邱健蓄电池电动汽车锂离子电池系统故障诊断与容错控制的进展：理论与实时方法
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邱健蓄电池 发布时间：2026-04-13 20:15:40 点击： 次
电动汽车的快速普及提高了对可靠、安全且高性能锂离子电池（LIBs）的需求。锂离子电池的故障和缺陷可能导致严重失效、缩短使用寿命并带来安全隐患，因此准确的故障检测与诊断至关重要。本综述论文全面分析了电动汽车用锂离子电池故障诊断与容错控制策略的最新研究进展。本文考察了基于模型与非模型的诊断方法，涵盖电化学建模、信号处理、人工智能及机器学习技术。同时，针对锂离子电池（LIBs）系统的故障检测与诊断方法最新进展进行评述，着重分析其优势与局限性。研究特别关注电池本体、组件、传感器、执行器、集成电池管理系统等领域的当代技术突破及相关挑战。
引言
锂离子电池（LIBs）通常由正极、负极、电解质和隔膜组成。钴酸锂、磷酸铁锂和镍锰钴酸锂是常见的正极材料[1]。锂离子电池的构型包括圆柱电池、软包电池和方形电池。圆柱电池因其耐用性和可制造性而受到青睐，并主要由特斯拉采用[2]。
锂离子电池（LIBs）因其卓越的能量密度、长循环寿命及相较于其他电池类型的轻量化特性，已成为电动汽车（EVs）核心储能技术[3][4]。随着全球各国政府倡导可持续能源与减少温室气体排放[5]，电动汽车市场需求持续攀升。索尼公司于1990年代前十年率先将锂离子电池（LIB）技术商业化应用于消费电子设备[6][7]。由于对更清洁、更高效能源的需求推动[8]，该技术迅速转向汽车领域，并随着电动交通的兴起加速发展。以特斯拉、日产和通用汽车为代表的领先制造商率先在电动汽车中应用锂离子电池（LIBs），并持续提升其性能、容量与安全特性[9]。
车载电池系统主要由锂离子电池（LIBs）、连接器、热管理系统、数据采集传感器、电池管理系统（BMS）等组成[10]。图1展示了该电池系统的工作原理示意图。如图所示，电池系统的工作过程通过能量流与数据流的协同整合，确保运行安全高效。电池组负责能量供给与存储，传感器则实时监测温度、电压、电流等关键参数。这些测量数据为温度管理、状态估计、故障诊断及安全管理提供支持，从而维持最佳性能并预防潜在风险。能量管理单元负责在电池组、车辆负载与充电装备之间进行电力调配，同时数据通信网络将所有子系统与车辆控制单元相连以实现协同运作[11]。通过这些协同机制，系统能够实现可靠的能源输送、高效的热管理、故障检测以及与车辆控制系统的安全交互。
电动汽车持续使用锂离子电池(LIBs)存在诸多问题，包括热管理与安全隐患、成本及原材料供应等[12]。锂离子电池在运行过程中可能引发热失控与火灾[13]。为缓解这些风险，电池组配备了先进的温度管理技术。目前正在研究创新型冷却方式与阻燃材料以提升安全性。锂离子电池的高成本主要受原材料价格影响，尤其是锂、钴和镍[14]。汽车行业正致力于减少对钴等昂贵资源的依赖，同时回收技术在供应链中的作用日益重要[15]。
锂离子电池（LIBs）中的故障与缺陷可能导致性能衰减、寿命缩短，乃至热失控等灾难性失效[16]。因此，电动汽车（EVs）的可靠性、安全性和使用寿命取决于对故障与缺陷的准确诊断[17]。
安全性是处理锂离子电池时的首要考量，尤其在电动汽车领域——其电池组规模庞大且蕴含大量能量。内部短路（ISCs）或电解液泄漏等缺陷可能引发热失控，这种电池过热状态可导致爆炸或火灾[18]。通过检测早期预警信号并采取受控关断、电流限制或冷却等预防措施，精准的故障分析能有效避免灾难性失效[19]。
存在缺陷的锂离子电池（LIBs）会缩短电动汽车续航里程、延长充电时间并降低整车性能。精确诊断有助于及时进行维修或更换，从而确保车辆性能处于最优状态。
作为电动汽车的核心成本部件，锂离子电池寿命优化对整车经济性至关重要。故障诊断技术能够在电解液分解、锂析出或电极劣化等问题对电池健康状态产生严重影响前及时识别。通过采取纠正措施可有效延长电池使用寿命并减少进一步损伤，从而降低高昂的电池更换需求[20]。
本综述在锂离子电池安全性、诊断与可靠性研究领域做出三项具体贡献。首先，提出了一种面向子系统的分类体系，涵盖电芯、组件、传感器、执行器以及电池管理系统（BMS）硬件与软件的故障类型。这一框架填补了现有综述文献的空白——当前研究多仅聚焦于电芯级故障或诊断方法，而本体系提供了统一的结构化分析范式。
其次，本研究创新性地将故障机理、诊断方法与容错控制（FTC）技术整合至统一框架。通过明确建立物理故障/硬件缺陷与可观测指标之间的关联映射，系统阐释了相应的故障检测与诊断（FDD）方法及FTC技术如何实现故障缓解。
第三，本综述着重强调实时可行性与轻量化实现方案。研究聚焦近五年来的技术进展，同时考量汽车级BMS平台的计算限制与嵌入式部署需求。这些要素共同界定了本综述的原创性研究范围、深度与视角，使其与既往文献综述形成鲜明区分，凸显其对学术界与工业界研究人员的双重价值。
