李柱辉
广东省佛山市特种设备协会 528000
摘要：纯电动汽车的保有量越来越多，这对习惯于传统燃油汽车维修的广大从业人员来说，既是机遇又是挑战。纯电动汽车的故障主要是电池系统的故障。本文主要从动力电池的种类、特点，管理系统的功能、结构、常见故障进行分析，并结合实践经验总结出一系列故障排除的方法。
关键词：动力电池 管理系统 结构 故障 检修
一、前言
由于环保的压力和能源的制约，近年来新能源汽车发展迅猛。我国纯电动汽车的保有量也越来越多。动力电池可以说是电动汽车的心脏，是车辆的核心部件。电池管理系统就是为了保证电池安全使用，充分发挥电池的能力和延长它的使用寿命而设计的一个系统。本文就是针对此系统，根据日常维修中常见的故障，进行深入的分析研究而总结出一些检修方法，这对今后维修这种新型的汽车是有很大帮助的。
二、动力电池的种类
1、铅酸电池
铅酸电池是一种比较常见的车用蓄电池。它作为一种动力电池，有很长的使用历史，具有技术成熟，可靠性强，成本低等特点。但是，铅酸电池的比能量、比体积都较小，直接导致其一次充电行驶的里程较短，运行的效率较低。所以，铅酸电池一般用在叉车、场内搬运车、观光车等专用机动车辆上。
2、镍镉电池
镍镉电池属于一种碱性电池，在各种电子设备当中使用较多。它比铅酸电池的充放电倍率更高，循环使用的次数更多，可达2000多次，是铅酸电池的两倍多，所以在推出市场之后得到一定的发展。但是，由于镍镉电池具有记忆性，而且电池中的镉元素对环境有污染性，一些环保要求比较高的国家和地区明文禁止镍镉电池使用在电动汽车上。镍镉电池已逐步淘汰。
3、镍氢电池
镍氢电池是继镍镉电池之后的新一代高能二次电池。它具有高容量、大功率、无污染等优点。与镍镉电池相比，它的容量提高50％，可实现快速充电。镍氢电池比镍镉电池具有更高的储存能力。高能量的镍氢电池的比能量可达到95Wh/kg，比功率达到9000W/kg，循环使用寿命可达1000多次。这种电池工作环境温度为-40—+55℃，高低温工作电池容量较少。此外，镍氢电池的工作电压为1.2V，可与镍镉电池互换使用。
4、锂离子电池
锂离子电池是继镍氢电池之后推出的又一款新型高性能电池。它与铅酸电池、镍氢电池对比，有如下的优点：
①单节工作电压高达3.2—4.2V，相当于3节镍氢电池或镍镉电池连接起来的电压，大大减少了电池组合体的数量，从而使到由于单体电池之间电压差引起的电池故障大大减少，延长了电池的使用寿命。
②能量密度高，是镍氢电池的两倍。
③能量效率高，镍氢电池的平均水平是55—65％，锂离子电池可以达到99％以上。
④自放电率低，低于6％。
⑤循环使用寿命长，可循环充电1000次以上，没有任何记忆效应。
⑥不含重金属和其它有害物质，是一款真正的绿色电源，所以目前电动汽车上用得较多。
三、动力电池管理系统（BMS）
电池管理系统是电动汽车能量管理的核心，英文Battery Management System的缩写即BMS。它的主要作用是通过对电压、电流、温度等数据进行检测监控，实现对电池系统的控制、保护、故障报警等操作，从而保证动力电池使用安全可靠，并延长电池的使用寿命。
1、BMS的功能
电池管理系统具有如下五项主要功能：
①电池状态的监控
对电池系统的电压、电流、温度等数据进行采集与监测，并且与整车控制器和其它控制系统交互，这是BMS最基本的功能。
②电池状态的分析
这个功能主要包括两个方面，一是对电池的荷电状态进行评估，即电池现在还剩下多少电量，这个信息会在仪表上显示。二是对电池的健康状态进行评估，主要是通过监测电池容量的衰减状态，评估电池性能的优劣。
③电池的安全保护和诊断
电池的过流、过充、过放、过温等都是通过电池管理系统监测并保护的，它属于电池管理系统中十分重要的功能。如果这些异常一旦被监测，系统就会采取切断回路、发出警告信息等措施。
