楊靜，林振康，湯君，樊鋮，孫克寧

（北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，北京 100081）

引 言

鋰離子電池作為能量密度最高的二次化學(xué)電源，已在便攜式電源與儲(chǔ)能領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在應(yīng)用場(chǎng)景中，通常將數(shù)百個(gè)單體電池串、并聯(lián)組成電池系統(tǒng)以滿(mǎn)足負(fù)載對(duì)電壓或功率的需求。比如85 kWh 版的TESLA Model S 電池系統(tǒng)就是由7104個(gè)18650型鋰離子電池單體組成。一旦其中的某個(gè)電池發(fā)生故障，帶來(lái)的系統(tǒng)維護(hù)成本是巨大的，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)[2]，帶來(lái)災(zāi)難性后果。對(duì)近五年電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生起火事故的案例的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分類(lèi)和統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)起火事件統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on domestic fire incidents of new energy vehicles

根據(jù)表1，近五年電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生了165起嚴(yán)重起火事件。其中，短路、過(guò)充電、局部過(guò)熱等電池系統(tǒng)故障共140 例占84.85%，碰撞、外部引燃、人為改裝等人為因素共19 例占11.51%，電池箱浸水、充電設(shè)備故障等外部因素共6 例占3.64%。自燃、充電起火均是由電池系統(tǒng)故障造成的，而碰撞誘發(fā)的電池系統(tǒng)熱失控也是導(dǎo)致事故發(fā)展蔓延并產(chǎn)生嚴(yán)重后果的關(guān)鍵因素。電池系統(tǒng)內(nèi)除了電池模塊外，還有數(shù)量眾多的傳感器、執(zhí)行器等硬件，以及與之配套的電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等。因此，需要對(duì)電池系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池單體、電池組以及其他部件的潛在異常，在早期階段完成故障的診斷、定位與隔離，以保障電池系統(tǒng)的安全運(yùn)行[8]。

電池系統(tǒng)故障檢測(cè)的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。

（1）單體電池的不一致性導(dǎo)致同一類(lèi)型的故障在不同電池或不同模塊中的特征值有所差異，無(wú)法界定合適的故障閾值以平衡故障診斷的靈敏性與準(zhǔn)確性。因此，需要研究除閾值之外的其他故障特征，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單一故障的準(zhǔn)確診斷。

（2）電池系統(tǒng)的故障類(lèi)型較多，而不同的故障類(lèi)型可能存在相似的故障特征。如何在有限的監(jiān)測(cè)條件下，通過(guò)僅有的電壓、電流、溫度信息來(lái)辨別不同種類(lèi)的故障特征，準(zhǔn)確識(shí)別出故障類(lèi)型，以便及時(shí)采取針對(duì)性措施，防止故障的進(jìn)一步發(fā)展，是電池系統(tǒng)管理的另一個(gè)挑戰(zhàn)。

本文總結(jié)了電池系統(tǒng)的故障類(lèi)型、典型故障特征，通過(guò)故障特征之間的比較，梳理了電池系統(tǒng)故障診斷與類(lèi)型識(shí)別的研究思路，為故障識(shí)別策略的開(kāi)發(fā)提供了方向。

1 電池系統(tǒng)的故障類(lèi)型

電池系統(tǒng)的故障包括多種類(lèi)型。按故障部位或從控制的角度劃分，包括單電池故障、傳感器故障、執(zhí)行器故障、熱管理系統(tǒng)故障[9-10]。其中，單電池故障包括：內(nèi)部短路（ISC）故障、外部短路（ESC）故障、過(guò)充電故障、過(guò)放電故障、電池包內(nèi)部不一致、絕緣故障，電池的過(guò)充、過(guò)放、短路等也屬于電池濫用故障；傳感器故障分為溫度傳感器、電壓傳感器和電流傳感器故障。

1.1 單電池故障

1.1.1 不一致性 電池系統(tǒng)中的單電池在生產(chǎn)或裝配過(guò)程中因天然的、人工的或機(jī)器的公差（如雜質(zhì)、壓力[11-12]、孔隙率[13]、焊接工藝[14]等）導(dǎo)致電池的初始容量、內(nèi)阻、開(kāi)路電壓、自放電率等存在不一致性。制造或裝配公差帶來(lái)的不一致性不可避免且在可接受范圍內(nèi)。比如，同批次3 Ah 圓柱形鋰離子電池的放電容量、直流電阻的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.3%、1.3%[15]。此時(shí)的初始不一致一般不稱(chēng)為單電池故障。而在電池系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，初始不一致性導(dǎo)致的電流分配不均[16]以及溫度場(chǎng)的差異[17]等，將導(dǎo)致電流、溫度等不均勻分布，使電池產(chǎn)生不均勻老化，進(jìn)一步惡化了不一致的情況[18]，稱(chēng)之為不一致故障。研究表明，初始容量、內(nèi)阻差異在5%的三串三并電池系統(tǒng)，完全放電后的SOC 不均衡度達(dá)到8%，溫度場(chǎng)最大溫差達(dá)到3℃；而經(jīng)過(guò)310 d循環(huán)后，電池的容量、內(nèi)阻差異分別擴(kuò)大至10%、25%[19-20]。不一致性增長(zhǎng)到一定程度，將極大地影響電池系統(tǒng)的性能。由于電池系統(tǒng)將按單電池的最小容量來(lái)設(shè)置所有電池的充、放電閾值以防止可能的安全隱患，當(dāng)SOC 差異較大時(shí)，電池系統(tǒng)的可用容量大大降低；而內(nèi)阻、其他形式歐姆電阻的差異以及環(huán)境溫度的不一致性將帶來(lái)局部區(qū)域的異常發(fā)熱，除加速不均勻老化外，異常升溫若未被及時(shí)探測(cè)與處理或者超出了熱管理系統(tǒng)的處理能力，將加劇系統(tǒng)失控的風(fēng)險(xiǎn)，甚至引發(fā)安全隱患。

