CN102749588A - 基于蓄电池soc和soh的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于蓄电池SOC和SOH的故障诊断方法，步骤是：首先计算组成各电池模块的各个单体SOC和SOH，再计算组成电池组的各模块等效SOC和SOH，最后计算整个电池组等效SOC和SOH，并据此判断蓄电池是否出现过放电现象。此种故障诊断方法可通过在线识别计算整个电池组等效SOC和SOH，从而实现对故障的实时诊断。

Description

基于蓄电池SOC和SOH的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种故障诊断方法，特别涉及一种适用于电动汽车集中/分布式的故障检测方法。

背景技术

电动汽车蓄电池组是由几十个甚至上百个单体电池或电池模块串联组成，电池使用中的一个突出问题就是各电池之间的不一致性。而电池组中性能差的单体电池直接影响到电池组的容量及剩余能量，并决定了整个电池组的使用性能和寿命。蓄电池荷电状态（SOC,state of charge）和健康状态（SOH，state of health）是体现单体电池和电池组工作状态和健康状态的重要参数。目前存在的问题包括：（1）SOC和SOH的定义仅对于单体电池，电池组SOC和SOH没有明确定义；（2）实验充放电数据同实车运行工况差别较大，利用实验数据估算蓄电池SOC和SOH值同实际存在较大偏差；（3）单体电池SOC和SOH无法准确反映电池组工作状态和健康状态。

仅通过电池组母线电压、电流和电池箱温度等参数很难发现单体电池的缓慢变化，包括单体电池本身的老化和因单体电池一致性问题带来的累积效应，无法检测单体电池及电池组实际容量。所以，需要对单体电池的SOC和SOH进行有效计算，现有计算方法及适用性见表1，计算所需参数包括单体电池的温度、电压、电流等参数。

表1

现有单体电池状态参数的检测方法主要分为集中式检测法、分布式检测法及集中/分布式检测法三种。电动汽车由于蓄电池配置数量大，更适于采用集中/分布式检测法：将几块甚至十几块单体电池形成检测模块，通过专用蓄电池检测IC完成单体电池电压及温度的检测，实现数据采集模块化、数据处理与均衡功能的本地化，减少数据通讯量，提高信号采集和处理的速度，并将少量模块参数通信给主ECU。

本发明即是针对采用集中/分布式检测系统的电池组，提供一种构建电池组等效状态参数的方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于蓄电池SOC和SOH的故障诊断方法，其可通过在线识别计算整个电池组等效SOC和SOH，从而实现对故障的实时诊断。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于蓄电池SOC和SOH的故障诊断方法，包括如下步骤：

（1）根据下式计算各个单体SOC和SOH；

$S_{\mathrm{OC}\_n}=\frac{1/f_k*Q_{k\_\mathrm{SOH}}-Q_c}{1/f_k*Q_{k\_\mathrm{SOH}}}$

$S_{\mathrm{OH}\_n}=\frac{Q_I}{Q_{i0}}-\mathrm{\λ}$

式中：

Q_c为电动汽车实际行驶工况下已放出容量，f_k为当前行驶工况同第k种特征工况的工况相似度；

Q_{k_SOH}为第k种特征工况下，在当前蓄电池健康状态SOH下所能输出的最大容量，k为自然数；

Q_I0为蓄电池初始状态在某种特征工况下输出的最大容量，而Q_I为当前蓄电池状态下在同种特征工况下所能输出的最大容量；

λ为故障指数，当单体电池出现故障，λ=1，否则λ=0：

S_{OC_n}表示组成第m个电池模块的第n个单体电池的SOC，S_{OH_n}表示组成第m个电池模块的第n个单体电池的SOH，m和n均为自然数；

（2）计算模块等效SOC和SOH；

根据步骤（1）计算得到组成各电池模块的每个单体电池SOC和SOH，然后判断所述集中/分布式系统采用耗散型均衡方法还是转移型均衡方法，如果采用耗散型均衡方法，采用下式计算模块等效SOC和SOH：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{OC}\_m}=\min \left(S_{\mathrm{OC}\_n}\right)\\ S_{\mathrm{OH}\_m}=\min \left(S_{\mathrm{OH}\_n}\right)\end{array}\right.$

