CN109298346A - 一种新能源汽车三电系统健康状态在线诊断系统和诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源汽车三电系统健康状态在线诊断系统及诊断方法，包括动力电池组、电机控制器、电机在内的三电系统为被测对象，诊断系统由上位机、数据采集控制器、温度传感器、电流传感器组成，数据采集控制器又由NI控制器、模拟输入板卡、热电偶输入板卡和高速CAN模块组成。通过该诊断系统，可以测得一个或多个驾驶循环内的三电系统特征运行参数，基于该特征运行参数，通过本发明所述诊断方法可以计算得到三电系统各自的损伤，以及特定工况或者循环下的寿命，从而得到三电系统的健康状态，本发明还可以为新能源汽车三电系统健康管理技术开发和方案验证提供试验方法。

Description

一种新能源汽车三电系统健康状态在线诊断系统和诊断方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车试验领域，具体涉及一种新能源汽车三电系统健康状态在线诊断系统和诊断方法。

背景技术

在节能减排的大背景下，汽车电气化是汽车产业发展的必然趋势，并且以锂离子动力电池作为储能系统是目前国际上最主要的技术路线。在该技术路线中，锂离子动力电池、电机控制器和电机是三大核心零部件，又称三电系统。然而，三电系统，尤其是锂离子动力电池制造成本高、寿命低，导致了新能源汽车续航里程下降、使用成本高、故障率高等一系列问题，大大限制了新能源汽车性能和市场接收度。因此，对包括动力电池、电机控制器和电机(称为三电系统)进行健康管理以提升其使用寿命就尤为重要。

目前，三电系统健康管理研究主要针对单个零部件，实际上，在新能源汽车运行过程中，三电系统的工作状态相互耦合，因此三者的健康状态也具有一定的耦合关系，将某一个模块从系统中剥离出来不能反应系统的健康管理问题。此外，目前的研究大多采用经验公式或仿真计算的方法，尚未看到有针对三电系统健康管理的试验技术和试验方案研究。针对上述两个问题，本发明公开了一种新能源汽车三电系统健康状态在线诊断系统和诊断方法，基于本发明所述的三电系统健康状态在线诊断系统和诊断方法，可对影响新能源汽车三电寿命的特征运行参数进行实时、在线测量，，通过对试验数据的处理可的三电系统各自的损伤进行计算，从而为三电系统健康管理提供试验平台和试验方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于新能源汽车三电系统的健康状态在线诊断系统及诊断方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

一种新能源汽车三电系统健康管理试验台，包括上位机、数据采集控制器、电流传感器和温度传感器。

包括动力电池组、电机控制器、电机在内的新能源汽车三电系统为被测系统。目前常见的新能源汽车有纯电动汽车和混合动力汽车，其中混合动力汽车又有串联、并联、混联等多种架构。本发明适用上述所有类型的新能源汽车。

针对上述新能源汽车，所述的温度传感器为热电偶，多个热电偶分别安装在三电系统特征位置，用于测量三电系统特诊位置温度。优选地，针对所述的三电系统，热电偶在电机控制器上的安装位置为IGBT模块与二极管模块附近，用于测量IGBT结点温度；热电偶在电机的安装位置为前后端轴承和定子端部线圈，且在每个端部线圈安装温度传感器。由于动力电池组出厂时其内部的各个模块均安装有温度传感器，且其测量精度能够满足电池组健康状态诊断的需求，因此无需另外安装热电偶，直接从CAN总线中读出即可。

所述的电流传感器安装在动力电池组和电机控制器之间的导线中，用于测量动力电池组输入和输出电流。

所述的上位机为诊断系统终端，装有基于Labview语言开发的数据采集控制软件和数据处理软件，并与数据采集控制器通讯，可向数据采集控制器发送控制指令，并存储和处理数据采集控制器发回的测试数据。数据采集控制器由NI控制器、热电偶输入板卡、模拟输入板卡和高速CAN模块，其中热电偶输入板卡、模拟输入板卡和高速CAN模块插在NI控制器的卡槽中，NI控制器与上位机通讯。热电偶输入板卡与所有热电偶传感器相连，用于采集热电偶采集到的温度信号；模拟输入板卡与电流传感器相连，用于接收电流传感器输出的模拟信号；高速CAN模块与CAN总线相连，用于读取CAN总线中动力电池组各模块温度、动力电池组输出电压、电机转速、IGBT电流、IGBT电压等运行参数。