1.1.2 過(guò)充電、過(guò)放電 過(guò)充電表示電池在滿(mǎn)電狀態(tài)后仍有外接電路持續(xù)向其充電。相反，過(guò)放電表示在達(dá)到放電截止電壓后仍繼續(xù)向負(fù)載供電。過(guò)充電、過(guò)放電也稱(chēng)為濫用故障。鋰離子電池過(guò)充時(shí)，極易在負(fù)極表面形成鋰枝晶，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患；而過(guò)放電時(shí)，則可能導(dǎo)致正極活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆坍塌，嚴(yán)重影響電池壽命。輕微的過(guò)充與過(guò)放現(xiàn)象不可避免；但若發(fā)生較嚴(yán)重的過(guò)充與過(guò)放過(guò)程，則可能引起電解質(zhì)的分解、材料的相變[21]以及內(nèi)部短路等，產(chǎn)生大量熱量，甚至發(fā)生熱失控。通常情況下，電池平衡系統(tǒng)與電池管理模塊會(huì)防止過(guò)充/過(guò)放的發(fā)生。當(dāng)傳感器或執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí)，電池管理失效；而充電設(shè)備發(fā)生故障或電池管理失效導(dǎo)致電池的電壓不一致或SOC不一致[15]較嚴(yán)重時(shí)，電池管理模塊或電池平衡系統(tǒng)未及時(shí)做出反應(yīng)，也易引起過(guò)充/過(guò)放現(xiàn)象。在電解液中加入過(guò)充添加劑[22-23]也是一種流行的策略。

1.1.3 內(nèi)短路、外短路 內(nèi)短路是在單體電池內(nèi)部發(fā)生正、負(fù)極材料的短接。外短路是單體電池或電池模塊的正、負(fù)極極柱等因變形、連接線(xiàn)失效等發(fā)生直接連接而引起的異常放電現(xiàn)象。當(dāng)短路電阻較小時(shí)，化學(xué)能在短時(shí)間內(nèi)大量轉(zhuǎn)化為焦耳熱，通常會(huì)引起溫度的急劇升高，引發(fā)熱失控。作為熱失控事故最常見(jiàn)的誘因之一，短路故障幾乎是電池系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障，也是研究者與消費(fèi)者最關(guān)切的故障類(lèi)型。研究表明，由短路引起的火災(zāi)占電動(dòng)汽車(chē)火災(zāi)事故的60%[24]。因此，短路故障的早期檢測(cè)與預(yù)防至關(guān)重要。

外短路通常由偶發(fā)狀況引起，重在預(yù)防，預(yù)測(cè)較為困難。而內(nèi)短路的演化過(guò)程則是有跡可循的[25]。在內(nèi)短路的早期，極少的正、負(fù)極材料發(fā)生局部短接，電壓發(fā)生不可逆下降，熱效應(yīng)并不顯著，電池仍能正常向外供電，一般將這種情況稱(chēng)作“微短路”，可以通過(guò)電化學(xué)特征來(lái)識(shí)別。在微短路時(shí)期及時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)與隔離，可防止熱失控；若未及時(shí)、有效干預(yù)，進(jìn)一步發(fā)展到中后期，電壓迅速下降，短時(shí)間以熱的形式釋放大量能量，熱失控不可避免。在短路早期及時(shí)檢出故障并有效處理，是預(yù)防熱失控的有效方式。

1.1.4 絕緣故障 因沖擊、扭曲、振動(dòng)、老化等導(dǎo)致電池系統(tǒng)與相鄰模塊之間的絕緣屏障遭到破壞，電池模塊與相鄰模塊間有導(dǎo)電回路，外部高壓回路絕緣性能降低的現(xiàn)象稱(chēng)為絕緣故障。絕緣故障主要危害操作人員或司乘人員的人身安全，一般通過(guò)絕緣電阻來(lái)監(jiān)測(cè)[26-27]，其被定義為動(dòng)力電池短路到地面或車(chē)輛底盤(pán)時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大漏電流的電阻[28]。檢測(cè)方法包括傳統(tǒng)的電壓表法、電橋法和信號(hào)注入法，以及考慮系統(tǒng)非線(xiàn)性與測(cè)量噪聲的濾波算法[28]、基于模型方法[29-31]等。

1.2 傳感器故障

隨著社會(huì)自動(dòng)化水平的提高，傳感器在各行業(yè)均得到了廣泛的應(yīng)用，并對(duì)時(shí)間、成本的優(yōu)化起到了不可替代的作用。由于傳感器的測(cè)量值是生產(chǎn)決策的重要依據(jù)，而傳感器的測(cè)量偏差可能對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性產(chǎn)生極大的影響，因此，在智慧農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、特種流體輸送等工作環(huán)境復(fù)雜、高度自動(dòng)化的領(lǐng)域，對(duì)偏差、漂移、增益故障、噪聲等影響傳感器精度的故障診斷是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)[32]。在電池系統(tǒng)中的傳感器有電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器等幾種類(lèi)型，分別用于監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)[33]。由于固有的制造缺陷、高溫超時(shí)暴露、振動(dòng)、沖擊以及一些未知干擾等原因，傳感器在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差,導(dǎo)致測(cè)量值與實(shí)際值的偏差或無(wú)法給出測(cè)量值。

