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電車試驗(yàn)：電池系統(tǒng)要求

2022-01-26 13:28:37·  來源：汽車測(cè)試網(wǎng)  
　
一、BMS 設(shè)計(jì)開發(fā)與故障處理1、BMS 設(shè)計(jì)開發(fā)BMS 基本功能的設(shè)計(jì)與開發(fā)建議關(guān)注以下內(nèi)容：（1）能有效對(duì)電池系統(tǒng)的單體電壓、電流、溫度、絕緣阻值等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量

 
一、BMS 設(shè)計(jì)開發(fā)與故障處理
1、BMS 設(shè)計(jì)開發(fā)
BMS 基本功能的設(shè)計(jì)與開發(fā)建議關(guān)注以下內(nèi)容：
（1）能有效對(duì)電池系統(tǒng)的單體電壓、電流、溫度、絕緣阻值等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度及頻率應(yīng)在常規(guī)工況及惡劣極端工況下均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)采樣電路具有保護(hù)機(jī)制，避免高壓短路故障。
（2）能準(zhǔn)確計(jì)算電池系統(tǒng)SOC、SOE、SOH，并結(jié)合當(dāng)前電池電壓、溫度等狀態(tài)計(jì)算安全的可用充放電功率區(qū)間，確保不會(huì)對(duì)電池造成單次或累積的安全影響。
（3）建議整車能較準(zhǔn)確估算車輛剩余里程，防止電池系統(tǒng)在使用過程中因剩余里程錯(cuò)誤導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)異常中斷。
（4）充電過程中，BMS 應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)電池系統(tǒng)及充電機(jī)狀態(tài)，當(dāng)電池系統(tǒng)或充電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止充電過程并進(jìn)行報(bào)警。
（5）能夠根據(jù)測(cè)量信息及電池使用條件，通過熱管理系統(tǒng)對(duì)電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度進(jìn)行有效的調(diào)控，使電池充放電過程執(zhí)行在合適的溫度區(qū)間，避免因單次或累積的高低溫操作引發(fā)的電池安全隱患。
（6）BMS 功能應(yīng)通過必要的測(cè)試驗(yàn)證，包括：絕緣性能測(cè)試、電氣適應(yīng)性能測(cè)試、環(huán)境適應(yīng)性能測(cè)試、電磁兼容性能測(cè)試，確保其在不同工況、環(huán)境下均能有效工作。
BMS 系統(tǒng)基本功能的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證可參考GB/T《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》。
2、故障處理基本要求
（1）能有效及時(shí)判斷電池單體或系統(tǒng)的故障，包括但不限于電池過壓、欠壓、過溫、過流、絕緣降低等，并能以可靠的通訊方式通知整車，并采取相應(yīng)的措施。
? 根據(jù)電池類型標(biāo)定不同的故障閾值
? 根據(jù)電池的使用環(huán)境、不同的生命周期調(diào)整合適的故障閾值和檢測(cè)時(shí)間，確保系統(tǒng)安全。
（2）BMS 對(duì)電池故障的檢測(cè)周期或消抖時(shí)間應(yīng)滿足安全需求，即在整個(gè)故障的檢測(cè)、通訊、處理周期完成前電池系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生對(duì)整車或乘員的危害。
（3）當(dāng)發(fā)生故障的條件下，如非絕對(duì)必要，電池系統(tǒng)應(yīng)先通知駕駛員采取必要措施后，如通知駕駛員減速靠邊等，再進(jìn)行斷電保護(hù)處理。
