一种动力电池组串联连接故障诊断方法与流程

本发明涉及车用动力电池组
技术领域：
，具体涉及一种动力电池组串联连接故障诊断方法。
背景技术：
：通常，电动汽车电池组由数节大容量电池单体串联而成，以满足电动汽车性能和功率需求。然而，装备缺陷，以及电动汽车行驶过程中道路状况、车辆性能等一系列因素都可能引起电池间连接件的松动。连接件一旦松动，两个电池单体间的接触电阻就会增大，从而直接影响电池管理系统对电池单体电压的测量，同时电池间连接件上产生的焦耳热也增加，导致电池表面温度升高。大容量电池有非常小的电池内阻，一般为mω级别，在正常连接状态下接触电阻一般为μω(或mω)级别。如果连接件松动，接触电阻将达到mω以上级别。因此，在动力电池充电时，测量的电池单体电压率先达到充电截止电压提前结束充电过程；在动力电池放电时，测量的电池单体电压率先达到放电截止电压提前结束放电过程。动力电池组将会出现充不满、放不完现象。并且，连接件松动导致两个电池单体间的接触电阻增大，产生的焦耳热也增加，存在严重的安全隐患。车用动力电池组一旦发生上述现象都将直接影响电动汽车的正常行驶，甚至会引起火灾爆炸事故。因此，相关技术中，通过计算电池单体电压与平均电压的差值，并与预设阈值比较产生目标异常单体电池组，并确定目标异常单体电池组中每个单体的故障等级。通过上述方法能够判断出动力电池组中电压异常的所有电池单体，该方法通用性强，但阈值判断方法繁琐，仅从异常电压阈值判断，可靠性较低，无法区分连接件松动和电池内阻增加故障。技术实现要素：本发明的目的是为了解决仅从阈值进行故障诊断可靠性较低、无法区分接触电阻和电池内阻增加的问题，提出了一种采用交差电压测试方法区分接触电阻和电池内阻增加故障，基于电压检测异常系数及温升速率阈值提高诊断可靠性的动力电池组串联连接故障诊断方法。为此，本发明提供一种动力电池组串联连接故障诊断方法，动力电池组由n节电池单体串联而成，在易发生腐蚀或虚拟连接位置采用交差电压测试方法，具体包括以下步骤：(1)串联电池组在使用过程中流过每个电池单体的电流一致，电池管理系统记录所述n节电池单体电压和电池单体负极表面温度；(2)基于matlab/simulink对所述动力电池单体进行仿真，记录输出电压；(3)计算所述n节电池单体电压与仿真输出电压的均方误差，如果均方误差值都近似为零，则判定无电压异常；如果均方误差值有明显波动，则判定有电压异常，并基于均方误差计算检测点所有电池单体的z-score，作为电压检测异常系数；(4)判断第i、i+1电池单体的电压异常系数是否大于零，如果所述第i、i+1电池单体的电压异常系数大于零，则判定所述第i与i+1电池连接处故障；如果所述第i电池单体的电压异常系数大于零，则判定所述第i电池内阻增加故障；输出结果为二级故障；(5)计算所述n节电池单体表面温升速率；(6)判断所述第i、i+1电池单体中是否存在温升速率大于预设阈值，如果存在，则判定步骤(4)已准确判断故障并定位，输出结果为一级故障；如果不存在，则进入下一取样时间计算，输出结果仍为二级故障。其中，所述步骤(1)中，记录所述n节电池单体电压和电池单体负极表面温度的采样频率为1hz。其中，所述步骤(1)中，对所述电池管理系统记录的电池单体电压和温度数据进行平滑去噪。其中，所述步骤(2)中，仿真步长为定步长1s。其中，所述步骤(3)中，电池单体电压与仿真输出电压的均方误差计算方法为：其中，msei为第i个电池单体均方误差，εi为第i个电池单体电压与仿真输出电压的残差，m为取样时间间隔。其中，所述步骤(3)中，基于z-score的电压检测异常系数计算方法为：其中，ai为所述第i个电池单体异常系数，msei为所述第i个电池单体均方误差，mseave为检测点所述n节电池单体均方误差的均值，σm为检测点所述n节电池单体均方误差的标准差。