基于边缘云计算的动力电池故障诊断及调控智能系统

发布时间：2022-03-16 10:43所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

　　电动汽车充电结束阶段及之后的静置阶段是自燃事故高发期，此时动力电池处于高SOC状态;在充电桩充电阶段是最适合进行电池性能数据分析和电池异常状态监控的阶段，也是能最有效防控充电结束及静置阶段发生事故的阶段。　　该文设计了一套基于边缘云计算技术的

　　电动汽车充电结束阶段及之后的静置阶段是自燃事故高发期，此时动力电池处于高SOC状态;在充电桩充电阶段是最适合进行电池性能数据分析和电池异常状态监控的阶段，也是能最有效防控充电结束及静置阶段发生事故的阶段。

　　该文设计了一套基于边缘云计算技术的动力电池故障诊断及调控的智能系统。该系统在充电阶段具备动力电池性能监控功能、异常数据采集并反馈异常状态功能、预警功能。通过本系统不仅可以有效防控动力电池自燃事故，提高动力电池可靠性和安全性，更能为车企提供有效数据，为新能源汽车及动力电池后续设计、研发和改进提供参考依据。

　　近年来，新能源汽车行业发展不断壮大，其所存在的问题也逐渐暴露，电动汽车在行车、充电等工况下发生车辆自燃的事故屡见报道。经初步分析，环境高温是导致车辆发生自燃的一个重要诱因。

　　1.研究背景

　　我国对新能源汽车的政策支持和各行业的融资推广使得新能源汽车取得了空前发展，我国新能源汽车产销量连续六年位居全球第一，产业总体发展水平处于国际前列。国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(2021~2035)》提出，到2025年新能源汽车新车销售量达到新车销量的20%左右。到2035年纯电动汽车成为新车销售的主流，公共领域用车全面电动化，燃料电池汽车实现商业化应用。

　　近年来，新能源汽车所存在的问题也逐渐暴露。中国新能源汽车产销量在2019年迎来第一次负增长，意味着新能源汽车的发展与推广遭遇瓶颈。限制新能源汽车进一步推广的原因具有多面性，但最主要的原因之一在于新能源汽车动力电池安全问题尚未根本解决，相关防控措施并不完善。

　　近年来电动汽车在行车、充电等工况下发生车辆自燃的事故屡见报道。大多数自燃事故发生在充电结束阶段之后的静置阶段，此时电池组处于高电荷状态。充电桩与车辆的匹配度不够高、过充、电芯内部混入杂质等原因均极易引发处于高SOC状态下动力电池热失控，形成正反馈激励，从而引发自燃现象。综上所述，电动汽车充电结束阶段及之后的静置阶段是自燃事故高发期，而车辆充电、静置、行驶三个阶段中，充电阶段是最适合进行电池性能数据分析和电池异常状态监控的阶段，也是能最有效防控充电结束及静置阶段发生事故的阶段。

　　2.国内外研究现状

　　2.1国外研究现状

　　针对车用动力电池，国内外学者开展了许多研究，德国某研究中心对极端条件下锂电池安全问题的研究成果表明，锂枝晶是造成电池充电热失控的主要原因;美国某国家实验室通过建立三维电池电热模型研究锂电池在滥用条件下的热安全问题;日本某公司通过添加阻燃剂提高了大容量锂电池的热稳定性进而保证了电池的安全使用，并已应用在36kW/h的锂电池系统中。国外研究主要聚焦于从产热方面，主要通过控制热量生成来提高动力电池安全性，并处于领先水平，但尚未开展电池充电安全系统化研究工作。

