動(dòng)力電池運(yùn)行安全大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用
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叢 書(shū) 名:新能源汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)系列
隨著能源危機(jī)的加劇和碳減排壓力的上升,交通運(yùn)輸業(yè)的新能源轉(zhuǎn)型日益迫切,日益上漲的能量密度為動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性和可靠性帶來(lái)了空前挑戰(zhàn)。本書(shū)介紹了新能源汽車(chē)發(fā)展背景、動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)的應(yīng)用要求;深入分析了動(dòng)力電池不一致性表現(xiàn)形式、發(fā)展規(guī)律及故障模式,闡明了動(dòng)力電池安全性隨不一致性非線(xiàn)性擴(kuò)展的劣化趨勢(shì);系統(tǒng)介紹了動(dòng)力電池溫度、電壓、SOC、SOP、SOE等安全狀態(tài)預(yù)測(cè)和LSTM、GRU、SAM等方法原理與驗(yàn)證過(guò)程;探索并建立了適用于實(shí)車(chē)動(dòng)力電池SOH近似衰退模型;詳細(xì)分析了動(dòng)力電池各種故障類(lèi)型及觸發(fā)原因,提出基于信息熵的故障診斷方法;多角度闡述了動(dòng)力電池安全風(fēng)險(xiǎn),提出離散小波分解和多尺度熵的熱失控風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警算法;基于多模型融合理論提出了面向?qū)嵻?chē)動(dòng)力電池全壽命運(yùn)行周期的安全控制策略。本書(shū)適合新能源汽車(chē)以及動(dòng)力電池開(kāi)發(fā)者、設(shè)計(jì)者、科研工作者和入門(mén)者,可協(xié)助高校、車(chē)企、動(dòng)力電池企業(yè)建立動(dòng)力電池大數(shù)據(jù)分析能力,快速進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與迭代,也可作為相關(guān)院校及科研院所的新能源汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生的參考書(shū)。
1.本書(shū)內(nèi)容來(lái)自于動(dòng)力電池大數(shù)據(jù)分析一線(xiàn),具有較強(qiáng)的實(shí)操性。從動(dòng)力電池的行業(yè)背景開(kāi)始講起,并介紹了動(dòng)力電池工作原理、電池管理系統(tǒng)功能、動(dòng)力電池狀態(tài)估計(jì)、動(dòng)力電池故障診斷、動(dòng)力電池風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、動(dòng)力電池安全控制以及算法基礎(chǔ)。這些對(duì)于沒(méi)有動(dòng)力電池經(jīng)驗(yàn)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)是非常有用的。之后會(huì)沿著動(dòng)力電池大數(shù)據(jù)分析的技術(shù)路線(xiàn),詳細(xì)介紹各個(gè)環(huán)節(jié)中所涉及的技術(shù),算法以及相關(guān)工具。并且在最后展望了動(dòng)力電池安全管理的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及需要解決的問(wèn)題。2.本書(shū)涵蓋了動(dòng)力電池大數(shù)據(jù)分析的全流程,對(duì)于剛進(jìn)入動(dòng)力電池大數(shù)據(jù)技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的人員,可以參考這些章節(jié)補(bǔ)足知識(shí)上的不足;對(duì)于動(dòng)力電池大數(shù)據(jù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)人員,也可以加深對(duì)于其他環(huán)節(jié)的了解,擴(kuò)展知識(shí)面;對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō),可以作為很好的借鑒;對(duì)于高校及企業(yè)研發(fā)人員來(lái)說(shuō),可以作為科研項(xiàng)目選題的參考。
新能源汽車(chē)作為中國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一和國(guó)家重點(diǎn)支撐領(lǐng)域, 產(chǎn)業(yè)應(yīng)用規(guī)模和技術(shù)水平發(fā)展迅速, 累計(jì)銷(xiāo)量和保有量已連續(xù)多年位居全球第一。為了消除消費(fèi)者對(duì)新能源汽車(chē)的安全焦慮, 積極推進(jìn)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池故障診斷和安全控制研究非常必要且迫切。國(guó)內(nèi)外研究人員從動(dòng)力電池故障機(jī)理等基礎(chǔ)理論到安全管控技術(shù)開(kāi)展了系列研究。在故障機(jī)理方面, 以故障特征分析及參數(shù)辨識(shí)方法研究為重點(diǎn); 在故障診斷預(yù)警方面, 開(kāi)展了從單體、模組到系統(tǒng)的故障診斷和熱失控預(yù)報(bào)警方法研究;在安全管控方面, 開(kāi)展了安全控制方法和安全防護(hù)設(shè)計(jì)研究。然而, 由于實(shí)車(chē)動(dòng)力電池采樣數(shù)據(jù)稀疏、特征參數(shù)耦合、動(dòng)態(tài)載荷多變、非線(xiàn)性和時(shí)變性強(qiáng)等問(wèn)題的制約, 上述研究均未能有效規(guī)避新能源汽車(chē)安全事故的發(fā)生, 具備高效率智能防控和高質(zhì)量決策輸出能力的實(shí)車(chē)動(dòng)力電池安全防控體系尚未建立。