（4）發(fā)生故障后，應(yīng)在確認(rèn)故障消失或足夠的安全余量后，才能允許對(duì)電池系統(tǒng)繼續(xù)操作。對(duì)于電池系統(tǒng)的永久性故障，如電池單體嚴(yán)重過放至1V 以下等，建議對(duì)故障進(jìn)行鎖存記錄并防止對(duì)電池系統(tǒng)繼續(xù)操作，避免后續(xù)的安全問題。
（5）BMS 建議具備故障存儲(chǔ)功能，能夠記錄電池系統(tǒng)發(fā)生過的一段時(shí)間內(nèi)的所有故障代碼，并可在維護(hù)時(shí)通過外部操作清除；能夠根據(jù)廠家需要記錄第一次或最后一次發(fā)生故障時(shí)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括電池的單體電壓、溫度、電流等信息。
3、典型故障信號(hào)處理策略
（1）閾值的設(shè)定通常由電芯企業(yè)及整車企業(yè)根據(jù)電芯特性及整車控制要求確定，不同電池系統(tǒng)的閾值不同。典型故障可參考《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》，以下為參考處理策略：
? 電池溫度大于設(shè)定閾值：建議采用降低充放電功率等保護(hù)措施；若保護(hù)措施無效，建議執(zhí)行下電保護(hù)流程或中止充電。
? 電池溫度小于設(shè)定閾值：建議啟動(dòng)加熱功能，限制輸入、輸出功率。若需要進(jìn)行充電流程，建議當(dāng)電池溫度加熱至最低允許充電溫度后再進(jìn)行充電。
? 單體電壓或總電壓大于設(shè)定閾值：建議停止充電或禁止回饋；若電壓持續(xù)升高或大于絕對(duì)安全閾值，建議執(zhí)行下電保護(hù)流程。
? 單體電壓或總電壓低于設(shè)定閾值：根據(jù)放電深度程度不同可采取不同措施，如提示用戶充電、禁止放電或執(zhí)行下電保護(hù)流程等。
? 電芯一致性偏差大于設(shè)定條件：根據(jù)整車廠及電芯廠制定的判定條件可采取不同措施，如啟動(dòng)均衡、提示用戶進(jìn)店維護(hù)或執(zhí)行下電保護(hù)流程等。
? 充電電流（功率）大于最大允許閾值：如在行駛過程中，建議降低或停止回饋；充電過程中建議進(jìn)行降電流操作。若以上措施無效，建議執(zhí)行下電保護(hù)流程。
? ·放電電流（功率）大于最大允許閾值：建議降低運(yùn)行功率；若無效，建議執(zhí)行下電保護(hù)流程。
? 絕緣電阻小于設(shè)定閾值：建議根據(jù)絕緣故障程度采取通知整車或執(zhí)行下電流程等。
? 電池系統(tǒng)內(nèi)部溫差大于設(shè)定閾值：建議采用降低充放電功率等保護(hù)措施；若保護(hù)措施無效，建議執(zhí)行下電保護(hù)流程或中止充電。
? 高壓回路異常：建議執(zhí)行下電保護(hù)流程。
? BMS 采樣、處理器及執(zhí)行器相關(guān)故障（例如: 電壓采樣故障、溫度采樣故障、電流采樣故障、MCU 故障、供電故障、存儲(chǔ)故障、執(zhí)行器故障、碰撞事件，等）檢測(cè)、判定及處理方式，建議結(jié)合功能安全需求進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以滿足相關(guān)安全需求。
（2）應(yīng)根據(jù)故障特點(diǎn)，細(xì)化故障處理策略，對(duì)故障進(jìn)行分級(jí)管理，不同級(jí)別的故障采用不同的對(duì)應(yīng)策略，例如：告警、限功率、下高壓、提醒用戶遠(yuǎn)離車輛,等，盡量避免行駛過程中的直接高壓下電。
（3）故障閾值設(shè)置、判斷時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間應(yīng)充分考慮電池系統(tǒng)的能力及車輛運(yùn)行需求，避免漏報(bào)和誤報(bào)。
二、充電、運(yùn)行工況下許用電流、功率控制
1、許用電流/功率限制
