近年來(lái)，鋰離子電池因具有功率/能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，已應(yīng)用于電子消費(fèi)品、電動(dòng)汽車(chē)、分布式儲(chǔ)能、大規(guī)模儲(chǔ)能等不同場(chǎng)景。作為一類(lèi)典型的涉及復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)/傳遞機(jī)理的能量?jī)?chǔ)存裝置，鋰離子電池本身存在較高安全隱患，需要采用系統(tǒng)工程的理論和方法，在電池材料體系研發(fā)、電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等各個(gè)層面予以關(guān)注，確保其在實(shí)際使用中的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。但是，一方面，鋰離子電池在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受當(dāng)前電、熱和安全管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展水平的限制，在某些情況下會(huì)發(fā)生機(jī)、電、熱濫用，如過(guò)充、過(guò)放、過(guò)熱等，容易引起電池性能的快速衰退，甚至發(fā)生內(nèi)短路而引發(fā)安全問(wèn)題。另一方面，在電動(dòng)汽車(chē)、分布式儲(chǔ)能、大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，為滿足電流、電壓、功率、能量的需求，常需要通過(guò)串并聯(lián)手段將大量單體組成電池組、電池包乃至電池簇，會(huì)存在大量的連接組件，極大地增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，將導(dǎo)致發(fā)生各類(lèi)故障的概率增大，并增加了安全隱患。因此，在認(rèn)清電池系統(tǒng)故障引發(fā)機(jī)制的基礎(chǔ)上，至少需要在鋰離子電池單體和系統(tǒng)兩個(gè)層面實(shí)施故障診斷，確保能有效識(shí)別出漸變性、突發(fā)性等各類(lèi)故障，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，提高電池系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

本文首先對(duì)鋰離子電池的常見(jiàn)故障進(jìn)行了分類(lèi)，并簡(jiǎn)要分析了電池本體故障引發(fā)機(jī)制；其次簡(jiǎn)要總結(jié)了現(xiàn)有故障診斷方法，并對(duì)其進(jìn)行了分類(lèi)；之后，針對(duì)不同類(lèi)型故障，全面綜述了現(xiàn)有故障診斷技術(shù)解決方案；最后，總結(jié)了電池故障診斷技術(shù)的挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展方向。

1 鋰離子電池常見(jiàn)故障

1.1　鋰離子電池系統(tǒng)常見(jiàn)故障分類(lèi)

常見(jiàn)的鋰離子電池系統(tǒng)主要包括電池本體、電池管理系統(tǒng)、傳感器、連接組件等，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于引發(fā)故障的原因各不相同，不僅電池本體會(huì)發(fā)生各種類(lèi)型故障，而且電池管理系統(tǒng)、傳感器、連接組件等也會(huì)發(fā)生故障。目前，大部分故障診斷方法研究主要針對(duì)電池本體，對(duì)其他電池系統(tǒng)故障研究相對(duì)較少。

1.1.1　電池本體故障

鋰離子電池在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)或特性發(fā)生變化而引發(fā)故障。根據(jù)電池本體故障的發(fā)生/發(fā)展歷程不同，主要可分為漸變性故障和突發(fā)性故障兩大類(lèi)：① 漸變性故障主要由電池老化導(dǎo)致，電池隨著充放電循環(huán)，會(huì)發(fā)生活性物質(zhì)損失與內(nèi)阻增大，導(dǎo)致容量衰減與功率衰退，對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)診斷，對(duì)剩余使用壽命評(píng)估有重要作用；② 突發(fā)性故障是指無(wú)明顯征兆或短時(shí)征兆，便造成電池系統(tǒng)突然失效或性能明顯下降的故障，包括內(nèi)短路、熱失控、容量跳水、漏液等，例如鋰離子電池在使用過(guò)程中，因機(jī)械濫用導(dǎo)致內(nèi)短路，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱，進(jìn)而引發(fā)熱失控，發(fā)生冒煙、起火甚至爆炸。由于鋰離子電池的老化機(jī)理復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)電流、電壓、溫度多種操作工況對(duì)老化程度定量評(píng)價(jià)還未有突破性進(jìn)展，實(shí)施漸變性故障的精準(zhǔn)診斷難度較高，是目前的研究熱點(diǎn)。但是，相比漸變性故障，突發(fā)性故障預(yù)警時(shí)間更短，診斷難度更高，潛在危害更大，是鋰離子電池本體故障診斷亟需解決的難點(diǎn)問(wèn)題。

1.1.2　其他類(lèi)型電池系統(tǒng)故障

其他類(lèi)型的電池系統(tǒng)故障主要包括如下三個(gè) 部分。

（1）　電池管理系統(tǒng)（battery management system, BMS）部件故障

BMS的主要作用是對(duì)電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，是系統(tǒng)的核心控制單元，對(duì)保障電池安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行有重要意義。若BMS部件發(fā)生故障，會(huì)發(fā)布錯(cuò)誤指令，干擾電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生不可逆破壞，進(jìn)而引發(fā)一系列連鎖故障。例如BMS的均衡部件發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)不一致性加劇，影響系統(tǒng)性能發(fā)揮；若BMS的充放電控制部件發(fā)生故障，會(huì)引起過(guò)充過(guò)放風(fēng)險(xiǎn)，降低電池使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)安全事故；若BMS的溫控部件發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)溫度過(guò)高或過(guò)低，可能引發(fā)電池系統(tǒng)的熱濫用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)熱失控。目前，研發(fā)符合高等級(jí)功能安全的BMS是工業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，需要從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程、軟/硬件等不同方面綜合考慮予以解決。

（2）　傳感器故障

為實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)工作狀態(tài)的有效監(jiān)控，需要精確、可靠地測(cè)量電流、電壓和溫度信息，以便實(shí)施電池狀態(tài)估計(jì)、充放電控制、故障診斷、均衡控制、溫度控制等功能。但是，傳感器在使用過(guò)程中，會(huì)不可避免地出現(xiàn)偏差、漂移、精度等級(jí)降低、甚至停止工作等故障，會(huì)導(dǎo)致電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)無(wú)法測(cè)量或測(cè)量數(shù)據(jù)不精確，難以對(duì)電池當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行精確、合理地判斷，將誘發(fā)BMS系統(tǒng)停止工作或發(fā)布錯(cuò)誤指令，干擾電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至引發(fā)安全問(wèn)題。一般地，相比傳感器停止工作故障，偏差、漂移、精度等級(jí)降低等傳感器故障隱蔽性更高，診斷難度更大，是目前傳感器故障診斷研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（3）　連接組件故障