本書(shū)綜合了作者多年研究成果, 對(duì)動(dòng)力電池運(yùn)行安全大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。第1 章介紹了新能源汽車(chē)及動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀;第2 章闡述了動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性與一致性耦合機(jī)制相關(guān)研究; 第3 章論述了動(dòng)力電池SOH 估計(jì)與預(yù)測(cè)相關(guān)研究成果; 第4 章展示了動(dòng)力電池安全狀態(tài)預(yù)測(cè)方法;第5 章深入介紹了動(dòng)力電池典型故障機(jī)理及故障診斷方法; 第6 章介紹了實(shí)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)多級(jí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警策略; 第7 章系統(tǒng)總結(jié)和分析了動(dòng)力電池系統(tǒng)常見(jiàn)的安全問(wèn)題及其解決思路, 提出了面向?qū)嵻?chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)全壽命運(yùn)行周期的安全控制策略。除了相關(guān)技術(shù)說(shuō)明和闡述, 本書(shū)還使用了大量圖片、表格、公式來(lái)幫助說(shuō)明, 力圖降低本書(shū)技術(shù)內(nèi)容的理解難度, 讓讀者更樂(lè)于閱讀。感謝我的博士導(dǎo)師王震坡教授對(duì)本書(shū)編寫(xiě)工作的指導(dǎo), 他的鼓勵(lì)讓我有動(dòng)力將多年的研究工作總結(jié)出來(lái), 并以專(zhuān)著的形式呈現(xiàn)給各位同仁和廣大讀者。另外, 博士生孫旭東、李仁政、張景涵、山彤欣、楊健、張震、杜善霄, 碩士生楊海旭、張昕陽(yáng)、張華欽、梁峰偉等在資料整理等方面提供了幫助, 在此對(duì)他們表示衷心的感謝。但是, 由于相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展迅速, 技術(shù)方向依然在探討, 因此本書(shū)還存在很多不足, 希望廣大讀者和同仁批評(píng)指正。更希望本書(shū)能夠拋磚引玉, 增進(jìn)大家的溝通和交流, 共同探索大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方案在新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)安全控制領(lǐng)域的應(yīng)用潛力, 解決行業(yè)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)問(wèn)題。洪吉超2022 年于北京科技大學(xué)
叢書(shū)序序前 言第1 章 概 述1.1 新能源汽車(chē)發(fā)展背景/ 0011.1.1 新能源汽車(chē)發(fā)展的必要性/ 0011.1.2 新能源汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀/ 0021.1.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性/ 0031.1.4 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)/ 0041.2 動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)的應(yīng)用要求/ 0051.2.1 純電動(dòng)汽車(chē)/ 0051.2.2 混合動(dòng)力汽車(chē)/ 0081.2.3 插電式混合動(dòng)力汽車(chē)/ 0111.2.4 燃料電池汽車(chē)/ 0131.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀/ 0141.3.1 動(dòng)力電池失效模式及故障機(jī)理/ 0141.3.2 動(dòng)力電池安全性與一致性耦合/ 0241.3.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全狀態(tài)預(yù)測(cè)/ 0251.3.4 動(dòng)力電池故障診斷與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警/ 0311.3.5 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全控制管理/ 0341.4 當(dāng)前研究存在的問(wèn)題與不足/ 0351.5 本書(shū)主要研究?jī)?nèi)容/ 037第2 章 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性與一致性耦合機(jī)制研究2.1 概述/ 0382.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理/ 0392.2.1 動(dòng)力電池的發(fā)展背景/ 0402.2.2 動(dòng)力電池原理與分類(lèi)/ 0412.2.3 磷酸鐵鋰電池/ 0422.2.4 三元鋰電池/ 0432.3 實(shí)車(chē)動(dòng)力電池運(yùn)行大數(shù)據(jù)特征分析/ 0442.3.1 大數(shù)據(jù)平臺(tái)介紹/ 0442.3.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)大數(shù)據(jù)特征分析/ 0452.4 動(dòng)力電池系統(tǒng)不一致性分析/ 0472.4.1 動(dòng)力電池系統(tǒng)不一致性的表現(xiàn)形式/ 0472.4.