（1）充電、運(yùn)行工況下，許用電流/功率控制限制表應(yīng)充分結(jié)合電池系統(tǒng)的能力（結(jié)合電芯廠提供的許用電流/功率限制表）及車輛使用需求綜合設(shè)定，考慮充電及運(yùn)行工況（制動(dòng)回饋、放電）對(duì)電流持續(xù)時(shí)間的需求，通常設(shè)定峰值電流/功率表（例如：2s，5s，10s，30s）、持續(xù)電流/功率表（例如：60s，3min，持續(xù)等）。
（2）因溫度、SOC 變化而導(dǎo)致的峰值電流/功率及持續(xù)電流/功率切換時(shí)，BMS 應(yīng)確保許用電流/功率平滑過渡。
（3）BMS 應(yīng)充分考慮電池系統(tǒng)的許用能力，結(jié)合電池系統(tǒng)壽命終止時(shí)的可用電量、許用功率衰減，綜合確定全壽命周期內(nèi)的許用電流/功率限制值。
（4）功率限制值應(yīng)考慮系統(tǒng)元器件最大承受能力，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)各元器件可承受最大載流量值的最小值確定。
（5）BMS 實(shí)時(shí)監(jiān)控電流及電壓，如果實(shí)時(shí)充放電電流/功率超過許用電流/功率，BMS記錄DTC，通知整車。
（6）當(dāng)充放電電流/功率超過許用電流/功率，BMS 應(yīng)執(zhí)行多級(jí)控制策略，分階段主動(dòng)降低功率，避免電池系統(tǒng)起火、爆炸。
2、充電功率控制策略
（1）直流充電
直流充電應(yīng)遵循《GB/T 27930 電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》、《GB/T 18487.1-2011 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1 部分：通用要求》、《GB/T20234.1-2015 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置通用要求》等標(biāo)準(zhǔn)要求。
充電過程中，BMS 監(jiān)控各種參數(shù)的變化，包括異常參數(shù)（如：過壓、過溫、過流等），當(dāng)達(dá)到充滿電的要求、或者故障發(fā)生時(shí)，向充電機(jī)發(fā)送充電中止指令，主動(dòng)停止充電過程。
（2）交流充電
通常，BMS 向OBC 發(fā)送電流需求及電壓需求，通過OBC 控制充電過程。充電過程中，BMS 監(jiān)控各種參數(shù)的變化，包括異常參數(shù)（如：過壓、過溫、過流等），當(dāng)達(dá)到充滿電的要求、或者故障發(fā)生時(shí)，向OBC 發(fā)送充電中止指令，主動(dòng)停止充電過程。
3、大功率充電策略
（1）電池供應(yīng)商應(yīng)充分執(zhí)行大功率充電測(cè)試，提供規(guī)定時(shí)間內(nèi)（例如：10min、15min、20min、30min）允許的最大電流值，該數(shù)值需要考慮溫度、SOC 及SOH 的影響。
（2）溫度測(cè)量應(yīng)盡量覆蓋充電回路中可能的高溫點(diǎn)，包括：電池模組的最高/最低溫度點(diǎn)、車輛與充電樁的連接器、充電線纜、分流器形式電流傳感器；同時(shí)應(yīng)關(guān)注模組間連接銅排、電池包充電連接器的溫度。
（3）BMS 應(yīng)監(jiān)控充電功率、溫控點(diǎn)溫度，當(dāng)充電功率、測(cè)量點(diǎn)溫度超出限制閾值，應(yīng)及時(shí)向充電機(jī)通報(bào)故障。
（4）當(dāng)發(fā)生故障需要停止大功率充電時(shí)，BMS 首先申請(qǐng)充電樁降低輸出功率，由充電樁控制結(jié)束充電過程。如充電樁故障致使無法停止充電，BMS 應(yīng)緊急斷開充電繼電器，停止大功率充電。
（5）針對(duì)大功率充電可能持續(xù)產(chǎn)生的大量熱量，應(yīng)優(yōu)化熱管理策略，適當(dāng)降低啟動(dòng)制冷功能的溫度閾值。充電結(jié)束后，如果電池包溫度仍然偏高，需要繼續(xù)維持制冷功能，使電池系統(tǒng)溫度回到合理范圍。
（6）應(yīng)監(jiān)控大功率充電的使用頻率，避免頻繁執(zhí)行大功率充電可能導(dǎo)致的電池性能下降或安全隱患。
三、BMS 功能安全