在電池系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于震動(dòng)、部件腐蝕、電池產(chǎn)氣膨脹等原因，可能引發(fā)電池系統(tǒng)內(nèi)連接組件的故障，如螺母/焊點(diǎn)松動(dòng)或接觸不良。發(fā)生此類(lèi)故障時(shí)，電池接觸內(nèi)阻增加，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)壓差大、靜態(tài)壓差小，將會(huì)影響電池系統(tǒng)在高倍率下的功率性能；若此類(lèi)故障長(zhǎng)期未被有效檢測(cè)并排除，過(guò)高的內(nèi)阻將導(dǎo)致局部熱量持續(xù)累積，會(huì)引發(fā)電池容量快速衰減甚至熱失控[13]。

1.2　電池本體故障引發(fā)機(jī)制

對(duì)電池系統(tǒng)實(shí)施故障診斷，一般需要先診斷BMS、傳感器、連接組件等其他類(lèi)型電池系統(tǒng)故障，以排除外部干擾，確保用于電池本體工作狀態(tài)估計(jì)的信息是精確、可靠的，以此實(shí)施電池本體故障診斷才更具合理性。相比其他電池系統(tǒng)故障，電池本體故障由于其引發(fā)原因眾多，診斷難度更大，是電池系統(tǒng)故障診斷的關(guān)鍵核心環(huán)節(jié)。因此，需要在認(rèn)清電池本體故障的引發(fā)機(jī)制基礎(chǔ)上，研發(fā)合理、可靠的多方位、多層次電池本體故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電池本體的全面防護(hù)，對(duì)降低失效風(fēng)險(xiǎn)、提高安全性、延長(zhǎng)使用壽命有重要意義。

對(duì)上述電池本體漸變性和突發(fā)性?xún)深?lèi)故障，雖然對(duì)其實(shí)施故障診斷是在電池實(shí)際運(yùn)行階段，但在電池制造和成組階段的技術(shù)水平會(huì)直接影響電池性能，進(jìn)而影響實(shí)際運(yùn)行中的故障發(fā)生概率。目前，受到現(xiàn)有制造工藝技術(shù)水平和成本的限制，電池在制造過(guò)程中，會(huì)引入故障隱患，例如在涂布過(guò)程中，若有粉塵吸附在隔膜或正負(fù)極表面，易導(dǎo)致局部隔膜結(jié)構(gòu)被破壞，造成電池局部微短路；在極片切割過(guò)程中，正負(fù)極集流體邊緣產(chǎn)生的毛刺可能發(fā)生部分接觸而導(dǎo)致電池微短路；在卷繞、疊片過(guò)程中，正負(fù)極若因故障發(fā)生錯(cuò)位，將導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸，會(huì)引起內(nèi)短路。在電池篩選成組階段，對(duì)同批次電池常采用抽檢策略，難以保證串并聯(lián)電池系統(tǒng)中各單體間具有優(yōu)良的一致性，即使輔以性能優(yōu)良的均衡控制技術(shù)，電池系統(tǒng)不一致性也會(huì)隨著實(shí)際運(yùn)行的充放電循環(huán)逐漸增大，導(dǎo)致個(gè)別單體會(huì)發(fā)生異常，影響系統(tǒng)性能發(fā)揮和使用壽命。

在電池系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行階段，一方面，即使電池運(yùn)行于電流、電壓和溫度的安全窗口中，在全生命周期內(nèi)電池會(huì)不斷老化，SEI膜會(huì)不斷分解與再生，負(fù)極表面往往難以避免地發(fā)生析鋰現(xiàn)象等，造成容量衰減；并可能誘發(fā)鋰枝晶，且隨著鋰枝晶不斷生長(zhǎng)，隔膜有可能被刺破，形成微/內(nèi)短路，存在熱失控的突發(fā)性故障隱患。另一方面，當(dāng)電池系統(tǒng)運(yùn)行于異常工況，即超出了電流、電壓和溫度的安全操作窗口，其漸變性和突變性?xún)深?lèi)故障引發(fā)概率會(huì)大大增加，以下簡(jiǎn)要描述了過(guò)充、過(guò)放、大倍率充放電、過(guò)冷、過(guò)熱和不一致性這6類(lèi)常見(jiàn)異常運(yùn)行工況對(duì)電池本體故障的引發(fā)機(jī)制。

（1）　過(guò)充

因存在電池組不一致、充電控制技術(shù)未能精確調(diào)控等問(wèn)題，不可避免地會(huì)出現(xiàn)部分單體發(fā)生過(guò)充現(xiàn)象。一般地，電池發(fā)生過(guò)充，會(huì)在其負(fù)極表面發(fā)生析鋰現(xiàn)象，對(duì)存在長(zhǎng)期輕微過(guò)充情況，會(huì)因活性鋰損失而導(dǎo)致電池容量過(guò)快衰減的漸變性故障，同時(shí)析鋰可能誘發(fā)鋰枝晶，增大隔膜刺破引發(fā)微/內(nèi)短路的安全隱患。在某些極端情況下，例如發(fā)生BMS失效時(shí)，會(huì)發(fā)生電池長(zhǎng)時(shí)間深度過(guò)充可能，導(dǎo)致電池溫度持續(xù)升高，觸發(fā)如SEI膜分解、電解液分解、隔膜熔融、電解液分解、正極材料分解等一系列放熱副反應(yīng)，最終引發(fā)電池內(nèi)短路、熱失控等突發(fā)性故障。