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)不一致性的發(fā)展規(guī)律/ 0492.5 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性與一致性的耦合機(jī)制/ 0512.5.1 動(dòng)力電池一致性和安全性的耦合關(guān)系/ 0512.5.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)不一致性的改進(jìn)措施/ 0532.6 動(dòng)力電池一致性及剩余價(jià)值評(píng)估技術(shù)/ 0542.6.1 動(dòng)力電池梯次應(yīng)用性能檢測(cè)現(xiàn)狀/ 0542.6.2 動(dòng)力電池大數(shù)據(jù)健康度評(píng)估原理/ 0552.7 本章小結(jié)/ 058第3 章 動(dòng)力電池SOH 估計(jì)與預(yù)測(cè)3.1 概述/ 0593.2 動(dòng)力電池衰退機(jī)理及外特性研究/ 0593.2.1 動(dòng)力電池衰退機(jī)理/ 0593.2.2 動(dòng)力電池外特性參數(shù)及表征方法/ 0603.3 SOH 定義/ 0613.3.1 SOH 定義/ 0613.3.2 SOH 估計(jì)與SOH 預(yù)測(cè)/ 0613.4 實(shí)車(chē)動(dòng)力電池SOH 估計(jì)/ 0623.4.1 SOH 特征值提取方法/ 0623.4.2 SOH 損耗量提取技術(shù)/ 0633.4.3 SOH 損耗量估計(jì)/ 0643.4.4 SOH 估計(jì)結(jié)果分析/ 0663.5 實(shí)車(chē)動(dòng)力電池SOH 預(yù)測(cè)/ 0693.5.1 老化特征提取/ 0693.5.2 SOH 預(yù)測(cè)模型/ 0753.5.3 使用實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)的模型驗(yàn)證/ 0813.5.4 SOH 預(yù)測(cè)結(jié)果分析/ 0833.6 本章小結(jié)/ 086第4 章 動(dòng)力電池安全狀態(tài)預(yù)測(cè)4.1 概述/ 0874.2 動(dòng)力電池SOS 預(yù)測(cè)/ 0874.2.1 溫度預(yù)測(cè)/ 0874.2.2 電壓預(yù)測(cè)/ 0994.2.3 SOC 預(yù)測(cè)/ 1204.2.4 SOP 預(yù)測(cè)/ 1324.2.5 SOE 預(yù)測(cè)/ 1354.3 SOS 聯(lián)合估計(jì)/ 1374.3.1 基于LSTM 的多狀態(tài)聯(lián)合預(yù)測(cè)模型/ 1374.3.2 超參數(shù)優(yōu)化及預(yù)測(cè)結(jié)果分析/ 1414.3.3 結(jié)果驗(yàn)證與分析/ 1474.4 本章小結(jié)/ 151第5 章 動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷研究5.1 概述/ 1535.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)故障機(jī)理及診斷方法/ 1545.2.1 動(dòng)力電池系統(tǒng)故障機(jī)理分析/ 1545.2.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)故障診斷方法/ 1565.3 基于MOSE 的電壓類(lèi)故障診斷/ 1605.3.1 MOSE 算法/ 1605.3.2 診斷策略及效果驗(yàn)證/ 1615.4 基于MOSE 的溫度類(lèi)故障診斷/ 1725.4.1 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)/ 1725.4.2 診斷策略及效果驗(yàn)證/ 1735.5 基于MOSE 關(guān)鍵計(jì)算因子與診斷效果的研究/ 1825.6 本章小結(jié)/ 183第6 章 動(dòng)力電池系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究6.1 概述/ 1846.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析/ 1846.2.1 動(dòng)力電池系統(tǒng)失效模式/ 1846.2.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)/ 1886.3 基于MMSE 的動(dòng)力電池系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警/ 1896.3.1 MMSE 算法/ 1896.3.2 基于振動(dòng)掃頻實(shí)驗(yàn)的連接失效預(yù)警/ 1926.3.3 基于實(shí)車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警/ 1976.3.4 基于MMSE 關(guān)鍵計(jì)算因子與診斷效果的研究/ 2046.4 基于NDWD 的動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警/ 2046.4.1 時(shí)頻轉(zhuǎn)換算法/ 2046.4.2 事故特征描述/ 2086.4.3 預(yù)警結(jié)果分析/ 2156.5 本章小結(jié)/ 218第7 章 動(dòng)力電池安全控制策略研究7.1 概述/ 2207.2 動(dòng)力電池安全問(wèn)題分析/ 2207.2.1 動(dòng)力電池安全問(wèn)題及解決方案/ 2207.2.2 動(dòng)力電池安全管理方案四維分析/ 2237.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)多故障早期協(xié)同預(yù)警/ 2297.3.1 電壓類(lèi)故障/ 2297.3.2 溫度類(lèi)故障/ 2357.3.3 多故障早期協(xié)同診斷策略/ 2397.4 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全控制策略/ 2407.4.1 多模型融合方法/ 2407.4.2 基于多模型融合的安全控制策略/ 2437.5 本章小結(jié)/ 244參考文獻(xiàn)