摘 要：近些年，國民經(jīng)濟發(fā)展水平提高，科學技術(shù)實現(xiàn)迅猛發(fā)展，新能源技術(shù)實現(xiàn)深入研究和應(yīng)用，出于實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展目的，越來越多的行業(yè)逐漸朝著新能源方向發(fā)展?，F(xiàn)如今，新能源汽車逐漸成為汽車生產(chǎn)的重要方向，在此種類型汽車生產(chǎn)制作過程中，最為重要的部分是動力電池系統(tǒng)，其是汽車實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵部分。本文通過對新能源汽車動力電池系統(tǒng)故障類型進行分析，提出診斷措施，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)順利發(fā)展，達到產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展目的。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動力電池系統(tǒng) 故障

Abstract：In recent years， the level of national economic development has improved， science and technology have achieved rapid development， and new energy technologies have been deeply researched and applied. For the purpose of green and sustainable development， more and more industries are gradually developing in the direction of new energy. Nowadays， new energy vehicles have gradually become an important direction of automobile production. In the production process of this type of automobile， the most important part is the power battery system， which is a key part of the safe and stable operation of the automobile. This paper analyzes the types of faults in the power battery system of new energy vehicles， and proposes diagnostic measures to promote the smooth development of the new energy vehicle industry and achieve the goal of green and sustainable development of the industry.

Key words：new energy vehicle， power battery system， fault

能源安全以及環(huán)境危機逐漸嚴峻，世界范圍內(nèi)各個國家采取多樣化措施致力于有害污染物排放以及能耗降低。積極發(fā)展新能源汽車，將電動汽車以及混合動力汽車作為代表，其已經(jīng)成為國際共識以及我國重要戰(zhàn)略之一。其中鋰離子廣泛應(yīng)用在新能源汽車以及儲能電站領(lǐng)域中，其優(yōu)勢主要是能量密度高、功率密度高以及使用時間長等。伴隨新能源汽車實現(xiàn)快速發(fā)展，近些年相關(guān)火災事故報道數(shù)量增加，可知動力電池問題造成的新能源汽車事故占比較高。此種電池故障主要是指過充、過放以及過熱等，上述故障會造成電池組內(nèi)部溫度數(shù)值以及壓力數(shù)值上升，造成電池系統(tǒng)失去控制。避免新能源汽車安全事故出現(xiàn)，目前相關(guān)研究人員從車載端以及云端實施全方位電池故障診斷以及安全管理工作。以往車載端電池管理系統(tǒng)，借助檢測電池組的電壓參數(shù)、電流參數(shù)等，評估電池組的實際充電情況以及健康狀態(tài)，以此確保動力電池安全性，但由于過程中會受到BMS限制，安全預警策略比較簡單，不能實時管控電池系統(tǒng)安全。為解決上述問題，需重視遠程平臺故障診斷以及預警技術(shù)，借助車載終端可將動力電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫履茉雌嚧髷?shù)據(jù)云端平臺，可通過挖掘海量數(shù)據(jù)綜合性分析動力電池故障診斷方式。

1 新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)分析

在新能源汽車領(lǐng)域中，動力電池管理系統(tǒng)功能主要有兩方面，其一是實時監(jiān)控電池性能參數(shù)，確保有效性能管理如圖1所示；其二是依據(jù)應(yīng)用環(huán)境對電池溫度進行有效控制，防止電池溫度數(shù)值過高或者是過低，對電池壽命以及使用性能造成影響。過程中電池管理系統(tǒng)產(chǎn)生故障，上述功能會受到限制，不能有效預估電池符合問題，造成電池失去有效控制，損傷電池，嚴重情況下會造成汽車行駛故障，對人們的生命財產(chǎn)安全造成威脅[1]。

