安全电动汽车的预测和健康管理

可持续发展目标和向绿色世界迈进的努力导致电动汽车(ev)的采用、需求和市场呈指数级增长。电动汽车在促进脱碳和绿色交通方面发挥着至关重要的作用;因此，汽车行业正在投资技术，开发和生产各种电动汽车，插电式混合动力汽车(phev)，电池电动汽车(bev)，燃料电池电动汽车(bev)和太阳能电动汽车(bev)。所有这些车辆主要依赖于配备不同尺寸和容量组件(电机、电池等)的电动动力系统，这些组件具有插电式充电、车载电力生产和再生能力。

随着电动汽车领域的创新和研究带来新技术，更复杂的硬件和软件架构正在被引入。通过实时监控、故障诊断、故障预测和健康管理，提高电动汽车的操作、可靠性、安全性和可用性的需求很大。然而，原始设备制造商和供应商正在努力将可靠和耐用的产品推向市场。虽然电动汽车行业正在不断发展和研究，但充电基础设施缺乏、里程焦虑和安全等挑战正在减缓电动汽车的普及。

电动汽车行业面临的挑战

汽车爱好者一直在寻求电动汽车领域的新增强和新功能。碳排放的增加、化石燃料(汽油和柴油)储备的枯竭，以及全球地缘政治紧张局势导致的燃料价格飙升，正越来越多地促使消费者考虑电动汽车。虽然供应链短缺并没有影响电动汽车市场的增长，但为了满足不断增长的需求，需要解决一些严重的问题:

增加复杂性

需求的增长与系统和控制的复杂性成正比。电动汽车行业的持续发展意味着汽车工程师在设计电动汽车时将面临新的挑战。从设计、安全性、耐用性到性能和效率，整体架构需要一定的构建和灵活的功能来实现最佳利用。

传统诊断的缺陷

车辆停机是不可避免的。一个强大的诊断方法可以帮助实时检测故障，并提供方法来减轻路上的意外中断。在重大故障发生之前做出反应对oem来说非常重要，这样可以避免召回和多次访问车间可能带来的巨大损失。

安全

安全是电动汽车消费者非常关心的问题。每天我们都会遇到电动汽车随意起火的令人震惊的事件，这引发了人们对这些量产汽车质量的严重质疑。更高密度的电池和新型E/E架构确保了未来车辆系统的复杂性，安全性也成为人们关注的焦点。

可靠性和耐久性

到2030年，道路上的电动汽车数量预计将增加到5000万辆左右，而年销量预计将达到1000万辆，2022年至2030年的复合年增长率将达到49%。因此，上市时间是电动汽车发展的一个极其重要的因素。然而，考虑到电动汽车的日益普及，在短时间内推出新产品和增强功能对制造商来说是一个重大挑战。

更高的维护成本

尽管电动汽车呈指数级增长，但处理故障/问题的专业知识却滞后。在电动汽车行业，寻找训练有素的技术人员提供优质服务是一项巨大的挑战。因此，消费者和制造商发现很难根据报告的诊断故障代码(DTC)确定故障/问题的来源。这将导致不充分或错误的诊断，从而导致更高的维护成本和延误。

性能和效率

持续监控和维护组件的运行状况至关重要，尤其是对于机队而言。这有助于避免不必要的或计划外的维护，并使供应链与不断增长的需求保持同步。

电动汽车的诊断、预测和健康管理

诊断是基于观察到的症状和模式对系统当前(和过去)健康状况的评估。它处理故障检测、隔离和故障发生时的识别。

预后是对未来健康状况的评估。它确定故障是否即将发生，提供故障发生的速度和可能性的估计，并在监视运行状况的过程中预测其剩余使用寿命(RUL)、退化等。

健康管理利用预测信息做出与安全、基于状态的维护、库存和产品寿命延长相关的决策。

预测和健康管理(PHM)允许评估系统在其实际生命周期条件下的可靠性。

从诊断到预测

传统的基于燃烧/火花点火发动机的车辆专注于各自的柴油/汽油发动机和排气后处理系统，而对变速器的重视程度较低。数据通常根据这些车辆的行业标准通过OBD(车载诊断端口)端口提取。另一方面，电动汽车不受这些标准的限制。除了混合动力系统外，大多数纯电动车型都没有OBD接口。电动汽车的主要关注点是电池，这是一个主要部件，产生了最多的未知变量。除了关注电池相关问题外，电动汽车还包括电机系统、逆变器、车载充电器、DCDC转换器、电子控制系统等，这些也是安全关键系统，并对性能、效率、安全性和寿命进行监控。

传统的诊断方法可以确保及时发现和识别故障，从而帮助执行立即恢复策略，从而在“软回家”模式下继续安全运行。然而，预测有助于做出明智的预测、进行性能评估、开发退化模型和分析退化模式。实现全面的预测能力，尽早预测可能出现的故障，这也有助于准确评估RUL，将使原始设备制造商和供应商在将电动汽车推向市场时具有优势。

为什么预测?

