鋰離子電池組專家診斷系統(tǒng)的研究

摘要：對(duì)電池組故障進(jìn)行診斷是電池管理系統(tǒng)的重要功能。根據(jù)鋰離子電池組故障和外部特性之間的關(guān)系，建立了電池組故障診斷專家系統(tǒng)的模型，并給出了專家系統(tǒng)所用規(guī)則、歷史檔案數(shù)據(jù)內(nèi)容以及電池組運(yùn)行性能評(píng)估的算法，最后通過試驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　關(guān)鍵詞：電池組；專家診斷；監(jiān)控系統(tǒng)

　　1 引言

　　隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)能源、電力、交通、通信、環(huán)保等領(lǐng)域現(xiàn)代化要求也在不斷提高。作為后備能源的蓄電池系統(tǒng)正在被大量使用，對(duì)所有不允許斷電的供電電源系統(tǒng)來說，蓄電池組都是一個(gè)不可缺少的后備電源系統(tǒng)。而且，蓄電池系統(tǒng)在各行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。蓄電池運(yùn)行狀態(tài)是否正常，直接影響著應(yīng)用領(lǐng)域中各種設(shè)備的正常、可靠和安全運(yùn)行。特別是無(wú)人值守的現(xiàn)場(chǎng)及電子商務(wù)中心、銀行的后備電池就顯得尤為重要。

　　經(jīng)測(cè)試及優(yōu)選分組的電池組中的各個(gè)單體電池之間仍然存在性能差異，這些差異在電池的長(zhǎng)期運(yùn)行過程中因環(huán)境的微小差別（如溫度差）能夠不同程度地產(chǎn)生新的差異。經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行，個(gè)別電池性能明顯下降，嚴(yán)重影響電池組性能，甚至造成事故，需要早期診斷出單電池的性能下降和早期故障。另外，單電池的性能下降及故障會(huì)降低電池組的SOC（荷電狀態(tài)）值，因?yàn)樾阅懿畹囊粋€(gè)單體電池的電量決定了整個(gè)電池組的荷電狀態(tài)。一個(gè)電池組一般是由數(shù)個(gè)單體電池或電池模塊串聯(lián)組成；性能落后的單體電池可能會(huì)使整個(gè)電池組提前終止放電。因而需要配備電池故障早期診斷專家系統(tǒng)。通過診斷系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)電池故障和隱患的早期預(yù)報(bào)，從而能有效地增加電動(dòng)車電池組的續(xù)駛里程及無(wú)故障工作時(shí)間，使維護(hù)工作量降到最低，由此保證了電動(dòng)車能可靠運(yùn)行。

　　電動(dòng)車的能量全部或部分來自儲(chǔ)能電池。制約電動(dòng)車技術(shù)發(fā)展和電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)主要問題是儲(chǔ)能電池及其應(yīng)用問題。電池使用中的一個(gè)突出問題就是各電池之間的差異，存在著不一致性，因此早期發(fā)現(xiàn)電池的不一致性和故障就成為非常關(guān)鍵的技術(shù)難題。需要研制一個(gè)電池組的早期故障專家診斷系統(tǒng)。通過專家診斷系統(tǒng)，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不健康電池的早期診斷，也使剩余電量估計(jì)模型能更準(zhǔn)確，這樣能夠延長(zhǎng)電池的使用壽命并進(jìn)一步降低電池的使用成本，增加電動(dòng)車的續(xù)駛里程，提高車輛行駛的可靠性。該系統(tǒng)及技術(shù)的研究具有理論價(jià)值和促進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化的重大意義。

　　2 專家診斷系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　根據(jù)國(guó)際電工學(xué)會(huì)(IEC)在1995年制定的電池管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，電動(dòng)車用電池管理系統(tǒng)必須具備一定的電池診斷功能，包括不健康電池早期報(bào)警和提供電池老化信息。在這10多年里，國(guó)外各大公司均對(duì)此進(jìn)行大力攻關(guān)研究，并在其運(yùn)行使用的電池管理系統(tǒng)中加入了一定的電池診斷功能。其中代表性的公司有德國(guó)Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首設(shè)計(jì)的BADICOaCH系統(tǒng)；美國(guó)Aerovironmevt公司開發(fā)的SmartGuard系統(tǒng)(Long--Life Battery Using Intelligent Modular Control System)。