BMS 功能安全的主要目的是避免BMS 系統(tǒng)電子/電氣功能異常引發(fā)的危害而導(dǎo)致嚴(yán)重人身傷害事件（起火、爆炸、排氣、電擊）的風(fēng)險(xiǎn)。
BMS 功能安全活動(dòng)重點(diǎn)關(guān)注以下方面：確定功能安全目標(biāo)與安全需求、功能安全產(chǎn)品開發(fā)、功能安全目標(biāo)驗(yàn)證與確認(rèn)。
1、確定功能安全目標(biāo)與安全需求
應(yīng)在整車級(jí)別執(zhí)行電池系統(tǒng)的危害分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，明確功能安全目標(biāo)、ASIL 等級(jí)、安全狀態(tài)及FTTI，定義功能安全需求及控制策略。
建議BMS 包含以下功能安全目標(biāo)，以避免電池系統(tǒng)的熱失控風(fēng)險(xiǎn)：
? 防止電池單體過充導(dǎo)致熱失控
? 防止電池單體過放后再充電導(dǎo)致熱失控
? 防止電池單體過溫導(dǎo)致熱失控
? 防止動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)過流導(dǎo)致熱失控
建議BMS 包括以下功能安全目標(biāo)，以避免電池系統(tǒng)的電擊風(fēng)險(xiǎn)：
? 確保車輛碰撞發(fā)生時(shí)切斷高壓回路
? 絕緣失效禁止吸合高壓接觸器
? 高壓互鎖失效禁止吸合高壓接觸器
建議BMS 包含以下功能安全目標(biāo)，以避免系統(tǒng)動(dòng)力異常中斷：
? 避免非預(yù)期切斷高壓接觸器
電池系統(tǒng)危害分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及功能安全需求定義建議參考《GB/T 39086-2020 電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)功能安全要求及試驗(yàn)方法》
2、功能安全產(chǎn)品開發(fā)
BMS 功能安全設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)遵循嚴(yán)格的流程規(guī)范，應(yīng)關(guān)注以下活動(dòng)：
（1）使用DIA 規(guī)范整車廠和供應(yīng)商間的職責(zé)劃分。
（2）執(zhí)行汽車安全生命周期中的各級(jí)設(shè)計(jì)活動(dòng)。針對(duì)不同設(shè)計(jì)階段，實(shí)施相應(yīng)的驗(yàn)證活動(dòng)（評(píng)審/測(cè)試），使用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法（例如：缺陷注入方法）驗(yàn)證安全機(jī)制的有效性，確保測(cè)試用例的完備性和測(cè)試覆蓋度。
（3）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)階段執(zhí)行功能安全分析（FMEA、FTA、DFA、FMEDA），滿足ASIL 等級(jí)相關(guān)要求。
? 執(zhí)行系統(tǒng)安全分析，識(shí)別違反功能安全目標(biāo)的失效模式，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)確保故障發(fā)生時(shí)，整車能在FTTI 時(shí)間內(nèi)進(jìn)入安全狀態(tài)
? 執(zhí)行軟件安全分析，針對(duì)軟件失效模式，確定軟件安全機(jī)制
? 執(zhí)行硬件安全分析，基于硬件器件的失效率、失效模式、失效分布，對(duì)硬件架構(gòu)進(jìn)行評(píng)估（SPFM、LFM、PMHF），完善硬件安全機(jī)制，確保滿足安全等級(jí)要求
? 安全分析應(yīng)持續(xù)、迭代執(zhí)行，針對(duì)安全分析中發(fā)現(xiàn)的問題，需不斷優(yōu)化更新安全機(jī)制。
（4）軟件設(shè)計(jì)建議采用標(biāo)準(zhǔn)化軟件架構(gòu)（例如：AUTOSAR），軟件開發(fā)應(yīng)遵循符合功能安全要求的建模規(guī)范和代碼規(guī)范，使用多種模型/代碼測(cè)試方法（例如：MIL、SIL、PIL、HIL）進(jìn)行軟件集成和測(cè)試，確保滿足軟件覆蓋度要求。
