新能源汽車動力電池故障診斷及發(fā)展趨勢分析

毛紅孫　周茂杰

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

關(guān)鍵詞：電動汽車 動力電池 故障問題 診斷方法 處理方法 發(fā)展趨勢

為積極迎合我國綠色環(huán)保發(fā)展理念，近年來新能源汽車市場占比不斷增大，雖然可以滿足人們基本出行需求，迎合綠色低碳發(fā)展，但電動汽車動力電池故障問題愈發(fā)凸顯，導(dǎo)致電動汽車整體發(fā)展受限。作為新能源汽車重要組成部分，動力電池的性能直接影響電動汽車使用壽命、電池能耗，需要較高水平的故障診斷技術(shù)，科學(xué)有效的判斷出動力電池存在的故障問題，并采取有效的維修技術(shù)解決，確保動力電池可以安全穩(wěn)定運行，使得電動汽車行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。針對此，本文圍繞電動汽車動力電池故障診斷及發(fā)展趨勢展開研究，致力于更好提升電動汽車使用安全性，推動該領(lǐng)域技術(shù)進一步發(fā)展。

1 電動汽車動力電池系統(tǒng)基本架構(gòu)

分析電動汽車動力電池系統(tǒng)可知，如圖1所示，其中包含了電池組、電池斷路單元（BDU）、BMS幾部分，并依據(jù)整車電壓平臺、動力性能、續(xù)航里程目標(biāo)等內(nèi)容，明確電池組的電芯型號、模組設(shè)計，確保達到車輛運行性能需求和要求。其中的電池斷路單元主要涵蓋了保險絲、繼電器、預(yù)充電路等，并利用高壓部件進行連接，如高壓連接器、高壓線束、電機、車載充電機等，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，主要對動力電池實施安全管理，所以BMS本身可以發(fā)揮較多作用，比如，在線診斷故障、監(jiān)測電池參數(shù)、管控電池均衡性、評估電池狀態(tài)、存儲關(guān)鍵信息、控制車輛充放電、檢測絕緣性能、高壓互鎖檢測、安全控制與報警等。

2 電動汽車動力電池存在的安全風(fēng)險

在電動汽車動力電池組中，主要涵蓋了動力電池系統(tǒng)（Battery）、電池模塊（Module）、電池單體（Cell）幾部分。在新能源汽車中，動力電池系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，它為汽車的運行提供所需的能量。這個系統(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械裝置。電池單體是電動汽車電池系統(tǒng)中的基本單元，也被稱為“電芯”，它由正極、負極、電解質(zhì)等部分構(gòu)成，是整個電池系統(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)，因此在動力電池生產(chǎn)制造過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)信息對電池進行安全管理，此種情況下，如果傳感器發(fā)生無效采樣現(xiàn)象，必然會直接影響判斷電壓、電流、溫度等因素的準(zhǔn)確性，造成電池狀態(tài)估算錯誤，導(dǎo)致過溫、過放、過充等問題[2]。除此之外，不同車輛在實際應(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。綜合來看，電池缺陷以及整車使用諸多情況，都會直接影響到動力電池本身性能、實際使用壽命，關(guān)乎車輛運行安全。

3 電動汽車動力電池故障的診斷與處理方法

3.1 溫度異常故障診斷

在電動汽車動力電池溫度異常故障中，可以細化為三種類型：溫度傳感器故障、溫度傳感器連接線松動故障、BMS硬件故障。可以結(jié)合案例進行分析，以宋PLUS新能源汽車為例，車輛實際行駛過程中，發(fā)生電池管理系統(tǒng)報警情況，而且儀表顯示電池溫度過高。在實際診斷中，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。而后初步對車輛散熱系統(tǒng)進行檢查，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)扇能否正常運轉(zhuǎn)等。在此基礎(chǔ)上進行溫度對比分析，主要針對各電池模組溫度之間的差異進行對比，并找出溫度異常部位。而后檢修人員需要進一步檢查電路情況，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)對電池狀態(tài)進行評估，這就需要綜合考量電池的使用時間、充放電次數(shù)等，合理判斷電池有無發(fā)生老化、性能下降等情況。綜合上述故障診斷過程，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)的維修措施進行處理。需要注意的是，在對車輛故障診斷過程中，由于不同車型、故障情況不同，實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

