大数据驱动动力电池智能安全管理与控制方法研究.pdf
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1、2023 年(第 45 卷)第 10 期汽车工程Automotive Engineering2023(Vol.45 )No.10大数据驱动动力电池智能安全管理与控制方法研究*洪吉超1,2,梁峰伟1,2,杨海旭1,2,李克瑞1,2(1.北京科技大学机械工程学院,北京100083;2.北京科技大学顺德创新学院,佛山528000)摘要 针对新能源汽车动力电池安全风险管理与控制研究,本文详细讨论了动力电池故障机理及类型,基于大数据统计分析阐明了动力电池一致性与安全性的耦合关系,总结了数据驱动的动力电池安全状态预测与故障诊断预警方法,最后提出一种基于“车-云”融合的实车动力电池系统安全控制策略。本文旨在
2、为实现实车动力电池安全状态实时监控与风险预警提供理论指导。关键词:电动汽车;动力电池;故障诊断;数据驱动;控制策略Research on Intelligent Safety Management and Control Methods for Big-data-driven Battery SystemsHong Jichao1,2,Liang Fengwei1,2,Yang Haixu1,2&Li Kerui1,21.School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing10
3、0083;2.Shunde Innovation School,University of Science and Technology Beijing,Foshan528000Abstract For the research on safety risk management and control of new energy vehicle power batteries,this paper discusses in detail the failure mechanism and types of power battery systems,clarifies the couplin
4、g relationship between battery consistency and safety based on big data statistical analysis,and summarizes the data-driven safety state prediction,fault diagnosis and warning method.Finally,a vehicle-cloud-integration-based safety control strategy is proposed for real-vehicle battery systems.This p
5、aper aims to provide theoretical guidance for realizing real-time monitoring of battery safety status and risk warning for real vehicles.Keywords:electric vehicles;power battery;fault diagnosis;data-driven;control strategy前言为了减少温室气体排放和缓解能源危机,新能源汽车得到了快速发展和普及1。如图1所示,截至2022年,我国新能源汽车保有量达1 310万辆,位居全球第一。据
6、统计,2021年新能源汽车火灾安全事故达3 000多起,其中绝大多数都是由于动力电池故障所导致2-3。电池热失控对驾乘人员的人身和财产安全造成极大危害,如何有效检测电池故障并提前预警至关重要4-5。基于动力电池系统内部结构关系,目前通常将电池故障分为电池组件故障、传感器故障和执行器故障3类。Tran等6将电池故障分成内部故障和外部故障。该分类既包含结构关系分类,例如内短路故障、外短路故障和过充/过放电故障等,又包含故障表现分类,例如加速衰减和过热等。表1描述了各类故障的相互关系,不同故障各具特点但又互相耦合,从而构成复杂的故障网络。目前动力电池故障诊断方法可以分为基于模型方法、基于信号分析方法
