一种虑及SOC动态变化的电动汽车电池故障在线诊断方法

本发明涉及电动汽车电池状态监测领域，尤其是一种虑及soc动态变化的电动汽车电池故障在线诊断方法。

背景技术：

1、在环境污染和能源危机的压力下，电动汽车已成为未来发展趋势，也是全球竞争和发展的焦点。锂离子动力电池作为关键和核心部件，其安全性和可靠性在很大程度上直接影响着电动汽车的综合性能。然而，随着近年来锂离子动力电池在极端工作条件和恶劣环境下发生故障导致电动汽车起火事故的不断发生，其安全性越来越受到关注。因此，电池系统需要进行有效的电池状态监测及故障诊断，以确保电池安全高效运行。锂电池的宽频带电化学阻抗谱能够反映不同频率时锂电池电极内部和界面不同的物理化学过程。进而可以通过监测不同频率的阻抗变化情况，实时监测锂电池运行状态和快速识别故障隐患类型。如核心温度、荷电状态、健康状态等。

2、基于电化学阻抗谱的电池故障诊断方法可分为离线诊断和在线诊断两类，离线诊断可测量的阻抗频带宽，分辨率高，并且能有效屏蔽外部环境干扰。但离线诊断方法阻抗测量耗时长且设备昂贵，不能满足电动汽车运营阶段的电池故障诊断要求。因此往往应用于退役电池的批次回收利用。而现有的在线诊断方法阻抗测量频点有限，易受电池自身状态和外部环境影响，阻抗波动范围较大，不同因素之间存在交互影响，制约了故障诊断的有效性。因此，需要一种锂离子电池故障诊断方法，能有效适应电池soc的变化及不同表征信息的相互影响，提升诊断方法的准确性及鲁棒性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种虑及soc动态变化的电动汽车电池故障在线诊断方法，能有效解决电动汽车运行状态soc动态变化下故障诊断失准的问题，实现soh异常及温度异常的电池单体辨识。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种虑及soc动态变化的电动汽车电池故障在线诊断方法，包括如下步骤：

4、s1、离线采集不同充电工况下电池电压、电流信号数据；

5、s2、基于采集的电压、电流数据，通过分频段信号处理方法获取电池宽频带阻抗参数；

6、s3、梯度变化温度和电池soh，重复s1、s2步骤，通过相关系数计算电池宽频带阻抗参数与温度、soh的相关性，实现诊断用阻抗参数的初步筛选；

7、s4、在小步长范围内变化电池soc，重复s3步骤获取不同soc的阻抗特征参数，基于加权计算再次筛选阻抗参数，建立大范围soc区间内阻抗特征参数库；

8、s5、基于s4的阻抗特征参数，测量异常电池单体阻抗参数的标准差范围，设置故障判定阈值；

9、s6、通过s4的离线阻抗特征参数数据库及s5的故障判定阈值，在线辨识电池soh及温度异常单体，实现电池故障的在线诊断。

10、进一步地，步骤s1中对数据的采集步骤包括：

11、设置电池soc及充电速率，在电池所连接的dc/dc转换器的占空比信号中注入宽频带范围的小幅值多正弦扰动信号；

12、通过采样电路获取电池单体端的电压、电流信号。

13、进一步地，步骤s2中对数据的测量步骤包括：

14、通过分频带滤波获取电压、电流信号的直流分量、中低频分量、高频分量；

15、利用fft算法计算中低频分量的相量值，利用zfft算法计算高频分量的相量值；

16、基于电压、电流各分量的相量值计算电池的宽频阻抗相量值，分解得阻抗实部、阻抗虚部、阻抗幅值、阻抗相位四类阻抗参数。

17、进一步地，步骤s3中对阻抗数据的初步筛选步骤包括：

18、以1摄氏度、1％为温度及soh间隔，梯度变更电池状态，计算各类阻抗参数与soh、温度的皮尔逊相关系数，公式如下：

19、

20、

21、其中，γ表示皮尔逊相关系数，xη,f表示阻抗参数，η和f分别表示阻抗参数类型和阻抗频率，t表示温度，m和n分别表示温度和soh的样本数；

22、中低频段以5hz为频段分离间隔，高频以100hz为频段分离间隔，求取各小频段的相关系数平均值，选取分别与soh和温度相关系数平均值最大的频段；

23、在与soh相关系数平均值最大的频段获取与温度相关性最弱的阻抗参数所对应频点及该频点各类阻抗参数与soh的相关系数，在与温度相关系数平均值最大的频段获取与soh相关性最弱的阻抗参数所对应频点及该频点各类阻抗参数与温度的相关系数。

24、进一步地，步骤s4中考虑soc变化的阻抗数据筛选步骤包括：

25、以0.5％小步长变化电池soc，重复s1、s2、s3步骤，获取不同soc下的阻抗特征参数及所对应频率；

26、以各类阻抗特征参数的相关系数为权值，以10％为soc大范围区间间隔，划定从0到100％soc的10个区间，加权计算soc大范围区间内各类阻抗参数类型与soh、温度的相关系数等效值，筛选最大等效值所对应的阻抗参数类型，等效值计算公式如下：

27、

28、其中h表示为soh大范围区间数，p表示区间内小步长变化次数；

29、根据筛选的阻抗参数类型，加权计算阻抗参数频率等效值，计算公式如下：

30、

31、提取各区间内的阻抗特征参数类型及对应频点，存储于离线数据库。

32、进一步地，步骤s5中soh及温度故障阈值确定步骤包括：

33、设定电池正常单体soh和温度范围，设置正常单体组、soh异常单体、温度异常单体；

34、设置电池0-10％为soc初始大区间，以0.5％小步长变化电池soc，基于步骤4确定的阻抗特征参数频点注入相对应的扰动信号，获取各单体的阻抗特征参数，计算异常单体和正常单体组的阻抗特征参数的标准差，以此确定故障判定阈值；

35、改变电池soc至下一个大区间，重复获取故障判定阈值，直至最后一个soc大区间；

36、建立故障判定阈值历史数据库。

37、进一步地，步骤s6中电池异常单体在线辨识步骤包括：

38、电池bms系统提供soc粗略估计值，搜寻所对应历史数据库，提取待测阻抗参数及对应频点，提取soh和温度异常判定阈值；

39、注入待测频点的扰动信号，获取各电池单体的电压、电流信号，估计各单体的待测阻抗参数并进行故障判定。

40、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

41、1.本发明从锂离子动力电池的宽频阻抗特性出发，找出了反映电池soh和温度的关键阻抗频点及相应阻抗参数。并且考虑soh及温度对阻抗特性的共同影响，通过相关性检验进一步筛选出了受非待测因素影响较小的阻抗频点及参数。方法排除非测量因素的影响，鲁棒性强。

42、2.本发明获取了不同soc阶段下的不同小步长soc的电池特征阻抗参数，利用不同小步长soc的电池特征阻抗参数加权处理，进一步确定同一soc阶段内电池特征阻抗参数及待测频率，并因此建立不同soc阶段的电池特征阻抗参数及频点的离线数据库。然后根据特征阻抗参数，进行正常电池单体组和异常单体的阻抗参数标准差计算，得到了不同soc阶段的故障诊断阈值离线数据库。然后根据电池特征阻抗参数及频点的离线数据库及故障诊断阈值离线数据库，进行电池异常单体的在线辨识，实现电池故障的在线诊断。方法在线诊断时所需测量频点较少，且能有效适应电池soc的动态变化，准确率较高。