新能源汽车动力电池系统故障诊断研究综述_王树林.pdf

AUTO TIME 113 NEW ENERGY AUTOMOBILE|新能源汽车 时代汽车新能源汽车动力电池系统故障诊断研究综述能源安全以及环境危机逐渐严峻，世界范围内各个国家采取多样化措施致力于有害污染物排放以及能耗降低。积极发展新能源汽车，将电动汽车以及混合动力汽车作为代表，其已经成为国际共识以及我国重要战略之一。其中锂离子广泛应用在新能源汽车以及储能电站领域中，其优势主要是能量密度高、功率密度高以及使用时间长等。伴随新能源汽车实现快速发展，近些年相关火灾事故报道数量增加，可知动力电池问题造成的新能源汽车事故占比较高。此种电池故障主要是指过充、过放以及过热等，上述故障会造成电池组内部温度数值以及压力数值上升，造成电池系统失去控制。避免新能源汽车安全事故出现，目前相关研究人员从车载端以及云端实施全方位电池故障诊断以及安全管理工作。以往车载端电池管理系统，借助检测电池组的电压参数、电流参数等，评估电池组的实际充电情况以及健康状态，以此确保动力电池安全性，但由于过程中会受到BMS 限制，安全预警策略比较简单，不能实时管控电池系统安全。为解决上述问题，需重视远程平台故障诊断以及预警技术，借助车载终端可将动力电池系统数据传输到新能源汽车大数据云端平台，可通过挖掘海量数据综合性分析动力电池故障诊断方式。1新能源汽车动力电池管理系统分析在新能源汽车领域中，动力电池管理系统功能主要有两方面，其一是实时监控电池性能参数，确保有效性能管理如图 1 所示；其二是依据应用环境对电池温度进行有效控制，防止电池温度数值过高或者是过低，对电池寿命以及使用性能造成影响。过程中电池管理系统产生故障，上述功能会受到限制，不能有效预估电池符合问题，造成电池失去有效控制，损伤电池，严重情况下会造成汽车行驶故障，对人们的生命财产安全造成威胁1。2内部故障分析2.1过充问题车用动力源有效满足电压以及容量要求，动力电池系统会借助单体电池串联或者是并联连接方式构成，但由于制造缺陷以及工作王树林兰州石化职业技术大学甘肃省兰州市730200摘 要：近些年，国民经济发展水平提高，科学技术实现迅猛发展，新能源技术实现深入研究和应用，出于实现绿色可持续发展目的，越来越多的行业逐渐朝着新能源方向发展。现如今，新能源汽车逐渐成为汽车生产的重要方向，在此种类型汽车生产制作过程中，最为重要的部分是动力电池系统，其是汽车实现安全稳定运行的关键部分。本文通过对新能源汽车动力电池系统故障类型进行分析，提出诊断措施，推动新能源汽车产业顺利发展，达到产业绿色可持续发展目的。关键词：新能源汽车动力电池系统故障A Review of Fault Diagnosis of New Energy Vehicle Power Battery SystemWang ShulinAbstract：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,fault114 AUTO TIMENEW ENERGY AUTOMOBILE|新能源汽车条件差异影响，单体电池经常出现不一致问题。车辆充电过程中，充电器故障或者是管理系统在检测以及估算电池状态时并不准确，会造成部分单体电池出现过充问题，电池系统总电压数值远远超出其上限数值，一些单体电池依然会发生过充。锂离子电池过充会造成内部电化学反应以及活性物质损失，电池组温度数值提高，积聚气体，造成电池爆炸。2.2过放问题一般情况下会利用设置放电截止电压方式避免过放电故障出现，但过程中由于电流冲击较大，动力电池管理系统设计存在不合理，电池存储时间相对较长等原因，此种故障因素依然是电动汽车应用阶段的常见问题。