電動汽車單體電池采集電路故障分析與對策

李 輝， 溫晶君

(東軟睿馳汽車技術(shù)(沈陽)有限公司， 沈陽 110179)

動力電池是電動汽車的主要動力源[1-2]，其健康狀態(tài)直接關(guān)系到整車運行以及人身安全。電動汽車電池管理系統(tǒng)中單體電池信息采集系統(tǒng)的可靠性，是重要的研究課題[3]。電動汽車中高可靠性的單體電池采集電路，可極大程度地避免拆開電池包進行電池故障的檢測，這對降低用車成本和提高安全性來說是非常重要的。本文針對電動汽車單體電池采集電路的主要故障進行分析，并給出有效的解決對策。

1 單體電池采集電路的主要故障

在電動汽車中，單體電池信息不僅是電池管理系統(tǒng)上電自檢完成的重要因素，還是動力電池充放電控制策略的關(guān)鍵因素。電動汽車的動力電池在使用過程中，如果不能合理使用單體電池信息，極有可能出現(xiàn)過度充電或者過度放電[4]。而單體電池的電壓和溫度等參數(shù)是其充放電的關(guān)鍵參數(shù)，可通過單體電池信息采集電路進行接收和處理。因此單體電池信息采集電路的可靠性直接影響動力電池組的性能和使用壽命[5]。

電動汽車單體電池信息采集電路主要由單體電池模組、濾波及防護單元、單體電池信息采集模擬前端(下面簡稱AFE)、菊花鏈通信單元和單體電池信息采集單元組成，其架構(gòu)如圖1所示。其中濾波及防護單元和菊花鏈通信單元最易出現(xiàn)電路故障。

圖1 單體電池信息采集架構(gòu)

2 單體電池采集電路故障分析與對策

本文故障電池模組由180節(jié)三元鋰電池組成，模組內(nèi)部含有FUSE熔斷器(下面簡稱FUSE)和單體電池信息采集板(下面簡稱BIC)等組件。其中BIC由AFE采集芯片及其外圍電路構(gòu)成。單個AFE最多支持采集14節(jié)單體電池信息，將5個AFE集成在同一塊BIC上，本系統(tǒng)共需要3個BIC。基于成本和性能的考量，每個AFE之間采用電容隔離通信，每個BIC之間采用變壓器隔離通信，為均勻分配單體采集通道，每個AFE采集12節(jié)單體電池信息，從AFE1至AFE15依次對應采集第1節(jié)電池CELL1至第180節(jié)電池CELL180，模組系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 模組系統(tǒng)框圖

在動力電池包試驗和電動汽車應用中總結(jié)出主要的單體電池采集電路故障，主要表現(xiàn)為單體電池的電壓異常和菊花鏈通信異常。

2.1 單體電池電壓異常分析與對策

動力電池包在批量應用前，需要依據(jù)相關(guān)標準，如GB 38031—2020[6]對電池包的安全性進行試驗，試驗過程中多次插拔BIC是不可避免的操作，而BIC始終是帶電插拔，必然會產(chǎn)生浪涌沖擊，根據(jù)實際故障得知其中的BIC1采集的CELL59和CELL60分別是2.6 V和約5 V的異常電壓。首先確認出現(xiàn)異常電壓位置不存在復合母排或FUSE等特殊的電芯排布組件，排除外部電氣附件因素，而且CELL59加上CELL60的電壓總和約為7.6 V，約等于兩節(jié)單體的正常電壓，異常現(xiàn)象符合單體斷線檢測故障的特征。

下面結(jié)合BIC出現(xiàn)故障位置的電路圖(圖3)，分析導致電路故障的根源。假設(shè)CELL59出現(xiàn)斷線，以CELL58為參考點，即CELL58=0 V，CELL60≈7.6 V，結(jié)合AFE芯片內(nèi)部采集端口串聯(lián)電容C1和C2及其外圍電容一起分析CELL電壓。串聯(lián)電容兩端電壓公式如下：

U1=C2×U/(C1+C2)

(1)

U2=C1×U/(C1+C2)

(2)

當CELL59出現(xiàn)斷線時，C2將給C7和C8充電，C2等效并聯(lián)電容等于C7+C8+C2三者總和，為104 nF，即C2等效并聯(lián)的電容約為C1的10倍，結(jié)合式(1)和式(2)可知，C1產(chǎn)生的電壓會超出內(nèi)部鉗位二極管電壓的上限值(5 V)，因此C1兩端電壓略高于5 V，即CELL60約為5 V，則CELL59約為2.6 V，至此驗證了CELL59斷線的推斷。從圖3可知CELL59通路上有一個0402封裝的2.2 Ω電阻R5，測量R5阻值已經(jīng)超過400 kΩ，證實2.2 Ω電阻已經(jīng)損壞。