（2）　過(guò)放

與過(guò)充現(xiàn)象類(lèi)似，在電池系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)不可避免地出現(xiàn)部分單體發(fā)生過(guò)放現(xiàn)象。針對(duì)存在長(zhǎng)期輕微過(guò)放情況，由于負(fù)極表面和SEI膜的鋰離子全部脫嵌，易引起負(fù)極結(jié)構(gòu)和SEI膜破壞，導(dǎo)致活性物質(zhì)不可逆損失，引發(fā)電池容量過(guò)快衰減的漸變性故障。若發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間深度過(guò)放，會(huì)造成負(fù)極集流體銅箔被氧化溶解后沉積在負(fù)極表面，一方面，影響負(fù)極集流體的電子傳輸能力和阻礙鋰離子的脫嵌，造成電池容量過(guò)快衰減和內(nèi)阻過(guò)快增大的漸變性故障；另一方面，沉積在負(fù)極表面的銅可能刺破隔膜，引發(fā)電池內(nèi)短路、熱失控的突發(fā)性故障風(fēng)險(xiǎn)。此外，深度過(guò)放會(huì)使正極材料過(guò)度嵌鋰，引發(fā)正極材料晶體結(jié)構(gòu)的不可逆破壞，導(dǎo)致電池性能惡化。

（3）　大倍率充放電

隨著電池充放電倍率的增大，產(chǎn)熱速率也會(huì)相應(yīng)增大，容易引發(fā)電池內(nèi)部的放熱副反應(yīng)，增大內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)引起電池?zé)崾Э氐耐话l(fā)性故障。尤其針對(duì)大倍率充電過(guò)程，由于受固相擴(kuò)散速率限制，容易發(fā)生負(fù)極析鋰現(xiàn)象，引發(fā)容量過(guò)快衰減的漸變性故障，并容易誘發(fā)鋰枝晶而引發(fā)內(nèi)短路的安全隱患。

（4）　過(guò)冷

當(dāng)電池處于低溫工作環(huán)境時(shí)，可能會(huì)引起電解液中部分溶劑凝固化，鋰離子遷移/擴(kuò)散速率明顯變小，尤其針對(duì)低溫充電情況，會(huì)出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)與固相擴(kuò)散速率的不匹配，在負(fù)極表面出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，易形成鋰枝晶而引發(fā)隔膜刺破、內(nèi)短路等一系列突發(fā)性故障。

（5）　過(guò)熱

當(dāng)電池處于較高工作環(huán)境溫度時(shí)，會(huì)加大電池內(nèi)部副反應(yīng)速率，如SEI膜分解與再生速率，導(dǎo)致活性物質(zhì)不可逆損失速率加快，引發(fā)電池容量過(guò)快衰減的漸變性故障。在充放電過(guò)程中，若電池工作環(huán)境過(guò)高且產(chǎn)熱速率明顯高于散熱速率，會(huì)觸發(fā)如SEI膜分解、電解液分解、隔膜熔融、電解液分解、正極材料分解等一系列放熱副反應(yīng)，最終引發(fā)電池內(nèi)短路、熱失控等突發(fā)性故障。

（6）　不一致性

在電池制造、篩選成組和使用各個(gè)階段，電池系統(tǒng)內(nèi)各單體間在可用容量、內(nèi)阻、開(kāi)路電壓、自放電率、荷電狀態(tài)等內(nèi)部/外部參數(shù)均會(huì)存在一定程度的不一致性，會(huì)對(duì)系統(tǒng)效率、安全性、使用壽命造成影響。一般地，隨著充放電循環(huán)，由于各單體的老化歷程不同，單體間不一致性往往會(huì)逐漸增大，影響系統(tǒng)整體容量的發(fā)揮。例如，在篩選成組階段，低可用容量單體會(huì)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可能長(zhǎng)時(shí)間滿充滿放，甚至過(guò)充過(guò)放，會(huì)加速其老化過(guò)程，最終導(dǎo)致電池提前失效，整個(gè)電池系統(tǒng)也會(huì)在此過(guò)程中表現(xiàn)出容量過(guò)快衰減的漸變性故障。因此，通過(guò)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的評(píng)估電池系統(tǒng)不一致性，提前識(shí)別并定位故障單體，并實(shí)施針對(duì)性的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，是電池本體故障診斷的又一個(gè)重要內(nèi)容。

由于電池本體故障的引發(fā)機(jī)理復(fù)雜，需要在電

池制造、篩選成組和使用各個(gè)階段實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)控，切實(shí)降低故障隱患，提高電池系統(tǒng)安全性和可靠性，并延長(zhǎng)使用壽命。在電池實(shí)際運(yùn)行階段，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)電、熱管理策略，盡可能避免過(guò)充、過(guò)放、過(guò)冷、過(guò)熱和大倍率充放電等異常操作，以延緩容量衰減和內(nèi)阻增大速率，降低析鋰、微/內(nèi)短路、熱失控等風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)設(shè)計(jì)合理的電池本體故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障單體的精準(zhǔn)提前識(shí)別，可為針對(duì)性的運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)支撐，對(duì)電池系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行有重要意義。

2 鋰離子電池故障診斷方法分類(lèi)

根據(jù)實(shí)時(shí)采集的電流、電壓、溫度等信息，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，并能將故障信息反饋至電池管理系統(tǒng)，以采取必要保護(hù)措施，保障電池系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，故障診斷系統(tǒng)的流程示意如圖1所示。

圖1   故障診斷系統(tǒng)流程圖

目前，鋰離子電池故障診斷診斷方法大致可分為兩大類(lèi)：其一是基于電池模型的故障診斷方法，其二是無(wú)電池模型的故障診斷方法。

2.1　基于電池模型的故障診斷方法

基于電池模型的故障診斷，其關(guān)鍵是建立精確、可靠的電池模型，通過(guò)比較模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的差異，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。目前，電池模型主要包括電化學(xué)機(jī)理模型、等效電路模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型三大類(lèi)。電化學(xué)機(jī)理模型計(jì)算復(fù)雜度高，往往難以適用于實(shí)時(shí)在線計(jì)算，需要實(shí)施模型簡(jiǎn)化后應(yīng)用，其合理簡(jiǎn)化方法有待發(fā)展；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型是一種純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其性能依?lài)于樣本質(zhì)量，外推性能往往難以保證；等效電路模型是一種半經(jīng)驗(yàn)半機(jī)理模型，計(jì)算復(fù)雜度較低，且具有優(yōu)良的預(yù)測(cè)性能，已廣泛地應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)。目前，基于電池模型的故障診斷方法，基本采用等效電路模型，常有兩種策略。