在过放电过程中，处于负极状态的锂离子脱出能力会降低，同时上升的是电池极化电压，负极铜集流体在氧化作用下成为铜离子，逐渐溶解在电解质中，此种现象会增加动力电池自放电速率数值，此种过放行为并不会直接造成热失控问题，但会造成损失容量或者是热稳定性产生变化，对动力电池滥用条件耐受性造成影响，再次充电或者是使用过程中会产生危险事故。2.3过热问题动力电池无论是充电或是放电，都会面临电子剧烈运动的情况，此种现象会产生热效应。多数情况下会产生电池异常发热，在充电以及过放电过程中会产生副反应、外部短路以及内部短路等问题。基于高温条件背景，锂离子电池会产生一定程度膨胀，阻抗增长，缩短循环使用时间。在大倍率充电循环阶段，电池中会不断积聚热量，温度数值逐渐上升，热失控风险增加。电池过热会造成正极材料降解时间缩短，负极固体电解质界面膜出现，产生十分明显的容量损失，锂离子电池内部材料分解过程中会出现一些气体，在压力数值上升情况下，电池会膨胀，面临爆炸风险2。3外部故障问题3.1传感器故障问题分析电池管理系统需具备电压均衡以及过流保护等功能，上述功能实现主要是借助具备可靠性的温度、电压以及电流等传感器。通常情况下并不重视传感器故障，因此会产生十分严重的后果。动力电池传感器故障主要有以下几种：电压传感器故障、电流传感器故障以及温度传感器故障。电流传感器故障会降低多状态估计准确性，同时 SOC 以及温度测量值数据可应用在实时更新电池模型参数中，以此完成高精度预测。锂离子电池需保证处于安全电压以及温度范围内运行，在超出合理范围后会影响电池性能，造成事故。电压以及温度传感器也会造成电池管理系统中的均衡误差以及热管理失效。3.2冷却系统故障问题分析散热步骤主要是借助电池结构以及冷却系统中的热性能，一般电池冷系统如图2所示，电池组通过进气管进气，然后经过风扇冷却，最后将热气排出，动力电池中的冷却系统产生故障，前提条件为电池外部环境温度数值高或者是内部放热较多等，电池系统难以处于合理温度范围内。电池系统内部放出热量相比于发散热量高，单体电池会逐渐变热，在短时间内会到达临界温度数值，基于这一温度背景，放热反应会逐渐构成连锁反应，造成电池热失控，出现着火、放气以及爆炸的问题。电池出现短路问题，散热率数值会朝着线性增长，产生的热量也会呈现指数性增长，过程中造成大量热量聚集，电池系统事故发生率也会上升。现阶段，电池组冷却方式主要有气体冷却、液体冷却以及相变材料冷却等，保证电池组处于最佳温度范围内，性能也会得以优化，发挥着重要作用。3.3电池连接件故障问题此种故障出现主要是电池端子之间连接不良造成，电池组内部单体电池或者是电池模组需借助螺母或者是焊接方式完成连接，车辆运行时间增加，运行工况也不够确定，连接件极有可能由于振动面临松动问题，也会受到杂质腐蚀影响3。电池之间出现虚接问题，其一会降低电池输出功率，其次会迅速增加电阻数值，生成大量的焦耳热，电池以及连接件之间的温度数值上升，针对此种类型故障没有及时发现和解决，会加速动力电池老化，产生较多故障，安全事故频发。4故障诊断措施4.1内部故障诊断措施知识诊断措施起步时间较早，应用也比较广泛，这一类型方式不需要利用复杂的数学模型，在概念以及处理方法上凸显知识化，以此开展故障推理判断。知识电池故障诊断类型中主要有专家系统法、故障诊断树等。专家系统法研究数量较多，应用也比较广泛，此种方法的关键之处是设计系统知识库以及推理机，通过更加全面有效的知识数据库推理判断结果。将模糊数学与模糊诊断原理作为基础，借助专家系统应用规则，构建电池组模糊专家系统模型。将电池组常见故障等作为基础，依据电池故障诊断专家经验，集合电池领域专家维修经验，形成关于对象以及关系数据库的知识库，设置人工智能模糊推理综合判断推理机模型。模型故障诊断方式：此种诊断方式会借助电池相关模型获取估计值以及实际测量值，两者之间的差异会形成系统残差，此种数值可成为故障知识信号，通过这一信号可完成进一步的故障特征分析，可为系统故障诊断提供理论数据支持，系统残差处于理想化基础上，其会仅包括故障信息数据。