新能源汽車鋰離子電池組故障診斷技術研究

韋窗才

摘 要：文章針對新能源汽車中的鋰離子電池組故障診斷技術進行深入分析，對多種故障診斷技術是進行深入研究，進一步探索大數據分析和物聯網技術在故障診斷與預測中的應用，為新能源汽車的安全運行提供理論支持和技術指導，以供參考。

關鍵詞：鋰離子電池組 故障診斷 電池管理系統

在當前全球能源結構轉型和環境保護的大背景下，新能源汽車作為未來交通工具的重要發展方向，受到了廣泛關注。其中，鋰離子電池作為新能源汽車的核心動力源，其性能和安全性對汽車的可靠性與續航能力具有決定性影響。然而，隨著使用時間的增長和工作環境的變化，電池組可能會出現各種故障，這不僅影響汽車的正常使用，還可能帶來嚴重的安全隱患。因此，對鋰離子電池組的故障進行有效的診斷與預防，成為了當前新能源汽車技術研究的一個重要領域。

1 鋰離子電池組的基本原理與結構

1.1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池的工作原理是現代能源技術領域的一個重要組成部分，尤其在新能源汽車的發展中發揮著核心作用。這種電池的基本工作機制依賴于鋰離子在正負極材料之間的移動。在充電過程中，鋰離子從正極移動到負極并嵌入其中；而在放電過程中，鋰離子則從負極釋放出來，并回到正極。這一往復的離子流動不僅促成了電能的存儲和釋放，還保證了電池的長期循環穩定性。

正極材料通常由鋰金屬氧化物組成，如鋰鈷氧化物（LiCoO2）或鋰鐵磷酸鹽（LiFePO4），這些材料具有良好的鋰離子嵌入和釋放能力。負極材料一般使用石墨或硅基材料，由于其獨特的層狀結構，能夠有效地嵌入和儲存鋰離子。電解質作為電池的關鍵組成部分，不僅提供了鋰離子傳輸的媒介，還起到了隔離正負極，防止短路的作用。此外，電池的充放電過程伴隨著電子在外電路中的流動，從而實現了能量的轉換和利用。

1.2 電池組的組成與結構

電池組的組成與結構是確保新能源汽車高效運行的基石。一個完整的電池組通常由多個單體電池、連接器件和保護電路組成，這些元件的協同工作確保了電池組的穩定性和安全性。每個單體電池是電池組能量和功率的基本單元，而將多個這樣的單體電池通過串聯或并聯的方式組合在一起，可以有效地增加電池組的總電壓和容量。

電池組的設計不僅要考慮單體電池的性能，還需要考慮整體的結構布局和熱管理問題。例如，電池組內部通常會設計有散熱通道，以保證在電池工作過程中產生的熱量能夠有效散發，避免過熱導致的性能降低或安全風險。此外，電池組還配備有多種傳感器，用于監測電池的電壓、電流、溫度等關鍵參數，以實時掌握電池組的工作狀態。

在電池組的構建過程中，對材料的選擇、單體電池的匹配以及整體的結構設計都需要精密計算和嚴格控制，以確保電池組的整體性能達到最佳。電池組的這種精心設計和精確制造，是新能源汽車可靠性和效能的關鍵因素。

1.3 電池管理系統（BMS）的作用

電池管理系統（BMS）在鋰離子電池組的運行中扮演著至關重要的角色。BMS是一種專門設計用于監控和管理電池組的高級控制系統，它能夠確保電池在安全、可靠的條件下運行，同時優化電池的性能和延長其壽命。BMS的功能范圍廣泛，包括電池的充電控制、放電管理、狀態監測、故障診斷以及熱管理等[1]。

BMS通過實時監測每個單體電池的電壓、電流、溫度等關鍵參數，可以精確評估電池組的整體狀態，如總電壓、剩余容量、健康狀況等。這些信息對于電池組的安全運行至關重要，因為它們可以幫助及時識別并處理潛在的安全隱患，如過充、過放、溫度異常等。例如，當BMS檢測到某個單體電池的溫度過高時，它可以調整電流大小或暫停充電，以防止過熱引發的安全問題。

2 鋰離子電池組的常見故障類型

2.1 內部短路

鋰離子電池組的內部短路是一種常見而嚴重的故障，它可能由多種原因引起，包括電池制造缺陷、物理損傷、電化學不穩定等。內部短路發生時，電池內部的正負極之間會形成一個低阻抗的通路，導致電流急劇增加。這種異常的電流增加會迅速升高電池的溫度，進而觸發熱失控現象，可能導致電池性能嚴重下降甚至發生火災或爆炸。

內部短路的檢測和預防是電池安全管理中的一個重要課題。傳統的檢測方法依賴于監測電池的電壓和溫度變化，但這些方法往往在故障發生后才能檢測到問題。因此，開發更先進的檢測技術，如基于阻抗測量的方法，成為了電池安全研究的焦點[2]。通過這些方法，可以更早地識別出電池內部的異常狀態，從而采取措施防止短路的發生。