④能量控制管理
BMS会进行充电控制、放电控制、电池均衡等管理，保证电池在最高效、最节能的状态下运行。
⑤电池的信息管理
主要是数据对内和对外的通信，以及信息的储存。对内就是与电池系统内部各子部件的数据交互，对外就是和整车控制器与电动机控制器数据的交互。此外，BMS还需要对电池的历史信息进行储存，用于数据的缓冲。
２、BMS的结构
电池管理系统主要由硬件和软件两部份组成。
如图1所示，硬件的组成是：主板、从板、高压保护盒、高低压接口以及连接各组成部件的线束。
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（1）硬件部份
主板
主板即Battery Control Unit，简称BCU。它主要通过收集来自各个从板对温度、电压、电流等采样信息，实时监控电池的各项状态，计算电池的荷电状态（SOC）等重要参数。低压接口是它与整车进行通信的接口，它同时控制着高压保护盒（BDU）内的继电器，保证电池在充放电过程中安全使用。
从板
从板即Local Control Unit，简称LCU。它安装在模组的内部，用于检测模组内各电芯的电压、电流、温度，并且把数据传给主板。从板还可以对电芯实施均衡控制。
高压保护盒
高压保护盒即Battery Disconnect Unit，简称BDU。它主要由预充电电路和继电器构成，受主板控制，用于保证动力电池的充放电安全。
（2）软件部份
如图2所示，电池管理系统的软件主要由应用层（Application Layer）和基础软件层（Basic Software，BSW）构成。它们两者之间是一个运行时环境（Run Time Environment，RTE），同时负责两者的通信，形成了一个分层体系架构。应用层是电池管理的核心，包括电池保护、故障诊断、热管理、继电器控制、从板控制、均衡控制、荷电状态估计以及通信管理等模块。
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四、动力电池管理系统故障的检修步骤
动力电池管理系统的主要故障是：电压异常、温度采集异常、CAN通信故障、绝缘故障、内/外总电压检测故障、预充电故障以及无法充电等故障。
对于故障的诊断和维修，要遵循由简到繁，由外到内的原则，一步步由浅入深，逐一分析查找原因，步骤如下所述：
1、耐心倾听客户对故障的描述，特别要重点了解车辆在出现故障时候的运行时间、使用工况、出现故障的前后情况，并做好相应记录。对于有疑问的地方，要仔细询问，尽可能全面了解故障。
2、观察汽车仪表或信息显示器上的信息，按照客户所描述的故障，模拟故障发生时的各种工况进行试车，从而对故障进行确认。
3、连接汽车故障诊断仪，进入动力电池系统，读取系统故障代码和系统的电量、电压、电流、温度等数据流信息。
4、根据读取的故障代码，结合数据流对故障部位进行检修。
五、动力电池管理系统常见故障的排除方法
1、电压异常
①采集线端子或固定螺丝松动导致线路接触不良，从而引起采集电压异常。用手轻轻摇晃线路或接头，观察电压的变化就可以判断出来。
②检查采集线保险丝是否正常，用万用表测量保险丝的阻值。如果超过1欧，就需要更换保险丝。
③电池自身电压确实不足。用万用表测量电池电压，再与监测电压进行对比分析，证实电池是否存在故障。
2、温度采集异常
①温度传感器故障。用万用表测量传感器的阻值，看是否在正常范围之内。如超出范围，则需要更换。
②传感器线路连接不良。用万用表测量传感器线路两端的导通性，看是否存在断路或短路。如果温度数据存在个别缺失，很有可能是线路接触不良所引起的。在测量线路的阻值时，用手轻轻摇晃传感器线路（特别是接头），观察万用表的读数，找出故障位置。