（1）　融合電池模型與參數(shù)估計(jì)方法即可建立正常電池模型

如圖2(a)的一階等效電路模型，通過(guò)在線數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)后，根據(jù)模型參數(shù)對(duì)電池故障進(jìn)行診斷；也可建立電池故障模型，通過(guò)比較實(shí)測(cè)值與故障模型預(yù)測(cè)值是否匹配，實(shí)現(xiàn)此類(lèi)故障的診斷，如通過(guò)建立如圖2(b)所示的包含微/內(nèi)短路故障的等效電路模型，若實(shí)測(cè)電壓值與此故障模型電壓預(yù)測(cè)值基本吻合，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)微/內(nèi)短路故障的有效診斷，并可結(jié)合參數(shù)估計(jì)策略實(shí)現(xiàn)對(duì)微/內(nèi)短路故障的定量診斷。

圖2   電池系統(tǒng)故障診斷方法分類(lèi)

（2）　融合電池模型與狀態(tài)估計(jì)方法

如圖3所 示，以電流作為模型輸入，電壓、溫度作為模型輸出，結(jié)合電壓、溫度的實(shí)測(cè)值，通過(guò)濾波算法獲取電池端電壓、溫度的估計(jì)值，通過(guò)計(jì)算電壓/溫度估計(jì)值與其實(shí)測(cè)值的殘差，對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷，

圖3   （a）鋰離子電池等效電路模型;（b）鋰離子電池內(nèi)短路模型

圖4   基于電池模型與狀態(tài)估計(jì)的故障診斷流程圖

也可利用估計(jì)得到的電池內(nèi)部狀態(tài)，如SOC、內(nèi)部溫度，對(duì)電池故障進(jìn)行診斷?；跔顟B(tài)估計(jì)的故障診斷，其關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)精確、可靠的狀態(tài)空間模型和高效的狀態(tài)估計(jì)方法。

2.2　無(wú)電池模型的故障診斷方法

無(wú)電池模型的故障診斷方法無(wú)需針對(duì)單體電池的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行建模，在線實(shí)施可避免單體電池模型的參數(shù)更新迭代，效率較高；但是，相比基于模型的故障診斷方法，此類(lèi)方法依賴(lài)于樣本數(shù)據(jù)質(zhì)量，外推能力相對(duì)較差，且往往難以給出定量化的診斷結(jié)果?，F(xiàn)有關(guān)于無(wú)電池模型的電池故障診斷方法大致可分為如下三類(lèi)。

（1）　基于統(tǒng)計(jì)分析的故障診斷方法

直接依據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)得到的電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)，利用信息熵、正態(tài)分布等統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析，通過(guò)設(shè)置合理的異常系數(shù)或閾值，實(shí)現(xiàn)電池故障診斷。此類(lèi)方法計(jì)算復(fù)雜度低，執(zhí)行效率高，但往往僅能實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，難以對(duì)故障類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別。

（2）　基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的故障診斷方法

將電池可測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入，電池故障作為輸出，通過(guò)構(gòu)建諸如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[47]、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多模型融合策略等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)故障的在線診斷。此類(lèi)方法的診斷精度往往依賴(lài)于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量，合理利用電池系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，有望獲得較為可靠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。另外，由于離線數(shù)據(jù)往往難以完全覆蓋各種類(lèi)型的故障，需要融合自適應(yīng)在線學(xué)習(xí)策略，以提高故障診斷適應(yīng)性。

（3）　基于專(zhuān)家系統(tǒng)的故障診斷方法

專(zhuān)家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和人機(jī)接口組成，可用于多種故障的檢測(cè)和隔離。知識(shí)庫(kù)是專(zhuān)家系統(tǒng)的核心關(guān)鍵，其質(zhì)量好壞直接決定專(zhuān)家系統(tǒng)的診斷性能。一般地，構(gòu)建知識(shí)庫(kù)的信息來(lái)源主要包括兩方面：其一是基于電池系統(tǒng)故障特征分析的專(zhuān)家領(lǐng)域知識(shí)/規(guī)則；其二是歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障檢修記錄信息。同時(shí)，為保障知識(shí)庫(kù)的適應(yīng)性，在電池系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，需要合理利用運(yùn)行數(shù)據(jù)、檢修記錄等信息，實(shí)施在線更新與優(yōu)化，具備自學(xué)習(xí)能力。推理機(jī)是實(shí)現(xiàn)故障類(lèi)型、發(fā)生時(shí)間/位置預(yù)測(cè)的關(guān)鍵，目前研究大多采用模糊邏輯方法，但由于知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則/模型可能會(huì)相互沖突，需要開(kāi)發(fā)具有自學(xué)習(xí)能力、強(qiáng)魯棒性的決策方法。

3 鋰離子電池系統(tǒng)故障診斷應(yīng)用案例

針對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)故障診斷，現(xiàn)有研究主要集中在不一致性、短路、熱失控、傳感器和連接組件5個(gè)方面的單一故障診斷，僅有少量研究涉及多種故障的聯(lián)合診斷。

3.1　不一致性故障診斷

針對(duì)由大量單體串并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，在實(shí)際使用中，往往需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的主/被動(dòng)均衡控制技術(shù)與熱管理系統(tǒng)，以提高各單體間電壓和溫度的一致性，對(duì)提升電池系統(tǒng)的效率、安全性和使用壽命均有重要意義。但是，受限于目前技術(shù)發(fā)展水平，難以保障電池系統(tǒng)一致性的精確調(diào)控，且在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)某個(gè)/部分單體發(fā)生漸變性或突變性的故障，體現(xiàn)在異常單體與其他正常單體間的電壓、溫度不一致性增大，會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)性能的下降?，F(xiàn)有關(guān)于不一致性故障診斷研究主要基于電池系統(tǒng)實(shí)際歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)建模方法，識(shí)別電壓/溫度故障 單體。

WANG等提出了一種融合香農(nóng)熵與Z分?jǐn)?shù)策略的電池系統(tǒng)電壓/溫度故障診斷方法，通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，表明該方法不僅能有效識(shí)別出異常電壓/溫度的發(fā)生時(shí)間，而且能對(duì)電壓/溫度異常單體進(jìn)行精確定位。針對(duì)實(shí)測(cè)電壓數(shù)據(jù)存在受到噪聲污染的問(wèn)題，SUN等提出了基于小波分析與香農(nóng)熵的串聯(lián)電池組電壓故障診斷方法，通過(guò)電池組充放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，表明該方法能在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓異常單體的有效識(shí)別。基于電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，ZHAO等提出了基于3Σ多層次篩選與反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電池系統(tǒng)電壓故障診斷方法，其中3Σ多層次篩選方法用于建立無(wú)電壓故障指標(biāo)，而反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建故障分布模型，通過(guò)與局部異常因子和聚類(lèi)異常因子分析兩類(lèi)方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的有效性。