其中，S_{OC_m}表示第m个电池模块的模块等效SOC，S_{OH_m}表示第m个电池模块的模块等效SOH；

如果采用转移型均衡方法，采用下式计算模块等效SOC和SOH：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{OC}\_m}=\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{OC}}}\\ S_{\mathrm{OH}\_m}=\min \left(S_{\mathrm{OH}}\right)\end{array}\right.$

其中，

表示第m个电池模块中所有单体电池的平均SOC值，min(S_OH)表示第m个电池模块中单体电池的最小SOH值；

（3）计算电池组等效SOC和SOH；

根据步骤（2）计算得到组成电池组的各模块等效SOC和SOH，根据下式计算电动汽车整个电池组等效SOC和SOH：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{OC}}=\min \left(S_{\mathrm{OC}\_m}\right)\\ S_{\mathrm{OH}}=\min \left(S_{\mathrm{OH}\_m}\right)\end{array}\right.$

其中，S_OC表示电池组等效SOC，S_OH表示等效SOH；

（4）根据步骤（3）计算得到的电池组等效SOC和SOH判断蓄电池是否出现过放电现象。

上述步骤（1）中，工况相似度f_k的计算公式是：

$f_k=\frac{(\frac{\stackrel{\‾}{I}}{\stackrel{\‾}{I_k}}+\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_k})}{2}*100\%$

其中，和σ_k值为第k特征工况特征参数，

和σ值为当前工况特征参数，且

和σ分别通过以下公式得到：

$\stackrel{\‾}{I}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i}{N}$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}{N}}$

其中，I_i为采样电流，N为特征工况的种类数。

上述步骤（1）中，判断单体电池出现以下故障现象之一时，λ=1，否则λ=0：

（a）放电电压下降快、电压低，充电电压上升快、电压高，则电池容量变小；

（b）静置时电池端电压下降快，长期放置电压低，则自放电过大；

（c）放电时端电压下降很快，超出历史数据平均值，推断单元电池损坏；

（d）充电时电压偏高，放电时电压偏低，则该单体电池内阻过大；

（e）充电时电压极高，则蓄电池内部开路；

（f）电池自开始放电起，其电压就一直比别的电池略低，其放电平台性能正常，则电池可能充电不足；

（g）电池在放电过程中，某节单体电池温度比其他单体电池温度高3℃以上，则该电池内阻过大。

采用上述方案后，本发明的有益效果是，可以在线智能识别电池组等效SOC和单体电池SOH值，为电池管理系统和故障诊断系统提供重要参数，有利于其实时掌握电池运行状态，及时发现单体电池故障，实现对电池组工作状态和单体电池的有效监控，延长蓄电池使用寿命，保证电动汽车续驶里程。

附图说明

图1是本发明中电动汽车某行驶工况特性图；

图2是蓄电池SOC变化曲线图；

图3是蓄电池端电压与温度、SOC的关系示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

蓄电池的荷电状态SOC用来反映电池的剩余容量状况，其数值上定义为电池剩余容量占电池容量的比值见公式（1），而蓄电池的SOH用以评价电池的健康状态，主要用来说明蓄电池使用过程中性能的不可逆损坏程度，见公式（2）。

$S_{\mathrm{OC}}=\frac{Q_c}{Q_I}---\left(1\right)$

$S_{\mathrm{OH}}=\frac{Q_I}{Q_{I0}}---\left(2\right)$

式中：Q_c为电池剩余的容量，Q_I为电池以额定电流I放电时所具有的容量，Q_I0为蓄电池的额定容量，单位Ah。

SOC和SOH的计算方法有两种：直接法和间接法，直接法是以公式（1）～（2）进行计算，在实际计算SOC过程中，Q_I通常以单体电池的额定容量代替，弊端是其无法准确反映蓄电池由于温度和健康状态SOH的不同带来的容量的变化，如电池老化、充放电次数等，同时也没有考虑放电电流对可用容量的影响，所以实际计算得到的SOC值无法实现对蓄电池剩余电量的正确说明；而SOH计算中，Q_I也无法在线按额定电流I放电进行检测计算；而间接计算法是利用蓄电池输出参数如电压、内阻等与SOC的关系进行间接计算，而内阻测量比较困难，比较适合于充放电结束时内阻较高场合，在电动汽车中很少应用这种方法来确定电池的荷电状态；而蓄电池端电压只能反映单体电池的相对荷电状态，不能用于动态的电池SOC估计，且无法直接反映单体电池之间的容量差异。