7、、基于数据驱动方法和基于统计分析方法。Feng等7建立了电池电化学-热耦合模型对内短路故障展开研究,通过对比发现电池荷电状态(state of charge,SOC)和产热功率不同可以及时检测到内短 doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.10.007*国家自然科学基金青年项目(52107220)和中国博士后科学基金面上项目(2021M690353)资助。原稿收到日期为 2023 年 03 月 24 日,修改稿收到日期为 2023 年 05 月 08 日。通信作者:洪吉超,副教授,博士,E-mail:。汽车工程2023 年(第 45 卷)第 10 期路。Yao等8对
8、电池电压波动信号进行处理,引入了熵理论来分析电池间机械连接故障。除此之外,常用故障诊断方法还有神经网络、支持向量机、小波变换等9-10。目前相关研究大多处于实验阶段,针对实车动力电池故障诊断研究较少。本文详细总结了动力电池故障类型和诊断方法,深入分析了动力电池安全性与一致性之间的耦合关系,并针对动力电池安全状态预测方法进行了详细介绍,最后给出一种基于“车-云”融合的实车动力电池安全控制策略。1动力电池故障分类及特性根据故障特点,动力电池的故障类型可以分为5类,主要包括机械故障、电气故障、热故障、不一致故障以及老化故障。图2展示了各类故障相互关系和故障表现11-13。1.1机械故障1.1.1连接
9、故障由于强烈振动、杂质腐蚀等因素导致单体电池之间的连接部位出现松动的现象称为机械连接故障。机械连接故障会使单体电池的电阻急剧增大,导致并联电路电流差异11。机械连接故障具有很强的不确定性和随机性,并且表现出的外部特性与电池内阻变化的外部特性相似,诊断较为困难。1.1.2机械变形机械变形是指动力电池受到外力作用后发生结构变形,这将会影响到电池的正常使用14。常见的外部冲击包括挤压、碰撞、针刺等。在较大外部冲击下所造成机械变形将会导致动力电池出现更严重的后果,主要包括电解液泄漏、电极和隔膜破坏等危险情况,并引发电池发生热失控。Lee等15通过压痕实验观察到了电池内部的剪切带,随着压痕加深电极的颗粒
10、涂层出现剪切偏移,金属箔开始韧性断裂,最终发生内短路。因此,电池出现机械变形十分危险,需要引起重视并及早处理。图1我国新能源汽车和纯电动汽车保有量近5年数据表1电池系统的故障类型和相互关系故障诱因机械变形,过充/放电故障,活性材料诱因,热故障连接故障,机械变形,老化故障,水浸泡传感器故障,不一致性故障,充电器故障,充/放电结束时大速率充/放电连接部位因振动、碰撞、环境侵蚀而松动,出现老化故障老化故障,绝缘层受振动和碰撞磨损,环境侵蚀环境侵蚀,老化故障,传感器缺陷温度传感器故障,系统部件损坏故障类型内短路故障外短路故障过充/放电故障连接故障绝缘故障传感器故障冷却系统故障故障危害内短路故障发生时通
11、常伴随着放电和放热,是诱发热失控的主要故障电池温度将迅速上升,最终导致热失控轻则降低电池寿命,重则出现材料相变、电解质分解等现象导致电池内阻急剧增加,表现出电池不平衡和温度过热不仅损坏电池系统,而且高压导电电路也会威胁到乘客的生命导致电池管理系统误判当前电池状态,混淆系统功能整个电池系统的温度将迅速上升 18462023(Vol.45)No.10洪吉超,等:大数据驱动动力电池智能安全管理与控制方法研究1.2电气故障1.2.1短路故障电池短路故障分为内短路故障和外短路故障。电池内部正、负极材料直接连接的现象称为内短路故障16。造成内短路故障的原因大致可以分为机械滥用17、活性材料诱因18、电滥用
12、19和热滥用20 4类。据统计超过40%的电动汽车失火最初都是由内短路故障所引发。电池外部正、负极直接接触的现象称为外短路故障。诱因较为简单,例如电池线路老化和电动汽车发生碰撞等。Yang等21发现,当电池发生外短路时,电池会立即产生一个高电流,然后电流逐渐减小产生一个放电平台,表现为连续大电流阶段,这造成电池温度持续升高。短路故障是电池最常见的故障之一,如何有效检测和诊断短路故障目前依然是学者们研究的重点和难点问题。1.2.2过充电故障电池在充电至饱和状态后,仍然继续充电的现象称为过充电故障。轻微的过充电故障在短期内不会影响电池状态,严重的过充电故障则会导致过渡金属溶解、材料相变、阴极电解液
