新能源汽車動(dòng)力電池故障診斷及發(fā)展趨勢(shì)分析

毛紅孫　周茂杰

摘 要：基于當(dāng)前我國(guó)科技水平不斷提升，使得電動(dòng)汽車行業(yè)日益發(fā)展，新能源汽車數(shù)量日益增多，在給人們出行帶來(lái)便利的同時(shí)，也頻發(fā)各類安全事故。尤其是動(dòng)力電池，其作為電動(dòng)汽車穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，如果動(dòng)力電池發(fā)生故障，必然會(huì)影響到汽車整體運(yùn)行安全以及車輛續(xù)航里程。對(duì)此，文章在明確動(dòng)力電池系統(tǒng)基本架構(gòu)以及安全風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合具體實(shí)例分析了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷與處理方法，并就故障診斷技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 動(dòng)力電池 故障問(wèn)題 診斷方法 處理方法 發(fā)展趨勢(shì)

為積極迎合我國(guó)綠色環(huán)保發(fā)展理念，近年來(lái)新能源汽車市場(chǎng)占比不斷增大，雖然可以滿足人們基本出行需求，迎合綠色低碳發(fā)展，但電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障問(wèn)題愈發(fā)凸顯，導(dǎo)致電動(dòng)汽車整體發(fā)展受限。作為新能源汽車重要組成部分，動(dòng)力電池的性能直接影響電動(dòng)汽車使用壽命、電池能耗，需要較高水平的故障診斷技術(shù)，科學(xué)有效的判斷出動(dòng)力電池存在的故障問(wèn)題，并采取有效的維修技術(shù)解決，確保動(dòng)力電池可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，使得電動(dòng)汽車行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。針對(duì)此，本文圍繞電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷及發(fā)展趨勢(shì)展開(kāi)研究，致力于更好提升電動(dòng)汽車使用安全性，推動(dòng)該領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

1 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)基本架構(gòu)

分析電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)可知，如圖1所示，其中包含了電池組、電池?cái)嗦穯卧˙DU）、BMS幾部分，并依據(jù)整車電壓平臺(tái)、動(dòng)力性能、續(xù)航里程目標(biāo)等內(nèi)容，明確電池組的電芯型號(hào)、模組設(shè)計(jì)，確保達(dá)到車輛運(yùn)行性能需求和要求。其中的電池?cái)嗦穯卧饕w了保險(xiǎn)絲、繼電器、預(yù)充電路等，并利用高壓部件進(jìn)行連接，如高壓連接器、高壓線束、電機(jī)、車載充電機(jī)等，以此滿足車輛充放電控制需求[1]。而在BMS中主要包含了控制板、傳感器、低壓通訊線束、采集線束幾部分。分析BMS功能可知，主要對(duì)動(dòng)力電池實(shí)施安全管理，所以BMS本身可以發(fā)揮較多作用，比如，在線診斷故障、監(jiān)測(cè)電池參數(shù)、管控電池均衡性、評(píng)估電池狀態(tài)、存儲(chǔ)關(guān)鍵信息、控制車輛充放電、檢測(cè)絕緣性能、高壓互鎖檢測(cè)、安全控制與報(bào)警等。

2 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組中，主要涵蓋了動(dòng)力電池系統(tǒng)（Battery）、電池模塊（Module）、電池單體（Cell）幾部分。在新能源汽車中，動(dòng)力電池系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，它為汽車的運(yùn)行提供所需的能量。這個(gè)系統(tǒng)中包含了諸多元素，不僅有電池單體、電池管理控制器，還有其他一些電氣機(jī)械裝置。電池單體是電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)中的基本單元，也被稱為“電芯”，它由正極、負(fù)極、電解質(zhì)等部分構(gòu)成，是整個(gè)電池系統(tǒng)的核心所在。此外，還有電池模塊，這是電池系統(tǒng)中的一種小型模塊，也被稱為“模組”。在電池模塊中，包含了電池單體以及模塊控制器等組件。

