，判断总电压值是否 为零。若是，则产生此故障的原因可能是：AD 故 障、隔离芯片故障、隔离前的电阻烧坏了、采样通 道故障。此时，进行故障报警，数码管显示 21，表 示 BMS 全部单体电压采样故障。若不是，则产生此 故障的原因是：所有采样通道故障。此时，进行故 障报警，数码管显示 22，表示 BMS 所有采样通道
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向整车控制器（ECU）发送工作正常的信号，汽车
根据以往的经验和对电池管理系统本身的分
可以正常行驶。如果诊断出故障，则产生故障报警 析，本文设计了一套故障诊断策略。通过对故障现
并通过数码管显示对应的故障码，以便于维修人员 象的分析来确定故障类型和故障可能产生的原因。
在后续的诊断中，如果有其他故障，电池管理 系统就会接通蜂鸣器电源，产生故障报警音，并且 由数码管显示对应的故障代码。 1.2 CAN 通信故障诊断策略
CAN 通信是 BMS 与整车控制器（ECU）进行 数据交换的惟一方式，CAN 通信的故障将导致整车 控制器无法获取电池的有效数据，极大影响车辆正 常运行。因此，对 CAN 通信的诊断是十分重要和必
能够在上电后正常运行。因此，在电池管理系统内 部设计一个蜂鸣器，由车载 24V 电源供电，默认状 态为接通，并且由管理系统来控制电源的通断。上 电后，若电池管理系统工作正常，则输出控制命令， 断开蜂鸣器的电源，蜂鸣器不响。若电池管理系统 不能正常工作，无法发出断开蜂鸣器电源的命令， 则蜂鸣器长响，数码管显示“00”，表示 BMS 不能 正常工作，需要检修。
Abstract Battery current, voltage and temperature are important indicators to determine the stability of the battery. The current, voltage and temperature sampling diagnosis, are the important means of battery management and maintenance. Effective management and monitoring of battery has become one of the key technologies of the electric vehicles, the efficient, safe and reliable operation of battery management system (BMS) is the key to the development of electric vehicles. Therefore, the online fault diagnosis of the battery management system is a necessary measure. This paper, based on the battery management system of the Dongfeng hybrid buses, for the three aspects, according to these three aspects, describes the fault reasons and judging method in details.
快速的排查故障和进行维修。
故障诊断表如表 1 所示。
表 1 电池管理系统诊断策略
故障
可能的故障原因/诊断策略
故障显示码
上电后 BMS 不工作
利用蜂鸣器判断
00
CAN 通信故障
BMS 与 ECU 之间互相收发特定的数据包
01
继电器故障 电
单片机发控制命令控制指示灯，正常吸合指示灯亮，发生故障时，
指示灯灭
故障。 若不是，则判断单体电压是否出现一路高一路
低的现象。若是，则产生此故障的原因可能是：某 一路采样通道漏电，则该箱电池的单体电压在原有 正常电压值的基础上要加上漏电的电压值。此时， 进行故障报警，数码管显示 23，表示 BMS 单体电 压出现一路高一路低的故障。
若不是，则判断上述的方差是不是很大。若是， 说明单体电压波动特别大，不稳定，则产生此故障 的原因是：BMS 隔离前的电阻虚焊。此时，进行故 障报警，数码管显示 24，表示 BMS 单体电压不稳 定故障。
02
流
电流传感器故障、电流传感器连接线故障、放大器零点漂移、基
采 样
电流值满量程
准源不对、AD 故障
11
故 障
电流值为固定值（小于 电流传感器连接线故障、放大器零点漂移、基准源不对、AD 故
最大值和最小值）
障
12
单
体 电 压
采样通道没有打开或者通道芯片烧坏了、采样通道连接线断开、 部分单体电压为零
采样通道上电阻烧坏了、I/O 引脚使用错误
研究与开发
电池管理系统故障自诊断的系统研究
刘文珍 金 鹏
（北方工业大学机电工程学院，北京 100144）
