基于云端建立数字孪生技术的汽车电池热失控防范

刘江铎，高山汀，李皓天，张玉龙，周玉宏，赵树朋，田通

（河北农业大学机电工程学院车辆工程系，河北 保定 071000）

0 引言

21世纪以来，全球温度在不断升高，空气污染也呈现严峻形势，人们对环境污染问题也愈加重视。为减少CO2的排放，我国开始大力发展电动汽车。近几年，我国电动汽车行业迅速发展，电动汽车正日益普及。但技术上电动汽车还有不太成熟的地方，比如，电动汽车的电池热失控问题就迟迟不能得到解决。热失控是指产生热量的自增强过程导致的技术设备过热。这种过热通常会使电池内部温度达到120℃以上，然后使其ABS外壳软化，之后引起电池膨胀现象，最后导致设备损坏，且经常引发火灾或爆炸。热失控扩展指的是电池组或系统内部的某个电池单元或者电池组中的隔膜等发生热失控，并触发该电池组单元系统。据了解，我国电动汽车电池问题引发的惨案频频发生，其电池自燃、爆炸等问题限制了很多人购买电动汽车的想法[1-2]。热失控问题是电动汽车发展的一个瓶颈。

1 传统电池管理系统

汽车电池是由大量的电池经过串并联形成的电池组，以此满足汽车动力功率和能量需求。成组后的电池是一个多热源的非稳态传热系统，由于电池的散热条件不同，电池温度场分布会不一致，这种不一致导致电池内阻不一致，进而导致发热量不一致，从而进一步恶化电池的工作环境，以至出现连锁反应，发生热失控。

传统的电池管理系统(BMS)，是一种能够对电池组进行监控和管理的电子装置。该系统可采集电池组的电流、电压、温度等数据并运用SOC、SOH等算法对数据进行分析、计算，进而控制电池的充放电过程，防止出现电池过放或过充问题，实现对电池的保护，提升电池的综合性能，延长电池的使用寿命。

特斯拉和比亚迪的电池管理系统都是目前性能比较优秀的电池管理系统。特斯拉电池管理系统采用主从架构设计，主控制器(BMU)负责高压检测、绝缘检测、高压互锁、接触器控制、对外部通信等功能。从控制器(BMB)负责单体电压和温度检测，并上报BMU。特斯拉通过其强大的BMS系统，可以有效实现超过7000节18650号电池的一致性管理，达到高安全性和可靠性目标。比亚迪锂电池管理系统由管理主机（CPU）、电压与温度采集模块、电流采集模块和通信接口模块组成。UPS电池主机还提供报警和控制输出接口，对过压、欠压、高温、低温、过流、短路等极限情况进行报警和控制输出。该系统还提供RS232和CAN总线接口，可在计算机上直接读取磷酸铁锂电池管理系统上的所有信息[3]。

但从收集到的数据来看，这些电池管理系统存在工作效率较低，管控不及时且不能提前发现和预警一些潜在危险等问题，只有在发生了问题以后才能发出警报，难以对动力电池模组进行动态实时的管理，也无法对动力电池模组进行全方位监控与管理，故而急需找到可以全方位管理控制电动汽车动力电池模组的有效方法。

2 基于云端建立数字孪生技术与汽车电池热失控

数字孪生技术是近年来新出现的一种将实体进行数字化并以此建立相应的物理虚拟模型的技术。随着科技的不断进步，人们希望研发出一种能够真实反映物体状况的虚拟模型技术，再之后人们希望虚体空间中的虚拟事物能与实体空间中的实体事物之间具有一定的联系，也就是说动态实体与虚拟模型之间可以通过联接通道相互传输数据，于是数字孪生的概念就成形了。如今，数字孪生技术主要应用于对物体的全生命周期监测中。数字孪生技术的应用领域与范畴还在不断发展中，由于数字孪生技术引入国内的时间不长，相关技术研发才刚刚开始，有关应用目前也是处于初步探索与实践环节。数字孪生技术在电动汽车领域的应用虽然极为有限，但是其具有很大的应用前景，值得我们去研究和推动[4]。

因此，考虑到现在发展的需求，并根据现在技术发展的程度，笔者团队提出通过数字孪生技术与汽车电池热失控进行相连，此方法由云端大数据支撑，其计算数据多，计算结果快，准，能够提前发现电池问题，并对汽车驾驶员进行反馈，延长安全时间，使其能够安全离开。

此技术由云端技术，大数据技术，数字孪生技术，通信技术等技术为平台进行运作。每个汽车电池单元上都装有监测装置，其监测装置不仅仅监测电池电压、电池温度，还将监测电池老化程度情况、电解液浓度及离子浓度分布、隔膜孔隙率缩小或迁移情况、固体电解质界面膜厚度变化情况、耦合电池热量情况等各种可能影响热失控的数据，并时刻将所监测到的数据通过通信技术传递到云端。云端运用数字孪生技术进行虚拟建模，并不断更新数据改变模型。同时，云端通过SOC、SOH、SOF、SOP等等在大数据技术下运用各种算法进行电池包状态估计与预测。但此过程由云端大数据支持，所需时间短，尽管所需运算量大，但结果依旧精确、全面，能够更准确地反映电池包状况[5]。上述过程会同时持续且不停息地进行，新的数据会不断输送到云端，旧的数据会被新数据代替，使虚拟模型不断改变，更加切合原电池模组的状态。当数据出现在不正常范围时，该系统能够及时监测到并通过已有数据进行下一步预测，如果数据已超出所规定的允许范围，将立即反馈给车上人员，提醒车上人员离开，避免发生意外。

但是，此技术需要依赖于大量的实验数据和良好的云端系统，只有在大量的数据和能够支撑起此运算的云端后台的基础上此技术才可以完美进行，数据越全面，云端后台越完善，其计算范围越广，其计算结果越精确，越全面。云端服务我国已有比较成熟的技术，通过大量的数据在云端平台建立相应的物理模型从而进行电池状况的预测与估计。当建立起相应的云端时，再通过大数据技术，数字孪生技术等使其能够运行，建模，便可实现对电池组状况的全面估计。其次，我们还可以建立相应的手机端APP，我们可以通过此软件向车主发送汽车电池状况，并给出汽车电池所出现的问题以及相应的提示，车主也可以通过此软件对汽车电池温度、电池老化状况等进行查看。当汽车电池温度恢复到正常水平，且在手机APP显示汽车电池安全的状况下，车主可返回驾驶或者根据所反馈的问题与提示的方法进行相对应的操作[6-7]（详见图1）。

图1 基于云端建立数字孪生技术与电池热管理

3 结语

当汽车电池发生爆炸时，时间往往是短暂的，所以提前发现预防热失控就显得十分重要。本文将数字孪生技术与预防汽车电池热失控相结合，虽然实现难度较大，所需工作量比较大，但可行性很高，依据于现有的科学技术水平是完全可以达到的。本文设计的系统是多种技术的结合，相比较于传统的电池管理系统，此方法不仅仅能够实现对电池温度的监测，还可以对每个电池单元进行精细化监测，然后在云端建模型进行模拟预测。该系统可以提前预测到问题的出现，更早地发现问题，提醒车上人员，使其有更多的时间逃离车辆，保证人员的生命安全。