由于傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)是電池管理的重要依據(jù)，因此，傳感器的數(shù)據(jù)偏差將進(jìn)一步造成電池管理系統(tǒng)指令的偏差，從而加速電池系統(tǒng)的老化，甚至帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。比如電壓傳感器故障可能造成電池的過(guò)充或過(guò)放。電流傳感器故障會(huì)導(dǎo)致實(shí)際電流分配的不平衡，加劇電池之間的不一致性。溫度傳感器故障則會(huì)干擾熱管理系統(tǒng)，導(dǎo)致電池系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)局部溫度過(guò)高或過(guò)低等情況。溫度過(guò)高時(shí)，可能加速副反應(yīng)，或帶來(lái)熱失控的風(fēng)險(xiǎn)；電池溫度過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致能量利用率的下降。

1.3 連接故障

電池系統(tǒng)是由許多單體電池或電池模塊串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成的，各組件之間模塊常通過(guò)銅板與螺釘連接。而這些連接點(diǎn)在運(yùn)行過(guò)程中可能因老化或振動(dòng)等原因而松動(dòng)或斷路，接觸電阻顯著增加。研究表明[34]，接觸電阻的增加會(huì)導(dǎo)致電池功率的衰減。另一方面，較高的接觸電阻會(huì)帶來(lái)大量的焦耳熱，可能造成局部高溫，增加了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 執(zhí)行器故障

執(zhí)行器主要是指電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）的硬件與接觸器等。BMS主要通過(guò)傳感器估計(jì)電池的荷電狀態(tài)防止電池的過(guò)充與過(guò)放，以及通過(guò)熱管理系統(tǒng)防止熱失控等安全保護(hù)。若執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí)，則電池系統(tǒng)將無(wú)法根據(jù)接收到的信號(hào)去執(zhí)行指令，電池的運(yùn)行性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱失控等危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

1.5 熱管理系統(tǒng)故障

溫度是電池系統(tǒng)中最重要的運(yùn)行參數(shù)之一，與電池的效率、壽命等密切相關(guān)。電池工作過(guò)程中，化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的效率低于100%，其他能量不可避免地以反應(yīng)熱、焦耳熱等形式釋放出來(lái)，對(duì)系統(tǒng)溫度產(chǎn)生較大影響；而電池系統(tǒng)的自身散熱能力有限，且不同部位的散熱能力有所差異。因此，熱管理系統(tǒng)是保證電池組在最佳溫度范圍內(nèi)工作并實(shí)現(xiàn)溫度均衡的重要系統(tǒng)。熱管理系統(tǒng)主要包括加熱與冷卻等系統(tǒng)，其通過(guò)溫度傳感器獲得溫度信號(hào)，以冷卻[35-37]或加熱的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的溫度控制，以保證工作性能、延長(zhǎng)壽命。研究表明，將溫差控制在5℃以?xún)?nèi)，可保障電池系統(tǒng)發(fā)揮較好的性能[38]。當(dāng)熱管理系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)溫度有可能超出電池的最佳工作溫度范圍，電池內(nèi)部將發(fā)生不可逆老化或內(nèi)部微短路；若電池系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布不均勻，則會(huì)導(dǎo)致電池模塊之間、電池單體之間的性能不均衡。兩種情況均將顯著增加熱失控風(fēng)險(xiǎn)。

2 故障特征

按故障的可控性劃分，可分為硬故障、軟故障[39-40]。其中，硬故障是指導(dǎo)致部件完全無(wú)法工作的故障，一般與硬件相關(guān)；軟故障是指導(dǎo)致部件性能下降但未完全損壞的故障，外部干預(yù)可阻止其進(jìn)一步惡化或使其發(fā)生好轉(zhuǎn)，漸進(jìn)性故障[40]的早期屬于軟故障。目前主要是借助模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等方法，根據(jù)電流、電壓、溫度、內(nèi)阻、SOC 中的一種或幾種特征變化，進(jìn)行故障的檢測(cè)，不同故障類(lèi)型的特征變化如圖1所示。

圖1 不同故障類(lèi)型的特征圖Fig.1 Features of different faults

2.1 硬故障

電池系統(tǒng)的組件多、故障類(lèi)型復(fù)雜，而監(jiān)測(cè)的參數(shù)大多只有電壓、電流、溫度三類(lèi)，其中，電流傳感器的成本較高、數(shù)量較少；溫度傳感器的網(wǎng)絡(luò)也不夠密集，對(duì)局部溫升的靈敏度低。因此，人們必須從有限的信息中提取到高特異性、高靈敏度的故障特征，以作為故障診斷與類(lèi)型識(shí)別的依據(jù)，及時(shí)采取有效的隔離措施，防止故障進(jìn)一步惡化而造成嚴(yán)重后果。本節(jié)梳理了文獻(xiàn)報(bào)道的常見(jiàn)硬件故障特征，為故障診斷與類(lèi)型識(shí)別做鋪墊。