本发明还公开了一种利用上述新能源汽车三电系统健康状态诊断系统进行健康状态诊断的方法，具体步骤如下：

步骤一：在上位机中的测控软件中打开数据采集，对所有待测参数的数值进行数据采集，采样时间间隔根据试验需求设为Δt；

步骤二：按照测试需求，驾驶新能源汽车并完成一个或多个驾驶循环；

步骤三：记录并存储记录试验过程中所有待测运行参数随时间的变化，有如下参数：

动力电池组内部各模块电池温度T_i(τ)，对T_i(τ)取平均得到动力电池组平均温度T_B(τ)

动力电池组放电电流I_B(τ)

IGBT结点温度T_j(τ)

IGBT电流I_IGBT(τ)

IGBT阻断电压V_IGBT(τ)

电机转速n_M(τ)

电机端部线圈最高温度T_{M_w}(t)

电机轴承润滑油脂温度T_{M_b}(t)

步骤四：基于以上运行参数，进行数据处理，数据处理方法如下：

(4)动力电池组损伤及寿命评估方法

动力电池的老化主要考虑其容量的衰退。对于目前新能源汽车常用的锂离子电池，其容量损失可采用以下基于阿伦尼乌斯公式的经验模型计算：

式中，Q_loss容量衰退率；B为指前因子；E_a为活化能，其中，ξ和C_rate分别为标准状态下的活化能、充放电倍率修正系数和充放电倍率，充放电倍率可由动力电池组和电池额定容量计算得到，C_rate＝I_B(τ)/Ah_rated；R为气体常数；T为绝对温度，通过本发明所述诊断系统测量；Ah为循环过程中累积的安时容量，电流I_B(τ)可以通过本发明所述在线诊断系统中的高精度电流传感器测量得到；z为指数；B、ξ、z可以通过试验并对试验数据拟合得到，或者直接参考文献中的数值。

当Q_loss达到20％时，即认为该电池失效，不适合继续使用。

(5)电机控制器损伤及寿命评估方法

电机控制器的主要薄弱部件为IGBT模块，因此仅对IBGT模块的寿命及损伤进行计算，针对目前主流新能源汽车IGBT模块，可采用以下由试验数据得到的经验公式：

式中，N_IGBT为使模块失效的循环数；T_jmax为工作循环结点最高温度；T_jmin为工作循环结点最低温度；t_on为单个热循环周期的一半，可由测试得到的温度曲线处理得到；I_{IGBT_s}为流经单根键合线的电流，可通过CAN总线中读出的IGBT电流值与键线数计算得到；V_IGBT为阻断电压，可在CAN总线中读出；D为键合线的直径；k，β₁，β₂，β₃，β₄，β₅为常数。

根据疲劳累积损伤理论，N个热循环的损伤累计为：

式中，N_f,j为某个热循环下IGBT的寿命；N_j为该热循环出现的次数。当CL累计至1时，即认为该IGBT失效。

新能源汽车在行驶过程中工况多变，逆变器及IGBT模块的负荷也随之变化，导致结点温度也随时间时刻变化。通过本发明所述的诊断系统测得车辆出厂至某一时间点或某一循环工况下的IGBT模块结点温度随时间变化的曲线，再采用雨流计数法将温度时间历程简化为若干个热循环，并读取每个热循环下IGBT结点的最低温度T_jmin、最高温度T_jmax和热循环周期t_on。

(6)电机损伤及寿命评估方法

永磁同步电机是目前新能源汽车主流驱动电机，并且也是未来车用电机的趋势。因此本发明针对永磁同步电机，对其寿命和损伤进行在线评估。永磁同步电机的最易失效的位置为轴承和定子绕组绝缘，且大多电机寿命评估研究也仅针对这两处的失效，因此本发明所述电机健康状态在线诊断方法也仅针对这两处的健康状态。

