尹忠東,王 帥,張元星,王銀順,黃 炎,曾 爽

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學),北京市 102206;2.中國電力科學研究院,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.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院,北京市 100075)

充電設施對電池管理系統(tǒng)保護需求響應評估

尹忠東1,王 帥1,張元星2,王銀順1,黃 炎3,曾 爽4

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學),北京市 102206;2.中國電力科學研究院,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.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院,北京市 100075)

充電狀態(tài)下的電動汽車動力電池或電池管理系統(tǒng)(BMS)出現(xiàn)異常時,充電設施應能可靠響應,以確保充電安全。文中分析了BMS保護需求,定義了充電設施對BMS保護需求的響應率;參考現(xiàn)有標準及工程實際,建立了響應率指標體系,涵蓋了動力電池故障及BMS故障等評價指標。采用層次分析法對各項指標權(quán)重進行了分析計算;最后,結(jié)合實際工程數(shù)據(jù),對兩種充電設施的響應率進行評估,基于單項響應率和綜合響應率等指標,找出充電設施對動力電池及BMS故障響應能力的薄弱環(huán)節(jié),并根據(jù)評估結(jié)果提出提高響應率的措施。結(jié)果表明,響應率指標體系可量化評估充電設施對BMS保護需求的響應能力。

電動汽車;充電安全;電池管理系統(tǒng);保護需求;需求響應率;層次分析法

0 引言

能源危機與環(huán)境污染的加劇,促使國內(nèi)電動汽車技術快速發(fā)展[1-3],充電安全問題也隨之增多,因此有必要對電動汽車充電安全進行研究。

文獻[4]通過構(gòu)建充電安全預警模型,提升了充電過程安全預警能力;文獻[5]研究側(cè)重于分析電動汽車充電電磁環(huán)境對人體安全的影響;文獻[6]通過對電動汽車充電數(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[7-12]從電網(wǎng)電能質(zhì)量、繼電保護裝置動作以及電網(wǎng)調(diào)度等角度,分析了電動汽車充電對電網(wǎng)安全的影響。

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

在充電系統(tǒng)中,BMS是連接動力電池與充電設施通信的關鍵設備。當BMS檢測到故障后,其向充電設施發(fā)出的需要充電設施響應動作的信號,即是BMS保護需求。

依據(jù)動力電池及BMS相關標準[13-14],當BMS向充電設施發(fā)出保護需求時,充電設施應對保護需求做出響應,防止事故進一步擴大。而現(xiàn)實中充電狀態(tài)下由于過充等動力電池故障[15]而導致的偶發(fā)燃燒或爆炸事件表明:目前充電設施并不能對BMS保護需求完全可靠響應,這將嚴重影響電動汽車充電安全。因此,有必要量化評估充電設施對BMS保護需求的響應能力。

本文分析了充電狀態(tài)下電動汽車BMS保護需求,定義了充電設施對BMS保護需求響應率(以下簡稱響應率);隨后建立了響應率指標體系,并采用層次分析法對指標權(quán)重進行分析與計算;最后,基于響應率指標體系對兩種不同充電設施進行安全評估,并根據(jù)評估結(jié)果提出了提升響應率的措施。

1 充電設施對BMS的保護需求響應率

1.1 BMS保護需求

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

1.1.1 動力電池故障[14]

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

1)動力電池本體故障: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等。

1.1.2 BMS故障

BMS作為充電過程中動力電池與充電機之間數(shù)據(jù)交互的中間環(huán)節(jié),對整個安全充電過程至關重要[13]。本文結(jié)合工程實際,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(CAN)總線通信故障、充電階段電池數(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過溫運行等。

1.2 響應率

響應率是指在BMS保護需求下,充電設施有效響應次數(shù)與需求總次數(shù)的百分比值。該指標用以衡量充電設施對BMS保護需求的響應能力。式(1)為響應率定義式,該計算方法簡單粗略,并未考慮不同BMS保護需求對充電設施的響應能力要求的不同,因此需要對其進行完善。

(1)

式中:n為充電設施響應次數(shù);N為需求總次數(shù);η為響應率。

2 響應率指標體系

2.1 響應率指標體系的構(gòu)建

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

綜合上述原則,建立圖1所示充電設施對BMS保護需求的響應率指標體系。

圖1 響應率指標體系Fig.1 Indicator system of response rate

2.2 指標權(quán)重計算

2.2.1 構(gòu)造判斷矩陣

對于某層的指標T=[T1,T2,…,Ti,…,Tj,…],比較其中任意兩項具體指標Ti和Tj對上層指標的重要程度,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

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

得到λmax后,需要進行一致性檢驗[16-17],完全一致時,應存在如下關系:

Fik=FijFjki,j,k=1,2,…

(3)

此時,利用一致性指標CI與平均隨機一致性指標CR的比值CI/CR來判斷結(jié)果是否可接受,其中CI=(λmax-n)/(n-1)。當該比值小于0.1時,則結(jié)果在合理范圍內(nèi);反之,則需要進行修正。