（5）關(guān)注需求、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證之間的雙向追溯和一致性，確保需求變更、缺陷修正的可跟蹤性。
（6）執(zhí)行軟件/硬件組件鑒定和再用證明相關(guān)活動(dòng)，確保軟件/硬件組件使用的合適性。實(shí)施工具鏈置信度評(píng)估，確保工具置信度水平（TCL）滿足要求。
（7）執(zhí)行與安全目前等級(jí)相適應(yīng)的認(rèn)可措施，包括：認(rèn)可評(píng)審、安全審核和安全評(píng)估。
功能安全產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)建議參考《GB/T34590-2017 道路車輛功能安全》。
3、功能安全目標(biāo)驗(yàn)證與確認(rèn)
應(yīng)在系統(tǒng)級(jí)、整車級(jí)對(duì)BMS 功能安全需求及功能安全目標(biāo)執(zhí)行驗(yàn)證與確認(rèn)，確保達(dá)成整車功能安全目標(biāo)。
如果除BMS 功能安全保護(hù)機(jī)制外，整車還設(shè)計(jì)了其它安全機(jī)制（如：機(jī)械、化學(xué)等），功能安全目標(biāo)的驗(yàn)證與確認(rèn)也應(yīng)覆蓋這些安全機(jī)制。
電池系統(tǒng)的功能安全目標(biāo)驗(yàn)證與確認(rèn)活動(dòng)建議參考《GB/T 39086-2020 電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)功能安全要求及試驗(yàn)方法》。
四、熱失控、預(yù)警識(shí)別策略
1、電池包熱失控基本防護(hù)
電池包應(yīng)具有熱失控防護(hù)措施，保證熱失控發(fā)生后，可以在一定時(shí)間內(nèi)確保電池包不發(fā)生導(dǎo)致人生傷害的事件發(fā)生（起火、爆炸等）。
2、熱失控提前探測(cè)預(yù)防
BMS 可考慮監(jiān)控導(dǎo)致熱失控的事件（如電壓、電流、溫度超過安全使用范圍、內(nèi)短路等），在熱失控發(fā)生前采取緊急應(yīng)對(duì)措施（如報(bào)警、限制功率、切斷高壓回路等），同時(shí)提醒乘員采取避險(xiǎn)措施。
3、熱失控探測(cè)及告警
（1）電池發(fā)生熱失控及熱擴(kuò)散時(shí)，電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度、氣體成份、壓力等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)對(duì)熱失控及熱擴(kuò)散進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定適合的熱失控和熱擴(kuò)散探測(cè)手段（例如：溫度、氣體、壓力等），并確保探測(cè)器的檢測(cè)精度滿足需求。
（2）當(dāng)BMS 確認(rèn)發(fā)生電池?zé)崾Э貢r(shí)，應(yīng)把熱失控信號(hào)傳遞給整車，整車應(yīng)通過指示裝置（儀表或其他裝置）提供一個(gè)明顯的熱失控報(bào)警信號(hào)以及警示聲，提醒駕駛員和乘客疏散；同時(shí)，BMS 請(qǐng)求下高壓，整車根據(jù)當(dāng)時(shí)工況進(jìn)入緊急下電流程。
（3）建議BMS 應(yīng)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電池系統(tǒng)及其部件的異常溫度升高，對(duì)電池系統(tǒng)的熱失控要盡可能早地發(fā)出預(yù)警信號(hào)。
（4）熱失控探測(cè)及報(bào)警功能應(yīng)在運(yùn)行模式下執(zhí)行，其有效性應(yīng)通過整車級(jí)測(cè)試，避免漏報(bào)、誤報(bào)。
（5）熱失控探測(cè)及預(yù)警功能應(yīng)滿足整車功能安全要求。 
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