中汽研姜成龙:BMS测试评价与标准体系

发布时间:19-09-0410:32

高性能和高可靠BMS是保证电池系统安全、可靠、长寿命运行的关键,科学测评BMS具有重要意义。

本文为励展博览集团及NE时代于8月28-29日联合主办的 "第二届AWC2019新能源汽车关键元器件技术大会" 演讲嘉宾的现场实录。

演讲嘉宾:姜成龙中国汽车技术研究中心有限公司,检测认证事业部试验所工程师

演讲主题:BMS测试评价与标准体系

姜成龙:各位专家大家上午好,我是来自中国汽车技术研究中心的姜成龙,我今天报告的题目是动力电池BMS测试评价与标准体系。报告内容将从以下3个方面展开,第一个方面是:背景及意义,第二是BMS测评技术现状,第三个方面是BMS标准体系。

近年来在国家政策、市场、技术等多方面推动下我国新能源汽车大规模的推广应用。截止到2020年我国电动汽车保有量将突破500万辆。电动汽车推广普及将改变全球能源格局。

电动汽车安全事故近两年时有发生,主要原因分为四类:第一,充电过程中导致的安全事故,主要因为电芯一致性差、控制策略设计不当、充电桩与电池系统不匹配等。第二,碰撞。电动汽车行驶中正面或后碰引发系统X方向变形,或者侧面碰撞引发系统Y方向变形,车辆托底引起电池系统底部变形。第三,泡水,电池包IP防护设计不佳,进水后引发安全事故。第四,电动汽车自燃导致的事故。

今后电动汽车的保有量将会越来越大,同时电动汽车的安全性问题也日益突出。因此高性能和高可靠BMS是保证电池系统安全、可靠、长寿命运行的关键,科学测评BMS具有重要意义。如果管理系统管理不善,会直接降低电池的使用效率和循环寿命,甚至影响电池系统的安全性。因此要对BMS进行科学的测评和精准的评估,可以确保电池系统在复杂环境下的安全性、BMS在全生命周期的准确性、以及服役期间的高效性。当前针对BMS测试还存在一系列的问题:第一,BMS电气环境适应性测试方法沿用的是传统汽车测试方法,因为电动汽车电压等级较高,电气适应性会有别于传统汽车。第二,BMS功能安全要求及测试方法缺失。第三,当前标准只有SOC安时累积估算误差测评,针对其他SOX估算精度测评处于空白状态。第四,现有BMS测试平台对电池系统具有较强依赖性,测试周期长。

接下来讲一下BMS测试技术。目前BMS的主要功能有:电池状态监控、电池电量估计、电池能量均衡管理、电池系统热管理、电池故障诊断及预警、电池健康状态估计等。

BMS测评体系建设。中汽中心搭建了BMS软硬件测试评价验证平台,形成了相对完善的BMS测评技术体系;其中功能评价包含:功能安全分析、故障诊断分析控制、均衡管理功能、热管理功能等,性能表征包含:电池SOX估计算法、电气适应性能、环境适应性能、电磁兼容性能等。

BMS功能安全评价方法,首先要从整车或者电池系统层面明确BMS功能、在整车层面进行危害识别、场景分析、以及可能造成的危害事件、最终得出汽车安全完整性等级;然后针对BMS明确其功能安全目标,如防止电池过充、防止电池过温等,通过大量的试验形成测试用例库,以用于指导不同BMS功能安全测试。

BMS均衡功能评价方法。根据实际应用环境或者目的分析最佳均衡目标,如最大可用容量、最大可用能量、最大输出功率等。分析均衡电路的可靠性及均衡效率等。设计测试方法及流程,首先人为制造电池的不一致性,在一定充电倍率、放电工况、不同SOC范围内评价BMS的均衡效果。

BMS SOX测评方法。BMS SOX测评方法。主要的思路是用仿真环境评价BMS SOX估算精度,首先将电池实际寿命循环中得到的特征参数导入到BMS HIL中形成电池系统模型,仿真电池系统在各个阶段的SOX真值是已知的;用BMS去估算HIL模拟的电池系统,得到BMS估算的SOX值,将其与SOX真值进行比较,从而得到BMS的估算误差。

BMS电磁兼容方法。BMS电磁兼容测试方法,因为在整车中BMS主要受到电池包、电机、电控等部件的干扰,如果BMS电磁兼容做的不好,会影响其数据采集功能或者采集精度,存在安全隐患。对BMS的电磁兼容测试评价主要从电磁辐射发射、电磁传导发射、辐射发射抗扰度、传导发射抗扰度等方面开展。最终从测试强度和功能要求的角度,建立适用于电动汽车BMS的电磁兼容评价体系。