网络连接和车辆通信处于优先地位，尤其是在电动汽车领域。电动汽车的通信能力可以通过实时数据流对由于路况不佳而可能发生的事故进行早期预警，并生成车辆部件和系统的报告。这在安全性、可靠性、车辆管理、维护、经济性、部件和系统的寿命以及整体车辆方面提供了巨大的好处。

预测提供了几个优势。使用正确的预测分析解决方案，可以实现以下目标:

• 将车辆停机时间减少到几乎为零
• 从基于状态的维护转变为基于时间的维护
• 维修调度中的最优决策
• 库存和备件的最优规划
• 提高部件、系统和车辆整体的安全性和可靠性
• 提高部件/车辆的性能和使用寿命
• 减少质保索赔，节约成本
• 通过分析收集的历史和测试数据，支持更快的产品开发周期

预测是如何做出的?

部件/系统寿命的预测基于三种方法:

• 基于物理模型的方法
• 数据驱动的方法
• 融合方法

电动汽车PHM系统的主要功能是信息采集(数据捕获)、故障检测、故障诊断、故障预测和健康管理。

数据采集:采集传感器数据，整合工厂参数，对所有数据进行测试，包括电动汽车的实时行驶数据，形成健康管理数据库。

数据通信:来自传感器/车辆的数据被收集并通过基于WAN或lan的通信平台从远程信息处理和边缘设备发送到云设施。

数据评估与预测:确定组件的性能退化状态，如正常状态、性能退化状态或功能失效状态，并预测它们可能失效的时间。

健康管理:根据故障检测、故障诊断、故障预测等信息，对电池、电机等部件进行状态维护决策。

从诊断转向预后的挑战

网联汽车并不是一个新概念，在引入先进技术方面已经进行了大量的研究和开发。然而，汽车行业的大多数参与者仍在从诊断转向预测。

网联汽车并不是一个新概念，在引入先进技术方面已经进行了大量的研究和开发。然而，汽车行业的大多数参与者仍在从诊断转向预测。

• OEM和一级电动汽车公司之间在数据交换方面的合作，以便一级电动汽车公司可以帮助为其子系统构建预测。
• 需要改变车载通信架构和子系统架构，以产生故障模式场景。
• 在执行相关分析以构建预测模型时，从另一个子系统到第1层的竞争对手进行数据交换时遇到的困难。
• 边缘网关的关键故障处理，因为并非所有场景都可以等待后端决策。

综合车辆健康管理(IVHM)

IVHM是指系统的统一能力，用于评估成员系统当前或未来的健康状态，并将其集成到可用资源和操作需求的框架中(由SAE的IVHM指导委员会定义)。为了方便和成功地实施IVHM, SAE国际制定了一项标准:SAE JA6268．本标准旨在提供统一的要求、实践和方法，以共享关键组件/子系统的设计时信息，促进实时平台级通信，并实现补充的IVHM功能。

从历史上看，组件供应商只在诊断模式下运作，只在发生故障时才专注于检测和识别根本原因。但是，对于IVHM或预测范例，供应商还必须启用运行状况监视和跟踪系统退化严重程度，以防止给定组件经历未报告的退化，以致超出其操作性能范围。

释放IVHM潜力的关键是提供适合健康的组件。健康就绪组件是供应商提供的组件或子系统，这些组件或子系统已被增强以监控和报告其健康状况，或者供应商向集成商提供了足够的信息，以便通过车辆上已有的高级系统准确评估组件的健康状况。

SAE的IVHM标准委员会定义了IVHM能力水平的进展，如下表所示。

上述水平并不意味着市场引入的特定顺序。元素表示每个级别的最小而不是最大系统能力。一个系统可能有多个IVHM特性，根据所使用的特性以不同的能力级别运行。汽车行业的目标是达到SAE定义的IVHM能力3级和4级。

此外，SAE国际还建立了一个全球性的HRCS(健康就绪组件和系统)/IVHM(集成车辆健康管理)社区，以在原始设备制造商及其供应商之间创建最佳实践和统一的信息共享方法。这将促进IVHM技术与HRCS在整个行业的应用，并加速整个行业采用有效的解决方案。

预防潜在的

对电动汽车使用预估健康监测也有好处。其中包括提高组件、系统和车辆的整体性能和可靠性，近乎零停机时间，任务可靠性，安全性，减少维护访问，有效供应备件以及降低维护成本。PHM防止潜在灾难性故障的能力清楚地表明，电动汽车行业已经走了多远，这将成为市场增长的重要推动力之一。

未来的汽车将实现互联化、自主化、电气化和共享化。车辆的预测和健康管理将在智能和元移动出行中发挥关键作用，加速当前汽车行业的转型，提高车辆的安全性和可靠性。

欲了解更多关于智能和元移动性以及其他大趋势的详细信息，请查看我们的报告: https://lnkd.in/g5brrfbj

作者简介

Yuvaraj是电动交通领域的首席架构师。他在汽车嵌入式系统、动力总成系统和电动移动技术方面具有实践经验，特别是在发动机、车辆和充电控制开发方面。