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

郭 葳,黃文君,張 飛

(許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 許昌 461000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與工業(yè)、制造業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,國(guó)家需求及社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求量日益升高,在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也帶來了一系列能源危機(jī)和環(huán)境問題[1]。汽車制造業(yè)作為能源需求較大的產(chǎn)業(yè)之一,汽車的制造及使用帶來了一系列環(huán)境污染問題,因此,需要采取措施減少能源消耗與環(huán)境污染[2]。因此,國(guó)內(nèi)外大力推廣新能源汽車的發(fā)展,但是不同國(guó)家對(duì)新能源汽車的發(fā)展類型側(cè)重點(diǎn)不同,如美國(guó)逐漸經(jīng)歷了由純電動(dòng)汽車到混合動(dòng)力汽車的發(fā)展階段,日本目前以插電式混合動(dòng)力汽車發(fā)展技術(shù)較為成熟,我國(guó)目前主要發(fā)展和推廣純電動(dòng)汽車,并且在2008年奧運(yùn)會(huì)中實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車的初次運(yùn)行。

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車推廣政策和汽車產(chǎn)業(yè)不斷扶持,新能源汽車銷量連年增加。但是隨著新能源汽車的廣泛應(yīng)用,相關(guān)問題逐漸顯現(xiàn),如新能源汽車電池起火事故、充電故障等問題。其中,動(dòng)力電池是新能源汽車的重要組成部分,其工作性能直接影響汽車的工作狀態(tài)與安全性,目前我國(guó)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池主要以鋰離子電池為主,鋰電池發(fā)展路線如表1所示[3-4]。

表1 不同新能源汽車鋰電池類型及技術(shù)特點(diǎn)

針對(duì)目前新能源汽車電池故障頻發(fā)等問題,本研究以純電動(dòng)汽車鋰離子電池為研究對(duì)象,提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法下動(dòng)力電池故障診斷方法,對(duì)其故障判斷及數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行論述。研究結(jié)果可以為新能源汽車故障診斷提供新的發(fā)展思路,為保證新能源汽車安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 新能源汽車電池故障診斷方法研究進(jìn)展

1.1 研究進(jìn)展

在汽車故障診斷技術(shù)中,目前主要是基于汽車監(jiān)測(cè)信號(hào)變化進(jìn)行故障判斷。本研究將故障診斷方法劃分為定性分析和定量分析兩種方法,具體方法如圖1所示。

圖1 故障診斷方法類型

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)發(fā)展不斷成熟,電池故障診斷方法是目前汽車發(fā)展領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)方向,目前,國(guó)內(nèi)主要研究進(jìn)展為鄭杭波等[5]將模糊邏輯法與專家系統(tǒng)結(jié)合,構(gòu)建動(dòng)力電池電壓、溫度、充電間隔與充電過程中的溫差、壓差與電池運(yùn)行情況關(guān)系模型,在汽車運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。劉文杰[6]提出一種專家故障診斷系統(tǒng),結(jié)合動(dòng)力電池模糊診斷實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池故障預(yù)測(cè),并通過電動(dòng)客車試驗(yàn)驗(yàn)證模型診斷的準(zhǔn)確度。高明[7]基于動(dòng)力電池的故障模式給出相應(yīng)的解決措施,將故障分析功能于OBD-II系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)故障的診斷與電池管理。劉曉俊[8]基于概率推理下的貝葉斯模型構(gòu)建動(dòng)力電池故障智能診斷推理模型,逐步形成動(dòng)力電池故障診斷專家?guī)臁Ｌ挫砙9]基于故障分析法(FTA)開展電池故障分析,并通過電池失效模式分析故障預(yù)測(cè)并給出相應(yīng)的措施。

1.2 存在問題

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析可知,目前對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷方法較多,主要是基于相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展電池健康狀態(tài)的預(yù)測(cè),但是由于數(shù)據(jù)來源不穩(wěn)定,不確定因素較多,因此難以實(shí)現(xiàn)電池故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷。

