主动故障检测的电池系统的制作方法

【技术领域】

本发明涉及电能存储系统，尤其是涉及一种主动故障诊断的电池管理系统。

背景技术：

电力极大地影响了我们的生活，方便经济地储存电力是困扰科学家的难题，目前人们还无法实现大规模的储存电能，电力的生产和消费几乎是同时发生的。由于受环境影响因素较大，很少利用自然资源类型直接作为电能存储的媒介，比如，太阳能，风能，海浪能，潮汐能，这些类型的能源也必须结合合适的电能存储设备才能充分发挥调峰的功效。电能的存储设备通常需要将电能转化为其他类型的能量，在特定时间段内，将此种类型的能量再次反转为电能以用于生产生活所需。电池存储是当前比较常见的一种电能存储方式，可以应用在各种领域，比如重要设备的备用不间断电源、电动汽车等领域。

单个电池的存储能量有限，一般根据功率的需求，电能存储系统会由多个甚至成千上万个的单体电池组成。电能存储系统的单体电池数量一旦众多，其安全性和可靠性愈发重要。含有故障诊断功能的电池系统则能一定程度上保证其安全和可靠运行。一些控制和人工智能方面的工程技术人员和学者致力于研究电池的故障加测和诊断，方法主要集中在质和量两个方向。比如，采用改进的浮点搜索算法来实现故障侦测、采用粒子滤波的信号处理技术实现故障检测。也有人致力于桥接人工智能策略和控制方法。电池的故障诊断主要目的是识别电池系统的期望行为与实际的动态之间的偏差，并对这种偏差进行隔离。但是，大规模的电池组含有数量众多的电池，即使全部是新的电池，这些电池特性也都不尽相同，而且电池的充电特性和工作状况随着寿命、环境和化学参数不断变化。

但是，电池管理和诊断都是采用被动技术，也就是当电池系统存在故障时，具体的故障才能被电池系统发现，其结果往往带来系统的实效。实际的应用更偏向于一个能够在线实时主动故障检测的电池管理系统，能够通过主动的测试和逻辑判断来预估电池的状态，进而隔离或发出警告，能够使系统始终能够保持在正常的工作状态。

因此，有必要提出一种新的技术方案解决上述问题。

技术实现要素：

本部分的目的在于描述发明的实施的一些方面以及简要介绍一些单元拓扑实例。在本部分及申请的说明书和发明名称中可能会做简化或省略及避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这些简化和省略不能用于限制本发明的范围。

本发明的目的在于提供一种主动故障检测的电池系统，其可以在电池系统正常工作前或工作中通过主动控制实现电池故障的检测。该发明能提前预警，不影响系统的正常使用，且能使故障系统平滑过渡至正常状态。

根据本发明的目的，本发明提供一种主动故障检测的电池系统，包含所述的主动控制就是控制器通过控制电池系统中的单个或多个电池的充电和放电；再通过传感器或信息获取装置，获取单个或多个电池工作状态；再通过具有离散事件系统算法的诊断模块，分析所述的控制输入和传感输出两类事件间的关系，从而判别出电池组中单体电池的状体是否异常；并将所述的状态信息反馈至控制器，如若异常则电池管理中心作出报警、控制器做出隔离措施。

进一步的，所述的控制器能够根据所述的电池管理中心可指令实现每个单体电池的充电、待机和工作等状态之间的切换。所述的控制器包含必要的线路开关切换装置或器件，包含且不局限于晶闸管、mos开关器件、继电器。

进一步的，所述的信息获取装置或传感器，能够获取电池的自身工作状态或外围工作环境信息，包含且不局限于电池电压、电池充电电压、电池充电电流、电池工作电流、电池内阻、重量、体积、电池壳体温度。所述的信息获取装置或传感器包含必要的传感装置或器件，包含且不局限于电压、电流、温度传感器。

更进一步的，所述的传感装置和器件安装单体电池内部或外部，单个电池可以共用一个或多个传感装置和器件。

进一步的，所述的诊断功能模块能够实施获取所述的控制器和所述的信息获取装置的控制信息和状态信息，并通过分析主动控制信息和状态信息，得出单体电池是否处于工作或各种故障状态。所述的诊断模块的算法可以通过微控制器mcu、信息处理器dsp、可编程逻辑模块fpga或逻辑电路实现。

更进一步的，所述的诊断功能模块的算法建立在具有事件和逻辑分析能力的离散事件系统、混杂系统、petri网的理论和监控知识之上。

进一步的，所述的电池管理中心为电池储能系统的总调度和控制中心，可以实现外部指令的实时、内部自检、电池系统信息的获取、信息的输出和报警功能。

更进一步的，所述的控制器、信息获取装置或传感器、诊断功能模块和电池管理中心是具有所述功能的抽象模块，不同的功能模块可以任意组合成一个整体和物理模块。

与现有技术相比，本发明设置具有主动控制的控制器、状态信息的传感器及离散事件系统等理论的诊断功能模块。该发明能够通过主动控制单体或多个电池的工作状态切换、协调检测电池的参数信息、分析控制事件、电池状态、状态输出事件之间的关系，得出电池的是否处于正常和故障状态，能够预警、隔离、平滑切换功能。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中的所需使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1为本发明中主动故障诊断电池系统的结构示意图。

