新能源汽車動力電池系統故障診斷研究綜述

李永偉

摘 要：隨著經濟的不斷發展，新能源汽車的數量越來越多，新能源汽車數量的增多，一方面確實有利于生態環境的保護，但是新能源汽車的安全問題也變得越來越嚴峻，新能源汽車一旦出現安全問題，將會對駕駛人員以及乘坐人員的人身健康以及財產安全造成嚴重的負面影響，這些問題將會對新能源汽車行業領域的發展造成較大程度的阻礙。本文對新能源汽車動力電池系統故障診斷展開分析，并給出個人建議，以期提供參考依據。

關鍵詞：新能源汽車 動力電池系統 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

目前世界各國都面臨著一定程度的能源危機以及環境問題，因此各個國家都不約而同地開始發展電動汽車、混合動力的汽車等新能源汽車。目前大多數新能源汽車所裝載的電池是鋰離子電池，其優勢在于儲存的能量密度比較高、功率相對更大、使用時限較長并且不具備記憶性。隨著新能源汽車行業領域的飛速發展，與之相關的各種新能源汽車著火的報道卻越來越多，引發火災主要的原因就是動力電池系統發生故障，為了有效解決這一問題，本文顯示介紹對故障進行診斷的方式，敘述動力電池系統發生內部故障以及外部故障的原因，同時其重點在于闡述動力電池故障診斷方式研究的現狀，對動力電池系統發生故障的診斷技術所存在的突出問題進行分析。

2 對動力電池系統故障進行診斷的方式

動力電池系統故障按照故障位置的不同分為內部故障和外部故障兩大類。動力電池系統發生故障主要的表現原因是外部系統或者內部系統發生短路、動力電池系統過熱、動力電池系統傳感裝置發生故障、動力電池系統連接零件發生故障、動力電池系統的冷卻系統發生故障等等。要想對故障進行診斷必須要依照目前已有的相關數據信息對故障進行詳細分析，并將故障信息當中具有鮮明特點的元素提取出來，依照相關的理論對故障類型進行歸納分析，最終得出診斷的結果。為了能夠對發生故障的位置進行更加精準的定位，必須要做好相關工作，如對故障進行檢測、對故障進行分離以及對故障進行辨別等。當前，對故障進行診斷的技術與計算機網絡技術、大數據、人工智能技術等進行合理的融合，已經成為一門涉及多學科的新型技術。

對故障進行診斷的方式主要分為三類，第一類是基于知識進行診斷，第二類是基于模型進行診斷，第三類是基于數據信息進行診斷，其中基于模型進行診斷的方式以及基于數據信息進行診斷的方式也被稱作是定量分析診斷方式。基于知識的故障診斷技術目前更加依賴于人工對故障進行分析、利用推理的方式進行分析以及利用邏輯進行評估等等，這種類型的故障診斷技術不應用數學模型，更依賴于圖論法、專家法等等，目前應用比較廣泛的有故障樹法等等。基于模型的故障診斷方式主要是利用對系統測量所得到的數值進行比較，以及通過數學模型對系統的輸出值進行估算，來做到對故障進行檢測并將故障進行有效隔離，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殘差進行評價。基于數據信息的故障診斷方式并不利用精準的數學模型，其主要是利用先進的科學技術對動力電池系統在運行過程當中的數據進行提取、分析處理，進而能夠對動力電池系統故障進行檢測以及有效隔離，這一類型的故障診斷方式常用的有機器學習法以及信息結合法等等。

3 新能源汽車動力電池系統故障的類別以及原理

新能源汽車在行駛的過程當中，動力電池會受到很多其他因素的影響，比如，動力電池自身存在一定的缺陷、駕駛人員沒有按照正常程序使用或者是新能源汽車行駛的環境相對比較惡劣等等。對動力電池系統發生故障的原理進行詳細的研究，能夠更好地對故障發生以及變化的規律進行掌握，進而能夠為研發更加先進的故障診斷技術提供依據。本文將對新能源汽車動力電池系統故障的類別以及原理進行闡述，根據故障與動力電池系統本身是否存在聯系，將鋰離子動力電池系統故障分為內部故障以及外部故障這兩類。造成動力電池內部故障的主要原因有，過量的充電、過量的放電、內部電路發生短路、電池溫度過高。造成動力電池外部故障的主要原因有，傳感裝置發生故障、電池連接零件發生故障以及電池的冷卻系統發生故障等等。對這兩種故障進行比較發現，外部故障比內部故障對新能源汽車所造成的危險會小一些，但是也有一部分動力電池系統外部故障也會引發內部故障，進而會影響到整個動力電池系統以及新能源汽車的安全系數。