2.1.1 短路 一般將內(nèi)短路后期與外短路視為硬故障。內(nèi)短路后期以及電阻較小的外短路發(fā)生時(shí)，將在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生顯著的電流、電壓、溫度變化，往往是不可控的、災(zāi)難性的，一般不研究這兩種情況下的故障特征與診斷。文獻(xiàn)中大多是有關(guān)電阻較大的外短路故障特征研究。由于短路引起的電流、電壓、溫度波動(dòng)幅度遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型的故障，研究者們常以此作為短路故障的典型特征。

以電壓、電流為例。等效電路模型[41]、分?jǐn)?shù)階模型[42]等方法被用于預(yù)測(cè)電壓、電流的理論值，通過(guò)設(shè)定實(shí)測(cè)值與理論值之間的閾值，來(lái)判斷外短路故障是否發(fā)生。電池短路會(huì)立即引起電流增大和溫度的升高，但上述模型只對(duì)電特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，溫度變化對(duì)模型參數(shù)的影響被忽略了，故障檢測(cè)的精度降低。由于空間、成本的限制，實(shí)際電池系統(tǒng)中僅配有極少量的電流傳感器，電流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少，Yang 等[43]訓(xùn)練了反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）模型，僅利用電壓信息來(lái)預(yù)測(cè)電芯電流。將熱效應(yīng)納入模型[44]將進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度，但也增加了計(jì)算規(guī)模與復(fù)雜度。

2.1.2 連接故障 連接故障最主要的特征之一是接觸電阻的增加。因此，電阻的偏差可用于識(shí)別連接故障[45]，由于接觸電阻的波動(dòng)性，閾值的設(shè)置比較困難。

接觸電阻阻值的不規(guī)則波動(dòng)是連接故障的另一個(gè)特征。這是由于電池系統(tǒng)在實(shí)際使用場(chǎng)景下往往伴隨著一定程度的振動(dòng)，從而導(dǎo)致了接觸電阻的無(wú)序跳動(dòng)。與其他原因?qū)е碌碾娮璨豢赡嬖黾酉啾?，電阻無(wú)序波動(dòng)時(shí)的信息熵較高。信息熵表示信息的不確定程度。波動(dòng)越大，則信息的不確定程度越大，熵值越大。對(duì)于一組觀(guān)察變量/信息X，其不確定程度（熵值）的定義為：

因此，熵的概念常被用于連接故障的檢測(cè)。接觸電阻無(wú)法直接測(cè)量，需要通過(guò)測(cè)量得到的系統(tǒng)參數(shù)以及等效電路模型計(jì)算得到[36]，對(duì)于電池?cái)?shù)量多、串并聯(lián)關(guān)系復(fù)雜的大電池系統(tǒng)而言，這一方法的復(fù)雜度高、計(jì)算量大。

接觸電阻的變化也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)模塊的電壓波動(dòng)。而電壓作為可直接測(cè)量的系統(tǒng)參數(shù)之一，對(duì)其熵特性的評(píng)估則簡(jiǎn)單得多[46-47]。其中，Liu 等[48]比較了樣本熵以及兩種不同極值的Shannon 熵在殘余噪聲影響下的靈敏度與魯棒性，證實(shí)了電壓的熵值能夠準(zhǔn)確檢測(cè)連接故障并在一定程度上預(yù)測(cè)連接故障發(fā)生的時(shí)間、位置。

2.1.3 傳感器故障 傳感器故障由于制造、運(yùn)行過(guò)程中的碰撞等因素導(dǎo)致電壓、電流、溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。在電池系統(tǒng)中，主要是基于電流、電壓數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)BMS 的主要功能，因此主要針對(duì)電壓、電流傳感器的故障進(jìn)行診斷，如表2 所示。在單電池中，通常為了避免電池故障帶來(lái)的干擾，配置兩個(gè)傳感器。然而在電池組中，有大量的單電池，每個(gè)電池配置兩個(gè)傳感器是不現(xiàn)實(shí)的，如何區(qū)分傳感器故障與電池故障見(jiàn)3.2 節(jié)。本節(jié)不考慮單電池故障的影響。

表2 故障類(lèi)型及診斷方法Table 2 Fault type and diagnosis method

（1）以電壓、電流為判斷依據(jù)

當(dāng)電壓傳感器故障時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電池實(shí)際電壓超過(guò)截止電壓上限和下限，從而導(dǎo)致電池過(guò)充過(guò)放。因此，電壓可以作為特征參數(shù)。通常使用電壓的預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值形成的殘差與閾值進(jìn)行比較。常使用擴(kuò)展卡爾曼濾波[42]與自適應(yīng)卡爾曼濾波[49]估計(jì)電壓值?？柭鼮V波是以K-1 時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)UK-1為準(zhǔn)，預(yù)測(cè)K時(shí)刻的狀態(tài)變量U∧K/K-1，同時(shí)又對(duì)該狀態(tài)進(jìn)行觀(guān)測(cè)（測(cè)量），得到觀(guān)測(cè)變量（測(cè)量值）ZK，再在預(yù)測(cè)與觀(guān)測(cè)之間進(jìn)行分析，或者說(shuō)以觀(guān)測(cè)量對(duì)預(yù)測(cè)量進(jìn)行修正，從而得到K時(shí)刻最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)UK。在電池系統(tǒng)中，卡爾曼濾波估計(jì)是根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的電壓傳感器測(cè)量值和上一個(gè)時(shí)刻對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻電壓的預(yù)測(cè)值，并依據(jù)該最優(yōu)量預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)刻的值。電池系統(tǒng)中大量電壓傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)傳感器，使其具有較高的計(jì)算復(fù)雜度。在電壓傳感器故障的情況下，最可能發(fā)生過(guò)充和過(guò)放電的電池分別是電壓最大值和最小值的兩個(gè)電池。因此，可以?xún)H對(duì)這兩個(gè)單元進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[50]，診斷這兩個(gè)單元的電流傳感器故障或電壓傳感器故障，而對(duì)其余單元進(jìn)行離線(xiàn)監(jiān)控，間隔時(shí)間較長(zhǎng)，保證其他電壓傳感器正常工作。