由于是眾多單體電池串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此在動(dòng)力電池生產(chǎn)制造過(guò)程中可能受到工藝的影響，使單體電池相互存在不同。而且若是電池內(nèi)部存在一些異物，比如金屬、粉塵、毛刺等，都有可能引發(fā)電壓不一致、溫度失衡、電池局部過(guò)溫、發(fā)生內(nèi)短路等情況。此外，BMS必須借助傳感器才能獲取相關(guān)信息對(duì)電池進(jìn)行安全管理，此種情況下，如果傳感器發(fā)生無(wú)效采樣現(xiàn)象，必然會(huì)直接影響判斷電壓、電流、溫度等因素的準(zhǔn)確性，造成電池狀態(tài)估算錯(cuò)誤，導(dǎo)致過(guò)溫、過(guò)放、過(guò)充等問(wèn)題[2]。除此之外，不同車輛在實(shí)際應(yīng)用中所處環(huán)境復(fù)雜多變以及駕駛?cè)藛T習(xí)慣差異等，都有可能引發(fā)高壓連接器進(jìn)水、電池箱體破損、碰撞等故障，造成電池內(nèi)部不能正常發(fā)揮作用。綜合來(lái)看，電池缺陷以及整車使用諸多情況，都會(huì)直接影響到動(dòng)力電池本身性能、實(shí)際使用壽命，關(guān)乎車輛運(yùn)行安全。

3 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障的診斷與處理方法

3.1 溫度異常故障診斷

在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池溫度異常故障中，可以細(xì)化為三種類型：溫度傳感器故障、溫度傳感器連接線松動(dòng)故障、BMS硬件故障。可以結(jié)合案例進(jìn)行分析，以宋PLUS新能源汽車為例，車輛實(shí)際行駛過(guò)程中，發(fā)生電池管理系統(tǒng)報(bào)警情況，而且儀表顯示電池溫度過(guò)高。在實(shí)際診斷中，檢修人員需要先收集數(shù)據(jù)，主要利用汽車故障診斷儀讀取電池管理系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，如電流、溫度、電壓等內(nèi)容。而后初步對(duì)車輛散熱系統(tǒng)進(jìn)行檢查，判斷其是否可以正常工作，主要判斷依據(jù)是散熱片是否堵塞、風(fēng)扇能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)等。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度對(duì)比分析，主要針對(duì)各電池模組溫度之間的差異進(jìn)行對(duì)比，并找出溫度異常部位。而后檢修人員需要進(jìn)一步檢查電路情況，主要就是查看和電池溫度傳感器有關(guān)的電路連接情況，判斷是否存在短路、斷路等情況。另外，檢修人員還應(yīng)當(dāng)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，這就需要綜合考量電池的使用時(shí)間、充放電次數(shù)等，合理判斷電池有無(wú)發(fā)生老化、性能下降等情況。綜合上述故障診斷過(guò)程，檢修人員可以初步明確電池溫度異常原因，而后結(jié)合具體情況采取相關(guān)的維修措施進(jìn)行處理。需要注意的是，在對(duì)車輛故障診斷過(guò)程中，由于不同車型、故障情況不同，實(shí)際使用的故障診斷方法和技術(shù)也不同，需要因車而異[3]。

3.2 絕緣故障診斷與處理

電動(dòng)汽車如果發(fā)生動(dòng)力電池絕緣故障問(wèn)題，可能存在以下四種情況：電壓采集線故障、高壓負(fù)載漏電故障、電池箱進(jìn)水或漏液故障、高壓線及連接器的破損故障。舉例分析，某品牌電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中，突然發(fā)生動(dòng)力中斷，而且車輛儀表提示絕緣故障警告。檢修人員利用絕緣電阻測(cè)試儀、目視檢查相結(jié)合的方法進(jìn)行故障診斷分析。分析可知，出現(xiàn)這一情況可能與電池包內(nèi)部線束磨損導(dǎo)致短路；電池包密封不嚴(yán)，進(jìn)水導(dǎo)致絕緣下降；電池模組之間的連接件松動(dòng)或腐蝕存在直接關(guān)聯(lián)。為此，在故障診斷中，工作人員借助絕緣電阻測(cè)試儀，對(duì)電池包正負(fù)極對(duì)車身的絕緣電阻值進(jìn)行測(cè)量，以此判斷絕緣性能是否正常。而后檢查電池包外觀，主要查看電池外觀是否發(fā)生損傷、水漬等現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)檢查電池包內(nèi)部線束，主要從磨損、裸露等方面入手進(jìn)行查看。另外，還要檢查電池包密封性，查看是否存在進(jìn)水情況，以及電池模組的連接件檢查，判斷是否出現(xiàn)松動(dòng)、腐蝕等情況。通過(guò)故障診斷發(fā)現(xiàn)，絕緣電阻值明顯降低，而且電池包底部存在一處明顯的磨損線束，由此造成雨水進(jìn)入導(dǎo)致短路，引發(fā)電池絕緣故障問(wèn)題，對(duì)此，檢修人員通過(guò)修復(fù)線束，并加強(qiáng)對(duì)線束的防護(hù)，使得絕緣故障問(wèn)題得到妥善解決。