1)轴承寿命和损伤计算

新能源车用电机多采用滚动轴承，采用国际标准化组织提出的修正的寿命和瞬时损伤计算公式计算轴承寿命，即对于给定的失效概率a，轴承寿命L_bearing[h]为：

式中，n为电机转速，由本发明所述在线诊断系统得到；C为基本额定动载荷，可通过查手册和计算得到；P为当量动载荷，可通过查表和计算得到；p为寿命指数，为常数；a₁为可靠度，给定可靠度即可确定；a₂为材料特性修正系数，由制造产提供，也可根据轴承制造工艺取推荐值；a₃为润滑系数，与润滑油温度T_{M_l}等因素相关，由制造产提供，润滑油温度T_{M_l}可由本发明所述在线诊断系统得到。若a₁，a₂，a₃无法获得，则均取1，视为一般情况。

根据线性疲劳累积损伤理论，某一时间段t内的损伤CL_bearing为：

当

2)绕组绝缘寿命和损伤计算

根据电机绕组绝缘寿命常用计算公式，绕组温度为T_{M_w}时其寿命L_w[h]为：

式中，TI为电机寿命为L₀时的参考温度，HIC为电机寿命为参考寿命一半时与参考温度TI的温差，TI、L₀和HIC可通过前期试验得到；T_{M_w}为绕组温度(最高)，通过本发明所述诊断系统测量得到。

根据线性疲劳累积损伤理论，某一时间段t内的损伤CL_winding为：

当CL_bearing或者CL_winding累计至1时，即认为该电机失效。

通过上述诊断系统和诊断方法，可以得到新能源汽车在一个或者一系列驾驶循环下三电系统的损伤，以及在特定工况或者循环下的寿命，从而得到三电系统的健康状态，本发明还可以为新能源汽车三电系统健康管理技术开发和方案验证提供试验方法。

附图说明

图1.典型新能源汽车结构示意图；其中(a)为典型的纯电动汽车结构图，(b)为典型的混联式混合动力结构图；

图2.新能源汽车三电系统健康状态诊断系统的结构示意图；

图3.新能源汽车三电系统健康状态诊断系统测控部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

目前常见的新能源汽车有纯电动汽车和混合动力汽车，其中混合动力汽车又有串联、并联、混联等多种架构。图1(a)为典型的电动汽车动力总成结构示意图，图1(b)为典型的混联式混合动力汽车动力总成结构示意图。本发明适用上述所有类型的新能源汽车。

下面以纯电动汽车为实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不作为对本发明适用对象的不当限定。

图2为以纯电动汽车为测试对象的三电系统健康状态在线诊断系统结构示意图。其中三电系统为被测系统，包括动力电池组5、电机控制器6和电机7。在线诊断系统由上位机1、数据采集系统2、高精度电流传感器3、温度传感器组成4。

温度传感器4用于测量三电系统特征位置温度。多个温度传感器分别安装在电机控制器和电机的特征位置。优选地，温度传感器采用热电偶。优选地，针对所述的三电系统，热电偶4-1在电机控制器6上的安装位置为IGBT模块与二极管模块附近，用于测量IGBT结点温度；热电偶4-2在电机7的安装位置为前后端轴承和定子端部线圈，且在每个端部线圈安装温度传感器。由于动力电池组出厂时其内部的各个模块均安装有温度传感器，且其测量精度能够满足电池组健康状态诊断的需求，因此无需另外安装热电偶，直接从CAN总线中读出即可。

本发明所述诊断方法采用安时积分法计算动力电池组输入和输出电量，需要对输入/输出动力电池组5的电流精确测量，为了提高精度，采用安装高精度电流传感器的方法，而不直接从CAN总线读BMS测量到的电流值。电流传感器3安装在动力电池组5和电机控制器6之间的导线中。

