新能源汽車鋰離子電池組故障診斷技術(shù)研究

韋窗才

摘 要：文章針對新能源汽車中的鋰離子電池組故障診斷技術(shù)進行深入分析，對多種故障診斷技術(shù)是進行深入研究，進一步探索大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在故障診斷與預(yù)測中的應(yīng)用，為新能源汽車的安全運行提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，以供參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池組 故障診斷 電池管理系統(tǒng)

在當前全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護的大背景下，新能源汽車作為未來交通工具的重要發(fā)展方向，受到了廣泛關(guān)注。其中，鋰離子電池作為新能源汽車的核心動力源，其性能和安全性對汽車的可靠性與續(xù)航能力具有決定性影響。然而，隨著使用時間的增長和工作環(huán)境的變化，電池組可能會出現(xiàn)各種故障，這不僅影響汽車的正常使用，還可能帶來嚴重的安全隱患。因此，對鋰離子電池組的故障進行有效的診斷與預(yù)防，成為了當前新能源汽車技術(shù)研究的一個重要領(lǐng)域。

1 鋰離子電池組的基本原理與結(jié)構(gòu)

1.1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池的工作原理是現(xiàn)代能源技術(shù)領(lǐng)域的一個重要組成部分，尤其在新能源汽車的發(fā)展中發(fā)揮著核心作用。這種電池的基本工作機制依賴于鋰離子在正負極材料之間的移動。在充電過程中，鋰離子從正極移動到負極并嵌入其中；而在放電過程中，鋰離子則從負極釋放出來，并回到正極。這一往復(fù)的離子流動不僅促成了電能的存儲和釋放，還保證了電池的長期循環(huán)穩(wěn)定性。

正極材料通常由鋰金屬氧化物組成，如鋰鈷氧化物（LiCoO2）或鋰鐵磷酸鹽（LiFePO4），這些材料具有良好的鋰離子嵌入和釋放能力。負極材料一般使用石墨或硅基材料，由于其獨特的層狀結(jié)構(gòu)，能夠有效地嵌入和儲存鋰離子。電解質(zhì)作為電池的關(guān)鍵組成部分，不僅提供了鋰離子傳輸?shù)拿浇椋€起到了隔離正負極，防止短路的作用。此外，電池的充放電過程伴隨著電子在外電路中的流動，從而實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換和利用。

1.2 電池組的組成與結(jié)構(gòu)

電池組的組成與結(jié)構(gòu)是確保新能源汽車高效運行的基石。一個完整的電池組通常由多個單體電池、連接器件和保護電路組成，這些元件的協(xié)同工作確保了電池組的穩(wěn)定性和安全性。每個單體電池是電池組能量和功率的基本單元，而將多個這樣的單體電池通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式組合在一起，可以有效地增加電池組的總電壓和容量。

電池組的設(shè)計不僅要考慮單體電池的性能，還需要考慮整體的結(jié)構(gòu)布局和熱管理問題。例如，電池組內(nèi)部通常會設(shè)計有散熱通道，以保證在電池工作過程中產(chǎn)生的熱量能夠有效散發(fā)，避免過熱導(dǎo)致的性能降低或安全風險。此外，電池組還配備有多種傳感器，用于監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，以實時掌握電池組的工作狀態(tài)。

在電池組的構(gòu)建過程中，對材料的選擇、單體電池的匹配以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計都需要精密計算和嚴格控制，以確保電池組的整體性能達到最佳。電池組的這種精心設(shè)計和精確制造，是新能源汽車可靠性和效能的關(guān)鍵因素。

1.3 電池管理系統(tǒng)（BMS）的作用

電池管理系統(tǒng)（BMS）在鋰離子電池組的運行中扮演著至關(guān)重要的角色。BMS是一種專門設(shè)計用于監(jiān)控和管理電池組的高級控制系統(tǒng)，它能夠確保電池在安全、可靠的條件下運行，同時優(yōu)化電池的性能和延長其壽命。BMS的功能范圍廣泛，包括電池的充電控制、放電管理、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及熱管理等[1]。

BMS通過實時監(jiān)測每個單體電池的電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，可以精確評估電池組的整體狀態(tài)，如總電壓、剩余容量、健康狀況等。這些信息對于電池組的安全運行至關(guān)重要，因為它們可以幫助及時識別并處理潛在的安全隱患，如過充、過放、溫度異常等。例如，當BMS檢測到某個單體電池的溫度過高時，它可以調(diào)整電流大小或暫停充電，以防止過熱引發(fā)的安全問題。