为了解决上述计算SOC和SOH时的问题，本案发明人提出利用车载电池实车运行历史数据计算单体电池SOC和SOH值并以此为基础计算模块等效SOC和SOH值的方法，以及以模块等效SOC和SOH值计算整车蓄电池组等效SOC和SOH值的方法。

a)单体电池SOC和SOH的计算方法

基于单体电池历史数据和实时测量状态参数，利用聚类分析方法构建多种特征行驶工况，提出工况相似度系数的概念。采用电量累积法计算SOC和SOH值，并利用工况相似度系数进行修正。具体方法如下：

①特征行驶工况构建：

$\stackrel{\‾}{I}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i}{N}---\left(3\right)$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}{N}}---\left(4\right)$

式中：I_i为采样电流，一个存储周期内的平均电流值和采样电流值的标准偏差值σ值与已有特征工况差值其一超过10%，或者工况相似度f_k低于90%，即定义为一种新特征工况，工况相似度定义见式（5）。

②工况相似度系数f_k

和σ值为当前工况特征参数，

和σ_k值为第k种特征工况下的特征参数。

$f_k=\frac{(\frac{\stackrel{\‾}{I}}{\stackrel{\‾}{I_k}}+\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_k})}{2}*100\%---\left(5\right)$

③单体SOC计算方法

单体蓄电池SOC和SOH计算方法按照公式（6）和（7）。

$S_{\mathrm{OC}\_n}=\frac{1/f_k*Q_{k\_\mathrm{SOH}}-Q_c}{1/f_k*Q_{k\_\mathrm{SOH}}}---\left(6\right)$

$S_{\mathrm{OH}\_n}=\frac{Q_I}{Q_{i0}}-\mathrm{\λ}---\left(7\right)$

式中：

Q_c为电动汽车实际行驶工况下已放出容量，f_k为当前行驶工况同最相近特征工况的工况相似度；

Q_{k_SOH}为第k种特征工况下，在当前蓄电池健康状态SOH下所能输出的最大容量；

Q_I0为蓄电池初始状态在某种特征工况下输出的最大容量，而Q_I为当前蓄电池状态下在同种特征工况下所能输出的最大容量；

S_{OH_n}≤0为故障情况，S_{OH_n}>0为正常老化状态；

SOH值除了受蓄电池正常老化程度的影响外，同时也受可能故障的影响，定义λ为故障指数，只要单体电池出现以下故障现象之一，λ=1，否则λ=0：

（1）放电电压下降快、电压低，充电电压上升快、电压高，则电池容量变小；

（2）静置时电池端电压下降快，长期放置电压低，则自放电过大；

（3）放电时端电压下降很快，超出历史数据平均值，推断单元电池损坏；

（4）充电时电压偏高，放电时电压偏低，则该单体电池内阻过大；

（5）充电时电压极高，则蓄电池内部开路；

（6）电池自开始放电起，其电压就一直比别的电池略低，其放电平台性能正常，则电池可能充电不足；

（7）电池在放电过程中，某节单体电池温度比其他单体电池温度高3℃以上，则该电池内阻过大。

b)模块等效SOC和SOH计算方法

每个电池模块由多个单体电池串联组成，集中/分布式系统采用模块内均衡，耗散型均衡方法对于仅有少数单体SOC或端电压较低的来讲，造成能量的较大浪费，模块等效SOC等于单体最小SOC值，SOC和SOH计算见式（8）；若采用转移型均衡方法虽然均衡速度较慢，但模块等效SOC相对高于采用耗散型均衡方法，模块等效SOC和SOH值计算见式（9）。

