新能源汽车动力电池系统故障诊断研究综述

李永伟

摘 要：随着经济的不断发展，新能源汽车的数量越来越多，新能源汽车数量的增多，一方面确实有利于生态环境的保护，但是新能源汽车的安全问题也变得越来越严峻，新能源汽车一旦出现安全问题，将会对驾驶人员以及乘坐人员的人身健康以及财产安全造成严重的负面影响，这些问题将会对新能源汽车行业领域的发展造成较大程度的阻碍。本文对新能源汽车动力电池系统故障诊断展开分析，并给出个人建议，以期提供参考依据。

关键词：新能源汽车 动力电池系统 故障 诊断

Abstract：With the continuous development of the economy， the number of new energy vehicles is increasing， and the number of new energy vehicles is increasing. On the one hand， it is indeed conducive to the protection of the ecological environment， but the safety of new energy vehicles is becoming more and more serious. Once the safety of new energy vehicles occurs， it will have a serious negative impact on the personal health and property safety of drivers and passengers， and these problems will cause a large degree of hindrance to the development of the new energy automobile industry. This paper analyzes the fault diagnosis of the power battery system of new energy vehicles and gives personal suggestions to provide reference.

Key words：new energy vehicles， power battery system， fault， diagnosis

1 引言

目前世界各國都面临着一定程度的能源危机以及环境问题，因此各个国家都不约而同地开始发展电动汽车、混合动力的汽车等新能源汽车。目前大多数新能源汽车所装载的电池是锂离子电池，其优势在于储存的能量密度比较高、功率相对更大、使用时限较长并且不具备记忆性。随着新能源汽车行业领域的飞速发展，与之相关的各种新能源汽车着火的报道却越来越多，引发火灾主要的原因就是动力电池系统发生故障，为了有效解决这一问题，本文显示介绍对故障进行诊断的方式，叙述动力电池系统发生内部故障以及外部故障的原因，同时其重点在于阐述动力电池故障诊断方式研究的现状，对动力电池系统发生故障的诊断技术所存在的突出问题进行分析。

2 对动力电池系统故障进行诊断的方式

动力电池系统故障按照故障位置的不同分为内部故障和外部故障两大类。动力电池系统发生故障主要的表现原因是外部系统或者内部系统发生短路、动力电池系统过热、动力电池系统传感装置发生故障、动力电池系统连接零件发生故障、动力电池系统的冷却系统发生故障等等。要想对故障进行诊断必须要依照目前已有的相关数据信息对故障进行详细分析，并将故障信息当中具有鲜明特点的元素提取出来，依照相关的理论对故障类型进行归纳分析，最终得出诊断的结果。为了能够对发生故障的位置进行更加精准的定位，必须要做好相关工作，如对故障进行检测、对故障进行分离以及对故障进行辨别等。当前，对故障进行诊断的技术与计算机网络技术、大数据、人工智能技术等进行合理的融合，已经成为一门涉及多学科的新型技术。

对故障进行诊断的方式主要分为三类，第一类是基于知识进行诊断，第二类是基于模型进行诊断，第三类是基于数据信息进行诊断，其中基于模型进行诊断的方式以及基于数据信息进行诊断的方式也被称作是定量分析诊断方式。基于知识的故障诊断技术目前更加依赖于人工对故障进行分析、利用推理的方式进行分析以及利用逻辑进行评估等等，这种类型的故障诊断技术不应用数学模型，更依赖于图论法、专家法等等，目前应用比较广泛的有故障树法等等。基于模型的故障诊断方式主要是利用对系统测量所得到的数值进行比较，以及通过数学模型对系统的输出值进行估算，来做到对故障进行检测并将故障进行有效隔离，这一类型的故障诊断方式常用的步骤，包括将残差生成以及对残差进行评价。基于数据信息的故障诊断方式并不利用精准的数学模型，其主要是利用先进的科学技术对动力电池系统在运行过程当中的数据进行提取、分析处理，进而能够对动力电池系统故障进行检测以及有效隔离，这一类型的故障诊断方式常用的有机器学习法以及信息结合法等等。

3 新能源汽车动力电池系统故障的类别以及原理

新能源汽车在行驶的过程当中，动力电池会受到很多其他因素的影响，比如，动力电池自身存在一定的缺陷、驾驶人员没有按照正常程序使用或者是新能源汽车行驶的环境相对比较恶劣等等。对动力电池系统发生故障的原理进行详细的研究，能够更好地对故障发生以及变化的规律进行掌握，进而能够为研发更加先进的故障诊断技术提供依据。本文将对新能源汽车动力电池系统故障的类别以及原理进行阐述，根据故障与动力电池系统本身是否存在联系，将锂离子动力电池系统故障分为内部故障以及外部故障这两类。造成动力电池内部故障的主要原因有，过量的充电、过量的放电、内部电路发生短路、电池温度过高。造成动力电池外部故障的主要原因有，传感装置发生故障、电池连接零件发生故障以及电池的冷却系统发生故障等等。对这两种故障进行比较发现，外部故障比内部故障对新能源汽车所造成的危险会小一些，但是也有一部分动力电池系统外部故障也会引发内部故障，进而会影响到整个动力电池系统以及新能源汽车的安全系数。

