尹忠東,王 帥,張?jiān)?王銀順,黃 炎,曾 爽

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)),北京市 102206;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京市100192;3.西安特銳德智能充電科技有限公司,陜西省西安市 710000;4.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院,北京市 100075)

充電設(shè)施對(duì)電池管理系統(tǒng)保護(hù)需求響應(yīng)評(píng)估

尹忠東1,王 帥1,張?jiān)?,王銀順1,黃 炎3,曾 爽4

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)),北京市 102206;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京市100192;3.西安特銳德智能充電科技有限公司,陜西省西安市 710000;4.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院,北京市 100075)

充電狀態(tài)下的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池或電池管理系統(tǒng)(BMS)出現(xiàn)異常時(shí),充電設(shè)施應(yīng)能可靠響應(yīng),以確保充電安全。文中分析了BMS保護(hù)需求,定義了充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求的響應(yīng)率;參考現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及工程實(shí)際,建立了響應(yīng)率指標(biāo)體系,涵蓋了動(dòng)力電池故障及BMS故障等評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用層次分析法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了分析計(jì)算;最后,結(jié)合實(shí)際工程數(shù)據(jù),對(duì)兩種充電設(shè)施的響應(yīng)率進(jìn)行評(píng)估,基于單項(xiàng)響應(yīng)率和綜合響應(yīng)率等指標(biāo),找出充電設(shè)施對(duì)動(dòng)力電池及BMS故障響應(yīng)能力的薄弱環(huán)節(jié),并根據(jù)評(píng)估結(jié)果提出提高響應(yīng)率的措施。結(jié)果表明,響應(yīng)率指標(biāo)體系可量化評(píng)估充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求的響應(yīng)能力。

電動(dòng)汽車;充電安全;電池管理系統(tǒng);保護(hù)需求;需求響應(yīng)率;層次分析法

0 引言

能源危機(jī)與環(huán)境污染的加劇,促使國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車技術(shù)快速發(fā)展[1-3],充電安全問題也隨之增多,因此有必要對(duì)電動(dòng)汽車充電安全進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[4]通過構(gòu)建充電安全預(yù)警模型,提升了充電過程安全預(yù)警能力;文獻(xiàn)[5]研究側(cè)重于分析電動(dòng)汽車充電電磁環(huán)境對(duì)人體安全的影響;文獻(xiàn)[6]通過對(duì)電動(dòng)汽車充電數(shù)據(jù)的分析與加密,提升了充電數(shù)據(jù)密文破解難度,保證了充電數(shù)據(jù)安全;文獻(xiàn)[7-12]從電網(wǎng)電能質(zhì)量、繼電保護(hù)裝置動(dòng)作以及電網(wǎng)調(diào)度等角度,分析了電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)安全的影響。

上述文獻(xiàn)分別從不同角度研究電動(dòng)汽車充電安全問題,其局限性在于均從宏觀角度出發(fā),而未對(duì)動(dòng)力電池、電池管理系統(tǒng)(BMS)和充電設(shè)施構(gòu)成的充電系統(tǒng)進(jìn)行安全分析。

在充電系統(tǒng)中,BMS是連接動(dòng)力電池與充電設(shè)施通信的關(guān)鍵設(shè)備。當(dāng)BMS檢測(cè)到故障后,其向充電設(shè)施發(fā)出的需要充電設(shè)施響應(yīng)動(dòng)作的信號(hào),即是BMS保護(hù)需求。

依據(jù)動(dòng)力電池及BMS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[13-14],當(dāng)BMS向充電設(shè)施發(fā)出保護(hù)需求時(shí),充電設(shè)施應(yīng)對(duì)保護(hù)需求做出響應(yīng),防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。而現(xiàn)實(shí)中充電狀態(tài)下由于過充等動(dòng)力電池故障[15]而導(dǎo)致的偶發(fā)燃燒或爆炸事件表明:目前充電設(shè)施并不能對(duì)BMS保護(hù)需求完全可靠響應(yīng),這將嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車充電安全。因此,有必要量化評(píng)估充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求的響應(yīng)能力。

本文分析了充電狀態(tài)下電動(dòng)汽車BMS保護(hù)需求,定義了充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求響應(yīng)率(以下簡(jiǎn)稱響應(yīng)率);隨后建立了響應(yīng)率指標(biāo)體系,并采用層次分析法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行分析與計(jì)算;最后,基于響應(yīng)率指標(biāo)體系對(duì)兩種不同充電設(shè)施進(jìn)行安全評(píng)估,并根據(jù)評(píng)估結(jié)果提出了提升響應(yīng)率的措施。