　?。?）BADICOaCH系統(tǒng)

　　BADICOaCH系統(tǒng)是BADICHEQ系統(tǒng)的改進(jìn)，它具有的電池診斷相關(guān)功能：對(duì)最近24個(gè)充放電周期的詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯并允許在對(duì)電池好壞作判斷時(shí)進(jìn)行快速查找電池基本信息和錯(cuò)誤使用情況;

　?。?）SmartGuard系統(tǒng)

　　SmartGuard系統(tǒng)具有的電池診斷相關(guān)功能主要有提供放電極性反向報(bào)警和電池歷史記錄和歸檔。

　　國(guó)內(nèi)對(duì)電池故障診斷也有一定的研究，如春蘭研究院，清華大學(xué)，但大部分研究還處于起步階段。

　　本文對(duì)電池故障診斷的研究主要是尋找電池性能故障與電池某個(gè)或N個(gè)參數(shù)的相互關(guān)系，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、比較同一電池組的不同單體電池間的參數(shù)變化并考慮一些其他因素來進(jìn)行綜合診斷。經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，已歸結(jié)出了一個(gè)初步可行的算法并在電動(dòng)車跑車實(shí)驗(yàn)用于電池診斷。其思想在于同一個(gè)電池組的各個(gè)單體電池在相同的充放電電流下，各個(gè)單體電池的性能大多數(shù)是相近的，但還有一些電池的性能存在不一致。通過綜合考慮各個(gè)電池在此段時(shí)間內(nèi)對(duì)平均電壓的偏移及各個(gè)電池在此段時(shí)間內(nèi)的電壓變化可以估計(jì)出電池性能的好壞。單電池電壓偏移小且電壓變化小的電池性能相對(duì)好。因?yàn)闆]有一種電池的故障是表現(xiàn)為充電時(shí)電壓上升慢，放電時(shí)電壓下降慢。

　　3 專家故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　3.1 專家系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量專門知識(shí)的程序系統(tǒng)。它可以根據(jù)所提供的某特殊領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行推理，模擬人類某一領(lǐng)域?qū)＜易鳑Q策的過程，解決那些需要專家才能解決的復(fù)雜問題。

　　專家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、工作存儲(chǔ)區(qū)、知識(shí)獲取子系統(tǒng)和解釋界面等五個(gè)部分組成。其中，知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)是專家系統(tǒng)的核心。知識(shí)庫(kù)主要用來存放領(lǐng)域?qū)＜宜峁┑膶ｉT知識(shí)，它包括事實(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。推理機(jī)的功能是根據(jù)一定的推理策略從知識(shí)庫(kù)中選擇有關(guān)知識(shí)，對(duì)用戶提供的證據(jù)進(jìn)行推理，直到得出相應(yīng)的結(jié)論[1]。

　　另外，一些專家系統(tǒng)還具有自動(dòng)知識(shí)獲取的功能。一方面從外部通過與專家的問答獲取知識(shí)，另一方面系統(tǒng)在運(yùn)行中可以自己不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從內(nèi)部獲取知識(shí)。

　　3.2 總體設(shè)計(jì)

　　針對(duì)目前電動(dòng)汽車正在開發(fā)使用的磷酸鐵鋰電池的工作原理及其在電動(dòng)車上的使用進(jìn)行深入了解，并分析電池使用專家的電池診斷經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)電池的診斷規(guī)則。同時(shí)應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的知識(shí)，初步提出一個(gè)合理、實(shí)用的電池組故障診斷模型。