3.1 动力电池系统内部故障

第一是过量的充电。为了更好地满足车辆动力对于电压以及电池容量的要求，动力电池系统会采取多个单个电池串联或者是并联的方式进行连接，但是因为制造过程当中存在一定的问题以及行驶环境有较大的差别，从而导致单个电池的状态存在一定的差异。新能源汽车在进行充电的过程当中，因为动力电池充电器发生故障或者是动力电池的管理单元对于电池的状态评估出现误差，就会导致动力电池当中某个或者是某几个单个电池存在过量充电的现象，即便是动力电池系统的总电压处于安全的区间内，但是有一部分单个电池依旧会出现过量充电的情况。锂离子电池一旦出现过量充电的情况将会导致电池内部电化学反应以及一些重要物质出现流失，电池的温度会出现大幅上升，就很有可能会导致电池发生爆炸；第二是过量放电。一般情况下如果能够设置好放电截止的电压，就能够有效避免出现过量放电的情况发生，但是因为电流造成的冲击比较大，还有动力电池管理单元设计存在漏洞，电池使用时间较长或者是电池组之间状态存在差异等等原因，依旧导致过量放电问题时常发生。当发生过量放电的情况的时候，动力电池负极的锂离子的脱出能力会出现一定程度的下降，电池极化的电压会出现一定幅度的上升，这就会给动力电池的放电速度造成一定的影响。即便过量放电不会导致动力电池出现热失控的情况，但依旧会导致动力电池容量出现下降以及热稳定性出现下降，当对动力电池再次进行充电的时候，有可能会出现事故；第三是内部发生短路。动力电池隔膜功能丧失，将会导致动力电池的正极和负极出现接触，就会导致电池内部发生短路。导致动力电池隔膜功能丧失的主要原因有以下两个方面：第一个原因就是在生产制造的过程当中，动力电池电极表面存在的毛刺将隔膜刺破，进而导致电池的正极与负极接触发生短路，或者是在生产制造的过程当中没有按照规定操作所造成的；第二个原因就是在动力电池使用的过程当中，温度过高导致隔膜熔化，或者是动力电池出现形变都有可能导致动力电池隔膜功能丧失。在这其中，动力电池内部金属枝晶生产是造成内部发生短路的主要原因。在设计以及生产制造动力电池的时候，有一些问题将会导致金属枝晶出现生长，例如，在生产制造动力电池的时候混入了一定量的杂质，或者是动力电池的极片在安装的时候发生了一定程度的形变，金属枝晶在有杂质的環境以及形变空间当中更容易生长。一般情况下，容量较大的电池会比一般容量的电池发生内部短路的几率更大，而且锂离子动力电池发生着火的温度与内部发生短路之间存在着较大的联系；第四是外部短路。当动力电池受到磕碰、电池内部泡水、电解液发生泄漏或者是动力电池的正极与负极出现连接，都有可能会导致出现动力电池外部短路的情况发生。在外部发生短路的时候，电流经过的路径与正常放电基本一致，但是因为外部的荷载电阻相对比较小，因此所产生的瞬时电流会相当大，进而会导致动力电池自身放电。与此同时，外部发生短路将会导致单个电池内部出现非常剧烈的放热情况，这一情况所产生的热量将会扩散到其他的单个电池当中，进而会导致动力电池系统出现热失控的现象，即便是动力电池系统具备较好的防水功能，但是因为新能源汽车在实际行驶的过程当中容易受到外力的撞击，就会导致电池出现一定程度的形变，这将会导致动力电池进水的可能性增大。并且，新能源汽车的频繁震动也将或导致单个电池之间的绝缘物质以及电池之间的连接零件出现松动，这将会增加动力电池发生外部短路的可能性大大增加。因为外部短路，锂离子在动力电池负极当中会进行扩散，进而就会导致电流受到一定的限制，正极当中电解质经过分解所产生的热量也将会导致热失控现象。

3.2 外部故障

第一是传感装置发生故障，动力电池管理单元要想确保电压稳定就需要有温度传感装置、电压传感装置以及电流传感装置等等，一旦传感装置故障没有被及时发现将会导致较为严重的负面影响，动力电池传感装置故障主要有电压传感装置故障、电流传感装置故障以及温度传感装置故障这三类；第二是电池连接零件出现故障，这一故障主要是因为电池端子之间连接不良所导致的。

4 动力电池系统故障诊断的方式

新能源汽车最常发生的安全事故问题就是车辆着火，经过对发生安全事故的案例进行分析能够发现，动力电池出现问题是引发车辆着火的最主要的原因，因此要想有效降低新能源汽车安全事故发生的几率，就必须要不断地研发动力电池系统的故障诊断技术。从新能源汽车动力电池系统内部故障以及外部故障这两方面分析，总结锂离子动力电池的基于知识、模型、数据三类故障诊断的方式的研究现状，来讨论目前动力电池系统故障诊断技术研究当中存在的一些较为突出的问题，然后提出一些动力电池系统故障诊断技术的未来发展方向，希望能够尽快实现对新能源汽车动力电池系统故障的精准诊断以及防范化解，促进新能源汽车行业领域持续健康发展。