2.2 過充與過放

過充指的是電池充電超過其額定容量的情況，這會導致正極材料過度氧化，產生不可逆的結構和化學變化。這些變化不僅降低了電池的容量，還可能導致電解質分解和內部壓力增加，進而引發安全問題。相反，過放則指電池放電到低于其最低電壓限制的狀態，這會導致負極材料的過度嵌鋰，損害電池結構，同樣會造成容量永久損失和安全風險。

為了防止過充和過放，電池管理系統（BMS）在此起著至關重要的作用。BMS能夠準確監控電池的充放電狀態，并在電池達到其電壓極限時及時切斷電路，從而防止過充和過放。此外，合理的充放電策略和電池維護也是預防這些問題的關鍵。例如，避免長時間充滿電或完全放電存放電池，可以有效延長電池的使用壽命。

2.3 溫度異常

電池在正常工作時會產生熱量，但如果溫度過高，就可能導致電池性能下降，甚至引發安全問題。溫度異常主要由過度充放電、內部短路或外部環境溫度過高引起。高溫環境下，電池內部的化學反應會加速，導致電解質分解和材料退化，降低電池的容量和壽命。在極端情況下，溫度過高還可能觸發熱失控反應，導致電池起火或爆炸。

為了有效管理電池溫度，電池管理系統（BMS）會監控電池的溫度，并通過冷卻系統來控制溫度。例如，一些電池組配備有風冷或液冷系統，可以有效散發電池在工作中產生的熱量，保持電池在一個安全和高效的溫度范圍內運行。除了主動的冷卻措施，電池的結構設計也很重要。合理的電池布局和熱管理設計可以促進熱量的均勻分布和有效散發，避免局部過熱。

2.4 容量衰減

鋰離子電池的容量衰減是指電池在長期使用過程中，其存儲能量的能力逐漸下降的現象。這種衰減是電池老化的自然結果，由多種因素引起，包括電池循環次數的增加、不適當的充放電條件、溫度異常以及材料老化等。電池容量的衰減會直接影響電池的續航能力，因此是影響新能源汽車性能的一個重要因素。

電池容量衰減的機制復雜，涉及電池內部的多種化學和物理過程。例如，電池的充放電循環會導致電極材料的結構破壞和活性物質的丟失，電解質的分解也會逐漸累積在電極表面，形成固體電解質界面（SEI），這些都會導致電池容量下降。此外，電池在極端溫度條件下工作，尤其是過熱，會加速電池的老化過程。

為了減緩容量衰減，電池管理系統（BMS）需要優化充放電策略，避免電池在高壓或低壓狀態下長時間工作。同時，合理的溫度控制也是延長電池壽命的關鍵[3]。在電池材料和設計方面，研究人員正在努力開發新型材料和電池結構，以提高電池的循環穩定性和減少容量衰減。

3 鋰離子電池故障診斷技術

3.1 電壓、電流和溫度監測

電壓、電流和溫度監測是鋰離子電池組故障診斷的基礎。這些參數的實時監測對于確保電池組的安全和高效運行至關重要。電壓監測能夠提供電池充放電狀態的關鍵信息，電流監測有助于評估電池的工作負載和性能，而溫度監測則是預防過熱和熱失控的關鍵。

電壓監測涉及到每個單體電池和整個電池組的電壓測量。通過監測單體電池的電壓，可以識別出失衡或損壞的電池，而整體電壓監測則有助于評估電池組的總體狀態。電流監測則是通過測量電池充放電時的電流強度，來判斷電池的工作狀態和容量。異常的電流變化可能是內部短路或其他故障的跡象。

溫度監測對于防止電池過熱和熱失控尤其重要。電池在工作過程中產生的熱量需要有效管理，以防止溫度升高導致的性能下降或安全問題。通過在電池組中部署溫度傳感器，可以實時監控電池的溫度，并在溫度異常時采取措施，如減少充放電電流或啟動冷卻系統。

3.2 阻抗分析

阻抗分析是一種評估電池性能和狀態的重要方法，它涉及到測量電池的電化學阻抗譜（EIS）。阻抗分析可以提供關于電池內部過程的詳細信息，如電荷傳遞、電解質阻抗、電極材料阻抗等。電池阻抗分析可以使用Bode Plot模型，可以通過Bode圖表示，其中一個圖顯示了阻抗幅度與頻率的關系，另一個圖顯示了相位角與頻率的關系。

圖1和圖2是來自中國汽車技術研究中心公布的Bode圖，該系統的傳遞函數可以表示為，其中 s 是復頻率。

圖1展示了系統增益（以分貝為單位）隨頻率（以弧度/秒為單位）的變化。從圖中可以看出，隨著頻率的增加，系統的增益逐漸下降。圖2相位響應圖：展示了系統相位角（以度為單位）隨頻率的變化。相位角隨著頻率的增加而下降。

3.3 電池狀態估計

電池狀態估計是指使用算法和模型來評估電池的當前狀態和未來性能的過程[4]。這包括對電池的剩余壽命（RUL）、剩余可用容量（SOC）和健康狀況（SOH）等參數的估計。這些信息對于電池管理系統（BMS）優化電池使用和維護策略至關重要。