（2）以SOC為判斷依據(jù)

電池管理系統(tǒng)高度依賴(lài)于測(cè)量的電流、電壓來(lái)準(zhǔn)確估計(jì)電池的荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)，因此，可以將SOC 作為判斷電壓、電流傳感器故障的特征參數(shù)。用庫(kù)侖計(jì)數(shù)法計(jì)算真實(shí)荷電狀態(tài)，用遞歸最小二乘和無(wú)跡卡爾曼濾波[32]聯(lián)合估計(jì)法計(jì)算估計(jì)荷電狀態(tài)。然而，在電池系統(tǒng)中基于SOC 的判斷方法受電池系統(tǒng)存在不一致的影響。Shu 等[56]提出了將最大最小單體SOC 估計(jì)值與平滑法相結(jié)合，對(duì)電池系統(tǒng)SOC 進(jìn)行估計(jì)。為了提高故障檢測(cè)的靈敏度，可以通過(guò)端電壓和電荷狀態(tài)等多參數(shù)[57]進(jìn)行判別分析。

2.2 軟故障

2.2.1 微短路 微短路是指電池內(nèi)部的正、負(fù)極發(fā)生局部短接。與短路故障相比，其短接的部位少、產(chǎn)生的短路電流小，不會(huì)造成單體電池功能的喪失，危害性較小。但若不及時(shí)加以干預(yù)，也可能繼續(xù)發(fā)展為短路故障，帶來(lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。微短路發(fā)生時(shí)，雖然電池仍有電壓、容量，但由于局部短路電流導(dǎo)致電池能量的額外消耗，因此會(huì)造成放電電壓、容量的不可逆下降以及局部溫度的升高。同時(shí)，電池的內(nèi)阻也會(huì)發(fā)生一定程度的下降。在實(shí)際電池系統(tǒng)中，每個(gè)單電池最多配備一個(gè)溫度傳感器，而微短路產(chǎn)生的局部溫升不一定能及時(shí)被溫度傳感器檢測(cè)到，因此，實(shí)際應(yīng)用中較少以溫度作為微短路的判斷依據(jù)，而以電壓、電流、電阻、SOC作為判斷依據(jù)的較多。

（1）以電壓、電流為判斷依據(jù)

由于每個(gè)電池中都配備了電壓傳感器，因此，直接將電池間的電壓差異作為判斷依據(jù)，是檢測(cè)微短路的最簡(jiǎn)單、有效的方法。Yokotani[58]通過(guò)將電池測(cè)得的電壓值與模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)微短路。然而，電池初始電壓的不一致性給閾值的選擇帶來(lái)了困難。當(dāng)閾值設(shè)置過(guò)小時(shí)，易產(chǎn)生較高的誤報(bào)率；當(dāng)閾值設(shè)置過(guò)大時(shí)，將導(dǎo)致靈敏度較低。

相關(guān)系數(shù)是按積差方法計(jì)算，同樣以?xún)勺兞颗c各自平均值的離差為基礎(chǔ)，通過(guò)兩個(gè)離差相乘來(lái)反映兩變量之間相關(guān)程度，如式（2）所示。因此，其與參數(shù)的初始值、波動(dòng)幅值、靜態(tài)偏移無(wú)關(guān)，可以在一定程度上消除初始不一致性、老化不一致性的干擾。不同電池之間的電壓相關(guān)系數(shù)可以作為檢測(cè)微短路的依據(jù)。Xia等[59]研究表明，基于電壓相關(guān)系數(shù)法的微短路故障檢測(cè)對(duì)電池不一致性有較好的魯棒性，并能及時(shí)響應(yīng)早期故障。

其中，rX,Y是變量X與Y的相關(guān)系數(shù)；covX,Y是X與Y的協(xié)方差；σX,σY分別為變量X、Y的方差；μx,μy分別為變量x,y的均值；n是數(shù)據(jù)中的樣本個(gè)數(shù)。相關(guān)系數(shù)無(wú)單位，取值范圍為+1～-1，其中+1 表示完全正相關(guān)，0表示不相關(guān)，-1表示完全負(fù)相關(guān)。

Zhao 等[60]提出了一種采用對(duì)稱(chēng)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（SLCT）來(lái)消除不一致性的方案。其主要原理是將并聯(lián)模塊內(nèi)的電池正、負(fù)極分別連成環(huán)形回路，使其在平衡態(tài)時(shí)具有較好的電對(duì)稱(chēng)性。當(dāng)微短路在某個(gè)電池內(nèi)部發(fā)生時(shí)，回路中的其他電池在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下均向該電池供電，電流信號(hào)疊加產(chǎn)生了放大效應(yīng)，對(duì)微短路的早期檢測(cè)具有較高的靈敏度。通過(guò)安培計(jì)的位置設(shè)計(jì)與安培計(jì)示數(shù)的分析，還可以在數(shù)千個(gè)單體電池系統(tǒng)成的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位。安培計(jì)的成本高、僅適用于并聯(lián)電池系統(tǒng)是本方法僅有的缺點(diǎn)。