2.3 評價指標

評價指標即為響應率。

針對P層任意i指標,其客觀響應率pi由充電站統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算:

(4)

式中:Mi為P層i指標發(fā)生的總次數(shù);mi為針對i指標,充電設施的響應次數(shù)。

設由層次分析法所得P層指標對總目標的影響權(quán)重為Q=[q1,q2,…,qn],而P=[p1,p2,…,pn]T,則P層i指標單項響應率為:

ηi=qipi

(5)

最終總響應率為:

(6)

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

選取兩個月內(nèi)兩種不同充電設施(Y和Z)針對BMS保護需求響應的數(shù)據(jù)進行評估分析。P層指標、各指標發(fā)生的次數(shù)以及充電設施響應次數(shù)見表2和表3。基于層次分析法計算所得P層指標總排序權(quán)重見表4。

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

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

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

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

本指標體系在現(xiàn)有標準的基礎上,結(jié)合實際情況,增加了BMS故障指標,并將充電設施的響應能力給予量化。其意義在于可對比兩種充電設施充電安全能力,同時指導采取針對性措施,提升響應率。

由算例結(jié)果(表5)可知,Y充電設施總響應率比Z充電設施高2.4個百分點,因此在充電設施對BMS保護需求響應方面,Y比Z安全,可靠性更好;應對Z采取措施,提升響應率。

對比A層指標,Y充電設施在動力電池故障及BMS故障兩方面的響應率,均比Z充電設施高。

對比B層指標,Y充電設施在動力電池本體故障方面的響應率比Z高0.3個百分點;在BMS硬件故障方面,Y比Z的響應率高0.6個百分點;在通信故障響應率方面,Y比Z高1.6個百分點;在BMS工作條件異常方面,Z的響應率比Y高0.1個百分點。

具體到P層指標,Z充電設施對動力電池溫度、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;Y充電設施對BMS供電輔助電源異常以及BMS過溫均未100%響應。

表5 Y和Z充電設施響應率Table 5 Response rates of charging facility Y and Z

因此,提升Z充電設施響應率的措施重點應針對其對動力電池過溫、過流的響應率,對BMS傳感器采樣信號異常的響應率和對充電階段電池數(shù)據(jù)不更新故障的響應率3個方面;對Y充電設施則側(cè)重提升其對BMS工作條件異常等故障的響應率。

3.2 提升充電設施響應率的措施

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的響應率。

1)針對動力電池過溫、過流,充電系統(tǒng)可建立動力電池安全預警機制。依據(jù)當前標準,BMS判斷電池過溫、過流的方法是比較采樣值與設定值的大小,該方法導致充電設施對急劇變化物理量的響應能力不足。建立動力電池安全預警機制,在原有檢測物理量的基礎上,BMS增加監(jiān)測溫度、電流等物理量的動態(tài)變化率。該方法與原有標準互補,可提升充電設施對電池急劇變化的過溫、過流等故障的響應率。

2)針對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BMS性能,進而提升響應率。

3)針對充電階段BMS向充電機發(fā)送的電池數(shù)據(jù)不更新故障,可在符合電動汽車與充電機通信協(xié)議的充電系統(tǒng)中,在充電設施中增設充電管理系統(tǒng)主動防護環(huán)節(jié),其與充電機(樁)保護形成雙重保護,提升對BMS通信故障的響應率。

4)針對BMS工作條件異常故障,當前標準QC/T 897—2011《電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術條件》只提到了BMS耐環(huán)境性能(耐異常電壓、耐高溫等),但對影響B(tài)MS正常工作的電壓和溫度閾值并未給定,因此需要對標準進一步完善,以提升響應率。

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的保護需求,建立了響應率指標體系。通過分析計算各層指標的響應率及總響應率,評估了不同種類的充電設施對BMS保護需求的響應能力,找出影響充電設施響應率的薄弱環(huán)節(jié),并針對評估結(jié)果分析了提升充電設施響應率的措施,為充電設施的測試及維護以及不同充電設施充電安全性能比較提供了相應參考依據(jù)。

實際上從充電系統(tǒng)角度研究充電安全問題,主要包含動力電池安全預警問題、充電設施對BMS保護需求響應問題以及充電系統(tǒng)整體的電氣安全問題3個方面的內(nèi)容。本文只分析了其中一項,另外兩項有待進一步研究。

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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。

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0101900)；國家電網(wǎng)公司科技項目(5202011600U5)。

尹忠東(1968—),男,博士,教授,主要研究方向:電動汽車充電安全、車網(wǎng)融合技術等。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:電動汽車充電技術、電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用等。E-mail:wangshuai@ncepu.edu.cn

張元星(1988—),男,工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)節(jié)能技術、電動汽車與電網(wǎng)融合技術等。E-mail:zhangyuanxing1988@163.com

(編輯蔡靜雯)