新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷研究綜述

李永偉

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，新能源汽車的數(shù)量越來越多，新能源汽車數(shù)量的增多，一方面確實(shí)有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，但是新能源汽車的安全問題也變得越來越嚴(yán)峻，新能源汽車一旦出現(xiàn)安全問題，將會(huì)對(duì)駕駛?cè)藛T以及乘坐人員的人身健康以及財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，這些問題將會(huì)對(duì)新能源汽車行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展造成較大程度的阻礙。本文對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷展開分析，并給出個(gè)人建議，以期提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動(dòng)力電池系統(tǒng) 故障 診斷

Abstract：With the continuous development of the economy， the number of new energy vehicles is increasing， and the number of new energy vehicles is increasing. On the one hand， it is indeed conducive to the protection of the ecological environment， but the safety of new energy vehicles is becoming more and more serious. Once the safety of new energy vehicles occurs， it will have a serious negative impact on the personal health and property safety of drivers and passengers， and these problems will cause a large degree of hindrance to the development of the new energy automobile industry. This paper analyzes the fault diagnosis of the power battery system of new energy vehicles and gives personal suggestions to provide reference.

Key words：new energy vehicles， power battery system， fault， diagnosis

1 引言

目前世界各國(guó)都面臨著一定程度的能源危機(jī)以及環(huán)境問題，因此各個(gè)國(guó)家都不約而同地開始發(fā)展電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力的汽車等新能源汽車。目前大多數(shù)新能源汽車所裝載的電池是鋰離子電池，其優(yōu)勢(shì)在于儲(chǔ)存的能量密度比較高、功率相對(duì)更大、使用時(shí)限較長(zhǎng)并且不具備記憶性。隨著新能源汽車行業(yè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，與之相關(guān)的各種新能源汽車著火的報(bào)道卻越來越多，引發(fā)火災(zāi)主要的原因就是動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)生故障，為了有效解決這一問題，本文顯示介紹對(duì)故障進(jìn)行診斷的方式，敘述動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)部故障以及外部故障的原因，同時(shí)其重點(diǎn)在于闡述動(dòng)力電池故障診斷方式研究的現(xiàn)狀，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)生故障的診斷技術(shù)所存在的突出問題進(jìn)行分析。

2 對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷的方式

動(dòng)力電池系統(tǒng)故障按照故障位置的不同分為內(nèi)部故障和外部故障兩大類。動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)生故障主要的表現(xiàn)原因是外部系統(tǒng)或者內(nèi)部系統(tǒng)發(fā)生短路、動(dòng)力電池系統(tǒng)過熱、動(dòng)力電池系統(tǒng)傳感裝置發(fā)生故障、動(dòng)力電池系統(tǒng)連接零件發(fā)生故障、動(dòng)力電池系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障等等。要想對(duì)故障進(jìn)行診斷必須要依照目前已有的相關(guān)數(shù)據(jù)信息對(duì)故障進(jìn)行詳細(xì)分析，并將故障信息當(dāng)中具有鮮明特點(diǎn)的元素提取出來，依照相關(guān)的理論對(duì)故障類型進(jìn)行歸納分析，最終得出診斷的結(jié)果。為了能夠?qū)Πl(fā)生故障的位置進(jìn)行更加精準(zhǔn)的定位，必須要做好相關(guān)工作，如對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)、對(duì)故障進(jìn)行分離以及對(duì)故障進(jìn)行辨別等。當(dāng)前，對(duì)故障進(jìn)行診斷的技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)等進(jìn)行合理的融合，已經(jīng)成為一門涉及多學(xué)科的新型技術(shù)。

