[发明专利]利用Petri网诊断锂电池故障的方法

摘要

本发明披露了一种锂电池故障在线诊断方法。对于单体锂电池之间电量的不一致的诊断，采用Petri net系统构建故障诊断的模型，用于分析的故障信息来自于外部的电池电压、电流、温度以及系统运行时间。本发明的锂电池故障诊断方法进行故障诊断的时候考虑多种因素，同时，诊断运算的速度也比较快。在各种复杂的系统中，体现其高效的优势。因为基于petri网的故障诊断模型可以根据其相对应的关联矩阵快速的计算出故障所在的位置，然后调用相关的判断模型来确认故障的发生，这样在电池组系统工作的过程中可以很好地进行实时的监控电池的工作状态，及时的对出现的故障信息进行处理。

主权项

1.一种利用Petri网诊断锂电池故障的方法，其特征在于包括以下步骤：一、根据锂电池的工作原理和出现故障的过程构建Petri网模型：在诊断系统运行之前，首先根据电池的工作原理和出现故障的过程构建Petri网模型，该模型分为三层：故障信号检测层，该层的库所负责响应通过传感器输入的故障信号；故障分析层，该层的库所对输入的故障信号进行处理，通过比较、逻辑运算的方式判断该故障信号所对应的原因；故障原因层，该层的库所为对于故障信号诊断后的结论输出；Petri网模型中的库所S用来构成上述三层中的各种状态，Petri网系统中的变迁T为能够使得状态发生改变的事件，其被激活的条件为输入端所有的库所中所包含的令牌数大于库所与变迁T之间的权值；然后激活了的变迁T在经过合理性的判断以后，将会对其后续的库所赋予令牌，数量取决于两者之间的权值；Petri网系统中的令牌则用于表示故障信息的存在以及故障程度；第一层，故障信号检测层，该层负责响应通过传感器直接输入的故障信号，对于电池管理系统故障诊断系统的检测量包括以下几项：电压、电流、温度、震动；因此故障信号检测层可以确定4个输入的状态，分别为：电压不一致程度检测、充放电电流变大、温度不一致、外部震动检测；第二层，故障分析层，该层对输入的故障信号进行处理，通过比较、逻辑运算的方式判断该故障信号所对应的原因；当出现电压不一致的异常信号时，按照不一致的程度进行分级，分为电压不一致程度一级、电压不一致程度二级、电压不一致程度三级这三种状态，建网的规则为3种状态不能同时存在，需要增加Petri网中的抑止弧，来进行状态间的互锁；对于内阻不一致的状态则是由于出现电压不一致程度一级的状态通过逻辑推理得到的下一个状态；当仅仅只是出现内阻不一致的状态，其他的检测量电流、温度、震动都是正常的时候，则可以推理得到电池老化的状态；第三层，故障原因层，该层为对于故障信号诊断后的结论输出；诊断出现故障的结论为极化电压不一致、连接件故障、散热系统故障、电池内部轻微短路、SOC不一致；其中导致出现极化电压不一致故障的原因是由于电池内阻不一致与充放电电流变大，导致连接件故障是由于电池内阻不一致与外部震动出现异常，散热系统故障是由于电池内阻不一致与温度不一致所导致的，电池内部轻微短路故障是由于电压不一致程度二级与温度不一致所导致的，SOC不一致是由于电压不一致程度二级与电池老化所导致的；二、划分电池的故障等级：按照系统性能的要求对故障等级进行划分；对于电池电压的故障信号，当单体电池的电压值与电池组中电池电压的平均值差值在100mV以内时，电池电压不一致的程度为第一级；当电池的电压值与电池组中电池电压的平均值差值大于100mV小于等于500mV时，电池电压不一致的程度为第二级；当单体电池的电压值与电池组中电池电压的平均值差值超过500mV时，电池电压不一致的程度为第三级；对于电池温度的故障信号，为单体电池的附近采集的温度大于电池组中其他