大數(shù)據(jù)下電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

尹麗瓊　韋安定　韋財(cái)金

摘 要：高效精確的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷技術(shù)，不僅是電動(dòng)汽車安全行駛的保證，也是電動(dòng)汽車快速健康發(fā)展的重要技術(shù)支撐。本文將圍繞電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，綜述這兩套系統(tǒng)在保證電動(dòng)汽車安全行駛的最新研究進(jìn)展；以獲取汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)為視角，介紹在電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)南冗M(jìn)技術(shù)；以大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的角度，分析目前在多維度數(shù)據(jù)融合、故障識(shí)別、故障報(bào)警三方面的當(dāng)前技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)；在大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的背景下，對(duì)電動(dòng)汽車故障診斷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù) 電池管理系統(tǒng) 故障診斷 故障預(yù)測(cè)

1 引言

隨著電動(dòng)汽車的快速普及，消費(fèi)者和汽車廠商對(duì)電池安全問題越來越重視，動(dòng)力電池不僅是電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿碓春秃诵牧悴考?，也是其快速發(fā)展的主要技術(shù)壁壘。鋰離子電池在生產(chǎn)制造過程中不可避免的工藝問題，導(dǎo)致其各個(gè)單體電池存在差異性，為日后使用埋下安全隱患；隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)其電池綜合性能不斷衰減，導(dǎo)致汽車的續(xù)駛里程縮短、電池一致性變差、動(dòng)力性減弱等一系列問題。故對(duì)動(dòng)力電池故障進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè)，是電動(dòng)汽車安全、智能、便捷使用的重要技術(shù)保證[1]。

目前研究人員已經(jīng)從故障發(fā)生的邊界條件、表現(xiàn)特征、內(nèi)在原理和故障擴(kuò)張等方面做了大量的研究工作，對(duì)電池系統(tǒng)故障有了較為深刻的認(rèn)識(shí)，基于故障發(fā)生的表現(xiàn)特征和反應(yīng)機(jī)理，對(duì)故障診斷和預(yù)測(cè)形成了較為完善的理論體系和初步解決方案。但在工況復(fù)雜多變的實(shí)際使用場(chǎng)景下，目前的解決方案難以診斷多故障耦合現(xiàn)象和對(duì)故障做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在動(dòng)力電池故障診斷領(lǐng)域的運(yùn)用也不斷獲得成功，動(dòng)力電池與大數(shù)據(jù)融合是未來行業(yè)大趨勢(shì)，也是我國(guó)汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的戰(zhàn)略方向[2]。故，如何基于電動(dòng)汽車使用過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)分析視角下整個(gè)電池系統(tǒng)故障診斷和預(yù)測(cè)體系，是目前研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

本文論述了電池系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，首先圍繞汽車安全分別介紹了電池管理系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和汽車數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)葍?nèi)容，并重點(diǎn)闡述了目前電池系統(tǒng)中故障技術(shù)的研究，從電池系統(tǒng)多維度數(shù)據(jù)融合特征提取、電池故障識(shí)別、電池故障預(yù)警三個(gè)方面進(jìn)行分析總結(jié)；基于目前電動(dòng)汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化和數(shù)字化的發(fā)展，對(duì)大數(shù)據(jù)分析下多維數(shù)據(jù)融合的故障診斷發(fā)展進(jìn)行了展望；最后對(duì)電池診斷的關(guān)鍵技術(shù)和主要內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，總體論文框架如圖1所示。

2 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池安全管理

2.1 電池管理系統(tǒng)

當(dāng)動(dòng)力電池系統(tǒng)在安全的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)，才能保證電動(dòng)汽車高效安全的行駛，電池管理系統(tǒng)（BMS）作為保證其安全運(yùn)行的唯一設(shè)備，通過自身攜帶的傳感器獲得汽車各種特征參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的安全管理。其傳感器可以獲得電池電壓、充放電電流、單體電池溫度、車速等各種參數(shù)，利用這些參數(shù)可以估計(jì)獲得包括電池荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH），剩余里程估計(jì)等電池多種狀態(tài)[3]。故，需要根據(jù)目的不同設(shè)計(jì)不同的電池模型和算法。