其中，所述步骤(6)中，预设阈值为正常工作情况下电池单体最大温升速率的两倍。其中，平滑去噪方法为savitzky-golay法。其中，取样时间间隔m＝180s，即每三分钟进行一次计算，所述动力电池组由n节电池单体串联，可分组进行，从而减小电池管理系统运行负担。本发明的优点：(1)本发明在易发生连接松动位置采用交叉电压测试的方法，可区分连接件松动引起的接触电阻增加故障和电池单体本身内阻增加故障；(2)本发明通过计算均方误差初步判定有无电压异常，如有电压异常再计算基于均方误差的z-score作为电压异常系数，并比较其与零的关系，可准确判断连接故障的发生及位置，方法便捷直观。对电池单体分组计算，可有效降低电池管理系统运行负担；(3)本发明通过电池单体温升速率辅助分析，进行故障分级，增加了故障诊断的可靠性。附图说明图1为本发明实施例的动力电池组串联连接故障诊断方法。图2为本发明实施例电池单体连接和电池单体电压测量示意图。图3为本发明图2中电池单体电路结构及电压测量模型图。图4为本发明实例(一)各电池单体均方误差值。图5为本发明实例(一)各电池单体电压检测异常系数。图6为本发明实例(一)各电池单体负极表面温升速率。图7为本发明实例(二)各电池单体均方误差值。图8为本发明实例(二)各电池单体电压检测异常系数。图9为本发明实例(二)各电池单体负极表面温升速率。具体实施方式以下结合附图对本发明技术内容进行详细的具体实施方式描述。如图1所示，为本发明实施例一种动力电池组串联连接故障诊断方法的流程图，动力电池组由n节电池单体串联而成。本发明中，在易发生腐蚀或虚拟连接位置采用交差电压测试方法，如图2所示，电流i从左到右通过整个电池组。具体实施方式如下：(1)电池管理系统记录n节电池单体电压和电池单体负极表面温度，需要说明的是记录电池单体负极表面温度的实施例是示例性的，并不限制于负极表面。并且，电池管理系统记录电池单体电压和电池单体表面温度，其记录时间间隔即采样时间间隔可以灵活设定。若采样时间间隔较长，则可以减少记录数据的存储空间；若采样时间间隔较短，如为1s，则意味着记录的信息较为全面，几乎包括故障可能发生的所有时间点。需要说明的是，如图2所示，为本发明实施例交叉电压测试方法示意图，并结合如图3所示的电池单体电路结构及电压测量模型图，ei代表电池单体i的开路电压，ri代表电池单体i的内阻，ri代表电池单体i与其他电池单体的接触电阻，ui代表实际测量的电池单体i的端电压。因此若发生连接故障，即ri增大，给动力电池组充电时，所测量的端电压ui会率先到达充电截止电压而提前结束充电过程；给动力电池组放电时，所测量的端电压会ui率先到达放电截止电压而提前结束放电过程。并且，所测量的端电压的差异随着电流i和接触电阻r的增大而增大，也就是说，连接件松动现象越严重，接触电阻r越大，测量的端电压差异就越大，同时在连接件上产生的热量也就越多，会导致温度升高显著。实施例采用savitzky-golay方法对电池管理系统记录的电池单体电压和温度数据进行平滑去噪。需要说明的是，动力电池组在工作中受噪声、振动等干扰因素影响，因此在诊断算法之前需要对采集的数据进行平滑去噪处理，savitzky-golay方法是本实施例中采用的一种方法，平滑去噪方法并不限制于此。(2)基于matlab/simulink对示例采用的动力电池单体进行仿真，记录输出电压；(3)计算n节电池单体电压与仿真输出电压的均方误差，如果均方误差值都近似为零，则判定无电压异常；如果均方误差值有明显波动，则判定有电压异常，并基于均方误差计算检测点所有电池单体的z-score，作为电压检测异常系数。电池单体电压与仿真输出电压的均方误差计算公式为：其中，msei为第i个电池单体均方误差，εi为第i个电池单体电压与仿真输出电压的残差，m为取样时间间隔，本发明实施例中m取值180s，在这里需要说明的是取样时间间隔可根据实际情况灵活设定，不限制于本实施例。