　　根據(jù)電池組故障診斷模型對(duì)電池使用狀態(tài)數(shù)據(jù)的需求，開發(fā)電池組數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相應(yīng)的上位機(jī)人機(jī)交互界面。隨后按照專家系統(tǒng)的架構(gòu)構(gòu)建電池故障專家診斷系統(tǒng)。包括：

　?。薄〗⑷?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)

　?。病〗㈦姵貧v史檔案數(shù)據(jù)庫(kù)

　?。场〗⒁?guī)則庫(kù)

　?。础￠_發(fā)推理調(diào)度程序模塊

　?。怠￠_發(fā)人機(jī)交互程序模塊。

　　最后利用電池故障專家診斷系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)車上使用的電池進(jìn)行診斷試驗(yàn)，在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)電池診斷模型參數(shù)的調(diào)整，使之不斷趨于完善?？傮w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 電池組診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
?
　　3.3 電池診斷模糊專家系統(tǒng)所用規(guī)則

　　我們對(duì)電池專家提供的電池故障診斷規(guī)則、電池診斷和維護(hù)的資料進(jìn)行分析整理后寫入專家系統(tǒng)。然后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)取舍和增加[2]。以鋰離子電池為例，系統(tǒng)中的規(guī)則主要有：

　　（1）放電電壓下降快、電壓低，充電電壓上升快、電壓高，則電池容量變??；

　?。?）靜置時(shí)電池端電壓下降快，長(zhǎng)期放置電壓低，則自放電過大；

　?。?）放電時(shí)電池端電壓下降很快，電壓比平均電壓低1伏左右，則有單元電池?fù)p壞；

　　（4）蓄電池開路電壓很低、不能帶負(fù)載，則電池?fù)p壞或連接不正常；

　?。?）充電時(shí)電壓偏高，放電時(shí)電壓偏低，則該單體電池內(nèi)阻過大；

　?。?）充電時(shí)電壓極高，則蓄電池內(nèi)部開路；

　?。?）電池自開始放電起，其電壓就一直比別的電池略低，其放電平臺(tái)性能正常，則電池可能充電不足；

　　（8）電池在放電過程中，某節(jié)單體電池溫度比其他單體電池溫度高3℃以上，則該電池內(nèi)阻過大。

　　3.4 歷史檔案數(shù)據(jù)內(nèi)容及其建立

　　以本實(shí)驗(yàn)采用的磷酸鐵鋰電池為例，保存在歷史檔案中的數(shù)據(jù)主要有：

　　（1）電池出廠時(shí)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如出廠日期、標(biāo)稱容量、開路電壓等）；

　　（2）使用的總安時(shí)數(shù)；

　　（3）過充和過放時(shí)最大電壓、電流、溫度的記錄；

　　（4）最近10個(gè)充放電周期內(nèi)充電周期屬于電壓最高的次數(shù)和放電周期屬于電壓最低的次數(shù)；

　?。?）最近10個(gè)周期內(nèi)充電時(shí)溫度升降數(shù)據(jù)和充電效率；

　?。?）最近10個(gè)周期內(nèi)小電流充電時(shí)電壓差別；

　　（7）自放電時(shí)間間隔；

　　（8）上一次診斷的健康程度（SOH）結(jié)果。

　　在系統(tǒng)運(yùn)行的第一次，對(duì)歷史檔案進(jìn)行初始化。初始化的原則是除了一些已知的基本參數(shù)外，其他部分都設(shè)置為最佳狀態(tài)。在以后的運(yùn)行過程中，系統(tǒng)自動(dòng)地把與電池有關(guān)的重大事件記錄下來，對(duì)歷史檔案進(jìn)行修改。如果電池組中的某一個(gè)電池被撤換下來，則應(yīng)對(duì)剛換上的電池的歷史檔案進(jìn)行初始化。對(duì)歷史檔案中的使用總安時(shí)數(shù)、總充放電周期數(shù)、過充、過放及充電不足等影響電池健康和使用壽命的記錄采用長(zhǎng)期記憶并進(jìn)行累加的辦法；對(duì)于另外表現(xiàn)性能的歷史數(shù)據(jù)則采用定期刷新的方法。