需要指出的是，上述各類(lèi)方法僅能識(shí)別出系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中單體出現(xiàn)電壓/溫度異常，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障單體快速定位，但是難以對(duì)引發(fā)電壓/溫度故障的原因進(jìn)行診斷。由于電池本體的電壓/溫度數(shù)據(jù)是由傳感器實(shí)測(cè)得到，對(duì)其分析前首先需要排除傳感器故障影響；同時(shí)，還需要判斷是否由于連接組件故障導(dǎo)致，提前實(shí)施排除。以此為基礎(chǔ)，針對(duì)電池本體的電壓故障，其有可能是與電池組內(nèi)其他單體的可用容量、內(nèi)阻、開(kāi)路電壓、自放電率、荷電狀態(tài)等存在明顯差異而導(dǎo)致，往往需要結(jié)合電池內(nèi)/外參數(shù)辨識(shí)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)引發(fā)電壓故障的原因?qū)嵤┖侠碓\斷。與此類(lèi)似，對(duì)電池本體的溫度故障，其可能由高內(nèi)阻、內(nèi)短路等原因?qū)е拢残枰Y(jié)合電池內(nèi)特性的精準(zhǔn)表征技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)引發(fā)溫度故障的原因診斷。

3.2　短路故障診斷

鋰離子電池發(fā)生短路是引發(fā)熱失控的主要誘因，危害性大，亟需解決短路的提前預(yù)警難題，以提高電池運(yùn)行的安全性。造成電池本體內(nèi)短路的原因很多，在電池制造階段，引入的微量金屬雜質(zhì)、毛刺等會(huì)引發(fā)隔膜刺破而造成內(nèi)短路；在電池使用階段，機(jī)、電、熱濫用會(huì)引發(fā)隔膜撕裂、刺破、收縮坍塌等導(dǎo)致內(nèi)短路。除電池內(nèi)短路外，電池組也會(huì)發(fā)生外部短路，兩者的電流-電壓響應(yīng)具有一定的相似性，實(shí)現(xiàn)兩者的提前區(qū)分有一定難度。對(duì)電池短路故障實(shí)施合理診斷，需要在不同層面解決如下問(wèn)題：① 定性判斷電池是否存在短路；② 定量計(jì)算短路程度，即漏電流/短路電阻的大小；③ 定位短路發(fā)生位置，并區(qū)分內(nèi)/外短路；④ 判斷引發(fā)電池短路的內(nèi)在原因；⑤ 認(rèn)清由短路引發(fā)熱失控的演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，保障安全運(yùn)行。

目前，針對(duì)短路故障研究，主要采用基于電池組模型或單體短路模型的診斷方法。OUYANG等提出了一種基于均值-差異模型的電池組內(nèi)單體短路診斷方法，采用遞歸最小二乘法對(duì)模型參數(shù)實(shí)施估計(jì)，綜合考慮電壓差和內(nèi)阻特征參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)短路故障的診斷。GAO等提出了一種基于均值-差異模型與擴(kuò)展卡爾曼濾波的電池短路定量診斷方法，通過(guò)離線建立包括SOC與內(nèi)阻差異的電池模型，在擴(kuò)展卡爾曼濾波算法實(shí)施電池組內(nèi)SOC差異估計(jì)基礎(chǔ)上，采用遞歸最小二乘方法得到短路電阻，通過(guò)外接電阻的串聯(lián)電池組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，結(jié)果表明所提方法能對(duì)短路電阻實(shí)施精確估計(jì)。CHEN等提出了一種基于一階等效電路模型的電池外短路故障診斷方法，通過(guò)比較實(shí)測(cè)端電壓值與離線構(gòu)建的外短路電池模型端電壓值，若兩者吻合良好，表明電池存在外短路故障。YANG等提出了一種基于分?jǐn)?shù)階模型的電池外短路故障診斷方法，通過(guò)與文獻(xiàn)[37]方法的性能比較，結(jié)果表明基于分?jǐn)?shù)階模型的方法具有更高故障診斷精度；還通過(guò)建立隨機(jī)森林模型，對(duì)外短路電池是否伴隨漏液進(jìn)行了診斷。FENG等提出了一種基于電池模型和參數(shù)/狀態(tài)估計(jì)的電池短路診斷方法，基于實(shí)測(cè)電壓和溫度數(shù)據(jù)，識(shí)別出表征各單體過(guò)度容量損失的SOC值和異常產(chǎn)熱的內(nèi)阻，并基于電池組SOC和內(nèi)阻信息，設(shè)計(jì)了不同失效層級(jí)的短路故障診斷策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確估計(jì)短路電阻，并實(shí)現(xiàn)熱失控的提前預(yù)警。

部分研究采用了基于非模型的電池短路故障診斷方法。KONG等提出了一種基于充電電壓曲線變換的電池短路定量診斷方法，通過(guò)將電池充電曲線與基準(zhǔn)曲線實(shí)施匹配，得到不同單體間剩余充電量的差異，進(jìn)而獲得各單體的漏電流與微短路電阻大小；利用外接短路電阻實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法在電池組出現(xiàn)老化以及不同充電模式下，均能較為精準(zhǔn)估計(jì)出微短路電阻。XIA等提出了一種基于電壓曲線相關(guān)性的電池短路故障診斷方法，采用遞歸移動(dòng)窗口相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了短路故障的在線檢測(cè)，結(jié)果表明該方法對(duì)存在電池組SOC和SOH不一致性的情況，仍能對(duì)初始階段的短路進(jìn)行有效識(shí)別。