1 充電設(shè)施對(duì)BMS的保護(hù)需求響應(yīng)率

1.1 BMS保護(hù)需求

基于BMS保護(hù)需求定義,可知影響充電狀態(tài)下電動(dòng)汽車BMS保護(hù)需求的因素包含兩方面:動(dòng)力電池故障和BMS故障。文獻(xiàn)[13]規(guī)定了BMS與充電設(shè)施之間的通信協(xié)議,文中故障數(shù)據(jù)均基于此協(xié)議獲得。

1.1.1 動(dòng)力電池故障[14]

充電狀態(tài)下動(dòng)力電池故障是BMS保護(hù)需求的主要部分。其可分為動(dòng)力電池本體故障和動(dòng)力電池及其相關(guān)組件電氣故障。

1)動(dòng)力電池本體故障:主要包括電池溫度高、電池溫度低、單體電壓高、單體電壓低、單體一致性偏差大、充電電流大、荷電狀態(tài)(SOC)值高、總電壓高、電池系統(tǒng)溫差大等。

2)電氣故障:主要包括絕緣薄弱、外部通信接口故障、內(nèi)部通信接口故障、內(nèi)部通信總線掉落和電池連接松動(dòng)等。

1.1.2 BMS故障

BMS作為充電過程中動(dòng)力電池與充電機(jī)之間數(shù)據(jù)交互的中間環(huán)節(jié),對(duì)整個(gè)安全充電過程至關(guān)重要[13]。本文結(jié)合工程實(shí)際,將目前充電站匯總的BMS故障分硬件故障、軟件故障、通信故障以及BMS工作條件異常4個(gè)方面。

1)硬件故障:主要包括傳感器采樣異常故障、均衡電路故障、BMS從板丟失故障、BMS接觸器開路故障等。

2)軟件故障:主要指BMS內(nèi)部故障。

3)通信故障:主要包括控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線通信故障、充電階段電池?cái)?shù)據(jù)不更新等。

4)BMS工作條件異常[14]:主要包括BMS供電輔助電源異常、BMS過溫運(yùn)行等。

1.2 響應(yīng)率

響應(yīng)率是指在BMS保護(hù)需求下,充電設(shè)施有效響應(yīng)次數(shù)與需求總次數(shù)的百分比值。該指標(biāo)用以衡量充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求的響應(yīng)能力。式(1)為響應(yīng)率定義式,該計(jì)算方法簡(jiǎn)單粗略,并未考慮不同BMS保護(hù)需求對(duì)充電設(shè)施的響應(yīng)能力要求的不同,因此需要對(duì)其進(jìn)行完善。

(1)

式中:n為充電設(shè)施響應(yīng)次數(shù);N為需求總次數(shù);η為響應(yīng)率。

2 響應(yīng)率指標(biāo)體系

2.1 響應(yīng)率指標(biāo)體系的構(gòu)建

基于1.1節(jié)所述BMS保護(hù)需求,根據(jù)層次分析法(AHP)原理[16],指標(biāo)層從上至下分別為:O層指標(biāo)={充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求總響應(yīng)率},A層指標(biāo)={動(dòng)力電池故障,BMS故障},B層指標(biāo)={動(dòng)力電池本體故障,電氣故障,硬件故障,軟件故障,通信故障,BMS工作條件異常},以及包含各單項(xiàng)指標(biāo)的P層指標(biāo)。針對(duì)A層、B層和P層各項(xiàng)指標(biāo),充電設(shè)施均有相應(yīng)單一指標(biāo)響應(yīng)率,且該單一指標(biāo)響應(yīng)率越大,表示充電設(shè)施對(duì)某種或某類故障的可靠響應(yīng)能力越強(qiáng);O層指標(biāo)充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求總響應(yīng)率值越大,表示該種充電設(shè)施充電安全可靠性越強(qiáng)。

綜合上述原則,建立圖1所示充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求的響應(yīng)率指標(biāo)體系。

圖1 響應(yīng)率指標(biāo)體系Fig.1 Indicator system of response rate

2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

2.2.1 構(gòu)造判斷矩陣

對(duì)于某層的指標(biāo)T=[T1,T2,…,Ti,…,Tj,…],比較其中任意兩項(xiàng)具體指標(biāo)Ti和Tj對(duì)上層指標(biāo)的重要程度,用Fij=Ti/Tj表示。Fij的數(shù)值用1至9之間的數(shù)字及其倒數(shù)來表示,其表示含義見表1[16]。

表1 層次分析法標(biāo)度含義Table 1 Scale meaning in analytic hierarchy process method

基于表1,即可構(gòu)造判斷矩陣F[16],其中元素定義如下:

(2)

式中:Fij取值見表1;i=1,2,…,n。

2.2.2 一致性檢驗(yàn)

獲得判斷矩陣后,利用“和積法”計(jì)算權(quán)重[16],而后計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax。