上位机1为诊断系统终端，装有基于Labview语言开发的数据采集控制软件和数据处理软件，并与数据采集控制器2通讯，可向数据采集控制器2发送控制指令，并存储和处理数据采集控制器2发回的测试数据。数据采集控制器2由NI控制器、热电偶输入板卡、模拟输入板卡和高速CAN模块，其中热电偶输入板卡、模拟输入板卡和高速CAN模块插在NI控制器的卡槽中，NI控制器与上位机1通讯。热电偶输入板卡与所有热电偶传感器4相连，用于采集热电偶采集到的温度信号；模拟输入板卡与电流传感器3相连，用于接收电流传感器输出的模拟信号；高速CAN模块与CAN总线相连，用于读取CAN总线中动力电池组各模块温度、动力电池组输出电压、电机转速、IGBT电流、IGBT电压等运行参数。以上所述的新能源汽车三电系统健康状态诊断系统测控部分结构示意图如图3所示。

本发明还公开了一种利用上述新能源汽车三电系统健康状态诊断系统进行健康状态诊断的方法，具体步骤如下：

步骤一：在上位机1中的测控软件中打开数据采集，对所有待测参数的数值进行数据采集，采样时间间隔根据试验需求设为Δt；

步骤二：按照测试需求，驾驶新能源汽车并完成一个或多个驾驶循环；

步骤三：记录并存储记录试验过程中所有待测运行参数随时间的变化，有如下参数：

动力电池组内部各模块电池温度T_i(τ)，对T_i(τ)取平均得到动力电池组平均温度T_B(τ)

动力电池组放电电流I_B(τ)

IGBT结点温度T_j(τ)

IGBT电流I_IGBT(τ)

IGBT阻断电压V_IGBT(τ)

电机转速n_M(τ)

电机端部线圈最高温度T_{M_w}(t)

电机轴承润滑油脂温度T_{M_b}(t)

步骤四：基于以上运行参数，进行数据处理，数据处理方法如下：

(7)动力电池组损伤及寿命评估方法

动力电池的老化主要考虑其容量的衰退。对于目前新能源汽车常用的锂离子电池，其容量损失可采用以下基于阿伦尼乌斯公式的经验模型计算：

式中，Q_loss容量衰退率；B为指前因子；E_a为活化能，其中，ξ和C_rate分别为标准状态下的活化能、充放电倍率修正系数和充放电倍率，充放电倍率可由动力电池组和电池额定容量计算得到，C_rate＝I_B(τ)/Ah_rated；R为气体常数；T为绝对温度，通过本发明所述诊断系统测量；Ah为循环过程中累积的安时容量，电流I_B(τ)可以通过本发明所述在线诊断系统中的高精度电流传感器测量得到；z为指数；B、ξ、z可以通过试验并对试验数据拟合得到，或者直接参考文献中的数值。

当Q_loss达到20％时，即认为该电池失效，不适合继续使用。

(8)电机控制器损伤及寿命评估方法

电机控制器的主要薄弱部件为IGBT模块，因此仅对IBGT模块的寿命及损伤进行计算，针对目前主流新能源汽车IGBT模块，可采用以下由试验数据得到的经验公式：

式中，N_IGBT为使模块失效的循环数；T_jmax为工作循环结点最高温度；T_jmin为工作循环结点最低温度；t_on为单个热循环周期的一半，可由测试得到的温度曲线处理得到；I_{IGBT_s}为流经单根键合线的电流，可通过CAN总线中读出的IGBT电流值与键线数计算得到；V_IGBT为阻断电压，可在CAN总线中读出；D为键合线的直径；k，β₁，β₂，β₃，β₄，β₅为常数。

根据疲劳累积损伤理论，N个热循环的损伤累计为：

式中，N_f,j为某个热循环下IGBT的寿命；N_j为该热循环出现的次数。当CL累计至1时，即认为该IGBT失效。

新能源汽车在行驶过程中工况多变，逆变器及IGBT模块的负荷也随之变化，导致结点温度也随时间时刻变化。通过本发明所述的诊断系统测得车辆出厂至某一时间点或某一循环工况下的IGBT模块结点温度随时间变化的曲线，再采用雨流计数法将温度时间历程简化为若干个热循环，并读取每个热循环下IGBT结点的最低温度T_jmin、最高温度T_jmax和热循环周期t_on。