需要指出的是，針對(duì)電池內(nèi)/外短路的故障診斷，現(xiàn)有研究還未能夠有效地定位出短路發(fā)生位置，對(duì)如何區(qū)分內(nèi)短路和外短路兩類(lèi)故障還有待進(jìn)一步研究。對(duì)內(nèi)短路和外短路，兩者體現(xiàn)出一定程度相似的電壓響應(yīng)特性，但兩者在產(chǎn)熱特性會(huì)有明顯差異，基于現(xiàn)有方法，結(jié)合精準(zhǔn)的熱模型，綜合利用電壓、溫度響應(yīng)信息，有望解決電池短路故障類(lèi)型的精確識(shí)別。同時(shí)，需要在認(rèn)識(shí)電池本體內(nèi)短路的演化機(jī)制基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升微/內(nèi)短路的識(shí)別精度和效率，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，切實(shí)保障電池的高安全 運(yùn)行。

3.3　熱故障診斷

操作溫度對(duì)電池性能影響顯著，若電池處于高溫操作，易引起可用容量的快速衰減；受限于現(xiàn)有熱管理系統(tǒng)技術(shù)，往往難以保證電池組內(nèi)各單體溫度的均一化，其中的高溫單體老化速率加快，會(huì)加劇不一致性。在極端情況下，高溫操作會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部放熱副反應(yīng)加劇，顯著影響電池使用壽命，甚至引起隔膜收縮坍塌，導(dǎo)致內(nèi)短路，最終可能引發(fā)熱失控，并伴隨電池泄露、燃燒、爆炸、冒煙、脹氣等現(xiàn)象發(fā)生。因此，在認(rèn)清溫度對(duì)電池性能影響規(guī)律基礎(chǔ)上，發(fā)展高效的電池?zé)峁收显\斷技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)熱失控提前預(yù)警有重要作用，以保證電池系統(tǒng)的高安全、長(zhǎng)壽命運(yùn)行。近年來(lái)，大容量電池單體在電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，但是隨著單體容量增大，電池實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的內(nèi)芯溫度和表面溫度差異也會(huì)增大，尤其對(duì)高倍率充放電過(guò)程，其內(nèi)芯和表面的溫度差異更為顯著。一般地，對(duì)商用鋰離子電池，受成本和技術(shù)限制，往往難以通過(guò)預(yù)埋熱電偶等技術(shù)實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)芯溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。因此，發(fā)展精確、可靠的電池內(nèi)芯溫度實(shí)時(shí)估計(jì)方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁收系暮侠碓\斷有重要意義。

目前針對(duì)電池內(nèi)芯溫度估計(jì)方法開(kāi)展的研究，前期主要面向圓柱形鋰離子電池。LIN等在建立電池徑向集總熱模型基礎(chǔ)上，采用了基于最小二乘法的模型參數(shù)辨識(shí)策略，實(shí)現(xiàn)了模型參數(shù)與內(nèi)芯溫度的在線估計(jì)；并在考慮內(nèi)阻與溫度影響關(guān)系基礎(chǔ)上，還提出采用了一種融合非均勻遺忘因子的最小二乘法，以保證方法長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。RICHARDSON等提出了一種基于電化學(xué)阻抗譜和表面溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的內(nèi)芯溫度估計(jì)方法，不依賴(lài)于電池?zé)崽匦?、產(chǎn)熱速率和熱邊界條件等機(jī)理知識(shí)，具有計(jì)算效率高和魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過(guò)內(nèi)置熱電偶實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法有效性。KIM等采用雙卡爾曼濾波方法，基于表面溫度、環(huán)境溫度、電流和電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可合理地估算出電池內(nèi)芯溫度和對(duì)流系數(shù)，并可得到在未知冷卻條件下圓柱形電池的徑向溫度分布?；趫A柱形電池內(nèi)芯溫度估計(jì)，可實(shí)施不同類(lèi)型的熱故障診斷。DEY等在建立考慮內(nèi)部導(dǎo)熱的電-熱耦合模型基礎(chǔ)上，提出采用LUENBERGER觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流冷卻內(nèi)阻、內(nèi)部熱阻和熱失控三類(lèi)典型熱故障的有效診斷。在此基礎(chǔ)上，DEY等融入了內(nèi)阻與溫度的耦合關(guān)系，提出采用非線性觀測(cè)器，并設(shè)計(jì)了考慮不確定性的自適應(yīng)閾值設(shè)定策略，提升了所提方法的魯棒性和適用性，通過(guò)商業(yè)鋰離子電池試驗(yàn)，驗(yàn)證了熱故障診斷方法的有效性。

近年來(lái)，由于大容量方形電池逐漸開(kāi)始大量應(yīng)用，在實(shí)際運(yùn)行中其溫度分布往往更不均勻，且內(nèi)/外溫差更大，亟需發(fā)展其內(nèi)芯溫度估計(jì)方法。與圓柱形鋰離子電池研究類(lèi)似，SUN等和ZHANG 等通過(guò)構(gòu)建與文獻(xiàn)相似的熱模型，采用卡爾曼濾波方法，實(shí)現(xiàn)了方形電池內(nèi)芯溫度的在線估計(jì)?？紤]到方形電池內(nèi)部不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)差異與外部不同表面的散熱系數(shù)差異，DAI等提出了一種基于等效電路模型與等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型相耦合的建模策略，結(jié)合自適應(yīng)卡爾曼濾波，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)芯溫度估計(jì)，并通過(guò)內(nèi)置熱電偶實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性。但是，基于內(nèi)芯溫度估計(jì)的方形電池不同類(lèi)型熱故障診斷研究，未見(jiàn)相關(guān)報(bào)導(dǎo)，有待進(jìn)一步研究。

需要指出的是，引發(fā)熱故障的內(nèi)在成因很多，既有電池本體的微/內(nèi)短路形成、內(nèi)阻過(guò)快增大、內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)降低等故障引發(fā)，也有外部冷卻系統(tǒng)故障引發(fā)。引發(fā)熱故障后的外在表現(xiàn)為電池溫度不正常升高，甚至觸發(fā)熱失控導(dǎo)致安全問(wèn)題。因此，要實(shí)現(xiàn)合理的熱故障診斷，需要對(duì)熱故障引發(fā)機(jī)制有深入的認(rèn)識(shí)，結(jié)合短路、一致性等其他類(lèi)型故障診斷結(jié)果，并開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)電-熱模型和高效狀態(tài)估計(jì)/故障診斷方法，有望實(shí)現(xiàn)熱故障的提前預(yù)警和類(lèi)型診斷，為電池高安全、長(zhǎng)壽命運(yùn)行提供保障。