對(duì)故障進(jìn)行診斷的方式主要分為三類，第一類是基于知識(shí)進(jìn)行診斷，第二類是基于模型進(jìn)行診斷，第三類是基于數(shù)據(jù)信息進(jìn)行診斷，其中基于模型進(jìn)行診斷的方式以及基于數(shù)據(jù)信息進(jìn)行診斷的方式也被稱作是定量分析診斷方式?；谥R(shí)的故障診斷技術(shù)目前更加依賴于人工對(duì)故障進(jìn)行分析、利用推理的方式進(jìn)行分析以及利用邏輯進(jìn)行評(píng)估等等，這種類型的故障診斷技術(shù)不應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，更依賴于圖論法、專家法等等，目前應(yīng)用比較廣泛的有故障樹法等等?；谀Ｐ偷墓收显\斷方式主要是利用對(duì)系統(tǒng)測(cè)量所得到的數(shù)值進(jìn)行比較，以及通過數(shù)學(xué)模型對(duì)系統(tǒng)的輸出值進(jìn)行估算，來做到對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)并將故障進(jìn)行有效隔離，這一類型的故障診斷方式常用的步驟，包括將殘差生成以及對(duì)殘差進(jìn)行評(píng)價(jià)?；跀?shù)據(jù)信息的故障診斷方式并不利用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，其主要是利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)在運(yùn)行過程當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析處理，進(jìn)而能夠?qū)?dòng)力電池系統(tǒng)故障進(jìn)行檢測(cè)以及有效隔離，這一類型的故障診斷方式常用的有機(jī)器學(xué)習(xí)法以及信息結(jié)合法等等。

3 新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障的類別以及原理

新能源汽車在行駛的過程當(dāng)中，動(dòng)力電池會(huì)受到很多其他因素的影響，比如，動(dòng)力電池自身存在一定的缺陷、駕駛?cè)藛T沒有按照正常程序使用或者是新能源汽車行駛的環(huán)境相對(duì)比較惡劣等等。對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)生故障的原理進(jìn)行詳細(xì)的研究，能夠更好地對(duì)故障發(fā)生以及變化的規(guī)律進(jìn)行掌握，進(jìn)而能夠?yàn)檠邪l(fā)更加先進(jìn)的故障診斷技術(shù)提供依據(jù)。本文將對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障的類別以及原理進(jìn)行闡述，根據(jù)故障與動(dòng)力電池系統(tǒng)本身是否存在聯(lián)系，將鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)故障分為內(nèi)部故障以及外部故障這兩類。造成動(dòng)力電池內(nèi)部故障的主要原因有，過量的充電、過量的放電、內(nèi)部電路發(fā)生短路、電池溫度過高。造成動(dòng)力電池外部故障的主要原因有，傳感裝置發(fā)生故障、電池連接零件發(fā)生故障以及電池的冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障等等。對(duì)這兩種故障進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，外部故障比內(nèi)部故障對(duì)新能源汽車所造成的危險(xiǎn)會(huì)小一些，但是也有一部分動(dòng)力電池系統(tǒng)外部故障也會(huì)引發(fā)內(nèi)部故障，進(jìn)而會(huì)影響到整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)以及新能源汽車的安全系數(shù)。

