新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷研究綜述

摘 要：近些年，國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提高，科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)迅猛發(fā)展，新能源技術(shù)實(shí)現(xiàn)深入研究和應(yīng)用，出于實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展目的，越來(lái)越多的行業(yè)逐漸朝著新能源方向發(fā)展?，F(xiàn)如今，新能源汽車逐漸成為汽車生產(chǎn)的重要方向，在此種類型汽車生產(chǎn)制作過(guò)程中，最為重要的部分是動(dòng)力電池系統(tǒng)，其是汽車實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部分。本文通過(guò)對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障類型進(jìn)行分析，提出診斷措施，推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)順利發(fā)展，達(dá)到產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展目的。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動(dòng)力電池系統(tǒng) 故障

Abstract：In recent years， the level of national economic development has improved， science and technology have achieved rapid development， and new energy technologies have been deeply researched and applied. For the purpose of green and sustainable development， more and more industries are gradually developing in the direction of new energy. Nowadays， new energy vehicles have gradually become an important direction of automobile production. In the production process of this type of automobile， the most important part is the power battery system， which is a key part of the safe and stable operation of the automobile. This paper analyzes the types of faults in the power battery system of new energy vehicles， and proposes diagnostic measures to promote the smooth development of the new energy vehicle industry and achieve the goal of green and sustainable development of the industry.

Key words：new energy vehicle， power battery system， fault

能源安全以及環(huán)境危機(jī)逐漸嚴(yán)峻，世界范圍內(nèi)各個(gè)國(guó)家采取多樣化措施致力于有害污染物排放以及能耗降低。積極發(fā)展新能源汽車，將電動(dòng)汽車以及混合動(dòng)力汽車作為代表，其已經(jīng)成為國(guó)際共識(shí)以及我國(guó)重要戰(zhàn)略之一。其中鋰離子廣泛應(yīng)用在新能源汽車以及儲(chǔ)能電站領(lǐng)域中，其優(yōu)勢(shì)主要是能量密度高、功率密度高以及使用時(shí)間長(zhǎng)等。伴隨新能源汽車實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，近些年相關(guān)火災(zāi)事故報(bào)道數(shù)量增加，可知?jiǎng)恿﹄姵貑?wèn)題造成的新能源汽車事故占比較高。此種電池故障主要是指過(guò)充、過(guò)放以及過(guò)熱等，上述故障會(huì)造成電池組內(nèi)部溫度數(shù)值以及壓力數(shù)值上升，造成電池系統(tǒng)失去控制。避免新能源汽車安全事故出現(xiàn)，目前相關(guān)研究人員從車載端以及云端實(shí)施全方位電池故障診斷以及安全管理工作。以往車載端電池管理系統(tǒng)，借助檢測(cè)電池組的電壓參數(shù)、電流參數(shù)等，評(píng)估電池組的實(shí)際充電情況以及健康狀態(tài)，以此確保動(dòng)力電池安全性，但由于過(guò)程中會(huì)受到BMS限制，安全預(yù)警策略比較簡(jiǎn)單，不能實(shí)時(shí)管控電池系統(tǒng)安全。為解決上述問(wèn)題，需重視遠(yuǎn)程平臺(tái)故障診斷以及預(yù)警技術(shù)，借助車載終端可將動(dòng)力電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫履茉雌嚧髷?shù)據(jù)云端平臺(tái)，可通過(guò)挖掘海量數(shù)據(jù)綜合性分析動(dòng)力電池故障診斷方式。

1 新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)分析

在新能源汽車領(lǐng)域中，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)功能主要有兩方面，其一是實(shí)時(shí)監(jiān)控電池性能參數(shù)，確保有效性能管理如圖1所示；其二是依據(jù)應(yīng)用環(huán)境對(duì)電池溫度進(jìn)行有效控制，防止電池溫度數(shù)值過(guò)高或者是過(guò)低，對(duì)電池壽命以及使用性能造成影響。過(guò)程中電池管理系統(tǒng)產(chǎn)生故障，上述功能會(huì)受到限制，不能有效預(yù)估電池符合問(wèn)題，造成電池失去有效控制，損傷電池，嚴(yán)重情況下會(huì)造成汽車行駛故障，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅[1]。