對(duì)于電池荷電狀態(tài)的估計(jì)較為傳統(tǒng)的方法是安時(shí)積分法，但此方法不但要求數(shù)據(jù)具有精確的初始值，而且無法避免由于數(shù)據(jù)誤差造成的積累誤差；開路電壓法可用于實(shí)現(xiàn)電池荷電狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)，但由于此方法需要電池長(zhǎng)時(shí)間的放置，并不適合實(shí)際情況的使用。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以被用來對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行在線估計(jì)，但該方法需要大量的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，且模型精度受數(shù)據(jù)精度的直接影響。Liu等人針對(duì)串聯(lián)電池組，提出了一種基于模型的傳感器風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)與隔離方案，采用自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波（AEKF）估計(jì)每個(gè)單體電池的狀態(tài)，并將估計(jì)的輸出電壓與實(shí)測(cè)電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生殘差，用統(tǒng)計(jì)推理的方法對(duì)殘差進(jìn)行估計(jì)，確定風(fēng)險(xiǎn)的存在程度，最后通過一個(gè)串聯(lián)電池組在UDDS驅(qū)動(dòng)循環(huán)下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性[4]。Yang等人通過對(duì)電動(dòng)汽車的大量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，構(gòu)建了電池風(fēng)險(xiǎn)診斷策略同時(shí)將統(tǒng)計(jì)結(jié)果和實(shí)際車輛進(jìn)行了對(duì)比分析[5]。Wang等人針對(duì)電動(dòng)汽車充電過程中的一些風(fēng)險(xiǎn)隱患，從一體化和安全角度出發(fā)提出了一種基于模糊層次綜合分析法的在線風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型并通過專家經(jīng)驗(yàn)建立打分表的方式來確定各種風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)模型的影響，從而建立了風(fēng)險(xiǎn)診斷策略，結(jié)果表明該模型能對(duì)安全等級(jí)進(jìn)行有效評(píng)估并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，從而保障了電動(dòng)汽車的正常運(yùn)行。

2.2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）的主要作用是，保證電池在過充、過壓或極端外部條件下，保證電池各單體、電池包和各個(gè)模組在正常的溫度下工作切溫度分布均勻，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)于防止或延緩電池溫度失控和部分單體電池溫度過高，重要作用。目前電池管理系統(tǒng)按照冷卻方式可以分為主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻，按照冷卻介質(zhì)分為空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻等類型。其中無論是主動(dòng)或被動(dòng)冷卻系統(tǒng)，以空氣為介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)由于導(dǎo)熱系數(shù)的限制，都很難有效的滿足電池降溫散熱的實(shí)際需求。

目前的比較傳統(tǒng)的池?zé)峁芾硐到y(tǒng)都是利用電池管理系統(tǒng)的傳感器獲得電池各部分溫度數(shù)據(jù)。與存儲(chǔ)在ECU中提取設(shè)置好的閾值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)超過閾值時(shí)便會(huì)提高散熱體系工作力度?；诖髷?shù)據(jù)分析，可以利用汽車運(yùn)行的各種歷史數(shù)據(jù)對(duì)電池溫度狀態(tài)進(jìn)行分析，并對(duì)電池包和各個(gè)單體電池溫度做出預(yù)測(cè)，當(dāng)預(yù)測(cè)電池溫度將有過高的危險(xiǎn)時(shí)，散熱系統(tǒng)將會(huì)提取提高工作力度，以防止電池出現(xiàn)溫度過高的危險(xiǎn)。