　　歷史檔案的具體實(shí)現(xiàn)方案是：在系統(tǒng)中采用長(zhǎng)期記憶芯片EEPROM來保存歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)在系統(tǒng)中加一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)供電電池為歷史數(shù)據(jù)提供時(shí)間信息。

　　3.5 故障定義及處理流程

　　本系統(tǒng)采用四級(jí)故障報(bào)警定義，分別為一級(jí)溫差故障，溫度極高故障，單體電壓極高故障；二三四級(jí)溫差故障，壓差故障，溫度過高故障，單體電壓極高故障，單體電壓過低故障。

　當(dāng)系統(tǒng)上電后，電池組數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)在電池組充放電過程中，每隔一定時(shí)間循環(huán)采集電池組單體的電壓，溫度等信息。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)記錄并標(biāo)定故障單體序號(hào)。當(dāng)標(biāo)定序號(hào)單體的故障次數(shù)累計(jì)到一定數(shù)量時(shí)，調(diào)用規(guī)則庫(kù)對(duì)電池性能進(jìn)行評(píng)定，同時(shí)將評(píng)定結(jié)果記錄到該單體的歷史檔案中。

?
　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　本實(shí)驗(yàn)采用的鋰離子電池組模塊為電動(dòng)汽車用電池組模塊，采用磷酸鐵鋰電池組，單機(jī)模塊系統(tǒng)由12節(jié)30Ah單體電池串聯(lián)而成。電池組模塊裝配有電池管理數(shù)據(jù)采集模塊，模塊通過CAN總線將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。經(jīng)過CAN232接口轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)由CAN數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成PC機(jī)能夠識(shí)別的格式，通過RS232接口傳遞給上位機(jī)人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示。系統(tǒng)連接如圖3所示。
?
　　圖4為實(shí)際對(duì)一組電池組進(jìn)行若干次充放電循環(huán)后采集到的數(shù)據(jù)。由于電池單體間的差異，7號(hào)單體端電壓與其他單體的差距較大，已經(jīng)發(fā)生了二級(jí)壓差故障和單體電壓過低故障報(bào)警。

　　5 結(jié)論

　　（1）分析了電池外部特性數(shù)據(jù)變化與電池故障之間的聯(lián)系，并結(jié)合電池專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，總結(jié)出針對(duì)電池常見故障的診斷規(guī)則。

　?。?）搭建了電池組數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)，包括底層硬件數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)人機(jī)交互界面程序的編寫。新的數(shù)據(jù)采集程序與電池管理系統(tǒng)之間的通訊更安全、更可靠，且不受管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電池種類變換和電池?cái)?shù)目變化的影響。

（3）構(gòu)建了電池故障模糊診斷專家系統(tǒng)。為尋找用以表征電池故障與電池外部癥狀之間模糊關(guān)系構(gòu)建了橋梁。同時(shí)隨著不斷的實(shí)驗(yàn)，還將不斷完善專家診斷系統(tǒng)，為早期故障預(yù)警提供更為可靠保障。

　　由于目前實(shí)驗(yàn)的次數(shù)相對(duì)較少，如電池組的動(dòng)態(tài)特性及故障還無(wú)法得到驗(yàn)證，故障診斷系統(tǒng)也無(wú)法得到驗(yàn)證。隨著實(shí)驗(yàn)的不斷深入，電池故障信息也將慢慢積累，規(guī)則庫(kù)和推理機(jī)也將不斷得到更正。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 鄭杭波, 齊國(guó)光. 電池組故障診斷模糊專家系統(tǒng)的研究[J]. 高技術(shù)通訊, 2004, 06: 70-74.

　　[2] 趙春明, 喬旭彤, 馬寧, 等. 基于CAN總線的電動(dòng)汽車分布式控制系統(tǒng)的故障診斷研究. 車輛與動(dòng)力技術(shù), 2005, 02: 41-45.