剩余可用容量（SOC）的估計則是通過實時監測電池的充放電狀態來進行，以確定電池在當前充放電周期內還能提供多少能量。對于剩余可用容量通常使用開路電壓法和庫侖計數法進行計算：

開路電壓法（OCV）：

其中VOCV是電池的開路電壓，f是一個通過實驗獲得的函數，它將電壓值映射到SOC值。

庫侖計數法：

其中SOCt和SOCt-1分別是當前和上一個時間點的SOC，I是電流（充電為正，放電為負），Δt是時間間隔，Cnom是電池的額定容量。

電池健康狀況（SOH）的估計是評估電池性能相對于新電池的比例。SOH的評估對于確保電池組在其整個使用壽命內都能高效安全地運行至關重要。通過監測電池的充放電特性、容量衰減和內阻變化等因素，可以準確地估計電池的健康狀況。這些信息不僅有助于判斷電池是否需要維修或更換，還可以指導電池的合理使用和充放電策略，從而延長電池的使用壽命。健康狀態統計通常使用容量衰減法和內阻增加法：

容量衰減法：

其中是Ccurrent電池當前的實際容量，Cnom是初始的額定容量。

內阻增加法：

其中Rcurrent是電池當前的內阻，Rinitial是新電池的內阻，Rthreshold是內阻的閾值。

剩余壽命的估計是通過分析電池的歷史工作數據和當前狀態來進行的。這通常涉及到機器學習或統計模型，這些模型會根據電池的歷史和當前工作數據來預測其未來的性能衰減和壽命。

4 先進的故障診斷方法與技術

4.1 機器學習方法在故障診斷中的應用

近年來，隨著人工智能技術的迅速發展，機器學習方法在新能源汽車電池故障診斷領域得到了廣泛應用。機器學習，特別是深度學習技術，因其出色的數據處理和模式識別能力，在電池故障檢測和診斷中展現出顯著優勢。通過訓練算法模型來識別電池數據中的復雜模式，機器學習能夠準確地預測和診斷電池的各種潛在故障[5]。

機器學習方法在處理電池大數據方面尤其有效，它們能從電池的運行數據中學習，如充放電循環、電壓、電流、溫度等，然后識別出故障的征兆。例如，通過分析電池充放電曲線的變化，機器學習模型可以預測電池性能的下降或即將發生的故障。此外，機器學習方法還可以用于優化電池管理系統（BMS），通過連續學習和適應電池的變化，提高電池管理的效率和準確性。

4.2 大數據分析在故障預測中的作用

在新能源汽車電池故障診斷中，大數據分析扮演著至關重要的角色。隨著新能源汽車行業的發展，電池產生的數據量急劇增加，包括充放電歷史、溫度變化、工作狀態等信息，這些數據中蘊含著有關電池健康狀況和潛在故障的寶貴信息，可以從這些龐大且復雜的數據集中提取有用信息，以預測和防止電池故障。大數據技術使得可以對電池的歷史數據進行深入分析，識別出可能導致故障的模式和趨勢。例如，通過分析電池在不同溫度和充放電條件下的性能數據，可以預測電池在特定條件下的故障風險。此外，大數據分析還可以用于比較不同電池的性能，從而為電池設計和制造提供指導。

4.3 物聯網技術在電池監控中的應用

物聯網（IoT）技術在新能源汽車電池監控中的應用正變得越來越重要。通過在電池管理系統中集成傳感器和通信技術，物聯網使得可以實時監控電池的工作狀態，并將數據傳輸到中央控制系統或云平臺進行進一步分析。通過在電池中嵌入多種傳感器，如電壓、電流、溫度傳感器等，可以實時監測電池的關鍵參數。這些數據對于理解電池的工作狀態和健康狀況至關重要。例如，通過分析溫度數據，可以及時發現電池過熱的問題，從而采取措施防止潛在的安全風險。此外，物聯網技術還使得遠程診斷和維護成為可能。通過無線通信技術，可以將電池數據傳輸到遠程服務器進行分析，技術專家可以在不接觸電池的情況下進行故障診斷和維護建議。

5 結語

總而言之，隨著新能源汽車行業的不斷發展，對鋰離子電池組的安全和可靠性要求也越來越高。文章所討論的故障診斷技術和方法，為電池的健康管理和故障預防提供了有力的技術支持。未來，隨著技術的不斷進步和創新，我們有理由相信，這些技術將進一步提升電池的性能和安全性，為新能源汽車的可持續發展做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]陳明華.新能源汽車的維修與故障診斷技術研究[J].汽車實用技術，2018（24）：3.

[2]蘇芳，李相哲，徐祖宏.新一代動力鋰離子電池研究進展[J].電源技術，2019， 43（5）：3.

[3]孫中濤，張廣傳.新能源汽車的維修與故障診斷技術研究[J].內燃機與配件，2022（2）：3.

[4]王鵬超，陳荷良，金建華.新能源汽車電機過熱故障探究——以寶駿E200為例[J].汽車維修技師，2022（8）：1.

[5] 劉長春，吳濤，何成.電動汽車鋰電池外部短路故障診斷研究[J].計算機與數字工程，2021，049（004）：842-845.