(9)电机损伤及寿命评估方法

永磁同步电机是目前新能源汽车主流驱动电机，并且也是未来车用电机的趋势。因此本发明针对永磁同步电机，对其寿命和损伤进行在线评估。永磁同步电机的最易失效的位置为轴承和定子绕组绝缘，且大多电机寿命评估研究也仅针对这两处的失效，因此本发明所述电机健康状态在线诊断方法也仅针对这两处的健康状态。

1)轴承寿命和损伤计算

新能源车用电机多采用滚动轴承，采用国际标准化组织提出的修正的寿命和瞬时损伤计算公式计算轴承寿命，即对于给定的失效概率a，轴承寿命L_bearing[h]为：

式中，n为电机转速，由本发明所述在线诊断系统得到；C为基本额定动载荷，可通过查手册和计算得到；P为当量动载荷，可通过查表和计算得到；p为寿命指数，为常数；a₁为可靠度，给定可靠度即可确定；a₂为材料特性修正系数，由制造产提供，也可根据轴承制造工艺取推荐值；a₃为润滑系数，与润滑油温度T_{M_l}等因素相关，由制造产提供，润滑油温度T_{M_l}可由本发明所述在线诊断系统得到。若a₁，a₂，a₃无法获得，则均取1，视为一般情况。

根据线性疲劳累积损伤理论，某一时间段t内的损伤CL_bearing为：

当

2)绕组绝缘寿命和损伤计算

根据电机绕组绝缘寿命常用计算公式，绕组温度为T_{M_w}时其寿命L_w[h]为：

式中，TI为电机寿命为L₀时的参考温度，HIC为电机寿命为参考寿命一半时与参考温度TI的温差，TI、L₀和HIC可通过前期试验得到；T_{M_w}为绕组温度(最高)，通过本发明所述诊断系统测量得到。

根据线性疲劳累积损伤理论，某一时间段t内的损伤CL_winding为：

当CL_bearing或者CL_winding累计至1时，即认为该电机失效。

不同类型的三电系统具有不同的特性和寿命模型，以上仅对典型的三电系统的计算模型和计算方法进行了详细描述，但不构成对本发明的不当限定。若实际对象与本发明举例的典型情况有出入，或上述模型不能满足精度，只需采用相同的方法，将实际模型或者更加复杂、精确的模型代入上述流程即可。

Claims (6)

1.一种新能源汽车三电系统健康状态在线诊断系统，包括上位机、数据采集控制器、电流传感器和温度传感器，其特征在于:

包括动力电池组、电机控制器和电机在内的三电系统为被测系统，所述的电流传感器安装在动力电池组和电机控制器之间的导线中；所述的温度传感器安装在电机控制器和电机的特征位置；上位机与数据采集控制器通讯；数据采集控制器分别与电流传感器、温度传感器和CAN总线通讯。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车三电系统健康状态在线诊断系统，其特诊在于温度传感器在电机控制器上的安装位置为IGBT模块与二极管模块附近。

3.根据权利要求1所述的新能源汽车三电系统健康状态在线诊断系统，其特诊在于电机的安装位置为前后端轴承和定子端部线圈，且在每个端部线圈安装温度传感器。

4.根据权利要求1所述的新能源汽车三电系统健康状态在线诊断系统，其特诊在于数据采集控制器包括NI控制器、热电偶输入板卡、模拟输入板卡和高速CAN模块，其中NI控制器与上位机电连接；热电偶输入板卡与所有温度传感器电连接；模拟输入板卡与电流传感器电连接；高速CAN模块与新能源汽车的CAN总线通讯。

5.根据权利要求4所述的新能源汽车三电系统健康状态在线诊断系统，其特诊在于，试验中数据采集控制器的高速CAN模块读取CAN总线中动力电池组各模块温度、动力电池组输出电压、电机转速、IGBT电流和IGBT电压。