摘要 电池的电流、电压及温度是判断电池是否稳定工作的重要指标，对电流、电压及温 度采样的诊断，是对电池进行管理和维护的重要手段。有效管理和监控电池就成为电动汽车关 键技术之一，电池管理系统（BMS）高效、安全、可靠地运行是电动汽车发展的关键，因此， 对电池管理系统的故障进行在线诊断是一个必要措施。本文基于二汽东风混合动力公交车的电 池管理系统，针对这 3 个方面，详细描述了故障成因以及判断方法。
若不是，则判断单体电压和总电压是否均超出 预设的误差范围。若是，则产生此故障的原因可能 是：分压电阻温漂、AD 故障。此时，进行故障报 警，数码管显示 25，表示 BMS 单体电压和总电压 采样均故障。
（2）总电压采样故障诊断 在上述故障诊断均没有发生时，对总电压进行 故障诊断。判断总电压是否超出预设的误差范围。 若是，则产生此故障的原因可能是：总电压的比例 系数不对。此时，进行故障报警，数码管显示 26， 表示 BMS 总电压采样故障。 若不是，则判断总电压值是否为零。若是，则 产生此故障的原因可能是：总电压采样通道没有打 开或者通道芯片烧坏了、采样通道连接线断开、采 样通道上电阻烧坏了。此时，进行故障报警，数码 管显示 27，表示 BMS 总电压采样通道故障。 若不是，则判断所有单体电压值之和与总电压 值之差是否超过预设范围。若是，则产生此故障的 原因可能是：BMS 器件造成单体电压误差稍大但在 预设范围内。此时，进行故障报警，数码管显示 28， 表示 BMS 单体电压采样通道器件误差大。 3）温度采样故障诊断策略 电池温度过高容易损坏电池使用寿命，严重的 导致电池自燃；电池温度过低则不能正常工作，因 此，温度采样是防止电池过热和过冷的重要参数， 温度采样故障诊断是防止电池过热和过冷的重要技 术手段，也是延长电池使用寿命和保证电池安全使 用的重要技术手段。 在上述故障诊断均没有发生时，对温度采样进 行故障诊断。首先，判断全部温度值是否满量程。 若是，则产生此故障的原因可能是：地线断开或者
关键词：电池管理系统；BMS；故障；诊断
The Research of Battery Management System Self-diagnosis System
Liu Wenzhen Jin Peng （North China University of Technology，Mechanical and electrical engineering college, Beijing 100144）
Key words：battery management system；BMS；diagnosis；judge
电动汽车的各种特性依赖于动力源——蓄电池， 蓄电池优劣直接影响电动汽车的研究与发展。容量、 比功率和峰值功率、快速充电、寿命、价格等是衡 量蓄电池质量的几项指标。采用高性能、安全、环 境友好且在能量密度、功率密度、循环寿命等方面 都有优势的电池，在续驶里程、功率表现和电池寿 命上为车辆提供了很好的保障。然而，尽管采用了 各方面性能都较为优秀的电池，但现有的车用电池 在随车使用中依然存在一系列的问题,最突出的表 现就是：电池在运行过程中无法及时准确地预测与 监控其状态，电池经常出现过充、过放、过热，且 电池充放电特性受环境条件影响较大。这些情况不 仅损害了电池本身的寿命，而且造成车辆使用者成 本的增加，严重的还将造成车辆停驶、损坏甚至烧 毁爆炸等极端危险的情况。
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温 单体电压正常，总电压故障 总电压的比例系数不对
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度 采
全部温度满量程
温度传感器地线断开或 AD 基准不对
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样
温度超出正常工作范围 温度的比例系数不对、温度传感器工作不正常
32
故
单路或多路温度满量程 连接线松脱
障
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单路或多路温度值为 0 航空头短路
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1.1 BMS 状态故障诊断策略 BMS 状态故障诊断首先要确定电池管理系统
本文针对电池管理系统可能出现的一系列故障 进行剖析，对可能造成故障的原因进行分析，详细 的研究了电池管理系统故障的在线诊断。
1 诊断策略
电池管理系统的在线故障诊断主要是为了确定 电池管理系统自身的工作状态，因此，整个诊断过 程在汽车上电过程中完成。诊断完成后，如果电池 管理系统无故障，电池管理系统就通过 CAN 总线，
要的。 在 CAN 通信故障诊断中，首先 BMS 向 ECU
发送一个固定的诊断数据包，ECU 收到此诊断数据 包后，将会在规定时间（如 100ms）内发送一个表 示通信正常的数据包给 BMS，若在诊断预设的时间 （如 1s）BMS 未收到此表示通信正常的数据包， BMS 将会重复发送诊断数据包；若超过预设发送次 数（如 3 次），BMS 始终未收到表示通信正常的数 据包，则说明 BMS 与 ECU 通信异常，进行故障报 警，同时数码管显示 01。 1.3 继电器状态故障诊断检测