2 鋰離子電池組的常見故障類型

2.1 內(nèi)部短路

鋰離子電池組的內(nèi)部短路是一種常見而嚴重的故障，它可能由多種原因引起，包括電池制造缺陷、物理損傷、電化學不穩(wěn)定等。內(nèi)部短路發(fā)生時，電池內(nèi)部的正負極之間會形成一個低阻抗的通路，導(dǎo)致電流急劇增加。這種異常的電流增加會迅速升高電池的溫度，進而觸發(fā)熱失控現(xiàn)象，可能導(dǎo)致電池性能嚴重下降甚至發(fā)生火災(zāi)或爆炸。

內(nèi)部短路的檢測和預(yù)防是電池安全管理中的一個重要課題。傳統(tǒng)的檢測方法依賴于監(jiān)測電池的電壓和溫度變化，但這些方法往往在故障發(fā)生后才能檢測到問題。因此，開發(fā)更先進的檢測技術(shù)，如基于阻抗測量的方法，成為了電池安全研究的焦點[2]。通過這些方法，可以更早地識別出電池內(nèi)部的異常狀態(tài)，從而采取措施防止短路的發(fā)生。

2.2 過充與過放

過充指的是電池充電超過其額定容量的情況，這會導(dǎo)致正極材料過度氧化，產(chǎn)生不可逆的結(jié)構(gòu)和化學變化。這些變化不僅降低了電池的容量，還可能導(dǎo)致電解質(zhì)分解和內(nèi)部壓力增加，進而引發(fā)安全問題。相反，過放則指電池放電到低于其最低電壓限制的狀態(tài)，這會導(dǎo)致負極材料的過度嵌鋰，損害電池結(jié)構(gòu)，同樣會造成容量永久損失和安全風險。

為了防止過充和過放，電池管理系統(tǒng)（BMS）在此起著至關(guān)重要的作用。BMS能夠準確監(jiān)控電池的充放電狀態(tài)，并在電池達到其電壓極限時及時切斷電路，從而防止過充和過放。此外，合理的充放電策略和電池維護也是預(yù)防這些問題的關(guān)鍵。例如，避免長時間充滿電或完全放電存放電池，可以有效延長電池的使用壽命。

2.3 溫度異常

電池在正常工作時會產(chǎn)生熱量，但如果溫度過高，就可能導(dǎo)致電池性能下降，甚至引發(fā)安全問題。溫度異常主要由過度充放電、內(nèi)部短路或外部環(huán)境溫度過高引起。高溫環(huán)境下，電池內(nèi)部的化學反應(yīng)會加速，導(dǎo)致電解質(zhì)分解和材料退化，降低電池的容量和壽命。在極端情況下，溫度過高還可能觸發(fā)熱失控反應(yīng)，導(dǎo)致電池起火或爆炸。

為了有效管理電池溫度，電池管理系統(tǒng)（BMS）會監(jiān)控電池的溫度，并通過冷卻系統(tǒng)來控制溫度。例如，一些電池組配備有風冷或液冷系統(tǒng)，可以有效散發(fā)電池在工作中產(chǎn)生的熱量，保持電池在一個安全和高效的溫度范圍內(nèi)運行。除了主動的冷卻措施，電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計也很重要。合理的電池布局和熱管理設(shè)計可以促進熱量的均勻分布和有效散發(fā)，避免局部過熱。

2.4 容量衰減

鋰離子電池的容量衰減是指電池在長期使用過程中，其存儲能量的能力逐漸下降的現(xiàn)象。這種衰減是電池老化的自然結(jié)果，由多種因素引起，包括電池循環(huán)次數(shù)的增加、不適當?shù)某浞烹姉l件、溫度異常以及材料老化等。電池容量的衰減會直接影響電池的續(xù)航能力，因此是影響新能源汽車性能的一個重要因素。

電池容量衰減的機制復(fù)雜，涉及電池內(nèi)部的多種化學和物理過程。例如，電池的充放電循環(huán)會導(dǎo)致電極材料的結(jié)構(gòu)破壞和活性物質(zhì)的丟失，電解質(zhì)的分解也會逐漸累積在電極表面，形成固體電解質(zhì)界面（SEI），這些都會導(dǎo)致電池容量下降。此外，電池在極端溫度條件下工作，尤其是過熱，會加速電池的老化過程。