Schmid等[61]提出了一種基于單元電壓差異的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法提高早期故障檢測(cè)的靈敏度，其原理是將線(xiàn)性核函數(shù)和RBF 核函數(shù)相結(jié)合，將二維數(shù)據(jù)在高維空間下分類(lèi)，但在低維空間計(jì)算，不會(huì)增大其計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)了核主成分方法對(duì)早期故障的高靈敏度，且適應(yīng)性較高。

（2）以電阻、SOC的差異為判斷依據(jù)

電壓對(duì)于大安時(shí)電池的微短路故障靈敏度較低[62]，等效歐姆電阻（RΩ）[40]與SOC的差異[62]卻在微短路故障早期有較好的波動(dòng)性。Feng 等[63]通過(guò)電化學(xué)-熱耦合模型證明了微短路故障發(fā)生時(shí)SOC 的波動(dòng)性顯著高于電壓。Gao 等[64]提出了一種基于電池差分模型（cell difference model, CDM），獲得單電池的SOC 與平均SOC 的差異，根據(jù)SOC 差值的波動(dòng)規(guī)律來(lái)判定微短路故障，并與容量不一致性導(dǎo)致的SOC差異做區(qū)分。

基于SOC 為特征的檢測(cè)面臨的是電池不一致的挑戰(zhàn)。低通濾波是一種只允許頻率低于預(yù)設(shè)頻率閾值的信號(hào)通過(guò)，而使其他信號(hào)減弱或阻塞的濾波方法。具有數(shù)據(jù)平滑處理功能，減小了電池間SOC 不一致性。Zhang 等[65]通過(guò)將電阻并聯(lián)至電池上模擬不同程度的微短路的實(shí)驗(yàn)也表明基于電量差利用低濾波器來(lái)估計(jì)SOC 差，并結(jié)合遞歸最小二乘(RLS)的方法能實(shí)時(shí)、有效地估計(jì)串聯(lián)電池系統(tǒng)中單體的短路電阻，并且低濾波的計(jì)算復(fù)雜度較低。

然而，歐姆電阻、SOC 均無(wú)法直接測(cè)量，需要借助等效電路模型來(lái)求解得到。而電池系統(tǒng)內(nèi)的電池?cái)?shù)量多、串/并聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，模型的復(fù)雜度高，解析解的求取較為困難，限制了該方法的發(fā)展。隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)逐漸應(yīng)用在故障檢測(cè)方面，Kong等[66]將剩余充電容量(RCC)作為表征電池微短路故障的參數(shù)。當(dāng)電池內(nèi)部發(fā)生微短路時(shí)，電池的RCC 會(huì)增加，從而達(dá)到RCC 診斷。此外，通過(guò)電池連續(xù)兩次充電后剩余充電容量的差值，可以定量計(jì)算出兩次充電之間的泄漏容量和微短路電阻，進(jìn)而進(jìn)行定量分析微短路的大小，且該方法計(jì)算量較小。

2.2.2 電池不一致性 電池在生產(chǎn)階段以及裝配階段不可避免地出現(xiàn)內(nèi)阻和荷電狀態(tài)(SOC)等參數(shù)的不一致性。在電池系統(tǒng)裝配前，可以基于小波[67]的方法進(jìn)行分類(lèi)，減小電池間初始不一致性。在使用過(guò)程中，隨著不同單體的工作環(huán)境之間的差異，會(huì)使得電池出現(xiàn)不同的老化情況，引起溫度、電流、電壓、容量、內(nèi)阻[68]的不同。Duan等[69]通過(guò)計(jì)算表征參數(shù)在不同老化階段的標(biāo)準(zhǔn)差，并根據(jù)閾值進(jìn)行電池不一致性評(píng)價(jià)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于20%時(shí)，電池組的不一致性程度較小。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偏差在20%～30%之間時(shí)，電池組的不一致程度為中等，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偏差超過(guò)30%時(shí)，認(rèn)為電池系統(tǒng)嚴(yán)重不一致。電池系統(tǒng)中一致性差的電池導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能的下降，電池的不一致性實(shí)質(zhì)上是對(duì)異常單元的識(shí)別。Kim 等[70]利用電池容量和內(nèi)阻作為故障表征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池系統(tǒng)中異常電池的識(shí)別，但在故障診斷過(guò)程中計(jì)算量較大。

由于電壓數(shù)據(jù)較易獲取，為了以較小的計(jì)算量準(zhǔn)確識(shí)別異常電池，通常以電池系統(tǒng)中的健康電池為參考，利用統(tǒng)計(jì)特征對(duì)電池進(jìn)行定性或定量診斷，因此多采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法。所以目前主要是基于電壓參數(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行電池系統(tǒng)不一致性的評(píng)價(jià)。