2 內(nèi)部故障分析

2.1 過充問題

車用動力源有效滿足電壓以及容量要求，動力電池系統(tǒng)會借助單體電池串聯(lián)或者是并聯(lián)連接方式構(gòu)成，但由于制造缺陷以及工作條件差異影響，單體電池經(jīng)常出現(xiàn)不一致問題。車輛充電過程中，充電器故障或者是管理系統(tǒng)在檢測以及估算電池狀態(tài)時并不準確，會造成部分單體電池出現(xiàn)過充問題，電池系統(tǒng)總電壓數(shù)值遠遠超出其上限數(shù)值，一些單體電池依然會發(fā)生過充。鋰離子電池過充會造成內(nèi)部電化學反應(yīng)以及活性物質(zhì)損失，電池組溫度數(shù)值提高，積聚氣體，造成電池爆炸。

2.2 過放問題

一般情況下會利用設(shè)置放電截止電壓方式避免過放電故障出現(xiàn)，但過程中由于電流沖擊較大，動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計存在不合理，電池存儲時間相對較長等原因，此種故障因素依然是電動汽車應(yīng)用階段的常見問題。在過放電過程中，處于負極狀態(tài)的鋰離子脫出能力會降低，同時上升的是電池極化電壓，負極銅集流體在氧化作用下成為銅離子，逐漸溶解在電解質(zhì)中，此種現(xiàn)象會增加動力電池自放電速率數(shù)值，此種過放行為并不會直接造成熱失控問題，但會造成損失容量或者是熱穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，對動力電池濫用條件耐受性造成影響，再次充電或者是使用過程中會產(chǎn)生危險事故。

2.3 過熱問題

動力電池無論是充電或是放電，都會面臨電子劇烈運動的情況，此種現(xiàn)象會產(chǎn)生熱效應(yīng)。多數(shù)情況下會產(chǎn)生電池異常發(fā)熱，在充電以及過放電過程中會產(chǎn)生副反應(yīng)、外部短路以及內(nèi)部短路等問題。基于高溫條件背景，鋰離子電池會產(chǎn)生一定程度膨脹，阻抗增長，縮短循環(huán)使用時間。在大倍率充電循環(huán)階段，電池中會不斷積聚熱量，溫度數(shù)值逐漸上升，熱失控風險增加。電池過熱會造成正極材料降解時間縮短，負極固體電解質(zhì)界面膜出現(xiàn)，產(chǎn)生十分明顯的容量損失，鋰離子電池內(nèi)部材料分解過程中會出現(xiàn)一些氣體，在壓力數(shù)值上升情況下，電池會膨脹，面臨爆炸風險[2]。

3 外部故障問題

3.1 傳感器故障問題分析

電池管理系統(tǒng)需具備電壓均衡以及過流保護等功能，上述功能實現(xiàn)主要是借助具備可靠性的溫度、電壓以及電流等傳感器。通常情況下并不重視傳感器故障，因此會產(chǎn)生十分嚴重的后果。動力電池傳感器故障主要有以下幾種：電壓傳感器故障、電流傳感器故障以及溫度傳感器故障。電流傳感器故障會降低多狀態(tài)估計準確性，同時SOC以及溫度測量值數(shù)據(jù)可應(yīng)用在實時更新電池模型參數(shù)中，以此完成高精度預測。鋰離子電池需保證處于安全電壓以及溫度范圍內(nèi)運行，在超出合理范圍后會影響電池性能，造成事故。電壓以及溫度傳感器也會造成電池管理系統(tǒng)中的均衡誤差以及熱管理失效。