3.1 動力電池系統內部故障

第一是過量的充電。為了更好地滿足車輛動力對于電壓以及電池容量的要求，動力電池系統會采取多個單個電池串聯或者是并聯的方式進行連接，但是因為制造過程當中存在一定的問題以及行駛環境有較大的差別，從而導致單個電池的狀態存在一定的差異。新能源汽車在進行充電的過程當中，因為動力電池充電器發生故障或者是動力電池的管理單元對于電池的狀態評估出現誤差，就會導致動力電池當中某個或者是某幾個單個電池存在過量充電的現象，即便是動力電池系統的總電壓處于安全的區間內，但是有一部分單個電池依舊會出現過量充電的情況。鋰離子電池一旦出現過量充電的情況將會導致電池內部電化學反應以及一些重要物質出現流失，電池的溫度會出現大幅上升，就很有可能會導致電池發生爆炸；第二是過量放電。一般情況下如果能夠設置好放電截止的電壓，就能夠有效避免出現過量放電的情況發生，但是因為電流造成的沖擊比較大，還有動力電池管理單元設計存在漏洞，電池使用時間較長或者是電池組之間狀態存在差異等等原因，依舊導致過量放電問題時常發生。當發生過量放電的情況的時候，動力電池負極的鋰離子的脫出能力會出現一定程度的下降，電池極化的電壓會出現一定幅度的上升，這就會給動力電池的放電速度造成一定的影響。即便過量放電不會導致動力電池出現熱失控的情況，但依舊會導致動力電池容量出現下降以及熱穩定性出現下降，當對動力電池再次進行充電的時候，有可能會出現事故；第三是內部發生短路。動力電池隔膜功能喪失，將會導致動力電池的正極和負極出現接觸，就會導致電池內部發生短路。導致動力電池隔膜功能喪失的主要原因有以下兩個方面：第一個原因就是在生產制造的過程當中，動力電池電極表面存在的毛刺將隔膜刺破，進而導致電池的正極與負極接觸發生短路，或者是在生產制造的過程當中沒有按照規定操作所造成的；第二個原因就是在動力電池使用的過程當中，溫度過高導致隔膜熔化，或者是動力電池出現形變都有可能導致動力電池隔膜功能喪失。在這其中，動力電池內部金屬枝晶生產是造成內部發生短路的主要原因。在設計以及生產制造動力電池的時候，有一些問題將會導致金屬枝晶出現生長，例如，在生產制造動力電池的時候混入了一定量的雜質，或者是動力電池的極片在安裝的時候發生了一定程度的形變，金屬枝晶在有雜質的環境以及形變空間當中更容易生長。一般情況下，容量較大的電池會比一般容量的電池發生內部短路的幾率更大，而且鋰離子動力電池發生著火的溫度與內部發生短路之間存在著較大的聯系；第四是外部短路。當動力電池受到磕碰、電池內部泡水、電解液發生泄漏或者是動力電池的正極與負極出現連接，都有可能會導致出現動力電池外部短路的情況發生。在外部發生短路的時候，電流經過的路徑與正常放電基本一致，但是因為外部的荷載電阻相對比較小，因此所產生的瞬時電流會相當大，進而會導致動力電池自身放電。與此同時，外部發生短路將會導致單個電池內部出現非常劇烈的放熱情況，這一情況所產生的熱量將會擴散到其他的單個電池當中，進而會導致動力電池系統出現熱失控的現象，即便是動力電池系統具備較好的防水功能，但是因為新能源汽車在實際行駛的過程當中容易受到外力的撞擊，就會導致電池出現一定程度的形變，這將會導致動力電池進水的可能性增大。并且，新能源汽車的頻繁震動也將或導致單個電池之間的絕緣物質以及電池之間的連接零件出現松動，這將會增加動力電池發生外部短路的可能性大大增加。因為外部短路，鋰離子在動力電池負極當中會進行擴散，進而就會導致電流受到一定的限制，正極當中電解質經過分解所產生的熱量也將會導致熱失控現象。

3.2 外部故障

第一是傳感裝置發生故障，動力電池管理單元要想確保電壓穩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發現將會導致較為嚴重的負面影響，動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故障，這一故障主要是因為電池端子之間連接不良所導致的。