同一電池系統(tǒng)內(nèi)的電池端電壓分布可以用高斯分布來(lái)描述。Zhao等[60]根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法和3r多級(jí)篩選策略(3r-mss)利用高斯分布概率特征對(duì)無(wú)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行集中篩選，檢測(cè)和計(jì)算電池系統(tǒng)中單體端電壓的異常變化。電池在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的性能受到許多因素的影響，不同個(gè)體之間的差異不是隨機(jī)的，電池電壓不服從正態(tài)分布，以及在電池生產(chǎn)、裝配階段，不可避免地出現(xiàn)電池間的初始不一致性。Li 等[71]提出了基于類(lèi)間相關(guān)系數(shù)(inter -class correlation coefficient, ICC)方法的故障檢測(cè)消除了電池的初始不一致性，因?yàn)橄嚓P(guān)系數(shù)與波動(dòng)的平均值和幅值無(wú)關(guān)。熵方法是一種獲取異常數(shù)據(jù)的有效方法，Wang 等[72]提出了一種利用Shannon 熵和Z-score 檢測(cè)和分離異常細(xì)胞的方法，Z的值表示目標(biāo)樣本與原始樣本均值基于標(biāo)準(zhǔn)差的距離，在一定程度上消除了初始不一致性。

2.2.3 過(guò)充、過(guò)放 過(guò)充電、過(guò)放電對(duì)電池集總參數(shù)的影響是極小的，很難以電壓、電阻、SOC 等集總參數(shù)的變化作為過(guò)充、過(guò)放的診斷依據(jù)。

雖然電池內(nèi)部參數(shù)的變化對(duì)過(guò)充、過(guò)放過(guò)程較為敏感，但鋰電池內(nèi)部參數(shù)變化的原因較復(fù)雜，單一參數(shù)的變化與過(guò)充、過(guò)放并無(wú)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，文獻(xiàn)中常用多參數(shù)變化的組合規(guī)律作為這兩種故障的判斷依據(jù)。

Hashemi等[73]建立了包含體相電阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙電層電容、常相位角元件的等效電路模型，以這四個(gè)參數(shù)的組合變化規(guī)律作為過(guò)充、過(guò)放的判斷依據(jù)。Wu等[74]以串聯(lián)電阻、增量容量分析曲線(xiàn)的特征變化來(lái)區(qū)分過(guò)充電、過(guò)放電、低溫運(yùn)行三種濫用狀態(tài)，通過(guò)基于模糊邏輯的故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三種故障的診斷與識(shí)別。

電池內(nèi)部參數(shù)的計(jì)算往往涉及更精細(xì)、更復(fù)雜的數(shù)學(xué)、物理模型，對(duì)龐大的電池系統(tǒng)而言，意味著極大的計(jì)算規(guī)模。因此，過(guò)充、過(guò)放故障的其他特征的研究與發(fā)掘是研究者們?nèi)栽谂Φ姆较颉?/p>

3 故障診斷與類(lèi)型識(shí)別

當(dāng)異常信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)做出故障診斷與故障類(lèi)型識(shí)別將有助于第一時(shí)間采取有效措施，防止故障的不可控發(fā)展。然而，電池系統(tǒng)的故障類(lèi)型多、特征類(lèi)似，如何對(duì)多種故障類(lèi)型進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.1 電壓傳感器故障與單電池故障

單電池的所有性能參數(shù)均通過(guò)傳感器測(cè)量并向外輸出，當(dāng)唯一的輸出信號(hào)發(fā)生異常時(shí)，無(wú)法對(duì)故障來(lái)源做出準(zhǔn)確判斷。因此，電壓傳感器故障與單電池故障的區(qū)分需借助冗余設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Xia 等[75-76]對(duì)電壓傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。通過(guò)適當(dāng)增加電壓傳感器的數(shù)量，使每個(gè)單電池均對(duì)應(yīng)2 個(gè)電壓傳感器，由此可以根據(jù)電壓信號(hào)異常的數(shù)量來(lái)區(qū)分傳感器故障和電池故障。

另一種冗余設(shè)計(jì)的思路是參考其他類(lèi)型的傳感器信號(hào)做輔助判斷，Zheng等[33]考慮了單電池故障帶來(lái)的溫度變化，提出將溫度傳感器信號(hào)作為輔助判斷依據(jù)的研究思路。類(lèi)似地，當(dāng)故障模塊中有電流傳感器時(shí)，電流信號(hào)也可以作為診斷的輔助依據(jù)。

綜上已有的研究方法，電壓傳感器故障與單電池故障的識(shí)別需借助冗余設(shè)計(jì)的思想，根據(jù)異常電壓的數(shù)量進(jìn)行故障類(lèi)型的識(shí)別，也可將電流信號(hào)作為輔助判斷的依據(jù)，利用電流、電壓多維參數(shù)進(jìn)行故障類(lèi)型的識(shí)別，示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器故障與電池故障的故障類(lèi)型識(shí)別方法示意圖Fig.2 Scheme for identifying the type of fault between sensor fault and battery fault

3.2 連接故障與電池老化

電池在使用過(guò)程中不可避免地發(fā)生過(guò)充電、過(guò)放電、低溫、高溫等濫用操作使得電池發(fā)生異常老化而引起電池內(nèi)阻增加，連接處的老化或振動(dòng)等原因也會(huì)引起電阻的增加。若連接故障發(fā)生在電池的連接點(diǎn)上，如何判斷電阻增加是來(lái)自于連接點(diǎn)松動(dòng)或電池老化，也是電池系統(tǒng)故障類(lèi)型識(shí)別的難題之一。

如前文所述，連接故障發(fā)生時(shí)，接觸電阻會(huì)隨著電池使用環(huán)境中的振動(dòng)等情況而發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)，導(dǎo)致其信息熵較高。因此，熵[34]的概念常被用于連接故障的檢測(cè)。除了熵方法之外，標(biāo)準(zhǔn)差[77]也可用于區(qū)分連接內(nèi)阻的增大與電池內(nèi)阻的增大。