2.3 電池系統(tǒng)安全管理

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿碓矗涑浞烹娏饔袝r(shí)高達(dá)上百安，工作輸出電壓高達(dá)數(shù)百伏，過高的充放電電流會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度急速上升和電池性能加速衰退，過高的輸出電壓使電池輸出功率過大，會(huì)提高電池溫度和影響電池綜合性能。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，消費(fèi)者和廠商對(duì)電動(dòng)汽車的電器化、電機(jī)效率、能量傳輸效率等都有了更高的要求，電池高壓化是電動(dòng)汽車發(fā)展的行業(yè)趨勢(shì)。故，對(duì)電池的電壓、溫度和電流進(jìn)行分析是實(shí)現(xiàn)電池安全管理的重要途徑。目前在實(shí)際運(yùn)用中我們只能獲得電池的表明實(shí)時(shí)溫度，但實(shí)際上其內(nèi)部溫度是更能直接影響電池性能，且內(nèi)部溫度相比表明溫度會(huì)更快到達(dá)臨界溫度。

雖然沒有較好的辦法直接獲得電池內(nèi)部溫度，但是可以通過電池等效模型大致計(jì)算出電池內(nèi)部的溫度，但這種方法很難適應(yīng)電池復(fù)雜的使用場(chǎng)景；也可以基于機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)通過模型建立電壓電流與電池內(nèi)部溫度的關(guān)系，這種方法使實(shí)時(shí)估計(jì)電池內(nèi)部溫度成為了可能，但受到數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)精度的影響。

2.4 電動(dòng)汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)的傳輸安全

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，目前電動(dòng)汽車的數(shù)據(jù)傳輸不止通過車載設(shè)備進(jìn)行，還包括基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)。工信部2017年7月起就要求對(duì)已售出車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并記錄每輛新能源汽車使用、保養(yǎng)、維修等狀況并建立檔案。利用車載終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)和傳輸?shù)幕A(chǔ)，其主要通過CAN總線傳輸電動(dòng)汽車的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)、電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)、經(jīng)緯度信息等，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)中心進(jìn)行儲(chǔ)存。

與傳統(tǒng)汽車相比，電動(dòng)汽車的電器化程度更高其配備的電控單元和傳感器也更多，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全要求也更高，并隨著數(shù)據(jù)的增多對(duì)傳輸?shù)男?、可靠性也有了更高的要求。?duì)數(shù)據(jù)傳輸過程中的產(chǎn)生的安全問題研究應(yīng)用也越來越多：寶馬等公司提出的FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越廣泛；為提高傳輸效率，利用分布式實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)多通道多數(shù)據(jù)高速率傳輸；為提高信息安全利用冗余通信機(jī)制，并過通信監(jiān)視器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控正在得到應(yīng)用。要保證數(shù)據(jù)傳輸過程的完整性、可用性、保密性，一旦數(shù)據(jù)遭遇盜竊輕則造成電動(dòng)汽車電氣故障或充放電失效等重則造成汽車失控、起火爆炸等。故對(duì)電動(dòng)汽車的一些敏感數(shù)據(jù)需要進(jìn)行加密以確保安全。

3 電池故障診斷技術(shù)

隨著電動(dòng)汽車電氣化和智能化的提高，對(duì)電池故障的診斷正在有電池單體級(jí)別向整個(gè)電池系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)別，并融合多維數(shù)據(jù)對(duì)故障進(jìn)行定位預(yù)測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況的不同對(duì)故障進(jìn)行定位預(yù)測(cè)所建立的模型也不盡相同，對(duì)數(shù)據(jù)維度和時(shí)間尺度上的要求也不盡相同。電池系統(tǒng)故障主要分為機(jī)械故障和電氣故障，其中汽車在行駛過程中受到撞擊或擠壓是機(jī)械故障的主要誘因，汽車受到撞擊或擠壓后電池包會(huì)發(fā)生形變，導(dǎo)致電池內(nèi)部電解液和氣體溢出，電池出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象內(nèi)阻增大，電池內(nèi)部熱量快速增加，若熱量沒有有效散發(fā)極易引起事故；當(dāng)電池系統(tǒng)出現(xiàn)充放電過度、短路輸出功率過高等電氣故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池包溫度升高引起電池電解液和氣體溢出、火災(zāi)、爆炸等事故。

3.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下電池系統(tǒng)故障識(shí)別與診斷

到目前為止，針對(duì)電池故障做了大量的研究工作，對(duì)于電池故障的定位與分析主要是對(duì)電池溫度和電壓的測(cè)量與分析，對(duì)其故障的診斷，主要判斷電池的電壓和溫度是否出現(xiàn)異常。

