动力电池常见故障分析与预警方法

动力电池常见故障分析与预警方法

刘雅娟

力神动力电池系统有限公司天津300384

摘要：随着我国环境日益恶化，新能源汽车的发展受到了广泛关注。而动力电池作为新能源汽车的核心部件，它的安全性直接决定了新能源汽车的安全性。而电池安全性的基础是实现对电池状态的精确监控。目前电池状态的监控任务主要由电池管理系统来实现。车载的电池管理系统对于出厂两年以内电池状态的估算效果不错，比如电池SOC估算精度能够控制在3%以内，电池SOC一致性控制在5%以内，电池功率预测主要采用查表方法，该表通常为线下标定的参数。然而随着电池的老化，这些电池状态的估算显得非常困难。主要原因在于电池的老化程度与电池的老化途径有关，也就要求能够对电池的历史数据进行存储和分析，而车载BMS无论在存储能力和大数据的分析能力上都无法满足需要。随着车连网技术的普及使得电池历史数据的存储成为可能。本论文主要开发一种基于后台动力电池大数据的电池故障分析与安全预警方法。该方法主要从短期安全预警和长期健康预警两个层面来保护动力电池安全和延缓电池衰减。

关键词：动力电池；故障分析；预警

动力电池的健康与安全问题是新能源汽车首要关注的问题，动力电池的故障分析与预警是及时处理动力电池故障，发现潜在安全问题的有效方法。本论文从短期安全预警与长期健康预警两个层面详细的分析了动力电池SOC跳变，单体过压，单体欠压，单体过温，压差过大，温差过大等常见故障，并给出了这类故障产生的根本原因及预警方法。

1短期安全预警

目前电动汽车常见的故障有过压，欠压，过温，SOC跳变，过放，过充等故障。上述任何故障的出现都会降低电池的有效寿命，频繁的短期故障随着时间的累积最终导致电池的长期安全隐患，同时影响整车的性能。这些故障的出现一方面起到了暂时保护电池的作用，另一方面也说明了电池系统相应功能的失效。下面详细分析一下各个故障出现对应的功能失效点。

1.1SOC跳变故障

SOC跳变故障是导致车辆抛锚的最主要原因之一，也是影响整车可靠性的最直观问题。排除硬件故障导致SOC跳变的情况，导致SOC跳变最主要的问题就是BMS对SOC的估算有较大的偏差。BMS在大的SOC误差的状态下，遇见SOC修正就会发生跳变。不同厂家通常会有不同的修正策略，市场上常见的有这么几种：满充修正，会出现满充跳变；行车满放修正，会出现满放跳变；启动修正，会出现停车前后跳变。SOC误差是无法消除的，各厂家通常会在SOC修正时采用平滑过渡方式避免出现SOC跳变。该方法只有在SOC误差较低的情况下才有效。SOC估算是目前BMS核心算法之一，SOC的精度直接或者间接影响了其他功能的精度比如功率预测模块等。由于不同BMS提供商的SOC算法精度也不一样，估算误差从3%到20%不等。想要获得安全可控的SOC精度不能仅依赖BMS的估算。因此基于平台监控数据来实现SOC精确估算是整车厂电池安全性最有效的保证。这里采用了传统的安时积分加修正的算法：

这里给出了SOC跳变预警判断逻辑：只要满足以下任一条件，报SOC跳变故障：(1)BMS报SOC跳变故障；(2)平台监控发现SOC变化速度超过实际容量变化速度的1.5倍；(3)BMS的估算SOC偏离平台估算SOC超过10%。SOC修正不准主要来源于OCV曲线不准或者安时积分不准。SOC修正不准的主要有OCV曲线不准或电压采样异常两种原因。而电流采样不准，采样时间间隔异常以及电池容量不准是导致安时积分不准的主要原因。SOC存储问题导致下电时SOC未保存，再次上电时SOC恢复到上次保存的结果导致SOC跳变。