③BMS硬件的故障。如果BMS不能准确采集温度数据，而且经过上述温度传感器及其线路的检查都是正常的话，那么问题很可能就是出现在硬件上，此时需要更换从板。更换从板后，要重新加载电源，否则监控值异常。
3、CAN通信故障
新能源汽车的通信故障主要是由CAN线或者电源线脱落、端子退针等原因引起的。
①测量BMS电源电压，确保供电正常。
②在电源电压正常的基础上，把万用表打到直流电压档，红色表笔接触CAN-H端子，黑色表笔接触CAN-L端子，测量两端子之间的电压。正常情况下，电压值应为1.5伏。如果电压不符，则说明BMS硬件存在故障，需要更换。
4、绝缘故障
动力电池管理系统的绝缘故障主要出现在控制器内芯或线束与外壳短路；高压线破损与车体短路；电压采集线与电池箱短路这几方面。
①高压负载漏电的处理。逐个断开DC/DC、PCU、充电机、空调等负载，把漏电的负载排查出来，及时更换。
②线路破损引起的短路的处理。首先，使用兆欧表测量出哪束线路绝缘不良。查找线束的时候，可以采用分段查找，即逐个断开线束插头的方式，缩少排查范围，找出故障位置。然后，对故障点进行修复或更换损坏的零件。最后，再次使用兆欧表重新测量线路的绝缘情况。
③电池箱进水或电池电解液漏出的情况的处理。遇到这种情况要及时对电池箱进行清理、干燥，防止液体进入各零部件。对于损坏已不能正常使用的电池要立即更换。
5、内/外总电压检测故障
①电压采集线路或端子连接不良。用万用表测量检测点的总电压并与监控总电压对比，确认两者是否相符。如果不符，请先检查采集线路的插头是否连接牢固，再通过测量导线的阻值判断导线有否断路或短路。
②高压板故障。如果经检查，线路没有问题，但是检测点的总电压与监控电压对比，确实不符，那么故障很可能是在高压板上。更换新的高压板，重新检测。如果两者电压相符，就可以断定旧的高压板已经损坏。
6、预充电故障
①系统保险丝或预充电电阻损坏。用万用表测量预充电电阻的阻值，正常值约40欧。如损坏，请更换。
②预充继电器不能闭合，导致不能充电。此时需检查继电器控制线路电压是否达到12伏。如电压不达到，那可能是主板损坏了。更换新的主板，如果预充电成功，则说明是主板故障。
③外部高压部件故障。断开高压部件进行排查，如果预充电成功，则说明高压部件有故障，需更换损坏的外部高压部件。
④高压板外部总电压不符合规范。这种情况很可能是由于高压板引起的。更换新的高压板，看预充电是否成功。如果成功，则说明是高压板故障。
7、无法充电
①先检查充电保险丝是否损坏和松动。
②BMS可能监测到系统故障，不允许充电。使用车辆检测仪读取故障代码和进行数据流分析，找出故障原因并进行修复。故障修复之后，即可恢复充电。
③充电机和主板之间无法正常通信，导致不能充电。使用车辆检测仪读取整车CAN系统数据。如果发现BMS数据异常，故障很可能出在CAN线束上。此时，需要检查线束插头连接是否牢固，线束端子是否退针等。
④充电机或主板故障。逐一更换充电机或主板，再尝试充电。如果充电成功，则说明该部件存在故障。
六、结语
综上所述,近年来我国无论在政策方面还是资金方面都加大了对新能源汽车的扶持，大大促进了新能源汽车的快速发展,越来越多新能源汽车进入家庭。随着汽车的不断使用，不可避免会出现这样那样的故障。根据统计，纯电动汽车80％的故障都是出现在动力电池上。这对习惯于传统燃油汽车维修的广大汽车从业人员来说，是一个很大的挑战。因此，除了加强对动力电池管理系统的理论学习研究之外，在日常的维修工作中，还要不断地实践总结，才不会被时代所淘汰。
参考文献:
1、杨光明、陈忠民，电动汽车动力电池及管理系统原理与检修，化学工业出版社 2019.8。
2、杨宽，一本书读懂电动汽车， 化学工业出版社 2020.7。
3、桑雷，电动汽车动力电池管理系统控制方法分析，中国电业2020。