圖3 BIC部分電路圖

根據(jù)前面提到的操作多次插拔BIC，推斷是熱插拔[7]浪涌沖擊導致R5損壞，通過專業(yè)設(shè)備測試電路上的浪涌沖擊，測試結(jié)果為在模組上最大電壓65 V時，出現(xiàn)最大浪涌電流為4 A，持續(xù)時間約4 μs，換算等效功率約為12 W，結(jié)合圖4可知0402封裝電阻4 μs時僅能承受10 W以內(nèi)的功率(封裝代號2512到0402與曲線由上至下一一對應)，因此基于BIC電路功能和熱插拔損壞電路的機理，將R5選用為1206封裝的10 Ω電阻，既保證電路抗浪涌的沖擊，又無需額外增加防護器件，提高產(chǎn)品的性價比。

圖4 電阻單脈沖功率圖

2.2 菊花鏈通信異常分析與對策

無論是電動汽車的可靠性耐久試驗[8]，還是動力電池包故障檢修，因操作不規(guī)范導致FUSE損壞時有發(fā)生。FUSE是動力電池包短路保護的重要器件，它的損壞會連帶沖擊BIC電路，引起菊花鏈通信異常。

本文分析故障系統(tǒng)中BIC2的AFE7與AFE6之間的菊花鏈通信異常原因發(fā)現(xiàn)是兩者之間的FUSE損壞，瞬態(tài)沖擊導致菊花鏈通信異常。模組系統(tǒng)BIC2電氣連接情況如圖5所示。

圖5 模組系統(tǒng)BIC2電氣展開圖

單體電池信息采集單元依次從AFE15至AFE1獲取單體電池信息，BIC2上的AFE7與AFE6通過電容和電阻串聯(lián)連通菊花鏈路徑。分析其中一條通信路徑，另一條同理。C1是10 nF/1 000 V的高壓電容，R1是0603封裝的62 Ω電阻，AFE端口有5 V鉗位二極管。當FUSE正常工作時，C1兩端電壓U1是AFE_GND7到AFE_GND6的電壓，即U1等于12節(jié)單體電壓的總和，約為50 V，此時FUSE兩端電壓Vf極小,約為0 V，R1兩端壓差約為0 V。當FUSE因瞬態(tài)過流損壞時，依據(jù)FUSE的特性可知，此時FUSE的等效電阻Rf增大，由Vf=I×Rf可知，Vf增大，電容C1兩端壓差不會瞬間突變,依舊保持50 V，因此R1兩端壓差變?yōu)閂f-5 V。假設(shè)過流狀態(tài)下，參照圖6的FUSE觸發(fā)動作I-t曲線，過流電流為5 kA，熔斷時間為10 ms，Rf為10 mΩ，得知Vf為50 V，那么R1兩端壓差為45 V，R1耐受功率約為32.7 W。依據(jù)圖4可知，0603封裝的電阻R1在3 μ以內(nèi)就會燒毀，因此FUSE瞬態(tài)過流的發(fā)生引起Vf增大是導致菊花鏈通信異常的根源。

圖6 FUSE觸發(fā)動作I-t曲線

為避免上述故障的發(fā)生，有兩種對策，一種是調(diào)整FUSE的布置位置，將其放置在BIC與BIC之間，利用變壓器的強抗干擾特性保護電路的安全性；另一種方案是在BIC板上的每個AFE之間冗余設(shè)計隔離變壓器的板位，有利于靈活應對模組的電氣架構(gòu)，如果一個BIC避不開FUSE的布置位置，那就將FUSE放置在AFE與AFE之間，同時AFE之間選用變壓器隔離通信，這樣就可通過匹配電路器件保障BIC電路的可靠性。第一種對策適用于用戶接受重新調(diào)整電芯排布，同時又可以不改動BIC電路的情況；第二種對策適用于用戶靈活匹配電氣架構(gòu)，同時接受升級BIC電路的情況。兩種對策可以覆蓋大部分應用場景，保障BIC菊花鏈通信的可靠性。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合動力電池包及電動汽車應用中的典型案例，闡述了電動汽車中動力電池單體采集電路主要故障產(chǎn)生的根源，通過詳細的理論分析及計算，針對故障產(chǎn)生機理，給出有效的解決對策，并且經(jīng)過本文兩種不同策略調(diào)整后的BIC均已在實車中應用，目前運行穩(wěn)定，滿足客戶的需求。