3.1 動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部故障

第一是過量的充電。為了更好地滿足車輛動(dòng)力對(duì)于電壓以及電池容量的要求，動(dòng)力電池系統(tǒng)會(huì)采取多個(gè)單個(gè)電池串聯(lián)或者是并聯(lián)的方式進(jìn)行連接，但是因?yàn)橹圃爝^程當(dāng)中存在一定的問題以及行駛環(huán)境有較大的差別，從而導(dǎo)致單個(gè)電池的狀態(tài)存在一定的差異。新能源汽車在進(jìn)行充電的過程當(dāng)中，因?yàn)閯?dòng)力電池充電器發(fā)生故障或者是動(dòng)力電池的管理單元對(duì)于電池的狀態(tài)評(píng)估出現(xiàn)誤差，就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池當(dāng)中某個(gè)或者是某幾個(gè)單個(gè)電池存在過量充電的現(xiàn)象，即便是動(dòng)力電池系統(tǒng)的總電壓處于安全的區(qū)間內(nèi)，但是有一部分單個(gè)電池依舊會(huì)出現(xiàn)過量充電的情況。鋰離子電池一旦出現(xiàn)過量充電的情況將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)以及一些重要物質(zhì)出現(xiàn)流失，電池的溫度會(huì)出現(xiàn)大幅上升，就很有可能會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸；第二是過量放電。一般情況下如果能夠設(shè)置好放電截止的電壓，就能夠有效避免出現(xiàn)過量放電的情況發(fā)生，但是因?yàn)殡娏髟斐傻臎_擊比較大，還有動(dòng)力電池管理單元設(shè)計(jì)存在漏洞，電池使用時(shí)間較長(zhǎng)或者是電池組之間狀態(tài)存在差異等等原因，依舊導(dǎo)致過量放電問題時(shí)常發(fā)生。當(dāng)發(fā)生過量放電的情況的時(shí)候，動(dòng)力電池負(fù)極的鋰離子的脫出能力會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，電池極化的電壓會(huì)出現(xiàn)一定幅度的上升，這就會(huì)給動(dòng)力電池的放電速度造成一定的影響。即便過量放電不會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池出現(xiàn)熱失控的情況，但依舊會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池容量出現(xiàn)下降以及熱穩(wěn)定性出現(xiàn)下降，當(dāng)對(duì)動(dòng)力電池再次進(jìn)行充電的時(shí)候，有可能會(huì)出現(xiàn)事故；第三是內(nèi)部發(fā)生短路。動(dòng)力電池隔膜功能喪失，將會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池的正極和負(fù)極出現(xiàn)接觸，就會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生短路。導(dǎo)致動(dòng)力電池隔膜功能喪失的主要原因有以下兩個(gè)方面：第一個(gè)原因就是在生產(chǎn)制造的過程當(dāng)中，動(dòng)力電池電極表面存在的毛刺將隔膜刺破，進(jìn)而導(dǎo)致電池的正極與負(fù)極接觸發(fā)生短路，或者是在生產(chǎn)制造的過程當(dāng)中沒有按照規(guī)定操作所造成的；第二個(gè)原因就是在動(dòng)力電池使用的過程當(dāng)中，溫度過高導(dǎo)致隔膜熔化，或者是動(dòng)力電池出現(xiàn)形變都有可能導(dǎo)致動(dòng)力電池隔膜功能喪失。在這其中，動(dòng)力電池內(nèi)部金屬枝晶生產(chǎn)是造成內(nèi)部發(fā)生短路的主要原因。在設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)制造動(dòng)力電池的時(shí)候，有一些問題將會(huì)導(dǎo)致金屬枝晶出現(xiàn)生長(zhǎng)，例如，在生產(chǎn)制造動(dòng)力電池的時(shí)候混入了一定量的雜質(zhì)，或者是動(dòng)力電池的極片在安裝的時(shí)候發(fā)生了一定程度的形變，金屬枝晶在有雜質(zhì)的環(huán)境以及形變空間當(dāng)中更容易生長(zhǎng)。一般情況下，容量較大的電池會(huì)比一般容量的電池發(fā)生內(nèi)部短路的幾率更大，而且鋰離子動(dòng)力電池發(fā)生著火的溫度與內(nèi)部發(fā)生短路之間存在著較大的聯(lián)系；第四是外部短路。當(dāng)動(dòng)力電池受到磕碰、電池內(nèi)部泡水、電解液發(fā)生泄漏或者是動(dòng)力電池的正極與負(fù)極出現(xiàn)連接，都有可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)動(dòng)力電池外部短路的情況發(fā)生。在外部發(fā)生短路的時(shí)候，電流經(jīng)過的路徑與正常放電基本一致，但是因?yàn)橥獠康暮奢d電阻相對(duì)比較小，因此所產(chǎn)生的瞬時(shí)電流會(huì)相當(dāng)大，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池自身放電。與此同時(shí)，外部發(fā)生短路將會(huì)導(dǎo)致單個(gè)電池內(nèi)部出現(xiàn)非常劇烈的放熱情況，這一情況所產(chǎn)生的熱量將會(huì)擴(kuò)散到其他的單個(gè)電池當(dāng)中，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池系統(tǒng)出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象，即便是動(dòng)力電池系統(tǒng)具備較好的防水功能，但是因?yàn)樾履茉雌囋趯?shí)際行駛的過程當(dāng)中容易受到外力的撞擊，就會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)一定程度的形變，這將會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池進(jìn)水的可能性增大。并且，新能源汽車的頻繁震動(dòng)也將或?qū)е聠蝹€(gè)電池之間的絕緣物質(zhì)以及電池之間的連接零件出現(xiàn)松動(dòng)，這將會(huì)增加動(dòng)力電池發(fā)生外部短路的可能性大大增加。因?yàn)橥獠慷搪?，鋰離子在動(dòng)力電池負(fù)極當(dāng)中會(huì)進(jìn)行擴(kuò)散，進(jìn)而就會(huì)導(dǎo)致電流受到一定的限制，正極當(dāng)中電解質(zhì)經(jīng)過分解所產(chǎn)生的熱量也將會(huì)導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象。

