动力电池管理系统测试评价与标准体系

动力电池BMS测试评价与标准体系中国汽车技术研究中心有限公司检测认证事业部中汽研汽车检验中心（天津）有限公司姜成龙2019.09北京目录一、背景及意义二、BMS测评技术现状三、BMS标准体系1.1政策背景国家政策、市场、技术推动我国新能源汽车大规模推广应用。原因归类:充电占比：22%主要原因：•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原因归类:碰撞占比：16%主要原因：•正面或者后碰撞引发系统X方向变形•侧面碰撞引发系统Y方向变形•车辆托底引发系统底部变形原因归类:泡水占比：3.4%主要原因：•IP防护设计不佳原因归类:自燃导致热扩散占比：43%安全事故分类&分析41.2当前存在问题1.3电池管理系统发展的重要性•BMS电气环境适应性测试方法沿用的是传统汽车的测试方法（EV电压等级高，电气环境不同于传统汽车）•BMS功能安全要求及测试方法缺失•当前标准只有SOC安时累积估算精度测评，而针对其他SOX估算精度的测评处于空白状态•现有BMS测试平台对电池系统具有强依赖性，测试周期长高性能和高可靠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。性能要求管理不善直接降低电池的使用效率和循环寿命，影响系统安全性，严重时会导致车辆起火等重大事故。电池复杂环境的安全性管理系统全生命周期准确性服役期间的高效性存在问题保障BMS科学评测、精准评估动力电池系统目录一、背景及意义二、BMS测评技术三、BMS标准体系2.1电池管理系统功能概要电池能量均衡管理电池电量估计电池健康状态估计电池状态监控BMS①电压、电流、温度等多种物理量②多个采样通道数③高采样解析度④高抗电磁干扰设计①建模技术②DATABASE③软件算法①平衡控制算法②主/被动均衡技术③充/放电控制管理①库伦法②开路电压法③查表法④内阻法⑤卡尔曼滤波法电池系统热管理诊断及预警①预警策略算法②故障处理模式③过流/过充/过放/过温保护①温控策略②散热控制电池管理系统是对电池进行管理的系统，通常具有量测电池电压的功能，防止或避免电池过放电、过充电、过温度…等异常状况出现。随着技术发展，已经逐渐增加许多功能。验证修正BMS测评技术体系BMS软硬件测试评价验证平台建设功能评价性能表征功能安全分析电池SOX估计算法电磁兼容性能故障诊断分析及控制均衡管理功能热管理功能电气适应性能环境适应性能2.2BMS测评技术体系建设概要2.3功能评价关键技术BMS功能评价关键技术——BMS功能安全评价方法确保车辆内、外人及车辆环境的安全充/放电管理单体电压检测温度检测绝缘检测明确功能概念危害识别：(HAZOP危害与可操作性分析)方法识别和评估相关项异常表现（失效）导致的整车层面的危害危害识别正常行驶（高速行驶，城市路况，转弯）无人看管充放电碰撞（发生碰撞，碰撞之后）维修场景分析整车动力不足动力丢失潜在的触电危险车辆非预期停车冒烟、起火、爆炸、释放有害物质危害事件暴露率评价：E严重度评价：S可控性评价：CASIL等级危害编号功能功能异常表现整车层面的危害危害的详细描述危害事件ASILSECASILHZD_01充电管理--充电电压管理充电电压超出预期，导致电池过充，引发热失控冒烟、起火、爆炸、释放有害物质电池过充，析锂，引起电池内短路，导致热失控，车辆起火、爆电池过充导致热失控，车辆冒烟、起火、爆炸、释放有害物质，伤及行人342C2.4功能评价关键技术BMS功能评价关键技术——BMS均衡功能评价方法最佳均衡目标分析最大可用容量最大可用能量最佳功率输出电池1电池1电池1电池2电池2电池2电池3电池3电池3(A)(C)(B)均衡电路可靠性及效率计算工况设计及均衡效果测试方法充电倍率电池不一致的设置测试方法及流程放电工况不同应用下SOC范围均衡效果的评价1N21:a12N单体均衡模块单体均衡模块1N2AB动力电池BMS性能表征关键技术——SOX评测方法2.5性能表征关键技术电磁辐射发射电磁辐射抗扰度BMS电磁兼容性要求和试验方法电磁辐射发射电磁传导发射传导发射抗扰度辐射发射抗扰度BMS受三电系统电磁干扰影响其数据采集、热管理等功能性，产生安全隐患辐射发射传导发射瞬态发射磁场抗扰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。动力电池BMS性能表征关键技术——电磁兼容评价方法2.6性能表征关键技术目录一、背景及意义二、BMS测评技术三、BMS标准体系14BMS相关标准框架已发布国家/行业标准QC/T897-2011电动汽车用电池管理系统技术条件GB/T31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法GB/T27930-2015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GB/T32960.3-2016电动汽车远程服务与管理系统技术规范第3部分：通信协议及数据格式制定中国家标准GB/T电动汽车用电池管理系统技术条件（报批稿）GB/T电动汽车用电池管理系统功能安全要求及试验方法（草案稿）GB电动汽车用动力蓄电池安全要求（报批稿）团体标准CSAE动力电池热管理系统性能试验方法（报批稿）CSAE电动汽车用池管理系统健康状态（SOH）估算误差试验方法3.1电池管理系统相关标准框架测试类别测试项目测试项目常规功能测试Routinefunctionaltest确定可用容量SOC估算精度绝缘电阻绝缘耐压性能状态参数测量精度电池故障诊断过电压运行高温运行欠电压运行低温运行环境适应性测试Environmentaladaptabilitytest耐高温性能耐盐雾性能耐低温性能耐湿热性能耐温度变化性能耐振动性能耐电源极性反接性能电磁辐射抗扰性3.2QC/T897-2011电动汽车用电池管理系统技术条件1）状态参数测量精度2）SOC估算精度3）电池故障诊断SOC≥80%80%＞SOC＞30%SOC≤30%𝑆𝑂𝐶真值=𝑄0−𝑄1𝑄0×100%~𝑆𝑂𝐶上报值≤±10%常规功能测试3.2QC/T897-2011电动汽车用电池管理系统技术条件17环境适应性测试过压/欠压/极性反接等电气适应性能评价电磁兼容性能评价振动环境高温/低温/温变/湿热/盐雾环境3.2QC/T897-2011电动汽车用电池管理系统技术条件短路保护过充电保护过放电保护过温保护3.3GB/T31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法检测项目检测方法标准要求过温保护环境温度为最高工作温度，以最大持续充放电电流进行充放电试验，直至超过最高工作温度10℃。