得到λmax后,需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[16-17],完全一致時(shí),應(yīng)存在如下關(guān)系:

Fik=FijFjki,j,k=1,2,…

(3)

此時(shí),利用一致性指標(biāo)CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)CR的比值CI/CR來判斷結(jié)果是否可接受,其中CI=(λmax-n)/(n-1)。當(dāng)該比值小于0.1時(shí),則結(jié)果在合理范圍內(nèi);反之,則需要進(jìn)行修正。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)即為響應(yīng)率。

針對(duì)P層任意i指標(biāo),其客觀響應(yīng)率pi由充電站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算:

(4)

式中:Mi為P層i指標(biāo)發(fā)生的總次數(shù);mi為針對(duì)i指標(biāo),充電設(shè)施的響應(yīng)次數(shù)。

設(shè)由層次分析法所得P層指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的影響權(quán)重為Q=[q1,q2,…,qn],而P=[p1,p2,…,pn]T,則P層i指標(biāo)單項(xiàng)響應(yīng)率為:

ηi=qipi

(5)

最終總響應(yīng)率為:

(6)

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

選取兩個(gè)月內(nèi)兩種不同充電設(shè)施(Y和Z)針對(duì)BMS保護(hù)需求響應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估分析。P層指標(biāo)、各指標(biāo)發(fā)生的次數(shù)以及充電設(shè)施響應(yīng)次數(shù)見表2和表3?；趯哟畏治龇ㄓ?jì)算所得P層指標(biāo)總排序權(quán)重見表4。

表2 Y充電設(shè)施數(shù)據(jù)Table 2 Data of charging facility Y

表3 Z充電設(shè)施數(shù)據(jù)Table 3 Data of charging facility Z

表4 P層指標(biāo)的影響權(quán)重Table 4 Infulence weight of indicator in layer P

基于表2、表3和表4,得到Y(jié)充電設(shè)施和Z充電設(shè)施各層指標(biāo)響應(yīng)率及總響應(yīng)率,如表5所示。

本指標(biāo)體系在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際情況,增加了BMS故障指標(biāo),并將充電設(shè)施的響應(yīng)能力給予量化。其意義在于可對(duì)比兩種充電設(shè)施充電安全能力,同時(shí)指導(dǎo)采取針對(duì)性措施,提升響應(yīng)率。

由算例結(jié)果(表5)可知,Y充電設(shè)施總響應(yīng)率比Z充電設(shè)施高2.4個(gè)百分點(diǎn),因此在充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求響應(yīng)方面,Y比Z安全,可靠性更好;應(yīng)對(duì)Z采取措施,提升響應(yīng)率。

對(duì)比A層指標(biāo),Y充電設(shè)施在動(dòng)力電池故障及BMS故障兩方面的響應(yīng)率,均比Z充電設(shè)施高。

對(duì)比B層指標(biāo),Y充電設(shè)施在動(dòng)力電池本體故障方面的響應(yīng)率比Z高0.3個(gè)百分點(diǎn);在BMS硬件故障方面,Y比Z的響應(yīng)率高0.6個(gè)百分點(diǎn);在通信故障響應(yīng)率方面,Y比Z高1.6個(gè)百分點(diǎn);在BMS工作條件異常方面,Z的響應(yīng)率比Y高0.1個(gè)百分點(diǎn)。

具體到P層指標(biāo),Z充電設(shè)施對(duì)動(dòng)力電池溫度、充電電流大、BMS傳感器采樣異常以及BMS通信故障均未100%響應(yīng);Y充電設(shè)施對(duì)BMS供電輔助電源異常以及BMS過溫均未100%響應(yīng)。

表5 Y和Z充電設(shè)施響應(yīng)率Table 5 Response rates of charging facility Y and Z

因此,提升Z充電設(shè)施響應(yīng)率的措施重點(diǎn)應(yīng)針對(duì)其對(duì)動(dòng)力電池過溫、過流的響應(yīng)率,對(duì)BMS傳感器采樣信號(hào)異常的響應(yīng)率和對(duì)充電階段電池?cái)?shù)據(jù)不更新故障的響應(yīng)率3個(gè)方面;對(duì)Y充電設(shè)施則側(cè)重提升其對(duì)BMS工作條件異常等故障的響應(yīng)率。