3.4　傳感器故障診斷

精確、可靠的電壓、電流和溫度實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)BMS中狀態(tài)估計(jì)、充放電控制、均衡控制等功能的基礎(chǔ)，若發(fā)生傳感器故障，會(huì)影響B(tài)MS的正常工作，甚至發(fā)生失效，導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化，甚至引發(fā)安全問(wèn)題。

目前，針對(duì)傳感器故障診斷，大部分面向電流和電壓傳感器開(kāi)展故障診斷研究。MARCICKI等提出采用非線性奇偶方程法構(gòu)建診斷模型，通過(guò)結(jié)合滑模觀測(cè)器與離線電池模型，實(shí)現(xiàn)了單體電流或電壓傳感器故障的檢測(cè)與隔離。CHEN等提出了一種融合降階LUENBERGER觀測(cè)器和學(xué)習(xí)觀測(cè)器的傳感器故障診斷策略，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、分離與估計(jì)，通過(guò)三單體串聯(lián)電池組仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法在電流傳感器故障診斷的有效性。HE等提出了一種基于一階等效電路模型與自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波的串聯(lián)電池組故障診斷技術(shù)，將自適應(yīng)卡爾曼濾波所得電壓估計(jì)值與電壓實(shí)測(cè)值對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了電流和電壓傳感器故障的診斷。LIU等[66]提出一種基于二階等效電路模型與擴(kuò)展卡爾曼濾波的傳感器故障診斷方法，利用估計(jì)電壓與實(shí)測(cè)電壓間的殘差信息，采用統(tǒng)計(jì)推斷方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流或電壓傳感器故障的診斷。在此基礎(chǔ)上，為解決電池組內(nèi)電流/電壓傳感器故障診斷計(jì)算復(fù)雜度高的難題，LIU等提出了對(duì)最高和最低電壓兩個(gè)單體進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，而對(duì)其他單體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間離線診斷的策略，通過(guò)串聯(lián)電池組試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法能對(duì)電池組中的電流、電壓傳感器故障實(shí)現(xiàn)快速定位。此外，針對(duì)電流、電壓和溫度三類(lèi)傳感器實(shí)施同時(shí)故障診斷，DEY等基于一階等效電路—集總熱耦合模型，采用滑模觀測(cè)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電流、電壓和溫度傳感器故障的同時(shí)檢測(cè)、分離與估計(jì)，通過(guò)設(shè)定傳感器偏置試驗(yàn)，對(duì)所提方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

需要指出的是，目前大部分研究?jī)H針對(duì)單體的單個(gè)傳感器故障診斷開(kāi)展研究，對(duì)電池組/電池系統(tǒng)中大量傳感器的故障診斷研究涉及較少，會(huì)大大增加計(jì)算復(fù)雜度，需要開(kāi)發(fā)更加高效的傳感器故障診斷策略。同時(shí)，根據(jù)傳感器故障程度不同，可能出現(xiàn)傳感器漂移、偏差、精度等級(jí)降低、完全失效等多種類(lèi)型，發(fā)展傳感器故障的定量評(píng)價(jià)技術(shù)意義重大。此外，由于電流、電壓和溫度三類(lèi)傳感器的信息會(huì)相互耦合，將增大同時(shí)診斷的難度，有待研究。

3.5　連接組件故障診斷

電池連接組件故障，如螺母、焊點(diǎn)松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接觸內(nèi)阻增加，影響電池系統(tǒng)在高倍率下的功率性能，且會(huì)導(dǎo)致局部產(chǎn)熱量增大，老化速率加快，會(huì)減少剩余使用壽命，并在極端情況下可能會(huì)引發(fā)熱安全事故。

徐等提出了一種基于等效電路建模與參數(shù)估計(jì)的連接組件接觸故障診斷方法，基于電流、電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施模型內(nèi)阻參數(shù)在線估計(jì)，結(jié)果表明對(duì)存在接觸故障的單體，其內(nèi)阻呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)，而對(duì)無(wú)接觸故障的單體，其內(nèi)阻變化較為平穩(wěn)，但該方法未給出定量判定電池出現(xiàn)接觸故障的指標(biāo)。YAO等提出了采用信息熵分析方法，并系統(tǒng)比較了集成香農(nóng)熵、局部香農(nóng)熵和樣本熵三種類(lèi)型信息熵計(jì)算方式，可實(shí)現(xiàn)電池連接組件故障發(fā)生時(shí)間和位置的診斷，結(jié)果表明采用集成香農(nóng)熵策略效果最優(yōu)。電池內(nèi)阻與接觸內(nèi)阻的增加均會(huì)導(dǎo)致電池功率性能的衰退，針對(duì)電池組功率失效的故障診斷問(wèn)題，ZHENG等提出一種基于等效電路模型與香農(nóng)熵的故障診斷方法，采用總體最小二乘法實(shí)現(xiàn)模型中內(nèi)阻參數(shù)的在線估計(jì)，通過(guò)對(duì)三個(gè)月內(nèi)阻數(shù)據(jù)的香農(nóng)熵分析，表明所提方法可對(duì)電池內(nèi)阻和接觸內(nèi)阻兩類(lèi)故障進(jìn)行識(shí)別。

需要指出的是，現(xiàn)有大部分研究是基于電流和電壓信息實(shí)現(xiàn)電池連接組件故障診斷，一般地，電池接觸內(nèi)阻的增加會(huì)增大局部產(chǎn)熱，導(dǎo)致局部溫度升高，利用溫度信息，可能有助于提高連接組件故障的診斷效果。

3.6　多故障聯(lián)合診斷

電池本體、電池管理系統(tǒng)、傳感器、連接組件等均存在發(fā)生故障的隱患，而且多種故障可能會(huì)同時(shí)發(fā)生且相互耦合，會(huì)大大增加故障診斷難度。目前，大部分研究基本針對(duì)某種特定故障開(kāi)發(fā)合適的故障診斷方法，還難以滿足多類(lèi)型故障的同時(shí)診斷需求，例如兩個(gè)串聯(lián)單體間發(fā)生連接故障，測(cè)量電壓發(fā)生異常，前述單一故障診斷方法往往無(wú)法有效判別故障來(lái)源，即是否來(lái)自電池內(nèi)部濫用或是電池連接故障，難以實(shí)現(xiàn)故障類(lèi)型和位置的準(zhǔn)確診斷。