還是以宋PLUS新能源汽車為例，在對(duì)電池包絕緣故障判斷過(guò)程中，無(wú)需拆卸電池包便可實(shí)現(xiàn)。檢修人員可以借助舉升機(jī)作用，將電池包舉起，同時(shí)拔掉電池相關(guān)器件，如安全開(kāi)關(guān)、高壓慢充、快充接插件，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用絕緣檢測(cè)儀進(jìn)行輔助檢測(cè)，針對(duì)上述部件的正極、負(fù)極、車身電阻進(jìn)行檢測(cè)。而后參照國(guó)家絕緣標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合各個(gè)新能源汽車企業(yè)具體情況，正常情況下，絕緣電阻至少要達(dá)到20兆歐，若是檢測(cè)到的絕緣電阻低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，則證明電池包外出現(xiàn)絕緣故障[4]。

3.3 電壓異常故障診斷及處理

在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障中，電壓異常較為常見(jiàn)，可以細(xì)化為以下幾種情況：

（1）電池欠壓故障。動(dòng)力電池若是發(fā)生欠壓故障，會(huì)造成汽車電壓發(fā)生問(wèn)題，影響車輛的正常運(yùn)行。對(duì)此，工作人員需要借助萬(wàn)用表診斷電池電壓，并記錄檢測(cè)到的電壓值，而后與正常監(jiān)控電壓值進(jìn)行比對(duì)分析，如果二者發(fā)生偏差，而且這一偏差數(shù)值較大，證明電池存在問(wèn)題，需要及時(shí)更換新的電池。（2）采集線保險(xiǎn)絲故障。如果發(fā)生此類故障，工作人員可以對(duì)保險(xiǎn)絲的阻值進(jìn)行測(cè)量，以此作為故障判斷依據(jù)，若是發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)絲阻值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)當(dāng)及時(shí)更換保險(xiǎn)絲，解決故障問(wèn)題。（3）采集線端子故障。對(duì)于這類故障的診斷，工作人員應(yīng)首先對(duì)采集線同端口進(jìn)行檢查，要精確地判斷該端口有沒(méi)有出現(xiàn)異常連接的狀況，如果連接是正常的，可以進(jìn)一步檢查采集線的固定螺栓，主要查看螺栓是否緊固，有無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象。這一系列的檢查步驟都是為了能夠更準(zhǔn)確地找出故障原因，從而及時(shí)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這些檢查和診斷工作對(duì)于保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。除此之外，還可以采取輕搖的方式。若是發(fā)現(xiàn)采集線有松動(dòng)情況，應(yīng)及時(shí)予以加固處理。對(duì)于那些已經(jīng)損壞的采集線，則需進(jìn)行更換，并且還要檢查采集線端子的接觸是否良好。這些措施都是為了確保故障能得到有效解決，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

例如，某比亞迪秦PLUS新能源汽車，根據(jù)該車輛儀表盤顯示得知，車輛存在單體電池電壓偏高的故障。為了進(jìn)一步驗(yàn)證故障問(wèn)題，工作人員在故障診斷中先借助專業(yè)儀器設(shè)備讀取汽車電池管理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)備顯示的數(shù)據(jù)也說(shuō)明單體電池電壓過(guò)高，而且壓差值為0.001 V[5]。結(jié)合車輛的使用說(shuō)明書內(nèi)容，檢修人員需要對(duì)電池進(jìn)行均衡處理。在具體實(shí)踐中，為保證車輛低壓電路完全放電，檢修人員必須先斷開(kāi)低壓電源，并等待一段時(shí)間，而后再穿戴絕緣設(shè)備，斷開(kāi)處理電池低壓線束、高壓連接線。在這之后，需要將車輛高壓電池包拆卸下來(lái)，仔細(xì)地檢查單體電池的正負(fù)極以及數(shù)據(jù)采集線的連接情況，確保所有的單體電池都處于良好的連接狀態(tài)。緊接著，檢查單體電池外觀情況，確保它們都處于正常的狀態(tài)。之后，檢修人員需要連接電池均衡設(shè)備來(lái)對(duì)電池進(jìn)行均衡處理。在這過(guò)程中，主要是依據(jù)單體電壓來(lái)設(shè)置均衡電壓和均衡模式。

4 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷發(fā)展趨勢(shì)