图2为本发明中电池系统的一种拓扑结构1示意图。其中b1、b2、b3和b4为单体电池，t1和t2为温度传感器，sw为控制开关。该结构为两节电池串联后与另两节并联；4节电池共用一个控制开关；电池b1和b3共用一个传感器t1；电池b2和b4共用一个传感器t2。

图3为本发明中电池系统的一种拓扑结构2示意图。其中b1、b2、b3和b4为单体电池，t1、t2、t3和t4为温度传感器，sw为控制开关。该结构为两节电池串联后与另两节并联；4节电池共用一个控制开关；电池b1使用传感器t1，电池b2使用传感器t2，电池b3使用传感器t3，电池b4使用传感器t4。

图4为本发明中电池系统的一种拓扑结构3示意图。其中b1、b2、b3和b4为单体电池，t1和t2为温度传感器，sw1和sw2为控制开关。该结构为两节电池串联后与另两节并联；电池b1和b2共用一个控制开关sw1；电池b3和b4共用一个控制开关sw2；电池b1和b3共用一个传感器t1；电池b2和b4共用一个传感器t2。

图5为本发明中电池系统的一种拓扑结构4示意图。其中b1、b2、b3和b4为单体电池，t1、t2、t3和t4为温度传感器，sw1和sw2为控制开关。该结构为两节电池串联后与另两节并联；电池b1和b2共用一个控制开关sw1；电池b3和b4共用一个控制开关sw2；电池b1使用传感器t1，电池b2使用传感器t2，电池b3使用传感器t3，电池b4使用传感器t4。

图6为本发明中单体电池状态变换的自动机。其中ai、bi、ci、di、ei、fi、hi、ji和ni为电池ti的工作状态，他们之间的箭头和符合表示不同的事件驱动及状态转移。

图7为本发明中拓扑结构3中4个电池协同工作状态变换自动机的一部分。

【具体实施方式】

本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程、自动机或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻地理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍然可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。

此处所称的“实施例”是指可包含本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构和特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或者选择性的与其他实施例相互排斥的实施例。另外，表示一个或多个实施例的方法、流程图、自动机或者功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。

本发明提供一种主动故障检测的电池系统，包含所述的主动控制就是控制器通过控制电池系统中的单个或多个电池的充电和放电；再通过传感器或信息获取装置，获取电池工作信息；再通过具有离散事件系统监控理论和算法的诊断模块，分析事件间的关系，从而判别出电池组中单体电池的状体是否异常；从而实现报警、控制器做出隔离措施，是电池储能系统安全可靠工作。

图1表示本发明的系统结构框图。电能通过控制器实现电池组的充电蓄能和放电泻能。电池系统的主动故障检测通过控制器指令输入，实现电池组的充电和放电，从而带来电池组中单体电池状态的改变，这些状态通过信息获取装置或传感器交于诊断功能模块分析，最终反馈至电池管理中心，实现一个完整的闭环结构。

所述的系统结构能通所述的反馈实现电池组的精准控制和检测。系统外部可以通过与电池管理中心的信息或指令交互、通过充电和放电实现电池系统工作、控制、检测和反馈。

所述的控制器能够根据所述的电池管理中心指，必要的线路开关切换装置或器件，实现每个单体电池的充电、待机和工作等状态之间的切换。

所述的信息获取装置或传感器通过传感装置或器件获取电池的自身工作状态或外围工作环境信息，并将参数信息传输至所述的诊断功能模块。

所述的诊断功能模块能够实施获取所述的控制器和所述的信息获取装置的控制信息和状态信息，并通过微控制器mcu、信息处理器dsp、可编程逻辑模块fpga或逻辑电路里的算法和逻辑进行分析主动控制信息和状态信息，得出单体电池的工作状态。

所述的电池管理中心为电池储能系统的总调度和控制中心，可以实现外部指令的实时、内部自检、电池系统信息的获取、信息的输出和报警功能。

电池管理系统中的电池和传感器的拓扑结构可以有多种，其基本形式包含串联和并联方式，也可以由串联和并联混合的方式，如图2至图5的4种典型的方式。当电池数量较多时，其拓扑结构形式将更多。为了说明其主动监测的具体实施原理，图4将作为一个样本进行分析。其他拓扑方式亦可通过本发明的控制和分析策略进行判断和诊断。拓扑结构不构成对本发明的限制。