4 動力電池系統故障診斷的方式

新能源汽車最常發生的安全事故問題就是車輛著火，經過對發生安全事故的案例進行分析能夠發現，動力電池出現問題是引發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生的幾率，就必須要不斷地研發動力電池系統的故障診斷技術。從新能源汽車動力電池系統內部故障以及外部故障這兩方面分析，總結鋰離子動力電池的基于知識、模型、數據三類故障診斷的方式的研究現狀，來討論目前動力電池系統故障診斷技術研究當中存在的一些較為突出的問題，然后提出一些動力電池系統故障診斷技術的未來發展方向，希望能夠盡快實現對新能源汽車動力電池系統故障的精準診斷以及防范化解，促進新能源汽車行業領域持續健康發展。

4.1 基于知識的故障診斷方式

第一是專家法，這一方式的重點是知識庫以及推理機，利用大數據能夠有效促進推理結果的得出；第二是故障樹分析方式，這一方式能夠有效對動力電池系統的安全系數以及可靠性能進行分析研究。

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的模型所得出的估算值與實際的測量數值進行對比，這兩者所產生的差異就是殘差，這一殘差可以作為故障信號，利用這一信號可以對故障所產生的特點進行分析。

4.3 基于數據信息的故障診斷方式

隨著科學技術的發展，利用云計算技術新能源汽車數據收集平臺，利用大數據分析技術研發而成的故障診斷技術逐漸得到應用。

5 動力電池系統故障診斷所存在的明顯問題

5.1 對于多參數的故障原理研究過淺

新能源汽車的動力電池系統自身就是一個復雜程度相對較高的非線性系統，動力電池更會受到汽車行駛環境、氣候等多種外界條件的影響，當前大多數的研究都是以控制變量進行試驗，很少有在多數條件、多參數的情況下對動力電池系統故障的原理進行研究。

5.2 動力電池系統發生故障的初期很難進行檢測

動力電池一旦出現熱失控將會造成嚴重的后果，當前對故障進行診斷大多數都是集中在電池發生故障之前比較短的時間內，基本上沒有具備提前進行報警的功能。如果這些故障在發生的初期沒有被診斷出來，將會導致非常嚴重的后果。

5.3 對于故障類別的區分難度較大

動力電池系統當中故障類型比較多。很多故障之間往往存在著一定的聯系，目前很難同時對多種類型的故障進行診斷。

6 動力電池系統故障診斷發展的方向

6.1 利用好新型的傳感技術

傳感技術隨著科學技術的發展而逐漸被應用到各個行業領域當中，利用傳感技術能夠有效提高動力電池系統當中傳感裝置的精準程度，能夠提高對故障數據信息收集的范圍以及精準度，在未來對于傳感技術與動力電池故障診斷技術的研究將會成為一大熱點。

6.2 端云一體化技術

隨著新能源汽車的不斷發展，車機系統也在不斷地進行升級，對動力電池狀態的監控一方面要依靠電池管理單元進行，另一方面，還要更加依賴于車載系統的計算技術。云計算大數據平臺能夠把車載的安全技術與新能源汽車安全管理進行有機結合，能夠同時對動力電池的健康以及狀態進行實時監控。

6.3 線上警報

研發線上警報也是在未來對動力電池故障診斷的一大熱門話題，可以對動力電池發生熱失控明之前的一段時間內，電池各項參數所發生的變化進行分析構建一個故障變化模型，能夠有效地推演故障所產生的變化，進而能夠做好更好的預警以及防范。利用線上警報系統能夠將原本只能進行報警轉化為預警，將無法防控變為有效防控。

7 結語

綜上所述，本文簡要介紹了對于動力電池系統故障進行診斷的定義以及相應的方式方法，對于動力電池過量充電、過量放電、內部短路、外部短路、傳感裝置故障、連接零件故障以及冷卻系統故障發生的原理進行了闡述，也對目前故障診斷技術的研究開發所存在的問題進行了分析，最后對于未來動力電池故障診斷發展的方向進行了展望，希望借助本文能夠對新能源汽車動力電池研發人員以啟發，不斷地研發出更加先進的動力電池故障診斷技術，能夠更好地對動力電池系統的健康以及狀態進行監控，有效提高新能源汽車的安全性，保護人民生命財產的安全，促進新能源汽車行業領域的持續健康發展，助力我國的環保低碳節能事業的發展。

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