接下来介绍BMS标准体系。已发布国家/行业标准:现在我们在用的就是QCT 897,相对来说比较弱,还有GBT31467.3,GBT27930,GBT32960.3。正在制定的国家标准有GBT电动汽车用电池管理系统技术条件,GBT电动汽车用电池管理系统功能安全要求及试验方法,GB电动汽车用动力蓄电池安全要求。还有制定中的团体标准,热管理系统性能试验方法,电动汽车用池管理系统健康状态(SOH)估算误差试验方法。

QCT 897测试项目,常规功能测试如状态参数精度、SOC估算精度、电池故障诊断、电气环境适应性等,环境适应性能如温度环境、振动、电磁兼容等。

QCT 897环境测试包括高低温、温变、湿热、盐雾环境,过压、欠压、极性反接等电气适应性评价等。

在GBT 31467.3中过温过充过放这几项保护试验是和BMS相关的。在做过温、过充、过放保护试验时需要BMS起作用。主要目的检验BMS在监测到故障时是否能够及时的做出相应动作,防止危险事故的发生。

GBT27930,电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议,主要是管理充电过程,包括充电机物理连接、低压辅助上电、充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段、充电结束。

测试了200辆车,发现了一些问题,不能充电的是23次左右,充电不安全是61次,时序错误98次,其他问题是45次。典型问题1是不能充电,S2不闭合、电动汽车车载充电机不工作,影响用户使用。问题2:充电不能正常启动,无PWM信号情况下,插枪即充电。问题3:充电时序异常,充电电流32A,无S2,车辆无安全检查。

GBT3296.03,电动汽车远程服务与管理系统技术规范第三部分:通信协议及数据格式。主要规定的是BMS通信协议,需要电动汽车与车企的企业平台、公共平台进行交互信息时不存在障碍,需要将通信协议进行统。

0X06表示的是极值数据,07是报警数据,08是可充电储能装置电压数据,09是温度的数据。

GBT电动汽车用电池管理系统技术条件。着重考虑安全性要求,对于均衡功能等项目统一推荐测试方法,不设具体指标。这增加了对BMS电磁兼容性能要求的考核,保证BMS在电动汽车复杂的电磁环境下可靠工作。

相比于QCT 897增加了电气环境适应性测试,电磁兼容测试,SOP估算精度测试方法等;同时总电压、总电流、温度环境试验、机械性能试验、SOC估算精度等测试方法均进行了补充丰富。

在汽车标准化委员会关于功能安全技术和标准研究规划中,GBT 《道路车辆功能安全》其中《BMS功能安全》是重要组成部分。这一标准将会在今年内在行业内征求意见。左边是标准的框架,右边是标准的主要四个安全目标,防止电池单体过放、过流、过温、过充导致的热失控。

GB电动汽车用动力蓄电池安全要求。这是随时可能会发布的新的强制性标准,其中过流、过放、过充、过温保护,热扩散试验和BMS相关。和GBT比较,多了一项过流保护试验,在试验过程中要求电池管理系统起作用。相比GBT新GB增加了一项热扩散试验,电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5 min,应提供一个热事件报警信号(服务于整车热事件报警,提醒乘员疏散)。如果热扩散不会产生导致车辆乘员危险的情况,则认为该要求得到满足。在试验过程中需要观察BMS是否有报警信号发出,如果没有则不符合标准要求;如果报出报警信号但是5分钟之内发生起火爆炸等现象也是不符合要求的;热事件报警信号发出5分钟之后发生起火爆炸现象或者始终没有发生危险则认为可以满足标准的要求。

这是动力电池热管理系统的行业标准。热管理系统包含三个系统,冷却系统、保温系统、加热系统。主要测试内容,有冷却性能、保温性能、安全性、加热性能、均温性能等。

这是我们公司的简单介绍,中国汽车技术研究中心有限公司,我来自试验所,我们公司还包括标准所、试验所等几十家下属机构。我介绍一下我们试验室,我们试验室动力电池相关测试能力在国内处于领先水平,主持、参与起草动力电池相关国际标准法规2项、国标8项,主持/参与10+国家/省部级科研项目,牵头“动力电池测试评价技术”新能源汽车重点专项,牵头成立“动力电池测试联盟”。

谢谢大家。

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