電動汽車如果發(fā)生動力電池絕緣故障問題，可能存在以下四種情況：電壓采集線故障、高壓負載漏電故障、電池箱進水或漏液故障、高壓線及連接器的破損故障。舉例分析，某品牌電動汽車在行駛過程中，突然發(fā)生動力中斷，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試儀、目視檢查相結(jié)合的方法進行故障診斷分析。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，進水導(dǎo)致絕緣下降；電池模組之間的連接件松動或腐蝕存在直接關(guān)聯(lián)。為此，在故障診斷中，工作人員借助絕緣電阻測試儀，對電池包正負極對車身的絕緣電阻值進行測量，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，詳細檢查電池包內(nèi)部線束，主要從磨損、裸露等方面入手進行查看。另外，還要檢查電池包密封性，查看是否存在進水情況，以及電池模組的連接件檢查，判斷是否出現(xiàn)松動、腐蝕等情況。通過故障診斷發(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，由此造成雨水進入導(dǎo)致短路，引發(fā)電池絕緣故障問題，對此，檢修人員通過修復(fù)線束，并加強對線束的防護，使得絕緣故障問題得到妥善解決。

還是以宋PLUS新能源汽車為例，在對電池包絕緣故障判斷過程中，無需拆卸電池包便可實現(xiàn)。檢修人員可以借助舉升機作用，將電池包舉起，同時拔掉電池相關(guān)器件，如安全開關(guān)、高壓慢充、快充接插件，在此基礎(chǔ)上，運用絕緣檢測儀進行輔助檢測，針對上述部件的正極、負極、車身電阻進行檢測。而后參照國家絕緣標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合各個新能源汽車企業(yè)具體情況，正常情況下，絕緣電阻至少要達到20兆歐，若是檢測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

在電動汽車動力電池故障中，電壓異常較為常見，可以細化為以下幾種情況：

（1）電池欠壓故障。動力電池若是發(fā)生欠壓故障，會造成汽車電壓發(fā)生問題，影響車輛的正常運行。對此，工作人員需要借助萬用表診斷電池電壓，并記錄檢測到的電壓值，而后與正常監(jiān)控電壓值進行比對分析，如果二者發(fā)生偏差，而且這一偏差數(shù)值較大，證明電池存在問題，需要及時更換新的電池。（2）采集線保險絲故障。如果發(fā)生此類故障，工作人員可以對保險絲的阻值進行測量，以此作為故障判斷依據(jù)，若是發(fā)現(xiàn)保險絲阻值超過標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)當(dāng)及時更換保險絲，解決故障問題。（3）采集線端子故障。對于這類故障的診斷，工作人員應(yīng)首先對采集線同端口進行檢查，要精確地判斷該端口有沒有出現(xiàn)異常連接的狀況，如果連接是正常的，可以進一步檢查采集線的固定螺栓，主要查看螺栓是否緊固，有無松動現(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，從而及時采取相應(yīng)的措施進行修復(fù)，確保系統(tǒng)的正常運行。這些檢查和診斷工作對于保障系統(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)采集線有松動情況，應(yīng)及時予以加固處理。對于那些已經(jīng)損壞的采集線，則需進行更換，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。為了進一步驗證故障問題，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)也說明單體電池電壓過高，而且壓差值為0.001 V[5]。結(jié)合車輛的使用說明書內(nèi)容，檢修人員需要對電池進行均衡處理。在具體實踐中，為保證車輛低壓電路完全放電，檢修人員必須先斷開低壓電源，并等待一段時間，而后再穿戴絕緣設(shè)備，斷開處理電池低壓線束、高壓連接線。在這之后，需要將車輛高壓電池包拆卸下來，仔細地檢查單體電池的正負極以及數(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)備來對電池進行均衡處理。在這過程中，主要是依據(jù)單體電壓來設(shè)置均衡電壓和均衡模式。