本发明使用离散事件系统、混杂系统、petri网的理论和监控知识，为了说明以下实施例，对相关知识和符号定义进行简要说明。所属领域内的技术人员熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。

本发明中电池管理系统的判断基础和理论建模为一个自动机g，g为一个关于状态q、事件∑、状态转移函数6、输出状态y和输出方程h的一个五元组；状态q可通过分区映射t分成两个不相交的集合；事件∑由可控事件∑c和不可控事件∑uc组成；gobs为g的一个观测器，其状态z∈z为状态q∈q的一个集合，其状态转移函数定位为v；重要的状态通常用下标m来表示，亦可认定其为标识状态，如zm。

本发明中电池的工作状态可以视作g的状态，充电、放电、状态的变化可以视作事件，若系统g的观测器gobs，所有状态通过标识状态和标识状态转移函数可达，当满足以下关系时表示该系统可以主动诊断的：该条件表示，单体电池的相关状态和控制事件及所关心的故障状态满足条件时，其工作和故障状态就可以被检测状态。该条件可以所谓电池管理系统设计的指导。按照此条件的电池管理系统即可以实现所关心故障及工作状态的检测。

图4是根据本发明中可诊断条件建立起来的一个拓扑电池管理系统实施例，其拓扑结构如“附图说明”。该实施例可检测电池的正常工作状态、老化状态和内阻激增3中状态。当电池状态正常，充电或放电时电池壳体温度变化微小；当电池处于老化状态，充电或放电时电池壳体温度变化较快；当电池处于内阻激增状态，充电或放电时电池壳体温度变化急剧；温度的变化用输出事件y表示，y＝{1，2，3}，其中1表示温度微小变化，2表示温度较快变化，3表示温度急剧变化。

图6是对于图4中电池i状态和事件的离散事件系统自动机。对于电池i，i＝1，2，3，4，系统的事件说明：αi表示老化，βi表示内阻激增，λi表示充电，μi表示停止充电，ηi表示放电，σi表示停止放电。显然，λi、μi、ηi和σi是可控的。系统的状态说明：ai为电池在充电且老化状态中，bi为充电且正常状态中，ci为充电且内阻激增中，di为空闲且老化中，ni为空闲且正常中，ei为放电且老化中，hi为放电且正常中，fi为空闲且内阻激增中，ji为放电且内阻激增中。对于电池i，i＝1，2，3，4，其自动机可以表示为gi，如图中ni通过箭头ηi到达hi表示第i个电池处于空闲且正常时，此时对这个电池放电，电池可迁变至放电和正常状态中。

图6表示的系统，区分映射t可以分为3种不同的状态，即正常状态、老化状态、内阻激增状态，ti＝{{bi，ni，hi}，{ai，di，ei}，{ci，，fi，ji}}。由于电池1和电池2是串联，它们必须同时充电和放电，所以λ1＝λ2，μ1＝μ2，η1＝η2，σ1＝σ2；同理，λ3＝λ4，μ3＝μ4，η3＝η4，σ3＝σ4。电池1致使传感器1的输出描述为输出映射h11，同理一般性的输出映射描述为hki，k＝1，2，i＝1，2，3，4。

系统的各个部件会相互影响，分析时需要将各个部件统一考虑，为了全面反映问题，可将各部部件执行混合操作，如图4，整个系统可以用g＝g1||g2||g3||g4来表示。g含有6561个状态，图7表示整个系统自动机g的一部分。

对于图4所示的系统、图6表示的自动机及对于的g、t和h，可以通过实例行为u＝λ1μ1η3σ3来主动诊断电池管理系统中电池的状态；其描述和诊断过程如下：第一步，开始对电池1、2充电并观察其温度输出，输出有9种可能，包含h(q)＝(1，1)表示电池1和2都正常、h(q)＝(2，1)表示电池1老化和电池2都正常；第二步，停止对电池1和2充电，此时输出无需关心；第三步，对电池3和4进行充电并观察期温度输出，输出亦有9种可能，包含h(q)＝(3，2)表示电池3内阻激增和电池4老化、h(q)＝(2，3)表示电池3老化和电池4内阻激增；第四步：停止对电池3，4充电。通过以上4步的控制和观测，则通过输出可以获取电池管理系统中单体的状态。

对于图4和图6，u＝λ1μ1η3σ3是一个可行的控制，系统还有其他的控制来主动诊断系统。此实施例仅仅说明本说明的诊断逻辑，但诊断逻辑方法不局限于本实施例。

综上所述，本发明通过主动控制电池管理系统的充电和放电等可控操作，通过检测电池的状态输出和逻辑判断可以获取单体电池的工作状态信息，通过状态信息可以进行预警、隔离和修复工作。该主动诊断方法相对被动诊断优势明显。

上述说明已经充分揭示了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的改动均不脱离本发明的权利要求书的范围，相应的，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述的具体实施方式。