2.1 动力电池管理系统（BMS）故障诊断与排除（教案）-《新能源汽车综合故障诊断》同步教学（理工教育）

《新能源汽车综合故障诊断》教案 授课章节 名 称 项目二 高压启动系统故障诊断与排除 任务一 动力电池管理系统（BMS）故障诊断与排除 项目 描述 企业 需求 根据客户反应，吉利EV450在使用过程中，针对于高压启动系统，遇到车辆高压无法上电那么接下来我们将通过学习解决高压启动系统部分典型故障。 知识 目标 1、掌握高压上下电控制原理 2、掌握BMS结构原理 3、了解高压互锁线路种类与作用 4、掌握电路图的查询方法 学习时间 学时 12 技能 目标 1、能够正确运用万用表、示波器、诊断仪等常见设备 2、能够准确对线路原理图进行识读和分析 3、 能够对常见高压不上电故障进行诊断与排除 4、具备新标准、新政策的学习能力 素养 目标 1、提高与时俱进、不断学习的意识 2、增强创新意识 3、培养工匠精神，关怀客户切身利益 吉利帝豪EV450高压供电系统由动力蓄电池经车载充电器分线盒为电机控制器PEU、驱动电机、电动空调压缩机、PTC加热器等高压部件提供能量。此外动力电池还有一套直流快充充电系统和一套交流慢充充电系统。 1.动力蓄电池 动力蓄电池是纯电动汽车三大核心部件之一。吉利帝豪EV450动力电池采用三元锂电池。主要由各模组总成、CSC采集系统、电池控制单元（BMU）、电池高压分配单元（B-BOX）等部件组成，动力电池包总成安装在车体下部, 封装在箱体内。 2.高压配电系统 高压配电系统是纯电动汽车三大核心系统之一。吉利帝豪EV450的高压配电系统安装在前舱，其由车载充电器分线盒承担，主要集成了车载充电机OBC和高压电能的分配两个部分，如图所示。 3.电机控制系统 如图所示，电机控制系统包含DC/DC变换器和电机控制器两部分。 DC/DC变换器的功能是将动力电池的高压直流电转换为整车低压12V直流电，给整车低压用电系统供电及铅酸蓄电池充电。 电机控制器其采用CAN通讯控制，控制着动力电池组到电机之间能量的传输，同时采集电机位置信号和三相电流检测信号，精确地控制驱动电机运行。 4.驱动电机 驱动电机是纯电动汽车三大核心系统之一，安装在车体下部位置，驱动电机是车辆行驶的主要执行机构，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和舒适性，如图所示。 5.空调与暖风系统 如图所示，吉利帝豪EV450的空调与暖风系统安装在前舱，使用的是高压电动空调，电动压缩机用于制冷循环，主要作用是将从蒸发器来的低温低压气体压缩成高温高压气体，为整个制冷系统提供源动力。暖风系统采用PTC加热丝进行加热。 6.充电系统 充电系统从功能上分为快充、慢充、低压充电、制动能量回收四项。图示仅仅是快充接口和慢充接口以及他们在车身的位置，如图所示。 教法 讲授法、启发式教学法、提问法 学法 讨论法、自主探究法 教学辅助 PPT、微视频 教学过程 主 要 教 学 内 容 及 步 骤 教师活动 学生活动 设计意图 导入新课 【任务描述】 吉利EV450电动汽车无法正常行驶，打开点火开关，高压不上电，READY指示灯不亮，请在约定时间内对车辆进行诊断与维修，并给客户提出用车建议。 同学们，课程开始之前，请大家先思考以下几个问题： 1. 高压上、下电控制的原理是什么？ 2. BMS功能的原理是什么？ 学生听讲，并思考老师的问题 引出本节课的知识点，引导学生思考并学习动力电池管理系统（BMS）故障诊断与排除的相关知识 知识 准备 【知识准备】 一、高压上、下电控制原理 （一）故障描述 某客户在起动吉利EV450时发现，踩制动踏板数次并保持，打开点火开关后，仪表点亮正常，可运行指示“READY"灯无法点亮，蓄电池指示灯、动力蓄电池故障指示灯(红色)点亮；动力蓄电池主正、主负继电器不动作，高压不上电，且制动踏板高度没有变化；组合仪表上没有其他系统故障灯。客户发现后，立即给4S店维修技师取得了联系，假如你作为该维修技师，你认为你应当如何正确的解决该故障。