3.2 提升充電設(shè)施響應(yīng)率的措施

結(jié)合上述算例結(jié)果以及表2和表3,可采取下述措施提升Y和Z的響應(yīng)率。

1)針對(duì)動(dòng)力電池過溫、過流,充電系統(tǒng)可建立動(dòng)力電池安全預(yù)警機(jī)制。依據(jù)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn),BMS判斷電池過溫、過流的方法是比較采樣值與設(shè)定值的大小,該方法導(dǎo)致充電設(shè)施對(duì)急劇變化物理量的響應(yīng)能力不足。建立動(dòng)力電池安全預(yù)警機(jī)制,在原有檢測(cè)物理量的基礎(chǔ)上,BMS增加監(jiān)測(cè)溫度、電流等物理量的動(dòng)態(tài)變化率。該方法與原有標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ),可提升充電設(shè)施對(duì)電池急劇變化的過溫、過流等故障的響應(yīng)率。

2)針對(duì)BMS傳感器采樣異常故障等硬件故障,可通過采用優(yōu)質(zhì)傳感器、改善采樣方法、提升傳感器采樣精度等措施,改進(jìn)BMS性能,進(jìn)而提升響應(yīng)率。

3)針對(duì)充電階段BMS向充電機(jī)發(fā)送的電池?cái)?shù)據(jù)不更新故障,可在符合電動(dòng)汽車與充電機(jī)通信協(xié)議的充電系統(tǒng)中,在充電設(shè)施中增設(shè)充電管理系統(tǒng)主動(dòng)防護(hù)環(huán)節(jié),其與充電機(jī)(樁)保護(hù)形成雙重保護(hù),提升對(duì)BMS通信故障的響應(yīng)率。

4)針對(duì)BMS工作條件異常故障,當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)QC/T 897—2011《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》只提到了BMS耐環(huán)境性能(耐異常電壓、耐高溫等),但對(duì)影響B(tài)MS正常工作的電壓和溫度閾值并未給定,因此需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步完善,以提升響應(yīng)率。

4 結(jié)語

本文從充電系統(tǒng)安全角度,分析了充電狀態(tài)下BMS的保護(hù)需求,建立了響應(yīng)率指標(biāo)體系。通過分析計(jì)算各層指標(biāo)的響應(yīng)率及總響應(yīng)率,評(píng)估了不同種類的充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求的響應(yīng)能力,找出影響充電設(shè)施響應(yīng)率的薄弱環(huán)節(jié),并針對(duì)評(píng)估結(jié)果分析了提升充電設(shè)施響應(yīng)率的措施,為充電設(shè)施的測(cè)試及維護(hù)以及不同充電設(shè)施充電安全性能比較提供了相應(yīng)參考依據(jù)。

實(shí)際上從充電系統(tǒng)角度研究充電安全問題,主要包含動(dòng)力電池安全預(yù)警問題、充電設(shè)施對(duì)BMS保護(hù)需求響應(yīng)問題以及充電系統(tǒng)整體的電氣安全問題3個(gè)方面的內(nèi)容。本文只分析了其中一項(xiàng),另外兩項(xiàng)有待進(jìn)一步研究。

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ResponseAssessmentofChargingFacilitiestoProtectionDemandsofBatteryManagementSystems

YINZhongdong1,WANGShuai1,ZHANGYuanxing2,WANGYinshun1,HUANGYan3,ZENGShuang4

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University),Beijing 102206,China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;3.Xi’an TGOOG Intelligent Charging Technology Co.Ltd.,Xi’an 710000,China;4.Electric Power Research Institute of State Grid Beijing Electric Power Company,Beijing 100075,China)

In the process of charging electric vehicle,the charging facilities (CF) should be able to reliably respond to the protection of battery management system (BMS) when the power battery and BMS are abnormal.This paper analyzes the protection demands of BMS,and defines the response rate of CF to the protection demand of BMS.By referring to the existing standards and engineering practice,the indicator system of response rate is developed,which covers the evaluation indicators of power battery failure and BMS failure.The weights of indicators are calculated by the analytic hierarchy process (AHP) method.Finally,with the assessment of the response rates of two CFs,the weak link of charging system is found according to the indicators of single response rate and comprehensive response rate,while measures to improve the response rate are proposed.The result shows that the response rate is able to quantify the response ability of CF to BMS protection demand.

This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No.2016YFB0101900) and State Grid Corporation of China (No.5202011600U5).

electric vehicle;charging safety;battery management system (BMS);protection demand;demand response rate;analytic hierarchy process (AHP)

2017-04-30;

2017-08-06。

上網(wǎng)日期:2017-09-22。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0101900)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5202011600U5)。

尹忠東(1968—),男,博士,教授,主要研究方向:電動(dòng)汽車充電安全、車網(wǎng)融合技術(shù)等。E-mail： yzd@ncepu.edu.cn

王 帥(1988—),男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:電動(dòng)汽車充電技術(shù)、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等。E-mail:wangshuai@ncepu.edu.cn

張?jiān)?1988—),男,工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)、電動(dòng)汽車與電網(wǎng)融合技術(shù)等。E-mail:zhangyuanxing1988@163.com

(編輯蔡靜雯)