KANG等提出了一種考慮接觸電阻和電壓傳感器可靠性影響的交錯(cuò)連接電壓測(cè)量方法，可適用于串聯(lián)電池組的多故障在線診斷，結(jié)果表明可對(duì)電池系統(tǒng)中的連接組件故障、傳感器故障和電池濫用故障實(shí)現(xiàn)有效診斷。針對(duì)帶有冷卻系統(tǒng)的電池系統(tǒng)，LIU等通過(guò)構(gòu)建等效電路-熱耦合模型，并提出了一種基于結(jié)構(gòu)分析與序貫殘差發(fā)生器的多故障診斷方法，可實(shí)現(xiàn)電流/電壓/溫度傳感器故障、連接組件故障、冷卻系統(tǒng)故障的檢測(cè)與分離。劉文杰等提出了一種基于模糊數(shù)學(xué)和模糊診斷理論的電池故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)阻過(guò)大、電池開(kāi)路、電池老化、電池連接不正常、電池容量偏小和電池充電不足6類(lèi)故障的診斷。

需要指出的是，針對(duì)多種故障的診斷，無(wú)論是基于等效電路模型或電熱耦合模型的模型化方法，還是基于專(zhuān)家系統(tǒng)的非模型化方法，目前均只能實(shí)現(xiàn)少量特定幾種常見(jiàn)故障檢測(cè)、分離與估計(jì)，針對(duì)不常見(jiàn)故障和未在知識(shí)庫(kù)范圍內(nèi)的故障，各種方法的診斷效果仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 挑 戰(zhàn)

針對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)的故障診斷，由于故障種類(lèi)繁多，每種故障的引發(fā)機(jī)制類(lèi)型各異，且各種故障相互耦合，即觸發(fā)某種故障后可能會(huì)引發(fā)其他故障，經(jīng)全面文獻(xiàn)調(diào)研，相關(guān)研究主要存在如下挑戰(zhàn)。

（1）　故障診斷系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)

現(xiàn)有大部分研究?jī)H針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景、特定故障類(lèi)型開(kāi)展，在多故障聯(lián)合診斷方法研究方面相對(duì)較少，并且在涉及大量單體串并聯(lián)組成的模組或系統(tǒng)開(kāi)展在線故障診斷時(shí)，計(jì)算量將急劇增大，現(xiàn)有方法能否滿足實(shí)際應(yīng)用需求，有待驗(yàn)證。因此，需要從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，加強(qiáng)對(duì)故障診斷系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)研究，以提升對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)性。一方面，需要在認(rèn)清發(fā)生不同類(lèi)型故障引發(fā)機(jī)制與危害基礎(chǔ)上，實(shí)施分層分級(jí)，合理設(shè)置故障診斷順序；另一方面，針對(duì)大規(guī)模電池系統(tǒng)，需要在單體、模組和系統(tǒng)三個(gè)層次，開(kāi)展合理的簡(jiǎn)化策略研究，降低故障診斷方法的計(jì)算量，確保故障診斷系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

（2）　故障引發(fā)機(jī)制的深層次診斷

同種故障多引發(fā)原因、多種故障相互耦合是制約實(shí)施精準(zhǔn)、可靠故障診斷的難題，現(xiàn)有大部分研究?jī)H實(shí)施故障檢測(cè)，對(duì)故障分離與故障程度估計(jì)研究相對(duì)較少，尤其缺乏對(duì)故障引發(fā)原因的相關(guān)診斷研究。因此，需要在認(rèn)清各類(lèi)故障引發(fā)機(jī)制與多種故障相互耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，在一定程度上實(shí)現(xiàn)故障類(lèi)型/引發(fā)原因的解耦后，一方面有助于從源頭上采取相應(yīng)防護(hù)措施，避免故障發(fā)生或?qū)撛诠收蠈?shí)施提前防護(hù)；另一方面需要結(jié)合發(fā)展故障分離、故障程度評(píng)估方法，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)故障引發(fā)機(jī)制的深層次診斷。

（3）　熱失控的精準(zhǔn)、提前預(yù)警

電池?zé)崾Э匾蚱淦茐牧Υ?，是學(xué)術(shù)界和工業(yè)屆持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。由于熱失控演化規(guī)律復(fù)雜，在其發(fā)生前隱蔽性強(qiáng)，如何實(shí)現(xiàn)熱失控的精準(zhǔn)、提前預(yù)警，挑戰(zhàn)很大。因此，在認(rèn)清熱失控引發(fā)機(jī)制及演化規(guī)律基礎(chǔ)上，尤其是針對(duì)機(jī)、電、熱濫用情況，認(rèn)清微/內(nèi)短路的演化規(guī)律，開(kāi)發(fā)在多種濫用情況下包含電、熱、機(jī)械等多物理場(chǎng)耦合建模方法，實(shí)現(xiàn)不同熱失控觸發(fā)機(jī)制的特性模型，基此發(fā)展相應(yīng)的熱失控提前預(yù)警方法，以實(shí)現(xiàn)安全事故預(yù)防。

（4）　全生命周期內(nèi)精準(zhǔn)、可靠的故障診斷

在電池制造、成組篩選和使用各個(gè)階段，諸多因素均可能引入電池系統(tǒng)故障隱患或引發(fā)故障；且在電池系統(tǒng)使用階段，隨著單體逐漸老化后，離散度逐漸增大，一致性逐漸變差，各種故障隱患也會(huì)明顯增大。現(xiàn)有大部分研究提出的各類(lèi)電池系統(tǒng)故障診斷方法，基本未在電池全生命周期內(nèi)的故障診斷性能實(shí)施驗(yàn)證，實(shí)際效果及適應(yīng)性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，需要在電池使用階段全生命周期內(nèi)的故障診斷試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)現(xiàn)有電池故障診斷方法的適用性和效果，并需要引入自適應(yīng)學(xué)習(xí)機(jī)制，提高全生命周期內(nèi)故障診斷方法的精準(zhǔn)性和可 靠性。

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