接下来我们就来认识该类型故障的检测与排除。 （二）高压上、下电控制原理 为了确保整车上、下电的安全性和可靠性，必须严格定义各电气部件的上、下电流程，且各电气部件的上、下电状态必须经各控制器及时反馈给BMS,进行“握手”确认后再执行下一步上、下电操作，避免产生意外事故。 (1)上电模式 当BMS同时监测到点火开关的高压上电信号(Key-ST信号)以及制动开关信号后，即WAKE-UP信号，BCM接通ACC、IG1、IG2继电器，低压上电，整车进人低压上电及低压检测模式，同时唤醒所有CAN总线。 在此阶段，BMS、VCU、OBC、DC-DC变换器/MCU、空调压缩机控制器、PTC 加热器被CAN唤醒启动自检模式，内部低压自检，并各自读取系统故障代码，同时检测各自高压互锁是否完整，单体蓄电池循环检测。如果此时低压自检、某单元内部出现严重故障代码、高压互锁、单体蓄电池(温度、电压)、CAN 通信、动力系统防盗有一项异常， 将停止上电流程，且系统生成并存储故障代码，同时将故障信号通过CAN总线发送至组合仪表，组合仪表:显示故障信号或点亮故障信号指示灯。 在以上检测完成且正常后，BMS闭合主负继电器，同时对以上信号持续检测。同时对主负继电器断路、预充电阻断路、预充继电器粘连、主正继电器粘连进行检测，如果检测成功，闭合预充接触器。 由于电机及高压线路中包括容性、感性元件，为防止过大的电流对这些元件造成冲击，如果主负继电器闭合后检测成功，即闭合预充继电器，进人预充电状态。 在预充阶段，BMS对预充继电器断路、整车高压绝缘进行检测。如果此时BMS检测预充继电器断路或整车高压绝缘异常，将停止上电流程，且系统生成并存储故障代码，同时将故障信号通过CAN总线发送至组合仪表，组合仪表显示故障信号或点亮故障信号指示灯。 当预充电阻两端电压达到母线电压的90%时，BMS 闭合主正继电器，并对主正继电器断路进行检测。如果检测通过，断开预充继电器进入放电模式。BMS 通过P- CAN向VCU发送系统准备完成、高压系统已上电信号，组合仪表接收到VCU发送的信号后，点亮仪表上绿色“READY"指示灯，上电开始。如果此时BMS检测主正继电器异常，将停止上电流程，且系统生成并存储故障代码，同时将故障信号通过CAN总线发送至组合仪表，组合仪表显示故障信号或点亮故障信号指示灯。 目前纯电动汽车的低压电源般由12V的铅酸低压蓄 电池提供，不仅要为低压控制系统供电，还需为助力转向电机、刮水器电机、安全气囊及后视镜调节电机等提供电源。为保证低压蓄电池能持续为VCU供电，低压蓄电池需有充电电源，而DC-DC变换器即可满足这一需求，因此，当点火开关打开或车辆充电时，主正继电器闭合后，即高压上电完成后启动DC - DC变换器，以保证低压电源持续供电。 (2)下电模式 在车辆下电时，BCM接收到点火开关0FF命令，通过V-CAN总线发送至VCU, VCU解析信号后通过P-CAN发送至BMS以及DC-DC变换器和MCU、OBC 等。BMS接收到点火开关OFF命令，依次断开主正和主负继电器，高压下电。 动力蓄电池高压下电后，BMS 将高压下电信号通过P-CAN、VCU、 V-CAN总线发送至BCM，BCM接收到此信号后，断开ACC、IG1、 IG2 继电器，低压下电，整车进入下电模式。 二、BMS功能原理 1.结构组成 动力蓄电池是电动汽车动力能源，它为整车驱动和其他用电器提供电能，如图2-6所示为动力蓄电池组成结构图。 2.基本参数 蓄电池容量: 150 (1C) Ah。 数量: 17组。 单体蓄电池数量: 95个。 充电截止电压: 4. 3V。 额定电压: 346V。 单体蓄电池标称电压: 3. 65V。 放电截止电压: 2. 8V。 额定功率: 50kW。 放电截止电压: 266V。 3.功能原理 BMS的主要功能有充放电管理、继电器控制、功率控制、蓄电池异常状态报警和保护、SOC/SOH计算、自检以及通信功能等。 