2 內(nèi)部故障分析

2.1 過(guò)充問(wèn)題

車用動(dòng)力源有效滿足電壓以及容量要求，動(dòng)力電池系統(tǒng)會(huì)借助單體電池串聯(lián)或者是并聯(lián)連接方式構(gòu)成，但由于制造缺陷以及工作條件差異影響，單體電池經(jīng)常出現(xiàn)不一致問(wèn)題。車輛充電過(guò)程中，充電器故障或者是管理系統(tǒng)在檢測(cè)以及估算電池狀態(tài)時(shí)并不準(zhǔn)確，會(huì)造成部分單體電池出現(xiàn)過(guò)充問(wèn)題，電池系統(tǒng)總電壓數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其上限數(shù)值，一些單體電池依然會(huì)發(fā)生過(guò)充。鋰離子電池過(guò)充會(huì)造成內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)以及活性物質(zhì)損失，電池組溫度數(shù)值提高，積聚氣體，造成電池爆炸。

2.2 過(guò)放問(wèn)題

一般情況下會(huì)利用設(shè)置放電截止電壓方式避免過(guò)放電故障出現(xiàn)，但過(guò)程中由于電流沖擊較大，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在不合理，電池存儲(chǔ)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)等原因，此種故障因素依然是電動(dòng)汽車應(yīng)用階段的常見(jiàn)問(wèn)題。在過(guò)放電過(guò)程中，處于負(fù)極狀態(tài)的鋰離子脫出能力會(huì)降低，同時(shí)上升的是電池極化電壓，負(fù)極銅集流體在氧化作用下成為銅離子，逐漸溶解在電解質(zhì)中，此種現(xiàn)象會(huì)增加動(dòng)力電池自放電速率數(shù)值，此種過(guò)放行為并不會(huì)直接造成熱失控問(wèn)題，但會(huì)造成損失容量或者是熱穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，對(duì)動(dòng)力電池濫用條件耐受性造成影響，再次充電或者是使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)事故。

2.3 過(guò)熱問(wèn)題

動(dòng)力電池?zé)o論是充電或是放電，都會(huì)面臨電子劇烈運(yùn)動(dòng)的情況，此種現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。多數(shù)情況下會(huì)產(chǎn)生電池異常發(fā)熱，在充電以及過(guò)放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)、外部短路以及內(nèi)部短路等問(wèn)題?；诟邷貤l件背景，鋰離子電池會(huì)產(chǎn)生一定程度膨脹，阻抗增長(zhǎng)，縮短循環(huán)使用時(shí)間。在大倍率充電循環(huán)階段，電池中會(huì)不斷積聚熱量，溫度數(shù)值逐漸上升，熱失控風(fēng)險(xiǎn)增加。電池過(guò)熱會(huì)造成正極材料降解時(shí)間縮短，負(fù)極固體電解質(zhì)界面膜出現(xiàn)，產(chǎn)生十分明顯的容量損失，鋰離子電池內(nèi)部材料分解過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些氣體，在壓力數(shù)值上升情況下，電池會(huì)膨脹，面臨爆炸風(fēng)險(xiǎn)[2]。

3 外部故障問(wèn)題

3.1 傳感器故障問(wèn)題分析

電池管理系統(tǒng)需具備電壓均衡以及過(guò)流保護(hù)等功能，上述功能實(shí)現(xiàn)主要是借助具備可靠性的溫度、電壓以及電流等傳感器。通常情況下并不重視傳感器故障，因此會(huì)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果。動(dòng)力電池傳感器故障主要有以下幾種：電壓傳感器故障、電流傳感器故障以及溫度傳感器故障。電流傳感器故障會(huì)降低多狀態(tài)估計(jì)準(zhǔn)確性，同時(shí)SOC以及溫度測(cè)量值數(shù)據(jù)可應(yīng)用在實(shí)時(shí)更新電池模型參數(shù)中，以此完成高精度預(yù)測(cè)。鋰離子電池需保證處于安全電壓以及溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，在超出合理范圍后會(huì)影響電池性能，造成事故。電壓以及溫度傳感器也會(huì)造成電池管理系統(tǒng)中的均衡誤差以及熱管理失效。