电池管理系统起作用短路保护将测试对象的接线端短路10min。短路电阻不大于20mΩ。过充电保护充电电流倍率为1C或者由双方协商确定，充电至测试对象的最高电压的1.2倍或SOC=130%。过放电保护标准放电后继续以1C放电，直至总电压低于额定电压的25%或过放电时间超过30min。3.3GB/T31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法充电机BMS（管理整个充电过程）CAN2.0B通信协议：通信物理层数据链路层应用层物理连接完成充电参数配置阶段充电握手阶段充电阶段低压辅助上电充电结束阶段结束充电3.4GB/T27930-2015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测试结果完成测试：200余辆车发现问题：典型问题问题1：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：充电不正常启动•无PWM信号，插枪即充电问题3：充电时序异常•充电电流32A，无S2，车辆无安全检查不能充电：23次充电不安全：61次时序错误：98次其他问题：45次3.4GB/T27930-2015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公共平台企业平台平台交换通信协议车与平台通信协议电动汽车车载终端BMS电池数据信息3.5GB/T32960.3-2016电动汽车远程服务与管理系统技术规范第3部分：通信协议及数据格式类型编码说明详细信息0x06极值数据电池单体电压最高值电池单体电压最低值最高温度值最低温度值。。。0x07报警数据温度差异报警电池高温报警过压报警（系统和单体）欠压报警（系统和单体）SOC低报警SOC过高报警SOC跳变报警电池单体一致性差报警绝缘报警过充报警0x08可充电储能装置电压数据子系统和单体电压信息0x09可充电储能装置温度数据子系统和温度探针温度信息3.5GB/T32960.3-2016电动汽车远程服务与管理系统技术规范第3部分：通信协议及数据格式★分层次进行要求：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；★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；★与正在起草中的《电池管理系统功能安全要求》国标做好沟通协调；★2018年11月征求行业意见，2019年审查报批。电动汽车用电池管理系统技术条件（报批稿）BMS技术条件标准内容标准正文基本功能要求状态参数测量精度总电压总电流单体（电芯组）电压温度绝缘电阻SOC估算精度电池故障诊断绝缘性能绝缘电阻耐电压电气适应性能直流供电电压过电压叠加交流电压供电电压缓升和缓降供电电压瞬态变化反向电压短路保护环境适应性能正弦振动随机振动机械冲击跌落低温性能高温性能温度梯度温度循环耐盐雾湿热循环电磁兼容性能传导骚扰辐射骚扰电源线瞬态传导抗扰度信号线/控制线瞬态传导抗扰度电快速瞬态脉冲群抗扰度辐射抗扰度静电放电附录系统功能状态等级SOC累积误差测试方法SOC误差修正速度测试SOP估算精度测试方法均衡测试方法电池系统典型充放电工况3.6GB/T电动汽车用电池管理系统技术条件（报批稿）3.7GB/T电动汽车用电池管理系统功能安全要求及试验方法（草案稿）3.7GB/T电动汽车用电池管理系统功能安全要求及试验方法（草案稿）安全目标防止电池单体过充导致热失控防止电池单体过温导致热失控防止动力蓄电池系统过流导致热失控防止电池单体过放后再充电导致热失控标准框架一般要求相关项定义功能概念边界和接口相关项在整车层面上的危害识别场景分析危害事件ASIL等级的导出安全目标安全状态功能安全要求验证和测试GB/T《电动汽车用电池管理系统功能安全要求及试验方法》（草案阶段，将要征求意见）；参与标准制定过程中的讨论，测试方面提供技术支持；后续主要工作围绕试验对象、试验方法开展讨论。过流保护外部短路保护过充电保护过放电保护过温保护热扩散乘员保护分析和验证3.8GB电动汽车用动力蓄电池安全要求（报批稿）检测项目检测方法标准要求过温保护试验环境温度≥最高工作温度，试验对象进行连续充电和放电。电池管理系统起作用。过流保护达到电池系统制造商规定的最高正常充电电流后，将电流在5s内从最高正常充电电流增加到可以施加的过电流（假设外部直流供电设备的故障）和最大电压（在正常范围内）。外部短路保护将测试对象的接线端短路，短路电阻不超过5mΩ。过充电保护试验对象应由外部充电设备在电池系统制造商许可的用时最短的充电策略下进行充电。过放电保护应与电池系统制造商协商，在规定的正常工作范围内以稳定的电流进行放电。3.8GB电动汽车用动力蓄电池安全要求（报批稿）热扩散乘员保护分析和验证试验项目C.1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5min，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。热事件发生单体层级时间轴t热失控触发后续工作热失控发生判定条件a)和c)或者b)和c)：a)ΔV≥25%V初始；b)T测量≥T工作；c)dT测量/dt≥1℃/s，t≥3s。3.8GB电动汽车用动力蓄电池安全要求（报批稿）无热事件