从BMS线路原理图(图2-7)可以看出， 单元电源由两路供给:一路由辅助蓄电池正极通过熔丝EFO1(10A)给单元CA69/1端子提供常电，通过单元端子CA69/2搭铁，构成回路；一路由IC2继电器通过熔丝IF18(10A)给单元CA69/7端子提供点火开关电源，通过单元端子CA69/2搭铁，构成回路。 由于新能源整车控制电源在设计时就有特殊需求，即BMS要参与点火开关打开后的工作及通信，还要满足车辆在点火开关关闭、充电时BMS工作及通信需求，所以BMS的+ B电源作用就是保证在这两个状态时BMS能正常启动及通信。如果此+B电源出现故障，将导致BMS启动及通信失败，致使整车高压上电失败。 BMS的IG电源，在此车辆上主要作为BMS的唤醒信号，和CAN总线唤醒为冗余关系，同时还作为BMS低压下电后启动休眠模式的时间参考信号。如果此电源出现故障，BMS通过P-CAN接收和判别点火开关状态，同时利用+ B电源作为功率电源供电。 （一）动力电池管理系统（BMS）故障检测验证方案制定 如图所示是动力电池管理系统（BMS）故障检测与诊断工作流程。 （二）BMS故障检测与诊断方案制定 如图所示为BMS线路原理图，结合BMS结构与工作原理可知，BMS对外主要由电源线路、通信线路和快充线路组成。 BMS及动力蓄电池组作为车辆运行的能量储备及输送单元，其安全监测和故障处理机制条件非常高，因此在车辆准备起动及正常运行时，BMS是决定车辆高压是否上电的主要条件之一。如果BMS出现故障，将造成整车其他控制单元无法获知蓄电池电量，同时BMS无法获知高压系统连接的完整性、其他高压系统的绝缘状态、车辆准备状态以及车辆运行状态(行驶、充电)，造成BMS无法控制内部主正、主负、预充继电器的动作，致使高压不上电，同时车辆行驶及其他辅助功能也将受限。 动力蓄电池内部温度、单体蓄电池电压、蓄电池组电流是衡量蓄电池组健康(SOH)的主要因素，单体温度、单体电压和蓄电池组电流由数据采集单元采集并监控，同时数据采集单元还对蓄电池组单体蓄电池电压进行均衡，使所有单体蓄电池电压达到一致性。如果系统出现故障，BMS有可能启动保护功能，导致输出电量受限，严重时为了蓄电池以及车辆安全，中断整车高压上电。 BMS常见的故障现象是车辆上电失败或输出功率受限，而其成因主要包括: 1)至BMS的CAN总线断路、虚接或短路故障。 2) BMS 电源线路断路、虚接、短路或其自身故障。 3)动力蓄电池组输出线路故障。 4)动力蓄电池组内部电流、电压传感器或其线路断路、虚接、短路故障。 5)动力蓄电池组内部主正、主负、预充继电器控制、线路以及自身故障。 6)动力蓄电池内部高压互锁信号及线路断路、虚接、短路故障。 7)蓄电池组内部温度传感器信号及线路断路、虚接、短路故障。 8) BMS对蓄电池进行过温保护。 9) BMS对蓄电池进行过电压保护。 10) BMS对蓄电池进行过电流保护。 11)动力蓄电池电量过低，导致整车无法起动。 在对BMS及动力蓄电池组做故障分析时，要结合系统线路和观察到的现象认真分析，逐步缩小故障范围。动力蓄电池由于技术和安全问题，不允许打开，只有厂家专业人员才被允许打开动力省电池组进行诊断和检修，所以只对动力害电池组外部线路及信号做诊断分析。 学生通过PPT及微课了解高压上、下电控制原理 学生通过PPT及微课了解BMS功能原理 学生通过PPT及图片了解动力电池管理系统（BMS）故障检测方案的制定 学生参观故障现场，体验动力电池管理系统（BMS）故障检测的 工作过程 通过展示相应的图片和视频加深学生印象，巩固基础知识点 激发学生学习兴趣，使其更加直观地了解BMS功能原理，加深印象 通过观看PPT、视频和现场参考，引导学生动力电池管理系统（BMS）故障检测与诊断工作流程。 微视频介入课堂，提高学生学习兴趣。 现场参考能让学生真切地看到动力电池管理系统（BMS）故障检测与诊断工作流程，对所学知识的理解更加深入 任务实施 动力电池管理系统（BMS）故障的诊断与排除 一、安全操作规章 1.在进行故障检测前判断周围环境是否干燥、有无灭火器材等。 2. 检测前，做好安全防护准备工作，例如绝缘手套、护目镜、绝缘鞋等的检查与穿戴。 