4.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下電池故障識(shí)別及診斷

在大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)迅猛發(fā)展下，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電池故障診斷技術(shù)逐步發(fā)展應(yīng)用。以某公司為例，該公司針對(duì)生產(chǎn)的車型，結(jié)合故障定位研發(fā)出智慧專家系統(tǒng)，主要應(yīng)用分析汽車行駛過(guò)程中出現(xiàn)各類故障碼，切實(shí)發(fā)揮大數(shù)據(jù)算法優(yōu)勢(shì)，將故障碼和出現(xiàn)的故障相互對(duì)應(yīng)，并借助車輛的維修手冊(cè)，及時(shí)傳遞維修建議。為進(jìn)一步提升故障診斷水平，需要借助大量汽車實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)作為參考，合理運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，探索數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并在這些關(guān)系中找出規(guī)律，精準(zhǔn)提取特征，包括單體溫度一致性、電池SOH、單體電壓一致性、駕駛習(xí)慣、行駛工況等，而后借助機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建相關(guān)的模型，用以獲取總結(jié)故障和不同特征之間存在的緊密聯(lián)系，進(jìn)而以此作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷依據(jù)[6]。

4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下對(duì)動(dòng)力電池故障的預(yù)測(cè)

為更好提升電動(dòng)汽車電池故障診斷水平，進(jìn)行合理預(yù)測(cè)顯得尤為重要，科學(xué)預(yù)測(cè)不僅能夠有效預(yù)防可能發(fā)生的重大事故，更是推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)邁向新高度的關(guān)鍵技術(shù)保障。現(xiàn)階段，該領(lǐng)域主要的研究難點(diǎn)在于，如何通過(guò)組建電池故障預(yù)測(cè)機(jī)制、實(shí)施多級(jí)報(bào)警。從目前電池故障預(yù)測(cè)主要方式看，主要以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為主，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是利用大量車輛實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，提取其中有價(jià)值的數(shù)據(jù)特征，而后搭建故障和特征之間的時(shí)間序列模型、融合模型，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用大量數(shù)據(jù)對(duì)模型實(shí)施訓(xùn)練，從而得到特征和故障的關(guān)系，進(jìn)而基于這種關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的預(yù)測(cè)。而根據(jù)Hong的研究看，其提出一種建立在大數(shù)據(jù)平臺(tái)、熵值法基礎(chǔ)上的電動(dòng)汽車系統(tǒng)熱失控預(yù)測(cè)方案，主要就是利用車輛運(yùn)行中電池溫度作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，以此診斷和預(yù)測(cè)因?yàn)闇囟蕊L(fēng)險(xiǎn)引發(fā)的熱失控問(wèn)題，并提出Z-score方法下的熱失控?zé)岚踩芾聿呗?，針?duì)溫度異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)防，研究結(jié)果證明，此方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池組溫度風(fēng)險(xiǎn)的具體時(shí)間和范圍，值得未來(lái)進(jìn)一步實(shí)踐應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，目前，我國(guó)新能源汽車還在不斷研究、完善階段，汽車在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中還存在諸多問(wèn)題有待改善，只有全面了解并掌握新能源汽車動(dòng)力電池故障診斷，才能更好推進(jìn)電動(dòng)汽車的應(yīng)用與普及。通過(guò)上文對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)基本架構(gòu)以及安全風(fēng)險(xiǎn)的分析，不難發(fā)現(xiàn)，為確保動(dòng)力電池穩(wěn)定性、安全性，保證電動(dòng)汽車整體穩(wěn)定運(yùn)行，獲得足夠的動(dòng)力支持，必須加強(qiáng)針對(duì)動(dòng)力電池的故障診斷，并采取有效方法處理，保障電動(dòng)汽車行駛安全性。希望本文提出的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷以及處理方法可以為日后該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展實(shí)踐提供參考和借鑒，從而進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車動(dòng)力電池安全性，最大程度上降低汽車安全隱患，助推新能源汽車售后市場(chǎng)良性發(fā)展。

基金項(xiàng)目：2022年廣西技工教育立項(xiàng)科研課題（2022JGZ05）“崗課賽證”融通下技工院校新型活頁(yè)式工作頁(yè)的研究與開(kāi)發(fā)--以新能源汽車動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)的檢修課程為例。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭葳，黃文君，張飛.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷方法研究[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2023，11（09）：111-114.

[2]段繼強(qiáng)，陸潔，曾慶亮，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)故障檢測(cè)及診斷方法[J].時(shí)代汽車，2023，34（18）：178-180.

[3]張暉，豐紅霞，陳楓，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池電壓異常故障診斷方法[J].交通信息與安全，2022，40（06）：148-156+172.

[4]王震坡，李曉宇，袁昌貴，等.大數(shù)據(jù)下電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021，57（14）：52-63.

[5]尹愛(ài)華，左付山，楊柳，等.基于模糊算法的純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷研究[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2023，11（01）：1-6.

[6]張俊.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷[J].電子技術(shù)與軟件工程，2022，23（24）：234-235.