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电池管理系统设计关乎电动汽车安全大计

发布时间:2019-09-14 06:03:33

  电池管理系统设计关乎电动汽车安全大计

  电动汽车动力系统的核心是动力电池组,通常一个电池系统中包含上百个,甚至上千个电芯,如何保持电芯工作在合适的区间内,电池管理系统(BMS)发挥着重要的作用。

  本篇研究周报的主要内容是电池管理系统在电动汽车动力电池系统中的重要性。通过几个典型的案例,分析研究电池管理系统在设计不妥当的时候会如何影响电池系统和整车的正常运行,供整车企业参考。

  第一部分 整车安全和电池系统

  首先是安全层面,我们可以发现BMS设计不当,主要是电池参数监测机制失灵对于电动汽车而言会带来相当的安全隐患,与BMS和电池相关的整车危害包含:

  1. 意外释放的热能引起燃烧或火灾:电池管理系统未能有效反映电池工作状态,导致在车辆使用过程中,电池意外地释放热能引起燃烧和火灾;

  2.意外减速:车辆在行驶过程中,由于电池自身安全机制缺陷,无法提供足够的能量,功率输出特性降低,车辆意外减速;

  3.暴露于高电压系统:BMS系统设计不当不能保证电池在合适电压范围内工作,而高压电气系统会对车内乘员产生直接的电气威胁;

  4.意外接触有毒/易燃化学品:BMS设计不当还可能带来烟雾监测功能失灵,如此,电池系统产生的有毒气态或液态的物质会泄露到乘客仓里,带来接触危害;

  5.加速失效、整车动力丧失:与第2点类似,电池功率在某些场景下受限。

  图1 电池系统安全在整车安全方面的定位

  因此,我们需要考虑的是,在BMS系统失灵的时候,整个零件层面都会产生哪些一系列反应。在以下的案例中,BMS承担着更多的功能,所以也是以探讨BMS的问题为主。

  图2 电池系统分解

  由于动力电池系统牵涉比较多的部件和供应商,当典型的失效问题发生时,如下图所示,要解决这些问题往往需要从Tier1展开,定位问题的严重性,然后再一级级往下进行分解。

  图3 问题分析和分解的过程

  第二部分 案例分析

  案例1:江苏九龙汽车制造有限公司召回部分大马牌纯电动客车

  2017年10月,江苏九龙汽车制造有限公司向国家质检总局备案了召回计划,召回2015年4月1日至2016年10月31日期间生产的部分2015款6米纯电动客车,共计51辆。车辆部分批次BMS程序误刷成测试版,测试版程序中低温环境下SOC动态校准功能有瑕疵,造成车辆行驶时可能断电,车辆失去动力,存在安全隐患。处理办法为将对缺陷车辆的BMS(电池管理系统)刷新程序,以消除安全隐患。

  SOC(state of charge,电量状态)算法是BMS开发应用的关键技术之一, 企业对SOC估算的高精度也往往是宣传的亮点。

  图4 由于低温的SOC估算出现偏差的问题

  从一般的电池管理系统的SOC估算误差原因分析,大致有以下四个变量,这些扰动因素共同作用,使得整个SOC估算出现偏差。当某些元素出现偏差的时候,就使得整个电池系统可用能量估算出现巨大的偏差,才出现九龙电动客车的安全问题发生:

  1. 温度因素对剩余容量以及总容量的影响;

  2. 安时积分误差对剩余容量的影响;

  3. 电池组一致性对剩余容量以及总容量的影响;

  4. 循环寿命对总容量的影响。

  在这个案例里面,由于温度和容量表没有经过完善的梳理,使得SOC与温度校准的表格出现问题,SOC在前期掉的比实际要慢,等到后面较低温度可用容量放不出来的时候,整个车辆也就出现了直接的故障。这个是从功率和能量层面都要去仔细校验的。

  案例2:大众汽车召回电动高尔夫

  2016年3月,大众汽车集团在美国市场召回近5600辆高尔夫电动版,以解决电池可能引发车辆熄火的隐患。电动版高尔夫2014年11月开始销售,去年在美国共售出4232辆。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)表示,大众汽车将召回其在年销售的高尔夫电动汽车,因为其软件系统中存在“高电压电池管理系统控制不足,内部电流峰值时,存在一定的停摆状态”,这可能导致汽车熄火。 “电池在临界状态引起高电压,这反过来可能会让车辆的电力驱动马达产生紧急停机”。

  l Under certain conditions, oversensitive diagnostics in the high-voltage battery management system may inadvertently classify a brief internal electrical current surge/peak as a critical battery condition.

  l This can cause an emergency shutdown of the high-voltage battery, which in turn deactivates the vehicle’s electrical drive motor. Unexpected shutdown of the vehicle’s electrical drive motor (“stalling”) can lead to a crash.

  图5 电池管理功能保护机制

  这也是一个典型案例。电池管理系统采集的物理参量有电压、温度和电流等,为此需要设计一系列诊断机制,当外部的工况超过了设计估计时,一定条件下就会激发电池的诊断保护机制,从而使得整车无法行驶。大众纯电高尔夫的案例属于典型的误诊断的一种,是以基本的安全机制与实际工作情况匹配的过程。

  案例3:三菱召回i-MiEV电动汽车

  2017年3月,三菱公司向日本国土交通省递交了一份召回旗下部分车型的报告。报告显示,该公司推出的i-MiEV电动汽车所搭载的驱动用蓄电池(电池集中管理单元)存在故障风险,因此需要接受召回作业。

  此次的召回作业总共涉及3373台三菱i-MiEV电动汽车。这些车辆都是该公司于2009年7月4日至2010年9月27日之间生产的。三菱汽车公司之所以需要召回这些车辆,是因为在它们所使用的驱动用蓄电池中,用来测定蓄电池电压以及温度信息的电池集中管理单元的控制程序存在一些问题。

  当用户在斜坡处启动车辆向上行驶的时候,如果车辆在蓄电池电压临时发生变动的状态下

  ,电池可能无法产生前进所需要的驱动力,导致车辆往后方倒退。 为了彻底解决这一隐患,三菱汽车公司会对此次所有召回车辆的电池集中管理单元的控制程序进行更改,更新成为正确的版本。截止到目前为止,已经发生了6起车辆坡路倒退的故障。

  图6 iMIEV电动汽车的电池系统

  与前述问题类似,整个电池系统是为电动汽车提供系统能量的,当电池系统或者电池管理系统产生误判,无法提供足够的功率和能量时候,在某些地形和车速条件下,整个动力系统的运行就出现了极大的限制,相应的车辆行驶故障也就产生了。

  小结

  电动汽车的运行实质是电气系统整合到传统机械驱动的系统,对于电动汽车而言,电池管理系统是能量供给的控制单元,其设计中一系列诊断和保护机制,是控制系统鲁棒性和相应功能安全的保障,既是对动力电池的保护,也是对电动汽车行驶安全的保护。

  文章标签: 电动汽车

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