為了減緩容量衰減，電池管理系統(tǒng)（BMS）需要優(yōu)化充放電策略，避免電池在高壓或低壓狀態(tài)下長時間工作。同時，合理的溫度控制也是延長電池壽命的關(guān)鍵[3]。在電池材料和設(shè)計方面，研究人員正在努力開發(fā)新型材料和電池結(jié)構(gòu)，以提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和減少容量衰減。

3 鋰離子電池故障診斷技術(shù)

3.1 電壓、電流和溫度監(jiān)測

電壓、電流和溫度監(jiān)測是鋰離子電池組故障診斷的基礎(chǔ)。這些參數(shù)的實時監(jiān)測對于確保電池組的安全和高效運行至關(guān)重要。電壓監(jiān)測能夠提供電池充放電狀態(tài)的關(guān)鍵信息，電流監(jiān)測有助于評估電池的工作負載和性能，而溫度監(jiān)測則是預(yù)防過熱和熱失控的關(guān)鍵。

電壓監(jiān)測涉及到每個單體電池和整個電池組的電壓測量。通過監(jiān)測單體電池的電壓，可以識別出失衡或損壞的電池，而整體電壓監(jiān)測則有助于評估電池組的總體狀態(tài)。電流監(jiān)測則是通過測量電池充放電時的電流強度，來判斷電池的工作狀態(tài)和容量。異常的電流變化可能是內(nèi)部短路或其他故障的跡象。

溫度監(jiān)測對于防止電池過熱和熱失控尤其重要。電池在工作過程中產(chǎn)生的熱量需要有效管理，以防止溫度升高導(dǎo)致的性能下降或安全問題。通過在電池組中部署溫度傳感器，可以實時監(jiān)控電池的溫度，并在溫度異常時采取措施，如減少充放電電流或啟動冷卻系統(tǒng)。

3.2 阻抗分析

阻抗分析是一種評估電池性能和狀態(tài)的重要方法，它涉及到測量電池的電化學阻抗譜（EIS）。阻抗分析可以提供關(guān)于電池內(nèi)部過程的詳細信息，如電荷傳遞、電解質(zhì)阻抗、電極材料阻抗等。電池阻抗分析可以使用Bode Plot模型，可以通過Bode圖表示，其中一個圖顯示了阻抗幅度與頻率的關(guān)系，另一個圖顯示了相位角與頻率的關(guān)系。

圖1和圖2是來自中國汽車技術(shù)研究中心公布的Bode圖，該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以表示為，其中 s 是復(fù)頻率。

圖1展示了系統(tǒng)增益（以分貝為單位）隨頻率（以弧度/秒為單位）的變化。從圖中可以看出，隨著頻率的增加，系統(tǒng)的增益逐漸下降。圖2相位響應(yīng)圖：展示了系統(tǒng)相位角（以度為單位）隨頻率的變化。相位角隨著頻率的增加而下降。

3.3 電池狀態(tài)估計

電池狀態(tài)估計是指使用算法和模型來評估電池的當前狀態(tài)和未來性能的過程[4]。這包括對電池的剩余壽命（RUL）、剩余可用容量（SOC）和健康狀況（SOH）等參數(shù)的估計。這些信息對于電池管理系統(tǒng)（BMS）優(yōu)化電池使用和維護策略至關(guān)重要。

剩余可用容量（SOC）的估計則是通過實時監(jiān)測電池的充放電狀態(tài)來進行，以確定電池在當前充放電周期內(nèi)還能提供多少能量。對于剩余可用容量通常使用開路電壓法和庫侖計數(shù)法進行計算：

開路電壓法（OCV）：

其中VOCV是電池的開路電壓，f是一個通過實驗獲得的函數(shù)，它將電壓值映射到SOC值。

庫侖計數(shù)法：

其中SOCt和SOCt-1分別是當前和上一個時間點的SOC，I是電流（充電為正，放電為負），Δt是時間間隔，Cnom是電池的額定容量。

電池健康狀況（SOH）的估計是評估電池性能相對于新電池的比例。SOH的評估對于確保電池組在其整個使用壽命內(nèi)都能高效安全地運行至關(guān)重要。通過監(jiān)測電池的充放電特性、容量衰減和內(nèi)阻變化等因素，可以準確地估計電池的健康狀況。這些信息不僅有助于判斷電池是否需要維修或更換，還可以指導(dǎo)電池的合理使用和充放電策略，從而延長電池的使用壽命。健康狀態(tài)統(tǒng)計通常使用容量衰減法和內(nèi)阻增加法：