3.2 冷卻系統(tǒng)故障問(wèn)題分析

散熱步驟主要是借助電池結(jié)構(gòu)以及冷卻系統(tǒng)中的熱性能，一般電池冷系統(tǒng)如圖2所示，電池組通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)氣，然后經(jīng)過(guò)風(fēng)扇冷卻，最后將熱氣排出，動(dòng)力電池中的冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生故障，前提條件為電池外部環(huán)境溫度數(shù)值高或者是內(nèi)部放熱較多等，電池系統(tǒng)難以處于合理溫度范圍內(nèi)。電池系統(tǒng)內(nèi)部放出熱量相比于發(fā)散熱量高，單體電池會(huì)逐漸變熱，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)到達(dá)臨界溫度數(shù)值，基于這一溫度背景，放熱反應(yīng)會(huì)逐漸構(gòu)成連鎖反應(yīng)，造成電池?zé)崾Э兀霈F(xiàn)著火、放氣以及爆炸的問(wèn)題。電池出現(xiàn)短路問(wèn)題，散熱率數(shù)值會(huì)朝著線性增長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量也會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)性增長(zhǎng)，過(guò)程中造成大量熱量聚集，電池系統(tǒng)事故發(fā)生率也會(huì)上升?，F(xiàn)階段，電池組冷卻方式主要有氣體冷卻、液體冷卻以及相變材料冷卻等，保證電池組處于最佳溫度范圍內(nèi)，性能也會(huì)得以優(yōu)化，發(fā)揮著重要作用。

3.3 電池連接件故障問(wèn)題

此種故障出現(xiàn)主要是電池端子之間連接不良造成，電池組內(nèi)部單體電池或者是電池模組需借助螺母或者是焊接方式完成連接，車輛運(yùn)行時(shí)間增加，運(yùn)行工況也不夠確定，連接件極有可能由于振動(dòng)面臨松動(dòng)問(wèn)題，也會(huì)受到雜質(zhì)腐蝕影響[3]。電池之間出現(xiàn)虛接問(wèn)題，其一會(huì)降低電池輸出功率，其次會(huì)迅速增加電阻數(shù)值，生成大量的焦耳熱，電池以及連接件之間的溫度數(shù)值上升，針對(duì)此種類型故障沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決，會(huì)加速動(dòng)力電池老化，產(chǎn)生較多故障，安全事故頻發(fā)。

4 故障診斷措施

4.1 內(nèi)部故障診斷措施

知識(shí)診斷措施起步時(shí)間較早，應(yīng)用也比較廣泛，這一類型方式不需要利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，在概念以及處理方法上凸顯知識(shí)化，以此開(kāi)展故障推理判斷。知識(shí)電池故障診斷類型中主要有專家系統(tǒng)法、故障診斷樹(shù)等。專家系統(tǒng)法研究數(shù)量較多，應(yīng)用也比較廣泛，此種方法的關(guān)鍵之處是設(shè)計(jì)系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)以及推理機(jī)，通過(guò)更加全面有效的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)推理判斷結(jié)果。將模糊數(shù)學(xué)與模糊診斷原理作為基礎(chǔ)，借助專家系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)則，構(gòu)建電池組模糊專家系統(tǒng)模型。將電池組常見(jiàn)故障等作為基礎(chǔ)，依據(jù)電池故障診斷專家經(jīng)驗(yàn)，集合電池領(lǐng)域?qū)＜揖S修經(jīng)驗(yàn)，形成關(guān)于對(duì)象以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的知識(shí)庫(kù)，設(shè)置人工智能模糊推理綜合判斷推理機(jī)模型。模型故障診斷方式：此種診斷方式會(huì)借助電池相關(guān)模型獲取估計(jì)值以及實(shí)際測(cè)量值，兩者之間的差異會(huì)形成系統(tǒng)殘差，此種數(shù)值可成為故障知識(shí)信號(hào)，通過(guò)這一信號(hào)可完成進(jìn)一步的故障特征分析，可為系統(tǒng)故障診斷提供理論數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)殘差處于理想化基礎(chǔ)上，其會(huì)僅包括故障信息數(shù)據(jù)。動(dòng)力電池模型類型較多，例如電化學(xué)模型、電路模型等[4]。