3.在进行动力电池管理系统（BMS）故障的诊断与排除操作时，做好车辆充电系统的检查工作。 4.使用绝缘电阻测试仪、万用表等，必须提前校对仪器的准确性。 5对检测所获得的数据，必须认真记录，准确计算，仔细分析。保证检测的准确性、快捷。 二、动力电池管理系统（BMS）故障的诊断与排除工具准备 动力电池管理系统（BMS）故障检测与诊断工具准备清单 三、动力电池管理系统（BMS）故障的诊断与排除 1.读取故障代码(DTC) 连接诊断仅器至0BD诊断接口后，此时通过使用诊断仪器与BMS进行通信，显示未连接成功。通过使用诊断仪器与VCU连接，在VCU内部读取到以下故障代码: 011287 (与BMS通信丢失)。 记录当前诊断仪器上的故障代码信号，断开连接至车辆的充电设备，通过诊断仪器清除故障代码。清除故障代码后，将诊断仪器从VCU内退出。 打开点火开关，如果故障现象消失，车辆正常上电，则可能为系统故障代码保护，造成VCU进入功能性保护模式，车辆无法上电:如果车辆不能上电，且现象依旧存在，则通过诊断仪器读取故障代码，井和先前的故障代码进行比对，如果减少，减少的可能为偶发历史故障。如果增加，增加的可能为当前系统关联性故障。 2.故障代码(DTC)分析 读取并确认故障代码后，需对故障代码设置和产生的条件进行分析。 诊断仪器和BMS无法通信，但和VCU通信正常，且读取到U011287 (与BMS通信丢失)的故障代码。VCU和BMS通过P-CAN总线进行通信，要保证它们之间的通信，首先要满足VCU、BMS 供电电源正常，其次是P-CAN总线连接正常，无虚接、断路、短路等故障，同时两个单元内部元件及PCB板线路正常。 根据故障代码定义，说明BMS在点火开关打开时未工作，导致这个故障的可能原因有: 1) BMS常火供电线路(断路、虚接、短路)故障。 2) BMS与VCU之间P-CAN总线(断路、虚接、短路)故障。 3) BMS自身故障。 为了进步确认故障部位， 此时可关闭点火开关，移除辅助蓄电池负极1min以上，然后复位。踩制动踏板打开点火开关，如果此时仪表上其他信号没有变化，只是动力蓄电池SOC信号值丢失，动力蓄电池低电量指示灯(黄色)亮起，如图2-10中椭圆圈示位置所示。即可确认BMS的通信CAN总线出现异常，导致BMS和VCU无法通信，蓄电池电量丢失，动力蓄电池故障灯点亮。 结合以上现象，对于动力蓄电池及BMS控制的外围控制及通信线路来说则为以下的一项或多项造成。 1) BMS的P-CAN通信信号及线路断路、虚接、短路故障。 2) BMS电源+B线路断路、虚接、短路故障。 为了确认到底是BMS自身的故障导致控制单元无法通信，还是由于CAN总线系统故腋 导致控制单元无法通信，最好的方法就是用示波器测量BMS控制单元端的CAN总线波形。 3.测量BMS控制单元端的CAN总线波形 4.线路测试 1）测试BMS的常火供电电压 2）测试BMS +B供电线路输入端对地电压 3）测试BMS +B供电线路保险丝两端对地电压 4）测试BMS搭铁端对地电压 5）测试BMS电源线路对地电阻测试 6）线路导通性测试 ①测试BMS端子CA69/1和熔丝EF01（10A）之间线路的导通性 ②测试BMS端子CA69/2和打铁点之间的导通性 5.诊断结论验证 1)将点火开关置于“OFF" (关闭)位置。 2)安装所有诊断时拆下或更换的部件及插接器。 3)诊断时，拆除过或更换过的部件及单元，根据需要执行调整、编程或设置程序。 4)将点火开关置于“ON (打开)”位置。 5)清除DTC。 6)关闭点火开关60s。 7)踩下制动踏板，打开点火开关，车辆仪表显示正常，切换至D位或R位进行试车， 车辆运行正常。 8)维修结束。 6.故障机理分析 如果BMS电源线路或P - CAN通信线路存在故障，造成BMS无法启动运行及信号传输，将会使VCU无法正常接收到BMS发送的动力蓄电池电量、电压、故障、温度等状态信号，从而无法确认动力蓄电池的工作状态，VCU 启动整车保护功能，导致整车高压系统不上电。 