1.2单体过压欠压故障

电池单体出现过压的情况也是电池最频繁的故障之一，发生的原因主要是电池的充电电流或者是回充电流超过了电芯实际的充电或回充能力。当BMS的功率预测功能正常工作的情况下，BMS能够提供准确的电池回充电流限值给整车控制器或者充电限值给充电机，来保证过压情况不会出现。显然，不是BMS预测的充电或者回充电流不准，就是采用了超过BMS发送的电流限制的电流进行回充或充电，如果是后者BMS此时会同时报过流过压故障。可见单独的过压故障是由于BMS功率预测模块失效导致的结果。通常情况下SOC会作为功率预测模块的一个输入，因此功率预测模块的失效可能是SOC的估算问题，也可能是功率预测算法的问题。作为BMS核心算法之一的功率预测和SOC估算一样不能只依赖于BMS，基于充电检测数据的功率预测更能保证整车的安全和性能。欠压和过压是一样的分析思路，欠压的问题通常是功率预测的放电电流大于电芯的实际放电能力。单独的欠压故障同样反应了功率预测模块的失效。基于以上分析，可以把过压欠压故障分解为电池功率预测误差大和非电池问题。功率预测误差大判据为：(1)BMS报过压或者欠压同时没有报过流；或(2)平台监控发现过压或者欠压同时没有过流；或(3)BMS预测功率限制偏离平台预测值过大。行车过程过压欠压且过流则报整车控制问题，充电过程中报过压且同时过流则报充电控制问题。

1.3电池过温

电池过温通常是电池系统的热管理功能失效或者是电池老化内阻增大的直接后果。电池内阻增加分为部分电芯内阻异常增加和整体电池老化内阻增加。电池温差过大造成的原因主要是部分电池内阻异常增加，一般会伴随着压差偏大的现象。电池过温的判据为：(1)BMS报电池过温；或(2)平台检测电池最高温度超限。

1.4电池过充过放

在电池过充或者过放前，通常会有过压或者是欠压的报警。在检测电压正常的情况下，能够正常采取保护措施的情况下，不会发生电池的过充和过放。当电压采样出现问题时，容易导致电池在未报过压和欠压的情况下，发生过充或过放危险。因此电压采样的可靠性需要得到实时的检测和预警。

2长期健康预警

2.1压差过大故障

压差过大通常是电池一致性变差的直接表现，造成压差过大的原因体现在两个主要方面，一是电芯工艺引起的问题，比如有个别电芯容量衰减太快、内阻增太快或者自放电异常；二是电池均衡功能失效，无法消除正常自放电差异导致的电芯间的SOC差异。需要根据平台监控数据分析定位出电池一致性差的原因，采取相应的处理措施。基于对压差过大的分析，需要针对电芯容量衰减，内阻衰减，自放电异常和均衡功能失效四种情况分别进行预警。如果静态压差较低，则说明电池内阻异常衰减；否者可能是电芯SOC一致性较差。进一步判断电池整个SOC区间SOC差异，如果差异不同说明电芯容量衰减异常；否者可能是自放电异常或者是均衡异常。如果差异相同且无均衡故障，则判断为自放电异常。

2.2温差大故障

温差过大出现的概率较低，主要原因主要分为电池产热的一致性或者电池系统散热的一致性。产热的一致性主要体现在电池内阻的差异性，该差异性通常是电池老化不一致所致。电池的散热性能一般在出厂之前都已经设计完成，在整个生命周期中变化不大。出现温差过大通常是通讯干扰，或者是未规避电池环境热源。

2.3过流故障

电池过流出现的频率相对较低，原因主要是整车控制或者充电机控制失效。发生此问题之后通常需要及时调整车策略或者是充电策略，否者长期会导致电池容量的快速衰减。

2.4总压过高过低

电池系统总压过高过低而单体电芯电压未过压或欠压报警时，主要原因是系统的连接电阻异常，此时由于接触不良容易导致局部过热危险。因此需要及时对系统内阻进行维护。

3结语

基于以上的分析，监控平台除了能够对完成短期预警，第一时间保护电芯的同时，还可以分析出BMS对应的失效功能，促使BMS相应功能的改进，降低短期故障发生的次数，从而保证电池长期安全。

参考文献

[1]时玉帅,熊金峰,樊海梅.动力电池常见故障分析与预警方法[J].广东化工,2019,46(13):115-116+113.

[2]王瑜.电动汽车动力电池管理系统常见故障及处理方法[J].汽车维修,2018(08):4-5.