3.2 冷卻系統(tǒng)故障問題分析

散熱步驟主要是借助電池結(jié)構(gòu)以及冷卻系統(tǒng)中的熱性能，一般電池冷系統(tǒng)如圖2所示，電池組通過進氣管進氣，然后經(jīng)過風扇冷卻，最后將熱氣排出，動力電池中的冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生故障，前提條件為電池外部環(huán)境溫度數(shù)值高或者是內(nèi)部放熱較多等，電池系統(tǒng)難以處于合理溫度范圍內(nèi)。電池系統(tǒng)內(nèi)部放出熱量相比于發(fā)散熱量高，單體電池會逐漸變熱，在短時間內(nèi)會到達臨界溫度數(shù)值，基于這一溫度背景，放熱反應(yīng)會逐漸構(gòu)成連鎖反應(yīng)，造成電池熱失控，出現(xiàn)著火、放氣以及爆炸的問題。電池出現(xiàn)短路問題，散熱率數(shù)值會朝著線性增長，產(chǎn)生的熱量也會呈現(xiàn)指數(shù)性增長，過程中造成大量熱量聚集，電池系統(tǒng)事故發(fā)生率也會上升?，F(xiàn)階段，電池組冷卻方式主要有氣體冷卻、液體冷卻以及相變材料冷卻等，保證電池組處于最佳溫度范圍內(nèi)，性能也會得以優(yōu)化，發(fā)揮著重要作用。

3.3 電池連接件故障問題

此種故障出現(xiàn)主要是電池端子之間連接不良造成，電池組內(nèi)部單體電池或者是電池模組需借助螺母或者是焊接方式完成連接，車輛運行時間增加，運行工況也不夠確定，連接件極有可能由于振動面臨松動問題，也會受到雜質(zhì)腐蝕影響[3]。電池之間出現(xiàn)虛接問題，其一會降低電池輸出功率，其次會迅速增加電阻數(shù)值，生成大量的焦耳熱，電池以及連接件之間的溫度數(shù)值上升，針對此種類型故障沒有及時發(fā)現(xiàn)和解決，會加速動力電池老化，產(chǎn)生較多故障，安全事故頻發(fā)。

4 故障診斷措施

4.1 內(nèi)部故障診斷措施

知識診斷措施起步時間較早，應(yīng)用也比較廣泛，這一類型方式不需要利用復雜的數(shù)學模型，在概念以及處理方法上凸顯知識化，以此開展故障推理判斷。知識電池故障診斷類型中主要有專家系統(tǒng)法、故障診斷樹等。專家系統(tǒng)法研究數(shù)量較多，應(yīng)用也比較廣泛，此種方法的關(guān)鍵之處是設(shè)計系統(tǒng)知識庫以及推理機，通過更加全面有效的知識數(shù)據(jù)庫推理判斷結(jié)果。將模糊數(shù)學與模糊診斷原理作為基礎(chǔ)，借助專家系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)則，構(gòu)建電池組模糊專家系統(tǒng)模型。將電池組常見故障等作為基礎(chǔ)，依據(jù)電池故障診斷專家經(jīng)驗，集合電池領(lǐng)域?qū)＜揖S修經(jīng)驗，形成關(guān)于對象以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫的知識庫，設(shè)置人工智能模糊推理綜合判斷推理機模型。模型故障診斷方式：此種診斷方式會借助電池相關(guān)模型獲取估計值以及實際測量值，兩者之間的差異會形成系統(tǒng)殘差，此種數(shù)值可成為故障知識信號，通過這一信號可完成進一步的故障特征分析，可為系統(tǒng)故障診斷提供理論數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)殘差處于理想化基礎(chǔ)上，其會僅包括故障信息數(shù)據(jù)。動力電池模型類型較多，例如電化學模型、電路模型等[4]。