4.2 外部故障診斷措施分析

首先是知識(shí)診斷措施，在電池外部故障診斷中，主要利用故障樹(shù)分析法、閾值規(guī)則法以及模糊理論等。電池傳感器產(chǎn)生故障，主要原因是高溫老化、機(jī)械振蕩等。借助連接螺栓松動(dòng)位置的電池直流內(nèi)阻，相比于其他單體電池內(nèi)阻理論較高，借助壓差閾值規(guī)則方式可實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)電池極柱螺栓松動(dòng)、連接部位氧化等連接不良問(wèn)題。借助電池包可利用1C電流進(jìn)行持續(xù)放電，在固定時(shí)長(zhǎng)后獲取電壓變化數(shù)值，比對(duì)設(shè)定值與實(shí)測(cè)值，電池組連接可靠性得到診斷。借助模糊理論診斷虛接故障，利用動(dòng)力電池系統(tǒng)故障仿真構(gòu)建不同癥狀的隸屬函數(shù)，可優(yōu)化診斷權(quán)矩陣以及其他模型參數(shù)，設(shè)置故障診斷模型。其次是模型故障診斷措施，此種方式包含方法較多，主要應(yīng)用在傳感器以及冷卻系統(tǒng)故障檢測(cè)與隔離中。借助非線性奇偶校檢方程，在一階等效電路模型以及熱模型中生成電壓、電流以及風(fēng)扇殘差數(shù)值，借助殘差閾值可對(duì)電壓傳感器故障以及電流傳感器等故障進(jìn)行識(shí)別。借助觀測(cè)器估計(jì)值以及實(shí)際值差診斷速度傳感器、電流傳感器等故障問(wèn)題。總結(jié)各種故障產(chǎn)生的危害，借助結(jié)構(gòu)分析以及順序殘差生成方式對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)和分離，此種方式即使是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)并不確定前提下，可獲取傳感器可檢測(cè)性以及可分離性，構(gòu)建針對(duì)性的診斷測(cè)試故障在線檢測(cè)方式。借助等效電路模型以及熱模型可對(duì)電流、電壓以及溫度生辰殘差進(jìn)行估計(jì)，檢測(cè)以及隔離電流傳感器以及溫度傳感器故障[5]-[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，人們環(huán)保意識(shí)不斷強(qiáng)化，新能源汽車推廣應(yīng)用范圍逐漸加大，國(guó)家在新能源汽車上實(shí)現(xiàn)大力支持，未來(lái)新能源汽車會(huì)占據(jù)更大比重的汽車生產(chǎn)市場(chǎng)。在新能源汽車中，電池起著關(guān)鍵性作用，電池性能會(huì)對(duì)汽車使用效果起到直接影響。通過(guò)分析電池故障問(wèn)題，提出故障診斷措施，為日后電池生產(chǎn)以及診斷電池故障、維護(hù)動(dòng)力組電池運(yùn)行提供重要幫助。

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作者簡(jiǎn)介

王樹(shù)林：男，漢族，甘肅永登人，學(xué)歷（本科），蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)（新區(qū)校區(qū)），高校教師，助教。研究方向：新能源汽車、動(dòng)力電池方向。