2 動(dòng)力電池組出現(xiàn)故障時(shí)的電壓表現(xiàn)

動(dòng)力電池是新能源汽車的重要組成部分,同時(shí)也是純電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力裝置,動(dòng)力電池性能是影響整車行駛安全性和可靠性的重要因素。本文以鋰電池為研究對(duì)象,基于電池基本結(jié)構(gòu),對(duì)目前常見的故障類型進(jìn)行闡述,為后續(xù)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下開展動(dòng)力電池故障診斷提供技術(shù)基礎(chǔ)。

鋰離子電池主要包括正負(fù)極材料、電解液和隔膜組成,根據(jù)正極材料的不同,鋰離子動(dòng)力電池可以分為錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。鋰離子電池工作性能主要取決于電池的溫度和電壓,其工作過程中正常電壓和溫度如表2所示。目前,造成動(dòng)力電池故障的主要原因包括電池溫度異常、過充、過放、欠壓、電池衰老和內(nèi)阻異常等原因。

表2 鋰離子電池溫度和電壓與電池健康狀態(tài)的相關(guān)性分析

2.1 過壓

當(dāng)電池充電電壓超過正常電壓時(shí),過大的電流會(huì)引起動(dòng)力電池過熱,電流過大會(huì)引起電池內(nèi)部短路,鋰離子在電池負(fù)極表面堆積,電池焦耳熱增加等,進(jìn)而影響電池的工作狀態(tài)。

2.2 過充

動(dòng)力電池過充主要是指在動(dòng)力電池SOC滿電后仍然進(jìn)行電池充電,此時(shí),電池進(jìn)入過充狀態(tài),過充時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)對(duì)電池造成一定的損害,進(jìn)而引發(fā)各種電池故障。當(dāng)電池正極處于較高的電勢(shì)會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部?jī)?nèi)阻增加,導(dǎo)致電池溫度增加,電池表面會(huì)逐漸出現(xiàn)脹氣產(chǎn)生大量的熱量和氣體,當(dāng)壓力超過電池承受能力后會(huì)導(dǎo)致電池破裂變形,造成電池老化、短路和失效等故障。

2.3 欠壓或過放

電池欠壓主要是指電池工作電壓低于正常工作電壓,直接影響汽車動(dòng)力,由于無法為汽車提供足夠的動(dòng)力會(huì)影響汽車的正常運(yùn)行,長(zhǎng)時(shí)間處于欠壓狀態(tài)會(huì)造成電池電流釋放不穩(wěn)定、電量不足,進(jìn)而減少電池使用壽命,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成動(dòng)力電池電極材料逐漸裂解。

3 數(shù)據(jù)處理方式

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和云儲(chǔ)存技術(shù)等的快速發(fā)展,目前社會(huì)逐漸進(jìn)入了“數(shù)據(jù)時(shí)代”,數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性、可靠性、安全性等對(duì)社會(huì)生活影響較大。目前,數(shù)據(jù)主要分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要是指從各種控制過程中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)果數(shù)據(jù);試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要是指基于相關(guān)試驗(yàn)得到的試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

目前,從各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或其他途徑獲得的數(shù)據(jù)會(huì)受到環(huán)境因子擾動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸異常等各種問題,因此導(dǎo)致無法獲得較為完整的數(shù)據(jù)鏈,因此,在數(shù)據(jù)收集過程中會(huì)存在數(shù)據(jù)缺失,或者得到光滑噪聲數(shù)據(jù),因此,如果不進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理直接使用數(shù)據(jù)會(huì)影響分析結(jié)果。

3.1 數(shù)據(jù)獲取

我國(guó)在2016年推出《純電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)》技術(shù)規(guī)范,國(guó)家規(guī)定純電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)上傳汽車實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)10種、整車數(shù)據(jù)11種、極限數(shù)據(jù)12種、車輛位置信息3種、燃料電池?cái)?shù)據(jù)12種及汽車報(bào)警數(shù)據(jù)10種。目前,純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)個(gè)數(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成信息列表、驅(qū)動(dòng)電機(jī)序號(hào)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器工作溫度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度、電機(jī)控制器工作電壓、電機(jī)控制器電流。根據(jù)數(shù)據(jù)平臺(tái)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車運(yùn)行軌跡和歷史信息查看。