动力电池模型类型较多，例如电化学模型、电路模型等4。图1新能源汽车动力电池管理系统图2电池冷系统进气管电池组冷却风扇电力电池 AAUTO TIME 115 NEW ENERGY AUTOMOBILE|新能源汽车 时代汽车4.2外部故障诊断措施分析首先是知识诊断措施，在电池外部故障诊断中，主要利用故障树分析法、阈值规则法以及模糊理论等。电池传感器产生故障，主要原因是高温老化、机械振荡等。借助连接螺栓松动位置的电池直流内阻，相比于其他单体电池内阻理论较高，借助压差阈值规则方式可实现快速检测电池极柱螺栓松动、连接部位氧化等连接不良问题。借助电池包可利用 1C 电流进行持续放电，在固定时长后获取电压变化数值，比对设定值与实测值，电池组连接可靠性得到诊断。借助模糊理论诊断虚接故障，利用动力电池系统故障仿真构建不同症状的隶属函数，可优化诊断权矩阵以及其他模型参数，设置故障诊断模型。其次是模型故障诊断措施，此种方式包含方法较多，主要应用在传感器以及冷却系统故障检测与隔离中。借助非线性奇偶校检方程，在一阶等效电路模型以及热模型中生成电压、电流以及风扇残差数值，借助残差阈值可对电压传感器故障以及电流传感器等故障进行识别。借助观测器估计值以及实际值差诊断速度传感器、电流传感器等故障问题。总结各种故障产生的危害，借助结构分析以及顺序残差生成方式对故障进行检测和分离，此种方式即使是在系统设计参数并不确定前提下，可获取传感器可检测性以及可分离性，构建针对性的诊断测试故障在线检测方式。借助等效电路模型以及热模型可对电流、电压以及温度生辰残差进行估计，检测以及隔离电流传感器以及温度传感器故障5-10。5结语目前，人们环保意识不断强化，新能源汽车推广应用范围逐渐加大，国家在新能源汽车上实现大力支持，未来新能源汽车会占据更大比重的汽车生产市场。在新能源汽车中，电池起着关键性作用，电池性能会对汽车使用效果起到直接影响。通过分析电池故障问题，提出故障诊断措施，为日后电池生产以及诊断电池故障、维护动力组电池运行提供重要帮助。参考文献：1 杨永贵，董志辉.浅谈新能源汽车动力电池散热管理系统及软件优化设计研究 J.教育研究，2020，3（3）.2 刘立新，盛青山，赵晓燕.新能源汽车动力电源系统电池模组堆叠智能控制系统研究 J.机床与液压，2019，47（21）：5.3 崔向东.基于热流场分析的动力电池散热系统研究评动力电池热管理技术散热系统热流场分析J.电池，2020（1）：2.4 王震坡，李晓宇，袁昌贵，等.大数据下电动汽车动力电池故障诊断技术挑战与发展趋势 J.机械工程学报，2021，57（14）：12.5 曲行行，杨亭亭，邹娟，等.BQ76PL536A的分布式动力电池管理系统设计 J.单片机与嵌入式系统应用，2018，18（12）：作者简介王树林：男，汉族，甘肃永登人，学历（本科），兰州石化职业技术大学（新区校区），高校教师，助教。研究方向：新能源汽车、动力电池方向。39-42.6 简斌.新能源汽车常见故障诊断及维修技术分析 J.汽车与新动力，2022，5（02）：80-82.7 杨彬.新能源汽车维修与故障诊断技术探究 J.内燃机与配件，2021（22）：115-116.8 谢家宜，吉世岳.技能大赛中新能源汽车故障诊断与检修新能源汽车动力系统故障诊断项目实践与思考 J.时代汽车，2020（20）：72-73.9 彭锦振.比亚迪 16 款 e5 SOC 从 30%跳变为 0%并无法行驶的故障诊断技术总结 J.时代汽车，2019（03）：174-175.10 蒋庆来，陈晓鹏，张霞，陈享姿，谌雪媛.PDCA 循环在项目化教学中的应用以“动力电池系统异常故障诊断与排除”项目为例J.汽车实用技术，2022，47（11）：143-148.