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{OC}\_m}=\min \left(S_{\mathrm{OC}\_n}\right)\\ S_{\mathrm{OH}\_m}=\min \left(S_{\mathrm{OH}\_n}\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{OC}\_m}=\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{OC}}}\\ S_{\mathrm{OH}\_m}=\min \left(S_{\mathrm{OH}}\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，表示第m个电池模块中所有单体电池的平均SOC值，min(S_OH)表示第m个电池模块中单体电池的最小SOH值。

c）电池组等效SOC和SOH计算方法

基于模块等效SOC和SOH值计算电动汽车整个电池组等效SOC与SOH见式（10）。

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{OC}}=\min \left(S_{\mathrm{OC}\_m}\right)\\ S_{\mathrm{OH}}=\min \left(S_{\mathrm{OH}\_m}\right)\end{array}\right.---\left(10\right)$

记录蓄电池初始状态：新蓄电池组检测正常装车，充电完成SOC或端电压达到充电上边界，电动汽车正常行驶，记录各特征行驶工况，累计计算各特征行驶工况行驶时间、里程及已放电容量Q_c，若连续行驶至蓄电池SOC或端电压至最低限值，则将Q_c作为此行驶工况下蓄电池可输出容量Q_I，而不是以额定电流I输出对应对容量。

利用故障诊断系统建立的历史档案数据，主要涉及内容：

1）电动汽车蓄电池系统正常装车最初始数据记录（如出厂日期、标称容量、开路电压等）和使用的总Ah；

2）最近N个充放电周期内充电周期属于电压最高的次数和放电周期属于电压最低的次数；

3）最近N个周期内充电时温度升降数据和充电效率；

4）自放电时间间隔；

5）上一次诊断的健康程度（SOH）结果。

历史档案数据更新：

如果电池组中的某一个电池被撤换下来，则计算过程利用故障诊断系统对其的更新数据。对历史档案中的使用的目前SOH状态下，各特征工况下所能放出的最大容量为最近此工况N个测量周期所求平均值。利用诊断系统保存的历史数据，系统上电后，电池组数据采集系统会在电池组充放电过程中，每隔一定时间循环采集单体电池单体和电池模块的电压、电流和温度等信息，并利用存储由电流记录构建特征行驶工况。

放电终止的标准：蓄电池电池在放电过程中容易出现的问题是过放电。过放电是指在电池达到放电终止状态后，电池仍然继续放电。过放电会使电池容量降低，严重时会影响使用寿命。最简单的判断放电终止的方法就是设定放电终止电压，终止电压是人为设定的。一般小电流放电时，终止电压应规定得高些，而大电流放电时，终止电压应规定得低些。这是因为，小电流放电时，极板深处的活性物质本来反应己经比较充分，如再继续放电，容易生成不溶性化学物质，充电时不容易复原，有损于极板。如果大电流放电，放电曲线很陡，充电时容易复原，终止电压可以低一些。

一般放电时间在20小时以上，单体电压达到1.8V应中止放电；放电时间在2-20个小时，单体电压达到1.7V应中止放电；放电时间在2小时以内，单体电压达到1.6V应中止放电。

在实际的充放电过程中，不同温度、不同荷电状态（SOC值）下，端电压的值会不同，以某镍氢电池为例，端电压与温度和SOC的关系如图3所示。因此，可以通过得到的蓄电池组等效SOC值，判断蓄电池是否出现过放电现象。

在得到蓄电池组的等效SOC后，电池管理系统会进行如下故障诊断并提出保护控制策略：

（a）通过SOC值计算蓄电池组单体或总电压，当单体电压或总电压超过设计阈值（通常单体电压3.6V，总电压300V）时，电池管理系统会持续上报故障信号，整车接到故障警告3次以上（含），控制电机停止对电池回充，直至故障解除；

（b）通过SOC值计算蓄电池组单体或总电压，当单体电压或总电压低于设计阈值（通常单体电压2.5V，总电压240V）时，电池管理系统会持续上报故障信号，整车接到故障警告3次以上（含），整车控制停机，并提示司机停车充电；

（c）当SOC估计值超过设计阈值的95%时，电池管理系统会持续上报故障信号，整车接到故障警告3次以上（含），按照电池管理系统上传的最大充电电流的80%控制电机对电池回充，直至故障解除；

（d）当SOC估计值低于设计阈值的15%时，电池管理系统会持续上报故障信号，整车接到故障警告3次以上（含），按照电池管理系统上传的最大放电电流的80%控制电机输出，并提示司机停车充电。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于蓄电池SOC和SOH的故障诊断方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）根据下式计算各个单体SOC和SOH；