13、分解等现象。对于电池系统而言,传感器故障造成的电池管理系统(battery management system,BMS)对电池状态的误判可能引发过充电故障。文献 13 和文献 22 中研究了锂离子电池从开始过充电到引发热失控的整个过程,过充电故障的危害程度与充电深度有着直接关系。1.2.3过放电故障电池在放电时,放电电压低于电池额定的放电截止电压称为过放电故障。与过充电故障相似,过放电故障的严重性与放电深度有着直接关系。Lai等23分析了电池从过放电故障向内短路故障演变过程。研究发现当放电深度低于 120%时,电池本身会存在一定的自我修复能力;当放电深度超过120%后,过放电对电池产生的破坏将
14、是永久的,产生的内短路也是不可逆的。对于这种故障,可以通过比较电压传感器收集的电压信号和电池上限电压或阈值进行检测,检测起来较为简单。1.2.4绝缘故障电气系统的绝缘故障是指导体与地面或者导体与导体之间绝缘性能降低或消失的情况。对于动力电池来说,绝缘故障可以分为内部问题和外部问题24。内部问题主要是电解液泄漏或者外部液体进入造成绝缘层破坏,电池组内部出现导电回路。外部问题主要是外部高压回路的绝缘性能降低。车辆行驶过程中受到的振动、冲击和扭转等外部因素以及运行时温度和湿度等环境问题都可能导致电池系图2动力电池故障之间的相互关系和故障表现11-13 1847汽车工程2023 年(第 45 卷)第
15、10 期统的绝缘故障。目前研究中大多采用检测绝缘电阻异常的方法来检测动力电池的绝缘故障。1.2.5通信故障(1)传感器故障。BMS的作用是保证电池工作的安全性和稳定性,主要功能是电流、电压和温度等数据的采集与处理,故障诊断和电池热管理等。图3展示了BMS的基础框架及功能。数据采集与处理是BMS正常运行的基础,若传感器在工作时出现偏差、漂移和精度等级降低等故障则会产生数据误差,极有可能造成BMS对当前电池状态的误判,导致系统功能混乱25。造成传感器故障的原因主要是环境侵蚀、老化,以及传感器自身缺陷等。到目前为止传感器故障仍旧是一个亟待解决的安全问题。(2)控 制 器 局 域 网(controll
16、er area network,CAN)通信故障。汽车中的电力电子器件在频繁开关作用下会产生电磁干扰,引发 BMS 通信异常。Zhu等26通过测量数据传输信号,发现在负载不平衡的情况下逆变器高速开关产生的二次谐波、高次谐波会引起信号传输线上的差分信号出现 10 kHz的干扰信号。除了电磁干扰,通信线的插头松动、走线不规范等硬件因素也会造成通信不稳定。(3)接触器故障。在电动汽车中,接触器是用来频繁地接通或切断带有负载的主电路、辅助电路或大容量的控制电路27。当电池系统发生热失控时,需要控制接触器断开高压回路。然而接触器在切断大负载的时候可能会出现粘连故障,使得高压回路无法断开。目前BMS中通常
17、会设置主-从结构,其中主体结构不仅用于测量电池包的电流、电压,还可检测接触器故障。1.3热故障1.3.1冷却系统故障电池正常工作的温度范围通常为2540,冷却系统的作用就是保持动力电池的温度在正常工作范围内28。若冷却系统由于元件损坏或温度传感器异常造成系统无法正常工作,最直观的表现就是电池系统的温度迅速升高。当电池温度超过正常使用范围后,轻则会造成电池容量衰减和功率损失,影响使用寿命。严重时会引发电池内部结构溶解,电解液分解并伴随着其他放热副反应,最终导致热失控29。1.3.2温度异常电池温度异常主要包含温度过高和温升过快30。短时间内的温升过快往往是电池内部内阻增大或者冷却系统存在问题,如
18、果不及时采取干预措施可能造成不可逆转的危害。除了温度过高,电池温度还存在另一种情况31,当动力电池在寒冷环境下使用时,为保证电池的正常运行需要对电池进行预加热,若电池温度长时间保持在较低的水平,此时加热系统或者其他管理装置可能存在问题,需要及早诊断并排除。1.4不一致故障单体电池或者电池模组之间存在差异称为不一致故障32。不一致故障直接的后果就是使某些电池性能加速衰减,主要包括电压不一致、温度不一致和SOC不一致。电池的制造是一个复杂过程33,这就导致即使同一生产线上产出的电池也不可避免地存在不一致性问题。同时外部环境变化和侵蚀会加剧这种初始不一致特性,导致运行参数不一致34。不一致故障虽不如
19、其他故障表现剧烈,但是一直存在于电池内部的安全隐患,可能会与其他故障相互影图3电池管理系统基本框架及功能 18482023(Vol.45)No.10洪吉超,等:大数据驱动动力电池智能安全管理与控制方法研究响从而造成严重后果。1.5老化故障随着电池服役时间增长,电池的容量和功率均会下降,同样是电池安全性的问题35。图4展示了电池老化主要降解的机理和机制。在电池老化的相关研究中普遍认为低温、高温、大电流充放电、过压欠压等都可能加快电池的老化速率。负极材料的主要降解机制是固体电解质界面(solid electrolyte interface,SEI)的生长和金属锂的沉积(析锂)。无论是SEI生长还是
