[发明专利]基于双级模型预测的锂离子电池组外部短路故障诊断方法

摘要

本发明提出一种基于双级模型预测的锂离子电池组外部短路故障诊断方法，涉及锂离子动力电池安全技术领域。首先,对锂离子电池组进行外部短路实验，构建电池组外部短路双级等效电路模型，利用被测实验数据对电池模型参数进行离线最优性辨识；然后，运行时根据电池测量数据判断电池组中电池状态，发现部分电池电压出现异常时，对产生异常的相邻电池单元标记为整体，记作异常电池组，启动第一级电池模型，若第一级电池模型误差小于临界阈值，则触发第二级电池模型，计算获得模型误差；最后，通过实测数据与双级模型吻合度，对异常电池进行故障诊断。该方法步骤简单，易于在线实现，且可靠性高，适用于电动汽车动力电池在线故障诊断与安全管理。

主权项

1.一种基于双级模型预测的锂离子电池组外部短路故障诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：进行电池组外部短路实验，记录实验数据，包括电流的测量数据I_c＝[I_c1,I_c2,…,I_cN]^T、端电压的测量数据U_c＝[U_c1,U_c2,…,U_cN]^T，其中N为数据采样数量，N的取值取决于外部短路试验中电流持续时间和采样步长,T表示矩阵的转置；步骤2：建立外部短路故障的双级电池模型，并通过步骤1中所得到的实验数据分别对双级电池模型进行离线最优性参数辨识；第一级电池模型为一种改进的等效电路模型，改进的方法为：将传统等效电路模型中的电池荷电状态SOC，改进为短路过程中放电深度ξ_E，并将开路电压视为放电深度ξ_E的多项式函数；第一级电池模型具体数学表达形式为：其中,k表示当前采样时刻，τ＝R_pC_p，U_t,U_p,和U_oc分别表示电池组的端电压、极化电压、和开路电压；R_p，和R₀则分别表示极化内阻和欧姆内阻，C_p代表极化电容，i_L表示电池组电流，i_p表示R_p上流过的电流，Δt为采样步长，ξ_E表示在外部短路故障中的放电深度；第二级电池模型为半电池模型，具体数学表达形式为：其中代表恒定电压源；步骤3：利用电池管理系统实时监测电池组每个单体电压，当部分电池单体电压低于临界阈值Vn，则进入步骤4；步骤4：触发第一级电池模型，将相邻的异常电池单体视为一个异常电池组，将电池组电流作为模型输入，实时计算模型输出的预测电压；步骤5：计算第一级电池模型预测电压与实测电压之间的吻合度σ，持续时间T₁时刻，如果吻合度σ＜临界阈值χ₁，则排除外部短路故障的可能性，并进入步骤8，否则，初步界定为外部短路故障，触发第二级电池模型，并进入步骤6；步骤6：将电池组电流作为第二级电池模型的输入并实时计算模型输出的预测电压，计算第二级电池模型预测电压与实测电压之间的吻合度σ，持续时间T₂时刻，如果吻合度σ＞临界阈值χ₂，则确认该异常是由外部短路故障引起，定位发生异常电池单体的位置并进入步骤8；否则，将诊断持续时间增加到T₃，并进入步骤7；步骤7：采用第二级电池模型重复判断吻合度，如果吻合度σ＜临界阈值χ₂则排除外部短路故障的可能性，如果吻合度σ＞临界阈值χ₂，则确认为外部短路故障；步骤8：储存并输出诊断结果，返回步骤3，等待进行下一次操作。