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，基于大量電池實(shí)際數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電池故障診斷技術(shù)正在興起。

某公司車型針對(duì)故障定位研發(fā)的智慧專家系統(tǒng)，通過對(duì)汽車行駛過程中產(chǎn)生的故障碼進(jìn)行解析分析，利用大數(shù)據(jù)算法將故障碼與故障一一對(duì)應(yīng)，并基于維修手冊(cè)通過網(wǎng)絡(luò)返回維修建議。針對(duì)故障診斷，可基于大量汽車實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘?qū)?shù)據(jù)之間的關(guān)系可視化，并提取特征（如電池SOH、單體溫度一致性、單體電壓一致性、駕駛風(fēng)格和行駛工況等），利用機(jī)器學(xué)習(xí)建立模型來分析故障與這些特征之間的關(guān)系，來對(duì)電池故障進(jìn)行診斷。Duan等人希望建立電池不一致評(píng)價(jià)機(jī)制，為電池的高效可靠管理提供依據(jù)，為了獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，搭建了測(cè)試平臺(tái)和方案，提出了一種電池不一致性的綜合評(píng)價(jià)方法，基于信息熵的方式來進(jìn)行評(píng)價(jià)，并由12個(gè)電池單體組成的電池組的不一致性進(jìn)行了綜合分析和判斷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能科學(xué)評(píng)價(jià)不同壽命下電池組的不一致性，具有廣泛適應(yīng)性。

3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下電池故障預(yù)測(cè)

對(duì)電動(dòng)汽車電池故障的預(yù)測(cè)，不僅能預(yù)防重大事故的發(fā)生，更是電動(dòng)汽車行業(yè)跨上新臺(tái)階的技術(shù)保證，對(duì)電池故障建立預(yù)測(cè)機(jī)制，并實(shí)施多級(jí)報(bào)警，已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前多基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)對(duì)電池故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，在海量運(yùn)行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提取數(shù)據(jù)特征，建立故障和特征的時(shí)間序列模型或融合模型，利用大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型獲得特征與故障之間的關(guān)系，最后基于這種關(guān)系對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。Hong提出了一種基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)和熵值法的電動(dòng)汽車系統(tǒng)熱失控預(yù)測(cè)方案，通過對(duì)車輛運(yùn)行過程中電池溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)由溫度風(fēng)險(xiǎn)引起的熱失控的診斷和預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上提出了基于Z-score方法的熱失控?zé)岚踩芾聿呗裕氘惓Ｏ禂?shù)，提出溫度異常的實(shí)時(shí)預(yù)防，結(jié)果表明方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池組溫度風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的時(shí)間和位置。

4 總結(jié)與展望

4.1 電池故障定位

現(xiàn)技術(shù)對(duì)于電池故障定位，在精度和實(shí)際運(yùn)用的場(chǎng)景下的要求下，只對(duì)單個(gè)故障能夠做出比較精確的定位，對(duì)于多故障耦合的問題還不能很好解決，且對(duì)于電池內(nèi)部故障機(jī)制和故障定位尚沒有很好地解決辦法。希望未來基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行多維數(shù)據(jù)融合，并建立電池完善的故障機(jī)制，對(duì)藕合故障和電池內(nèi)部故障進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并建立故障分析庫(kù)對(duì)故障發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、頻率等進(jìn)行分析，為電池制造提供參考，進(jìn)一步提高電池整體水平。

4.2 電池故障預(yù)警

目前對(duì)于電池故障的預(yù)測(cè)，在并不復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下能夠?qū)σ恍┕收献龀鰷?zhǔn)確預(yù)測(cè)，但對(duì)一些藕合故障的預(yù)測(cè)精度較低。汽車的使用場(chǎng)景復(fù)雜，且每位司機(jī)的駕駛習(xí)慣都不盡相同，對(duì)電池故障的預(yù)測(cè)依然是目前技術(shù)的難點(diǎn)。希望未來在能夠借助云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)中心，能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車故障做出準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)故障預(yù)測(cè)。

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