也就是说，m取值越小，故障诊断越及时，但会加大电池管理系统的运行负担；m取值越大，故障诊断可能存在滞后现象。若初步判定电压有异常，再进行基于z-score的电压检测异常系数的计算：其中，ai为所述第i个电池单体异常系数，msei为所述第i个电池单体均方误差，mseave为检测点所述n节电池单体均方误差的均值，σm为检测点所述n节电池单体均方误差的标准差。(4)判断第i、i+1电池单体的电压异常系数是否大于零，如果第i、i+1电池单体的电压异常系数都大于零，则判定故障是由于第i与i+1电池连接松动导致的；如果只有第i其中一节电池单体的电压异常系数大于零，则判定故障是由于第i电池单体内阻增加导致的。此时故障的发生都输出为二级故障。(5)计算n节电池单体表面温升速率，如果第i、i+1电池单体中存在温升速率大于预设阈值，则可进一步确定故障的发生及位置，输出为一级故障；如果第i、i+1电池单体温升速率不大于预设阈值，则输出仍为二级故障。根据故障等级，应作出相应的故障处理，如表1所述：表1故障等级故障处理一级故障红色预警，提示用户需立即维修二级故障黄色预警，提示用户有轻微故障发生需要说明的是，在正常连接情况下进行充放电测试，直接与循环仪负极相连的电池单体表面温度会明显高于其他电池单体，主要是因为在充放电时电流最先流过该电池单体。需要说明的是以上故障判断过程都不包括电池测试的搁置状态。下面通过两个实验实例进行分析。实验将4节(即n＝4，电池单体编号1、2、3、4)额定容量为43ah、标准充放电电流为1c的ncm动力电池串联连接，正常情况下接触电阻小于1.5mω，每组实验分别只有一处发生连接故障，对电池组进行1c恒流放电、fuds工况模拟测试，记录各单体端电压及负极表面温度。使用matlab/simulink对所用动力电池进行仿真，记录仿真电压。然后对实验数据结果进行诊断分析。实例(一)：各电池单体均方误差值如图4所示，其中3、4两节电池单体的均方误差值恒近似为零，而1、2两节电池单体的均方误差值大于零且存在明显波动，则初步判定存在电压异常。基于均方误差计算z-score的电压检测异常系数如图5所示，除搁置状态，3、4两节电池单体的电压异常系数小于零，而1、2两节电池单体的电压异常系数大于零，则可判定1和2两节电池单体间存在连接故障，即有二级故障发生。再结合图6所示，除去电池单体1(直接与循环仪负极相连)，电池单体2的温升速率显著大于正常情况下最大温升速率0.01℃/s的两倍，进一步验证电池单体1和2之间存在连接故障，为一级故障。实例(二)：各电池单体均方误差值如图7所示，其中1、4两节电池单体的均方误差值恒近似为零，而2、3两节电池单体的均方误差值大于零且存在明显波动，则初步判定存在电压异常。基于均方误差计算z-score的电压检测异常系数如图8所示，除搁置状态，1、4两节电池单体的电压异常系数小于零，而2、3两节电池单体的电压异常系数大于零，则可判定2和3两节电池单体间存在连接故障，即有二级故障发生。再结合图9所示，除去电池单体1(直接与循环仪负极相连)，电池单体3的温升速率显著大于正常情况下最大温升速率0.01℃/s的两倍，进一步验证电池单体2和3之间存在连接故障，为一级故障。综上所述，本发明实施例的动力电池组串联连接故障诊断方法，通过交差电压测试，可区分接触电阻增加和内阻增加故障，均方误差计算可初步判定是否有电压异常，若无异常，则无需再计算；若有异常，则基于z-score再进行电压检测异常系数的计算。并结合电池表面温升速率，可进一步确定故障的发生及位置。根据不同故障等级，用户可作出相应处理。另外，本发明的动力电池组串联连接故障诊断方法，不仅适用于纯电动汽车，而且还适用于混合动力汽车及非电动汽车的蓄电池组。当前第1页12