3.2 外部故障

第一是傳感裝置發(fā)生故障，動(dòng)力電池管理單元要想確保電壓穩(wěn)定就需要有溫度傳感裝置、電壓傳感裝置以及電流傳感裝置等等，一旦傳感裝置故障沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)將會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的負(fù)面影響，動(dòng)力電池傳感裝置故障主要有電壓傳感裝置故障、電流傳感裝置故障以及溫度傳感裝置故障這三類；第二是電池連接零件出現(xiàn)故障，這一故障主要是因?yàn)殡姵囟俗又g連接不良所導(dǎo)致的。

4 動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷的方式

新能源汽車最常發(fā)生的安全事故問題就是車輛著火，經(jīng)過對(duì)發(fā)生安全事故的案例進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力電池出現(xiàn)問題是引發(fā)車輛著火的最主要的原因，因此要想有效降低新能源汽車安全事故發(fā)生的幾率，就必須要不斷地研發(fā)動(dòng)力電池系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)。從新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部故障以及外部故障這兩方面分析，總結(jié)鋰離子動(dòng)力電池的基于知識(shí)、模型、數(shù)據(jù)三類故障診斷的方式的研究現(xiàn)狀，來討論目前動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究當(dāng)中存在的一些較為突出的問題，然后提出一些動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的未來發(fā)展方向，希望能夠盡快實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障的精準(zhǔn)診斷以及防范化解，促進(jìn)新能源汽車行業(yè)領(lǐng)域持續(xù)健康發(fā)展。

4.1 基于知識(shí)的故障診斷方式

第一是專家法，這一方式的重點(diǎn)是知識(shí)庫以及推理機(jī)，利用大數(shù)據(jù)能夠有效促進(jìn)推理結(jié)果的得出；第二是故障樹分析方式，這一方式能夠有效對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全系數(shù)以及可靠性能進(jìn)行分析研究。

4.2 基于模型的故障診斷方式

這一診斷的方法需要利用與電池相關(guān)的模型所得出的估算值與實(shí)際的測(cè)量數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，這兩者所產(chǎn)生的差異就是殘差，這一殘差可以作為故障信號(hào)，利用這一信號(hào)可以對(duì)故障所產(chǎn)生的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

4.3 基于數(shù)據(jù)信息的故障診斷方式

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用云計(jì)算技術(shù)新能源汽車數(shù)據(jù)收集平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)研發(fā)而成的故障診斷技術(shù)逐漸得到應(yīng)用。

5 動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷所存在的明顯問題

5.1 對(duì)于多參數(shù)的故障原理研究過淺

新能源汽車的動(dòng)力電池系統(tǒng)自身就是一個(gè)復(fù)雜程度相對(duì)較高的非線性系統(tǒng)，動(dòng)力電池更會(huì)受到汽車行駛環(huán)境、氣候等多種外界條件的影響，當(dāng)前大多數(shù)的研究都是以控制變量進(jìn)行試驗(yàn)，很少有在多數(shù)條件、多參數(shù)的情況下對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)故障的原理進(jìn)行研究。

5.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)生故障的初期很難進(jìn)行檢測(cè)

動(dòng)力電池一旦出現(xiàn)熱失控將會(huì)造成嚴(yán)重的后果，當(dāng)前對(duì)故障進(jìn)行診斷大多數(shù)都是集中在電池發(fā)生故障之前比較短的時(shí)間內(nèi)，基本上沒有具備提前進(jìn)行報(bào)警的功能。如果這些故障在發(fā)生的初期沒有被診斷出來，將會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。