任务评价 一、展示学习成果 二、根据评分标准团队内部和团队间交互完成质量检查 制动开关的故障诊断与排除质量评价表 三、学习感想交流 在博世长期垄断国内线控制动市场的背景下，比亚迪、伯特利等国产厂商，历经数年耕 耘，突破国外层层技术封锁，量产出了媲美博世 IPB 和大陆 MK C1 的线控制动系统。线控制动要比线控转向和线控油门的技术难度更高，更是新能源汽车实现 L4 级以上自动驾驶的关键核心技术，彻底颠覆掉了传统的真空助力器，让制动系统从此摆脱对真空度的依赖，堪称是真空助力刹车系统的送葬者。 而比亚迪的幸运就在于王传福至始至终都保持着独立自研的决心，当比亚迪开发出国产 ESP 的时候，博世立马找上门谈判，最终以成本价供应比亚迪 ESP，但是比亚迪这时候并没 有放弃面向新能源车 ESP 技术的研发。从 2014 年开始研发 BSC 1.0 版本，2018 年研发成功，紧接着 2019 年开始研发 BSC 2.0 版本，最终在 2021 年 6 月正式量产，这期间比亚迪突破国外技术的层层封锁，历经十年耕耘，三次技术迭代，终修成正果。 将你的感想和老师同学进行交流吧！ 四、学习过程交流 （一）展示和讲述步骤 1、2 的学习过程与学习成果。 （二）交流学习，发现、分析和解决制动开关的故障诊断与检测学习过程中出现的问题。 五、学习效能评价 团队内部完成学习效能评价的自评与互评（线下完成） 制动开关的故障诊断与排除学习效能评价表 六、综合能力评价（课后线上完成） 1.团队内部完成综合能的自评与互评 2.团队间交互完成学习效能的互评（线下完成） 制动开关的故障诊断与排除任务综合能力评价表 说明：1.此表主要对学习任务中的综合能力进行评价。 2.每一个学习任务完成后，学生必须客观、真实、公正地进行评价和填报此表，此表作为综合学习项目的评价依据。 3.学生个人评价在学习团队内部进行，评价指标代码对应团队考核评价指标。 拓展 提示 （一）接续学习任务学习准备工作布置 1.进行下一任务动力电池管理系统（BMS）故障诊断与排除学习信息收集与筛选和资源的准 备。 2.进行下一任务动力电池管理系统（BMS）故障诊断与排除学习设备与工具的准备。 （二）拓展阅读 我们一般都了解，传统燃油车的制动系统会采用电子真空泵 EVP 系统，其中包括电动真空泵、制动主缸、传感器、ESP、线束和管路。 比亚迪将其全部高度集成为“ONEBOX”液压制动产品，并命名为弗迪动力制动安全控制系统（FinDreams Powertrain Braking Safety Control System；全文简称 BSC）。 BSC 的优势： 1、 更短制动距离。 BSC 2.0 硬件采用 600W 的大功率电机，转速大 9000rpm/min，可在 140ms 内建立最大制动力，响应迅速、建压压强大，相比传统燃油车的制动响应速度提升 4 倍以上，制动距离明显缩短，BSC 能将百公里制动距离缩短 3-5 米。 2、 系统更安全。 BSC 为车辆在静止时提供基础制动力为 10MPa，行车时最大允许制动力 15MPa，在紧 急制动情况下，系统施加最大制动力为 18MPa，实现快速停车、躲避危险，系统能产生的 机械制动减速度达 4.88m/s2 以上，是法规要求的两倍。 3、 踏板感优越。 BSC 可提供定制化的驾驶感受，可以设定不同的“刹车脚感”，从舒适制动到运动感更强的制动体验都可以个性化选择。 4、 更舒适的空间布置。 BSC 可继承 EPB 控制器及间接式胎压监测，体积也较小，同时减少了整车布置难度； 5、 整车更节能。 BSC 系统优先电机制动，以液压制动作补偿，电液平衡减速度可达 0.5g，百公里能量回收提升 0.5kWh 以上，带来高效的能量回收，增加续航里程的体验。BSC 2.0 在 WLTC 工况测试下，能有效提高续航里程 20%。 回到实际应用中，海豚开起来能有较低的能耗水平，线性、灵敏的制动感受，还有同级别优越的乘用空间，这里也有 BSC 的一份功劳。 思考练习 教学后记 学科网（北京）股份有限公司 $$