3.2 數(shù)據(jù)采集異常原因

數(shù)據(jù)采集總會(huì)存在各種問題與數(shù)據(jù)缺陷,如數(shù)據(jù)部分丟失、不正常數(shù)據(jù)及噪聲數(shù)據(jù)等,目前,造成汽車采集數(shù)據(jù)存在問題的原因主要包括車輛發(fā)出端問題、傳輸環(huán)節(jié)問題、數(shù)據(jù)接收平臺(tái)問題及數(shù)據(jù)處理端問題等。

1)車輛發(fā)出端問題。汽車在運(yùn)行過程中,主要是基于CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 由于存在某些線路短路、虛接自身硬件老化等問題,會(huì)導(dǎo)致汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)在采集環(huán)節(jié)就會(huì)出現(xiàn)問題。

2)中間傳輸環(huán)節(jié)問題。目前汽車數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)主要依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸,當(dāng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)某些故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)差等導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收平臺(tái)無法順利接收數(shù)據(jù)。

3)數(shù)據(jù)平臺(tái)接收端問題。數(shù)據(jù)平臺(tái)接收端主要依靠電力系統(tǒng)供電運(yùn)行,系統(tǒng)中含有大量電子元件和計(jì)算機(jī)元件,由于某個(gè)線路或者元件故障就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收異常。

4)數(shù)據(jù)處理端問題。數(shù)據(jù)處理端主要是由人為操作導(dǎo)致的數(shù)據(jù)問題,操作誤差主要包括數(shù)據(jù)修改、增減和刪除等,進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.3 數(shù)據(jù)隨機(jī)缺失處理機(jī)制

目前汽車數(shù)據(jù)采集過程中最常見的就是數(shù)據(jù)隨機(jī)缺失問題,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),主要采用平均值插補(bǔ)法進(jìn)行數(shù)據(jù)缺失值的填充,主要處理過程如下:

如t1至t6時(shí)間段內(nèi)連續(xù)采集6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為[a1,a2,a3,a4,a5,a6],當(dāng)缺失的數(shù)據(jù)為a2和a3,具體數(shù)值計(jì)算公式如式(1)

a2=a3=a4+a5/2

(1)

3.4 不同數(shù)據(jù)分布下電池故障診斷分析

在車輛數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)過程中,由于純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?cái)_動(dòng)因素較多,因此數(shù)據(jù)一般不符合正態(tài)分布,因此,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障中診斷方法如下。

首先將采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行箱線圖繪制,主要數(shù)據(jù)分析指標(biāo)包括最大值、最小值、第一四分位數(shù)(Q1)、中位數(shù)和第三四分位數(shù)(Q3)。

然后根據(jù)箱線圖對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別,數(shù)據(jù)正常標(biāo)準(zhǔn)為處于大于下界Q1-1.5IQR和小于上界的Q3+1.5IQR,不在正常值范圍內(nèi)的成為異常數(shù)據(jù),即IQR=Q3-Q1。針對(duì)動(dòng)力電池的過壓現(xiàn)象,采用數(shù)據(jù)閾值處理方法,設(shè)置報(bào)警最高和最低臨界電壓直接反映動(dòng)力電池過壓和欠壓預(yù)警。

4 結(jié)論

本研究主要是對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷即數(shù)據(jù)分布、采集和處理開展相關(guān)研究,基于動(dòng)力電池對(duì)純電動(dòng)汽車的重要性,系統(tǒng)論述了動(dòng)力電池常見故障,如過壓、過放等故障,并基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)采集即處理提出相關(guān)處理機(jī)制,并提出基于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)下動(dòng)力電池故障診斷方式。研究結(jié)果可為純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池故障診斷提供新的發(fā)展思路。