6.根据权利要求1所述诊断系统的新能源汽车三电系统健康状态诊断方法：新能源汽车三电系统健康状态诊断系统为权利要求1中所述，其特征在于，诊断方法包括如下步骤：

步骤一：上位机对所有待测参数的数值进行数据采集，采样时间间隔根据试验需求设为Δt；

步骤二：按照测试需求，驾驶新能源汽车并完成一个或多个驾驶循环；

步骤三：记录并存储记录试验过程中所有待测运行参数随时间的变化；

步骤四：基于以上运行参数，进行数据处理，数据处理方法如下：

(1)动力电池组损伤及寿命评估

采用以下基于阿伦尼乌斯公式的经验模型计算锂离子动力电池组的容量衰退：

其中，

Q_loss容量衰退率；

B为指前因子；

E_a为活化能，其中，ξ和C_rate分别为标准状态下的活化能、充放电倍率修正系数和充放电倍率，充放电倍率由动力电池组和电池额定容量Ah_rated计算得到，C_rate＝I_B(τ)/Ah_rated；

R为气体常数；

T为绝对温度，通过所述诊断系统测量；

Ah为循环过程中累积的安时容量，电流I_B(τ)通过所述在线诊断系统中的高精度电流传感器测量得到；

z为指数；

当Q_loss累积至20％时，即认为该电池失效，不适合继续使用；

(2)电机控制器损伤及寿命评估方法

电机控制器的薄弱部件为IGBT模块，因此对IBGT模块的健康状态进行评估，针对新能源汽车IGBT模块，采用以下由试验数据得到的经验公式：

式中，

N_IGBT为使模块失效的循环数；

T_jmax为工作循环结点最高温度；

T_jmin为工作循环结点最低温度；

t_on为单个热循环周期的一半，可由测试得到的温度曲线处理得到；

I_{IGBT_s}为流经单根键合线的电流，可通过CAN总线中读出的IGBT电流值与键线数量计算得到；

V_IGBT为阻断电压，可在CAN总线中读出；

D为键合线的直径；k，β₁，β₂，β₃，β₄，β₅为常数；

根据疲劳累积损伤理论，N个热循环的损伤累计为：

式中，

N_f,j为某个热循环下IGBT的寿命；

N_j为该热循环出现的次数；

当CL_IGBT累计至1时，即认为该IGBT失效；

所述的诊断系统测得车辆一个或者多个循环工况下的IGBT模块结点温度随时间变化的曲线，再采用雨流计数法将温度时间历程简化为若干个热循环，并读取每个热循环下IGBT结点的最低温度T_jmin、最高温度T_jmax和热循环周期t_on；

(3)电机损伤及寿命评估方法

所述电机健康状态在线诊断方法针对轴承和定子绕组的健康状态；

1)轴承寿命和损伤计算

新能源车用电机多采用滚动轴承，采用国际标准化组织提出的修正的寿命和瞬时损伤计算公式计算轴承寿命，即对于给定的失效概率a，轴承寿命L_bearing[h]为：

式中，

n为电机转速，由所述在线诊断系统得到；

C为基本额定动载荷，

P为当量动载荷，p为寿命指数，为常数；

a₁为可靠度，

a₂为材料特性修正系数，a₃为润滑系数，润滑油温度T_{M_l}可由所述在线诊断系统得到；

根据线性疲劳累积损伤理论，某一时间段t内的损伤CL_bearing为：

2)绕组绝缘寿命和损伤计算

根据电机绕组绝缘寿命计算公式，绕组温度为T_{M_w}时其寿命L_w[h]为：

式中，

TI为电机寿命为L₀时的参考温度；

HIC为电机寿命为参考寿命一半时与参考温度TI的温差，T_{M_w}为绕组最高温度，通过所述诊断系统测量得到；

根据线性疲劳累积损伤理论，某一时间段t内的损伤CL_winding为：

当CL_bearing或者CL_winding累计至1时，即认为该电机失效。