4.2 外部故障診斷措施分析

首先是知識診斷措施，在電池外部故障診斷中，主要利用故障樹分析法、閾值規(guī)則法以及模糊理論等。電池傳感器產(chǎn)生故障，主要原因是高溫老化、機械振蕩等。借助連接螺栓松動位置的電池直流內(nèi)阻，相比于其他單體電池內(nèi)阻理論較高，借助壓差閾值規(guī)則方式可實現(xiàn)快速檢測電池極柱螺栓松動、連接部位氧化等連接不良問題。借助電池包可利用1C電流進行持續(xù)放電，在固定時長后獲取電壓變化數(shù)值，比對設(shè)定值與實測值，電池組連接可靠性得到診斷。借助模糊理論診斷虛接故障，利用動力電池系統(tǒng)故障仿真構(gòu)建不同癥狀的隸屬函數(shù)，可優(yōu)化診斷權(quán)矩陣以及其他模型參數(shù)，設(shè)置故障診斷模型。其次是模型故障診斷措施，此種方式包含方法較多，主要應(yīng)用在傳感器以及冷卻系統(tǒng)故障檢測與隔離中。借助非線性奇偶校檢方程，在一階等效電路模型以及熱模型中生成電壓、電流以及風扇殘差數(shù)值，借助殘差閾值可對電壓傳感器故障以及電流傳感器等故障進行識別。借助觀測器估計值以及實際值差診斷速度傳感器、電流傳感器等故障問題?？偨Y(jié)各種故障產(chǎn)生的危害，借助結(jié)構(gòu)分析以及順序殘差生成方式對故障進行檢測和分離，此種方式即使是在系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)并不確定前提下，可獲取傳感器可檢測性以及可分離性，構(gòu)建針對性的診斷測試故障在線檢測方式。借助等效電路模型以及熱模型可對電流、電壓以及溫度生辰殘差進行估計，檢測以及隔離電流傳感器以及溫度傳感器故障[5]-[10]。

5 結(jié)語

目前，人們環(huán)保意識不斷強化，新能源汽車推廣應(yīng)用范圍逐漸加大，國家在新能源汽車上實現(xiàn)大力支持，未來新能源汽車會占據(jù)更大比重的汽車生產(chǎn)市場。在新能源汽車中，電池起著關(guān)鍵性作用，電池性能會對汽車使用效果起到直接影響。通過分析電池故障問題，提出故障診斷措施，為日后電池生產(chǎn)以及診斷電池故障、維護動力組電池運行提供重要幫助。

參考文獻：

[1]楊永貴，董志輝.淺談新能源汽車動力電池散熱管理系統(tǒng)及軟件優(yōu)化設(shè)計研究[J]. 教育研究，2020，3（3）.

[2]劉立新，盛青山，趙曉燕. 新能源汽車動力電源系統(tǒng)電池模組堆疊智能控制系統(tǒng)研究[J]. 機床與液壓，2019，47（21）：5.

[3]崔向東.基于熱流場分析的動力電池散熱系統(tǒng)研究——評《動力電池熱管理技術(shù)——散熱系統(tǒng)熱流場分析》[J].電池， 2020（1）：2.

[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]. 機械工程學報，2021，57（14）：12.

[5]曲行行，楊亭亭，鄒娟，等.BQ76PL536A的分布式動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018，18（12）：39-42.

[6]簡斌.新能源汽車常見故障診斷及維修技術(shù)分析[J].汽車與新動力，2022，5（02）：80-82.

[7]楊彬.新能源汽車維修與故障診斷技術(shù)探究[J].內(nèi)燃機與配件，2021（22）：115-116.

[8]謝家宜，吉世岳.技能大賽中新能源汽車故障診斷與檢修——新能源汽車動力系統(tǒng)故障診斷項目實踐與思考[J].時代汽車，2020（20）：72-73.

[9]彭錦振.比亞迪16款e5 SOC從30%跳變?yōu)?%并無法行駛的故障診斷技術(shù)總結(jié)[J].時代汽車，2019（03）：174-175.

[10]蔣慶來，陳曉鵬，張霞，陳享姿，諶雪媛.PDCA循環(huán)在項目化教學中的應(yīng)用——以“動力電池系統(tǒng)異常故障診斷與排除”項目為例[J].汽車實用技術(shù)，2022，47（11）：143-148.

作者簡介

王樹林：男，漢族，甘肅永登人，學歷（本科），蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學（新區(qū)校區(qū)），高校教師，助教。研究方向：新能源汽車、動力電池方向。