　　2.2国内研究现状

　　宁德时代公司针对动力电池安全性研发了高比能技术、长寿命技术、超快充技术、真空安全技术、自动控温技术和智能管理技术。

　　其中在真空安全技术方面，通过对安全涂层和阻隔材料等技术的研发，显著提高了电池热稳定性与热安全性;智能管理技术是通过对电芯监测等方式，提前识别电芯异常状态并及时采取措施。比亚迪针对电池性能安全，自主研发了“刀片”动力电池，“超级安全”是刀片电池最大的特点，组件阵列排布，像“刀片”一样插入电池包里面，在成组时跳过模组和梁，减少了冗余零部件，形成类似蜂窝铝板的结构;通过一系列的结构创新，实现了电池“超级强度”，大幅提升了电池包安全性能，同时体积利用率也提升50%以上。目前国内外对新能源汽车动力电池性能监控与反馈装置及相关技术的研究和发展尚处在起步阶段。

　　但目前市面上的各大充电桩功能比较单一，仅局限于动力电池充电方面，涉及的充电参数仅包括充电量、充电时间和充电费用，并未针对性开展安全防控与异常信息通信技术的相关研究。目前国内外新能源汽车厂家对车辆动力电池性能的监测都需经过车端通信单元，由车端将实时采集的信号发送至云端后台。后台每天接收的数据量特别庞大，当海量的数据上传至云端后台时，后台对数据的处理就变得非常缓慢，需要的人力成本非常高，这种信息滞后现象也是造成许多新能源汽车安全事故的原因之一。

　　3.研究意义

　　为提升新能源汽车动力电池技术安全性和可靠性，减少事故发生率以及保障乘客人身安全，在明确动力电池发生过热、过充等引发自燃事故的因素后，本项目基于大数据技术、无线通信技术以及物联网技术，旨在设计一套在充电状态下能够采集电动汽车动力电池实时状态、分析异常数据并反馈故障信息的智能型充电桩。对新能源汽车进一步推广发展具有重要研究价值和意义：

　　(1)通过历史数据与实时状态数据采集，全面掌握新能源汽车在充电、静置与行车等不同阶段时动力电池的完整状态信息;(2)通过边缘计算等技术实现异常数据分析、故障预判功能，及时采取防控措施，进一步提升动力电池技术安全性、可靠性，减少事故发生率;(3)通过总线网络通信和无线通信技术实现信息反馈，车端可以及时采取安全防控措施，用户端可以实时了解车辆状态，云端可以整合异常数据并将其反馈至车企，车企可以建立更完善的数据库，进一步改进动力电池安全性与可靠性;(4)本项目为中国新能源汽车增设动力电池主动安全监控与保护系统，提升中国新能源汽车产业安全性、美誉度。

　　4.结构原理

　　4.1工作原理本项目旨在设计一套能够在充电状态下采集新能源汽车动力电池实时状态信息、分析异常数据并反馈故障信息的智能型充电桩，并结合无线通信技术以及数据库应用，从而实现新能源汽车动力电池安全监控、实时反馈、数据计算与通信等功能。

　　4.2具体实施方案结合研究内容，本项目为具体实施方案为：通过车载终端网络通信单元建立汽车端与充电桩端的信息通讯，将采集的动力电池性能数据实时发送至充电桩端，若存在充电安全隐患或动力电池等设备故障，充电桩端及时反馈异常信号至车端，通过车辆控制系统及时采取措施;通过系统框架搭建以及程序编写，在充电桩终端实现对采集数据的边缘计算功能，并将分析得出的故障信号反馈至车端与云端，云端对充电桩计算出的故障数据进行整合，将异常数据反馈给车企，车企及时做好跟踪处理，从而改进后续设计与研发。

　　新能源论文范例：新能源汽车电池管理系统的设计

　　5.结语

　　充电安全问题是限制新能源汽车进一步发展的主要原因之一，本项目设计的电池安全防控与性能反馈功能是新能源汽车得以长足发展的关键;将数据通信设计在充电过程，通过充电桩，实现车端和云端的数据通信。不仅改进了由于传统车端监测带来的数据量大、反馈滞后的缺点，还能进一步减少新能源汽车制造成本，有利于新能源汽车进一步推广。

　　设计者：陈立旦刘晓璇

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《基于边缘云计算的动力电池故障诊断及调控智能系统》

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