4.1 基于知识的故障诊断方式

第一是专家法，这一方式的重点是知识库以及推理机，利用大数据能够有效促进推理结果的得出；第二是故障树分析方式，这一方式能够有效对动力电池系统的安全系数以及可靠性能进行分析研究。

4.2 基于模型的故障诊断方式

这一诊断的方法需要利用与电池相关的模型所得出的估算值与实际的测量数值进行对比，这两者所产生的差异就是残差，这一残差可以作为故障信号，利用这一信号可以对故障所产生的特点进行分析。

4.3 基于数据信息的故障诊断方式

随着科学技术的发展，利用云计算技术新能源汽车数据收集平台，利用大数据分析技术研发而成的故障诊断技术逐渐得到应用。

5 动力电池系统故障诊断所存在的明显问题

5.1 对于多参数的故障原理研究过浅

新能源汽车的动力电池系统自身就是一个复杂程度相对较高的非线性系统，动力电池更会受到汽车行驶环境、气候等多种外界条件的影响，当前大多数的研究都是以控制变量进行试验，很少有在多数条件、多参数的情况下对动力电池系统故障的原理进行研究。

5.2 动力电池系统发生故障的初期很难进行检测

动力电池一旦出现热失控将会造成严重的后果，当前对故障进行诊断大多数都是集中在电池发生故障之前比较短的时间内，基本上没有具备提前进行报警的功能。如果这些故障在发生的初期没有被诊断出来，将会导致非常严重的后果。

5.3 对于故障类别的区分难度较大

动力电池系统当中故障类型比较多。很多故障之间往往存在着一定的联系，目前很难同时对多种类型的故障进行诊断。

6 动力电池系统故障诊断发展的方向

6.1 利用好新型的传感技术

传感技术随着科学技术的发展而逐渐被应用到各个行业领域当中，利用传感技术能够有效提高动力电池系统当中传感装置的精准程度，能够提高对故障数据信息收集的范围以及精准度，在未来对于传感技术与动力电池故障诊断技术的研究将会成为一大热点。

6.2 端云一体化技术

随着新能源汽车的不断发展，车机系统也在不断地进行升级，对动力电池状态的监控一方面要依靠电池管理单元进行，另一方面，还要更加依赖于车载系统的计算技术。云计算大数据平台能够把车载的安全技术与新能源汽车安全管理进行有机结合，能够同时对动力电池的健康以及状态进行实时监控。

6.3 线上警报

研发线上警報也是在未来对动力电池故障诊断的一大热门话题，可以对动力电池发生热失控明之前的一段时间内，电池各项参数所发生的变化进行分析构建一个故障变化模型，能够有效地推演故障所产生的变化，进而能够做好更好的预警以及防范。利用线上警报系统能够将原本只能进行报警转化为预警，将无法防控变为有效防控。

7 结语

综上所述，本文简要介绍了对于动力电池系统故障进行诊断的定义以及相应的方式方法，对于动力电池过量充电、过量放电、内部短路、外部短路、传感装置故障、连接零件故障以及冷却系统故障发生的原理进行了阐述，也对目前故障诊断技术的研究开发所存在的问题进行了分析，最后对于未来动力电池故障诊断发展的方向进行了展望，希望借助本文能够对新能源汽车动力电池研发人员以启发，不断地研发出更加先进的动力电池故障诊断技术，能够更好地对动力电池系统的健康以及状态进行监控，有效提高新能源汽车的安全性，保护人民生命财产的安全，促进新能源汽车行业领域的持续健康发展，助力我国的环保低碳节能事业的发展。

参考文献：

[1]孙振宇，王震坡，刘鹏，张照生，陈勇，曲昌辉.新能源汽车动力电池系统故障诊断研究综述[J].机械工程学报，2021，57（14）：87-104.

[2]丛晓英.新能源汽车动力电池压差故障与维修技术[J].电子技术与软件工程，2021（15）：224-225.

[3]何寿柏，蒋小健，朱小燕，邹亚强，谈旭敏.故障指示灯在新能源汽车动力电池系统的应用[J].汽车实用技术，2020，45（18）：177-179.

[4]周欢.新能源汽车故障维修措施[J].时代汽车，2020（17）：173-174.

[5]蔡颖.新能源汽车动力电池安全管理技术挑战与发展趋势分析[J].时代汽车，2022（12）：124-125.

[6]谢鹏.浅析新能源汽车动力电池的维护与保养[J].内燃机与配件，2021（18）：170-171.

[7]张垒.动力电池系统在新能源汽车领域的应用——评《电动汽车动力电池及管理系统原理与检修》[J].电池，2021，51（04）：436-437.