温度采集点处的温度值在1℃以上；对于电流的故障信号为该电池单体通过对应的采样电阻得到的电流值与该电池所在的电池组的工作电流差值大于电量均衡电路启动时的最大均衡电流500mA；对于震动异常的判断条件为与存储的震动幅值相比大于系统工况的正常震动幅值范围；在电池系统的运行过程中，如果所监测的参数超出所设定的阈值，即可判断为出现故障信号，将该故障信号作为故障诊断系统的输入In；三、确定故障诊断系统运行的起始标识M0：对于Petri网系统的状态方程M0+D*U＝M，其中起始标识M0是由起始状态下系统中全部的库所包含的托肯所构成的矩阵，表明系统的初始状态；U为能够使得M0到M的变迁序列，表明系统在运行的过程中经过了哪些变迁，也可以是单步变迁T；M为结果标识，表明经过变迁后系统所达到的状态；D为Petri网的关联矩阵，为Petri网固有的参数；当故障诊断系统的输入In不为零的时候，故障诊断程序开始运行；首先，会将输入In赋给起始标识M0；然后，如果系统中其他的库所都不含有托肯，即表明其他状态中没有出现故障信息，则进入步骤四；如果系统中存在含有托肯的库所，即表明其他状态中出现故障信息，则根据M0’＝M0+M,将原有状态标识M与M0组成新的输入状态标识M0’,输入M0’，从而更新M0的值,进入步骤四；四、计算经过一步变迁后到达的系统状态标识Mn：系统将通过第三步得到的起始标识M0输入状态方程M0+D*U＝M计算Petri网中与其之间仅通过一步变迁就可以到达的状态标识，进入步骤五；如果为不存在下一步变迁的标识或者根据计算状态方程计算依然等于原本输入的标识，即说明不满足变迁发生的条件，则转到步骤七；五、变迁发生合理性判断：根据上一步所确定的U，由于仅一步，所以U即为T，判断其中的变迁T的发生否合理；具体判断的方法如下：对于电池极化电压一致性的判断是根据电池的一阶阻容模型可以得到电池的极化电压公式U_p(t)＝U_p(0)e^‑t/τ+IR_p(1‑e^‑t/τ)，式中U_p(t)是在t时刻时极化电压的大小，τ＝C_pR_p为电池极化电容C_p与电池极化内阻R_p的乘积，I为工作电流；通过将电池单体实测的值与系统的值相比较，即可得到判断运算的结果；对于电池SOH状态，即电池老化程度，一致性的判断是通过查表法来实现的，因为在单次工作的过程中电池SOH的状态变化不大；对于电池温度对其容量的影响所采用模型为C＝C₂₅*(1‑a*(25‑Tem)),其中C为在温度为Tem时电池的容量；C₂₅为在25℃时电池的容量；a为温度相关系数，单位是Ah/℃，它是一个经验数据；Tem为当前温度；对于SOC状态的判断是采用安时积分法计算得出的结果来实现，公式为：其中SOCt为t时刻的SOC的状态，η1为电池的Coulomb效率，通常取1，η2为电池的充放电效率，通过查阅电池参数获得；对于电池总内阻不一致判断是通过排除系统测量故障的方式来确定，具体做法就是通过系统的自查以及比较数据采集系统中电压与电流的历史参数的方式，判断数据采集电路是否出现故障，如果检查结果判断为正常，则确认电池系统出现内阻不一致的故障，不是由于检测系统的故障而导致的；对于散热系统故障的判断则是通过比较当前状态下散热系统的电压、转速、气压工作参数与正常状态下的参数值；上述的判断方法需要根据变迁T来确定采用其中的哪种，并不是每个在当前步骤下都要用到；如果变迁T被确认发生合理，那么对应的库所S将按照所设定的Petri网中的传递值赋予相应数量的托肯，进入步骤六；如果变迁T的发生不合理，则不赋值，保留原有的系统标识，转入步骤七；六、将系统的状态标识进行更新，转回步骤四；七、将得到的状态标识作为故障诊断结果输出。