5.3 對(duì)于故障類別的區(qū)分難度較大

動(dòng)力電池系統(tǒng)當(dāng)中故障類型比較多。很多故障之間往往存在著一定的聯(lián)系，目前很難同時(shí)對(duì)多種類型的故障進(jìn)行診斷。

6 動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷發(fā)展的方向

6.1 利用好新型的傳感技術(shù)

傳感技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而逐漸被應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，利用傳感技術(shù)能夠有效提高動(dòng)力電池系統(tǒng)當(dāng)中傳感裝置的精準(zhǔn)程度，能夠提高對(duì)故障數(shù)據(jù)信息收集的范圍以及精準(zhǔn)度，在未來對(duì)于傳感技術(shù)與動(dòng)力電池故障診斷技術(shù)的研究將會(huì)成為一大熱點(diǎn)。

6.2 端云一體化技術(shù)

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，車機(jī)系統(tǒng)也在不斷地進(jìn)行升級(jí)，對(duì)動(dòng)力電池狀態(tài)的監(jiān)控一方面要依靠電池管理單元進(jìn)行，另一方面，還要更加依賴于車載系統(tǒng)的計(jì)算技術(shù)。云計(jì)算大數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠把車載的安全技術(shù)與新能源汽車安全管理進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能夠同時(shí)對(duì)動(dòng)力電池的健康以及狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

6.3 線上警報(bào)

研發(fā)線上警報(bào)也是在未來對(duì)動(dòng)力電池故障診斷的一大熱門話題，可以對(duì)動(dòng)力電池發(fā)生熱失控明之前的一段時(shí)間內(nèi)，電池各項(xiàng)參數(shù)所發(fā)生的變化進(jìn)行分析構(gòu)建一個(gè)故障變化模型，能夠有效地推演故障所產(chǎn)生的變化，進(jìn)而能夠做好更好的預(yù)警以及防范。利用線上警報(bào)系統(tǒng)能夠?qū)⒃局荒苓M(jìn)行報(bào)警轉(zhuǎn)化為預(yù)警，將無法防控變?yōu)橛行Х揽亍?/p>

7 結(jié)語

綜上所述，本文簡(jiǎn)要介紹了對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷的定義以及相應(yīng)的方式方法，對(duì)于動(dòng)力電池過量充電、過量放電、內(nèi)部短路、外部短路、傳感裝置故障、連接零件故障以及冷卻系統(tǒng)故障發(fā)生的原理進(jìn)行了闡述，也對(duì)目前故障診斷技術(shù)的研究開發(fā)所存在的問題進(jìn)行了分析，最后對(duì)于未來動(dòng)力電池故障診斷發(fā)展的方向進(jìn)行了展望，希望借助本文能夠?qū)π履茉雌噭?dòng)力電池研發(fā)人員以啟發(fā)，不斷地研發(fā)出更加先進(jìn)的動(dòng)力電池故障診斷技術(shù)，能夠更好地對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的健康以及狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，有效提高新能源汽車的安全性，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，促進(jìn)新能源汽車行業(yè)領(lǐng)域的持續(xù)健康發(fā)展，助力我國(guó)的環(huán)保低碳節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫振宇，王震坡，劉鵬，張照生，陳勇，曲昌輝.新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷研究綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021，57（14）：87-104.

[2]叢曉英.新能源汽車動(dòng)力電池壓差故障與維修技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（15）：224-225.

[3]何壽柏，蔣小健，朱小燕，鄒亞強(qiáng)，談旭敏.故障指示燈在新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020，45（18）：177-179.

[4]周歡.新能源汽車故障維修措施[J].時(shí)代汽車，2020（17）：173-174.

[5]蔡穎.新能源汽車動(dòng)力電池安全管理技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)分析[J].時(shí)代汽車，2022（12）：124-125.

[6]謝鵬.淺析新能源汽車動(dòng)力電池的維護(hù)與保養(yǎng)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（18）：170-171.

[7]張壘.動(dòng)力電池系統(tǒng)在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用——評(píng)《電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)原理與檢修》[J].電池，2021，51（04）：436-437.