20、析锂都会消耗可循环锂,导致不可逆的容量衰减36。此外,负极材料产生的应力膨胀等机械因素会导致负极SEI层出现裂缝,增加了电芯的内阻。活性物质与集流体脱落分层等现象,也属于负极材料的老化降解。正极老化的表现主要是活性材料降解。由于正极活性材料脱锂而导致的电极结构变化和相变是不可逆容量衰减的原因。电池老化是非常复杂的过程,贯穿于电池整个生命周期,有着很大安全隐患。2一致性与安全性耦合关系2.1动力电池系统不一致性分析动力电池系统的不一致性是指同一型号的单体电池通过串/并联组成电池组后,各个单体的电压、温度、SOC、内阻和自放电率等参数会随着电池使用逐渐产生差别。根据动力电池系统不一致性在其使用过程
21、中的扩大原因、发展规律以及对动力电池系统运行性能的影响,可以将动力电池系统的不一致图4电池老化降解机理-机制示意图35 1849汽车工程2023 年(第 45 卷)第 10 期性分为电压不一致性、容量不一致性、电量不一致性和内阻不一致性。动力电池系统电压的不一致性通常发生于并联电池组中,这是因为当某一节单体电池的电压较低时,其他单体将会给该电池充电,形成动力电池单体之间的互充电现象。并联电池组中单体电压不一致性形式如图 5所示,假设 1号电池的端电压 U1低于 2 号电池的端电压 U2,则两个电池之间就如同形成了一个充电回路,并且 2号电池会给 1号电池进行小幅度的充电。虽然这种并联连接方式会
22、使低电压单体的容量小幅增加,但是与此同时高电压单体的容量也会急剧降低,并且这个互充电的过程会产生一定的能量损耗,最终会使整个动力电池系统无法满足对外输出的预期效果。此外,由于电池 SOC 在一定范围内与开路电压呈线性关系,因此电池在静态工况下开路电压的不一致性也能从一定程度上体现电池电量状态的不一致性。2.2动力电池安全性与一致性耦合机制2.2.1动力电池一致性和安全性耦合关系如图6所示,动力电池系统的不一致性可从电压、容量、电量和内阻4个角度进行展开,分析结果显示电池不一致性直接影响电池的寿命衰减和老化速度,而在动力电池系统的老化过程中,其内部的副反应会引起内阻增加和容量衰减,进而导致动力电
23、池系统的安全性能变差37。现有研究发现,动力电池系统在循环老化过程中,内阻上升会使充放电过程中的焦耳热不断增加,动力电池系统热稳定性和抗电滥用性逐渐降低35;动力电池系统在低温循环老化过程中,负极析锂会造成动力电池系统的热稳定性急剧下降,被析出的锂金属与电解液继续发生反应,会使动力电池系统的自产热速率急剧上升,进而严重威胁动力电池系统的安全性。综上,动力电池系统的一致性和安全性之间通常不会直接发生关联,而是通过电池寿命衰减间接联系在一起,动力电池系统的安全性也会随着电池逐渐老化而变差。因此,研究电池一致性与安全性的耦合关系,首先需要明晰电池一致性与电池老化之间的关联关系。图5并联电池电压的不一
24、致性图6动力电池不一致性、安全性与电池老化之间的关联关系 18502023(Vol.45)No.10洪吉超,等:大数据驱动动力电池智能安全管理与控制方法研究2.2.2动力电池系统不一致性改进措施为了提高动力电池系统一致性水平,延缓电池组寿命衰减速度,基于大量工程应用经验和实验研究,可采取分选、均衡、热处理和使用维护等措施。开展电池分选的目的是把参数相同或邻近的单体电池选择出来。不同批次单体电池不应该被放在一起使用,即便是相同批次单体电池,也需要通过选择把参数比较集中的单体电池放在同一个电池包里。为了应对动力电池系统的不一致性问题,BMS通常都会集成电池均衡的功能。例如,当某些单体电池领先于其他
25、单体电池率先到达充电截止电压时,BMS便会启动充电均衡功能,通过接入电阻放掉电压较高单体的部分电量,或者通过能量转移将能量转移至电压较低的单体电池。当充电截止条件被免除时,充电进程再重新开始会使动力电池系统充入更多电量。因此,为了提高电池系统的安全性,需要综合考虑以上各个因素,建立动力电池组的故障诊断和安全预警系统,实现对动力电池组及其单体电池的实时监测和管理,提高动力电池组的安全性能和可靠性。3动力电池安全状态预测方法3.1基于数据驱动的动力电池SOC预测在电动汽车的研究与开发中,准确地预测电池SOC对发挥电动汽车最佳性能和预测电动汽车续驶里程有着至关重要的作用。动力电池SOC的定义如式(1
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