$S_{\mathrm{OC}\_n}=\frac{1/f_k*Q_{k\_\mathrm{SOH}}-Q_c}{1/f_k*Q_{k\_\mathrm{SOH}}}$

$S_{\mathrm{OH}\_n}=\frac{Q_I}{Q_{i0}}-\mathrm{\λ}$

式中：

Q_c为电动汽车实际行驶工况下已放出容量，f_k为当前行驶工况同第k种特征工况的工况相似度；

Q_{k_SOH}为第k种特征工况下，在当前蓄电池健康状态SOH下所能输出的最大容量，k为自然数；

Q_I0为蓄电池初始状态在某种特征工况下输出的最大容量，而Q_I为当前蓄电池状态下在同种特征工况下所能输出的最大容量；

λ为故障指数，当单体电池出现故障，λ=1，否则λ=0：

S_{OC_n}表示组成第m个电池模块的第n个单体电池的SOC，S_{OH_n}表示组成第m个电池模块的第n个单体电池的SOH，m和n均为自然数；

（2）计算模块等效SOC和SOH；

根据步骤（1）计算得到组成各电池模块的每个单体电池SOC和SOH，然后判断所述集中/分布式系统采用耗散型均衡方法还是转移型均衡方法，如果采用耗散型均衡方法，采用下式计算模块等效SOC和SOH：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{OC}\_m}=\min \left(S_{\mathrm{OC}\_n}\right)\\ S_{\mathrm{OH}\_m}=\min \left(S_{\mathrm{OH}\_n}\right)\end{array}\right.$

其中，S_{OC_m}表示第m个电池模块的模块等效SOC，SO_{H_m}表示第m个电池模块的模块等效SOH；

如果采用转移型均衡方法，采用下式计算模块等效SOC和SOH：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{OC}\_m}=\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{OC}}}\\ S_{\mathrm{OH}\_m}=\min \left(S_{\mathrm{OH}}\right)\end{array}\right.;$

其中，

表示第m个电池模块中所有单体电池的平均SOC值，min(S_OH)表示第m个电池模块中单体电池的最小SOH值；

（3）计算电池组等效SOC和SOH；

根据步骤（2）计算得到组成电池组的各模块等效SOC和SOH，根据下式计算电动汽车整个电池组等效SOC和SOH：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{OC}}=\min \left(S_{\mathrm{OC}\_m}\right)\\ S_{\mathrm{OH}}=\min \left(S_{\mathrm{OH}\_m}\right)\end{array}\right.$

其中，S_OC表示电池组等效SOC，S_OH表示电池组等效SOH；

（4）根据步骤（3）计算得到的电池组等效SOC和SOH判断蓄电池是否出现过放电现象。

2.如权利要求1所述的基于蓄电池SOC和SOH的故障诊断方法，其特征在于：所述步骤（1）中，工况相似度f_k的计算公式是：

$f_k=\frac{(\frac{\stackrel{\‾}{I}}{\stackrel{\‾}{I_k}}+\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_k})}{2}*100\%$

其中，

和σ_k值为第k种特征工况特征参数，

和σ值为当前工况特征参数，且和σ分别通过以下公式得到：

$\stackrel{\‾}{I}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i}{N}$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}{N}}$

其中，I_i为采样电流，N为特征工况的种类数。

3.如权利要求1所述的基于蓄电池SOC和SOH的故障诊断方法，其特征在于：所述步骤（1）中，判断单体电池出现以下故障现象之一时，λ=1，否则λ=0：

（a）放电电压下降快、电压低，充电电压上升快、电压高，则电池容量变小；

（b）静置时电池端电压下降快，长期放置电压低，则自放电过大；

（c）放电时端电压下降很快，超出历史数据平均值，推断单元电池损坏；

（d）充电时电压偏高，放电时电压偏低，则该单体电池内阻过大；

（e）充电时电压极高，则蓄电池内部开路；

（f）电池自开始放电起，其电压就一直比别的电池略低，其放电平台性能正常，则电池可能充电不足；

（g）电池在放电过程中，某节单体电池温度比其他单体电池温度高3℃以上，则该电池内阻过大。

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