容量衰減法：

其中是Ccurrent電池當前的實際容量，Cnom是初始的額定容量。

內(nèi)阻增加法：

其中Rcurrent是電池當前的內(nèi)阻，Rinitial是新電池的內(nèi)阻，Rthreshold是內(nèi)阻的閾值。

剩余壽命的估計是通過分析電池的歷史工作數(shù)據(jù)和當前狀態(tài)來進行的。這通常涉及到機器學習或統(tǒng)計模型，這些模型會根據(jù)電池的歷史和當前工作數(shù)據(jù)來預(yù)測其未來的性能衰減和壽命。

4 先進的故障診斷方法與技術(shù)

4.1 機器學習方法在故障診斷中的應(yīng)用

近年來，隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，機器學習方法在新能源汽車電池故障診斷領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。機器學習，特別是深度學習技術(shù)，因其出色的數(shù)據(jù)處理和模式識別能力，在電池故障檢測和診斷中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。通過訓練算法模型來識別電池數(shù)據(jù)中的復(fù)雜模式，機器學習能夠準確地預(yù)測和診斷電池的各種潛在故障[5]。

機器學習方法在處理電池大數(shù)據(jù)方面尤其有效，它們能從電池的運行數(shù)據(jù)中學習，如充放電循環(huán)、電壓、電流、溫度等，然后識別出故障的征兆。例如，通過分析電池充放電曲線的變化，機器學習模型可以預(yù)測電池性能的下降或即將發(fā)生的故障。此外，機器學習方法還可以用于優(yōu)化電池管理系統(tǒng)（BMS），通過連續(xù)學習和適應(yīng)電池的變化，提高電池管理的效率和準確性。

4.2 大數(shù)據(jù)分析在故障預(yù)測中的作用

在新能源汽車電池故障診斷中，大數(shù)據(jù)分析扮演著至關(guān)重要的角色。隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，電池產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量急劇增加，包括充放電歷史、溫度變化、工作狀態(tài)等信息，這些數(shù)據(jù)中蘊含著有關(guān)電池健康狀況和潛在故障的寶貴信息，可以從這些龐大且復(fù)雜的數(shù)據(jù)集中提取有用信息，以預(yù)測和防止電池故障。大數(shù)據(jù)技術(shù)使得可以對電池的歷史數(shù)據(jù)進行深入分析，識別出可能導(dǎo)致故障的模式和趨勢。例如，通過分析電池在不同溫度和充放電條件下的性能數(shù)據(jù)，可以預(yù)測電池在特定條件下的故障風險。此外，大數(shù)據(jù)分析還可以用于比較不同電池的性能，從而為電池設(shè)計和制造提供指導(dǎo)。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電池監(jiān)控中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)在新能源汽車電池監(jiān)控中的應(yīng)用正變得越來越重要。通過在電池管理系統(tǒng)中集成傳感器和通信技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)使得可以實時監(jiān)控電池的工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)或云平臺進行進一步分析。通過在電池中嵌入多種傳感器，如電壓、電流、溫度傳感器等，可以實時監(jiān)測電池的關(guān)鍵參數(shù)。這些數(shù)據(jù)對于理解電池的工作狀態(tài)和健康狀況至關(guān)重要。例如，通過分析溫度數(shù)據(jù)，可以及時發(fā)現(xiàn)電池過熱的問題，從而采取措施防止?jié)撛诘陌踩L險。此外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還使得遠程診斷和維護成為可能。通過無線通信技術(shù)，可以將電池數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器進行分析，技術(shù)專家可以在不接觸電池的情況下進行故障診斷和維護建議。

5 結(jié)語

總而言之，隨著新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，對鋰離子電池組的安全和可靠性要求也越來越高。文章所討論的故障診斷技術(shù)和方法，為電池的健康管理和故障預(yù)防提供了有力的技術(shù)支持。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，我們有理由相信，這些技術(shù)將進一步提升電池的性能和安全性，為新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]陳明華.新能源汽車的維修與故障診斷技術(shù)研究[J].汽車實用技術(shù)，2018（24）：3.

[2]蘇芳，李相哲，徐祖宏.新一代動力鋰離子電池研究進展[J].電源技術(shù)，2019， 43（5）：3.

[3]孫中濤，張廣傳.新能源汽車的維修與故障診斷技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機與配件，2022（2）：3.

[4]王鵬超，陳荷良，金建華.新能源汽車電機過熱故障探究——以寶駿E200為例[J].汽車維修技師，2022（8）：1.

[5] 劉長春，吳濤，何成.電動汽車鋰電池外部短路故障診斷研究[J].計算機與數(shù)字工程，2021，049（004）：842-845.