4 電動汽車動力電池故障診斷發(fā)展趨勢

4.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動下電池故障識別及診斷

在大數(shù)據(jù)技術(shù)、機器學(xué)習(xí)技術(shù)迅猛發(fā)展下，數(shù)據(jù)驅(qū)動電池故障診斷技術(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)用分析汽車行駛過程中出現(xiàn)各類故障碼，切實發(fā)揮大數(shù)據(jù)算法優(yōu)勢，將故障碼和出現(xiàn)的故障相互對應(yīng)，并借助車輛的維修手冊，及時傳遞維修建議。為進一步提升故障診斷水平，需要借助大量汽車實際運行數(shù)據(jù)作為參考，合理運用數(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，進而以此作為電動汽車動力電池故障診斷依據(jù)[6]。

4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動下對動力電池故障的預(yù)測

為更好提升電動汽車電池故障診斷水平，進行合理預(yù)測顯得尤為重要，科學(xué)預(yù)測不僅能夠有效預(yù)防可能發(fā)生的重大事故，更是推動電動汽車行業(yè)邁向新高度的關(guān)鍵技術(shù)保障。現(xiàn)階段，該領(lǐng)域主要的研究難點在于，如何通過組建電池故障預(yù)測機制、實施多級報警。從目前電池故障預(yù)測主要方式看，主要以數(shù)據(jù)驅(qū)動為主，簡單說，就是利用大量車輛實際運行數(shù)據(jù)，提取其中有價值的數(shù)據(jù)特征，而后搭建故障和特征之間的時間序列模型、融合模型，在此基礎(chǔ)上運用大量數(shù)據(jù)對模型實施訓(xùn)練，從而得到特征和故障的關(guān)系，進而基于這種關(guān)聯(lián)實現(xiàn)對故障的預(yù)測。而根據(jù)Hong的研究看，其提出一種建立在大數(shù)據(jù)平臺、熵值法基礎(chǔ)上的電動汽車系統(tǒng)熱失控預(yù)測方案，主要就是利用車輛運行中電池溫度作為監(jiān)測對象，以此診斷和預(yù)測因為溫度風(fēng)險引發(fā)的熱失控問題，并提出Z-score方法下的熱失控?zé)岚踩芾聿呗裕槍囟犬惓Ｇ闆r進行實時預(yù)防，研究結(jié)果證明，此方法可以準(zhǔn)確預(yù)測電池組溫度風(fēng)險的具體時間和范圍，值得未來進一步實踐應(yīng)用。

5 結(jié)語

總而言之，目前，我國新能源汽車還在不斷研究、完善階段，汽車在實際運行過程中還存在諸多問題有待改善，只有全面了解并掌握新能源汽車動力電池故障診斷，才能更好推進電動汽車的應(yīng)用與普及。通過上文對電動汽車動力電池系統(tǒng)基本架構(gòu)以及安全風(fēng)險的分析，不難發(fā)現(xiàn)，為確保動力電池穩(wěn)定性、安全性，保證電動汽車整體穩(wěn)定運行，獲得足夠的動力支持，必須加強針對動力電池的故障診斷，并采取有效方法處理，保障電動汽車行駛安全性。希望本文提出的電動汽車動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)展實踐提供參考和借鑒，從而進一步提高電動汽車動力電池安全性，最大程度上降低汽車安全隱患，助推新能源汽車售后市場良性發(fā)展。

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

參考文獻：

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

[2]段繼強，陸潔，曾慶亮，等.電動汽車動力系統(tǒng)故障檢測及診斷方法[J].時代汽車，2023，34（18）：178-180.

[3]張暉，豐紅霞，陳楓，等.電動汽車動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)下電動汽車動力電池故障診斷技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢[J].機械工程學(xué)報，2021，57（14）：52-63.

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

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