除電阻值的波動(dòng)規(guī)律外，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異也可以作為連接故障與異常老化的區(qū)分依據(jù)。考慮到連接故障發(fā)生在單體之外、兩個(gè)單體之間，而異常老化只涉及某個(gè)電池，Kang 等[78]在連接處采用冗余設(shè)計(jì)，根據(jù)電壓傳感器發(fā)生異常的數(shù)量來(lái)區(qū)分連接故障與異常老化。

連接故障與電池老化故障可根據(jù)電阻波動(dòng)性的差異，使用熵方法進(jìn)行其故障的識(shí)別，連接故障導(dǎo)致其電阻的波動(dòng)性較大，則其熵值較高，而電池老化使得電池電阻不可逆地增大，其熵值較平緩；也可根據(jù)連接結(jié)構(gòu)的差異，采用冗余設(shè)計(jì)，根據(jù)異常電壓的數(shù)量進(jìn)行故障類(lèi)型的識(shí)別，示意圖如圖3所示。

圖3 連接故障與電池老化的故障類(lèi)型識(shí)別方法示意圖Fig.3 Scheme for identifying the types of faults in connection and battery ageing

3.3 電壓傳感器故障、連接故障與短路故障

電壓傳感器故障、連接故障與短路故障是電池系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障類(lèi)型，且都會(huì)引起電壓的異常，僅通過(guò)傳統(tǒng)的一對(duì)一電壓測(cè)量拓?fù)浠騿文Ｐ秃茈y區(qū)分傳感器故障與電池故障或連接故障。

Kang 等[78]提出了一種采用交錯(cuò)電壓測(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和熵融合的在線(xiàn)多故障診斷策略，其原理是根據(jù)異常電壓的個(gè)數(shù)判斷是否為傳感器故障，如果不是，則利用熵方法區(qū)分連接故障與電池故障，流程如圖4 所示。但該方法沒(méi)有考慮電池的不一致性，降低了診斷的精確度。相關(guān)系數(shù)與電壓的平均值和幅值無(wú)關(guān)，消除了電池組的初始不一致性。Kang等[79]提出了一種基于交叉電壓測(cè)量拓?fù)浜透倪M(jìn)相關(guān)系數(shù)法的多故障診斷策略，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用冗余的設(shè)計(jì)，異常信號(hào)數(shù)量、位置等信息可區(qū)分三種故障類(lèi)型。

圖4 連接故障、傳感器故障與電池故障的故障類(lèi)型識(shí)別方法流程圖Fig.4 Flow chart for identifying fault types for connection faults,sensor faults and battery faults

Kang 等[80]考慮了電壓、電流之間的相關(guān)性，以此為依據(jù)來(lái)區(qū)分傳感器故障與連接故障。這是因?yàn)?，雖然電壓傳感器故障與連接故障均會(huì)引起電壓的波動(dòng)，但傳感器故障引起的異常電壓信號(hào)不會(huì)對(duì)模塊的其他輸出信號(hào)產(chǎn)生影響，而連接故障導(dǎo)致的接觸電阻過(guò)大則會(huì)同時(shí)引起電壓、電流的波動(dòng)，導(dǎo)致電壓與電流有很強(qiáng)的相關(guān)性。通過(guò)對(duì)電壓、電流信號(hào)之間相關(guān)系數(shù)的評(píng)估，也可以作為兩種故障的區(qū)分依據(jù)。

以上方法對(duì)電壓傳感器布局的忽視，導(dǎo)致了故障診斷與識(shí)別過(guò)程存在較大的時(shí)延。Ma 等[81]提出了一種將電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)入圖形的自編碼，采用電壓傳感器的圖形數(shù)據(jù)來(lái)增強(qiáng)傳統(tǒng)自動(dòng)編碼器的重構(gòu)能力，提高故障檢測(cè)的靈敏度。

4 總 結(jié)

本文綜述了電池系統(tǒng)的故障類(lèi)型，系統(tǒng)地總結(jié)了單電池故障、傳感器故障、連接故障、執(zhí)行器故障、熱管理系統(tǒng)故障的電、熱信號(hào)特征，并基于這些特征對(duì)故障類(lèi)型的識(shí)別策略做了歸納。

電池系統(tǒng)中的元器件種類(lèi)多、數(shù)量龐大，元器件之間的電氣連接復(fù)雜，且造成故障的因素眾多，各因素之間高度耦合、非線(xiàn)性強(qiáng)，這些均為電池系統(tǒng)的故障診斷提出了挑戰(zhàn)。在一代代研究者們的努力下，領(lǐng)域難題相繼被攻克，電池系統(tǒng)故障診斷的研究取得了迅猛的進(jìn)展。限于科技發(fā)展水平，目前還存在以下問(wèn)題：

（1）多數(shù)診斷方法是針對(duì)單一故障而開(kāi)發(fā)的，對(duì)多類(lèi)型故障的同時(shí)診斷的研究較少；

（2）故障的評(píng)價(jià)指標(biāo)多數(shù)基于電壓、電流、溫度等時(shí)域信號(hào)，對(duì)故障類(lèi)型的區(qū)分度低，對(duì)早期故障的特異性差；

（3）診斷算法難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、精度與魯棒性的兼顧。

隨著新型傳感技術(shù)、智能故障診斷技術(shù)、端云一體化控制技術(shù)等的發(fā)展，電池系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)必將迎來(lái)跨越式發(fā)展，為電池系統(tǒng)的安全管理提供有力的保障。