基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法与系统

摘要

本发明涉及一种基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法和系统。该故障诊断方法通过对电池不同使用状态的划分，来区别电池的使用状态，进一步来判断电池的电压是否处于该阶段的安全阈值范围内。并且会随着电池的不断使用，考虑电池的老化情况，提出了不断更新的电池电压合理阈值范围。根据该车型电池去除异常点后的历史历史电压数据来计算出该电池电压的合理置信区间，以此来判断电池的电压是否处于正常的范围内，能够合理有效的诊断电池的故障并进行报警，降低电池的故障率。

说明书

技术领域

本发明涉及电池单体故障诊断领域，特别是涉及一种基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法与系统。

背景技术

随着新能源汽车的不断推广，电池技术的发展成为学者们关注的焦点，锂离子动力电池能量密度也随着人们对电动汽车续驶里程的要求提高而不断提高，随之而来的安全隐患越来越突出。在电池的热失控发生之前，电池的电压会大幅度降低，可借助电压值的变化进行故障诊断，但由于实际车辆运行过程中电池的使用状态多变，现有公开的电池诊断方法中并不能有效解决精确判断电压值的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法和系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法，包括：

获取汽车电池单体的历史电流数据和历史电压数据；

根据所述历史电流数据确定所述汽车电池单体的使用状态；所述使用状态包括：充电状态、放电状态和制动能量回收状态；

根据所述历史电压数据确定不同使用状态下所述电池单体的电压均值和电压标准差；

根据所述电压均值和所述电压标准差确定不同使用状态下电池单体的置信区间；

根据不同使用状态下电池单体的置信区间对应确定不同使用状态下电池单体的电压阈值范围；

获取当前时刻的电池单体的电流数据和电压数据；

根据当前时刻的电池单体的电流数据确定电池单体的使用状态，并获取该使用状态下的电压阈值范围；

根据所述电压数据和该使用状态下的电压阈值范围确定当前时刻电池单体是否发生故障。

优选地，所述根据所述历史电流数据确定所述汽车电池单体的使用状态，具体包括：

当所述历史电流数据中的电流值小于等于零时，则确定所述汽车电池单体的使用状态为充电状态或制动能量回收状态；所述充电状态包括：快充状态和慢充状态；所述制动能量回收状态包括：弱制动能量回收状态和强制动能量回收状态；

当所述历史电流数据中的电流值大于零时，则确定所述汽车电池单体的使用状态为放电状态；所述放电状态包括：加速放电状态和匀速放电状态。

优选地，所述当所述历史电流数据中的电流值小于等于零时，则确定所述汽车电池单体的使用状态为充电状态或制动能量回收状态，具体包括：

获取第一预设电流阈值、第二预设电流阈值、第三预设电流阈值、第四预设电流阈值和第五预设电流阈值；所述第一预设电流阈值、所述第二预设电流阈值、所述第三预设电流阈值、所述第四预设电流阈值和所述第五预设电流阈值均小于等于零；

当所述历史电流数据中的电流值大于等于所述第一预设电流阈值时，则确定汽车电池单体的充电状态为快充状态；

当所述历史电流数据中的电流值小于所述第一预设电流阈值时，则确定汽车电池单体的充电状态为慢充状态；

当所述历史电流数据中的电流值大于等于所述第二预设电流阈值且小于等于所述第三预设电流阈值时，则确定汽车电池单体的制动能量回收状态为弱制动能量回收状态；

当所述历史电流数据中的电流值大于等于所述第四预设电流阈值且小于等于所述第五预设电流阈值时，则确定汽车电池单体的制动能量回收状态为强制动能量回收状态。

优选地，所述当所述历史电流数据中的电流值大于零时，则确定所述汽车电池单体的使用状态为放电状态，具体包括：

获取第六预设电流阈值、第七预设电流阈值和第八预设电流阈值；所述第六预设电流阈值、所述第七预设电流阈值和所述第八预设电流阈值均大于零；

当所述历史电流数据中的电流值大于所述第六预设电流阈值时，则确定所述汽车电池单体的放电状态为加速放电状态；

当所述历史电流数据中的电流值大于等于所述第七预设电流阈值且小于等于所述第八预设电流阈值时，则确定所述汽车电池单体的放电状态为匀速放电状态。

优选地，获取汽车电池单体的历史电流数据和历史电压数据，之后还包括：

根据3σ准则剔除所述历史电流数据和历史电压数据中的异常值。

优选地，所述根据所述电压数据和该使用状态下的电压阈值范围确定当前时刻电池单体是否发生故障，具体包括：

当所述电压数据处于所述电压阈值范围内时，则确定当前时刻电池单体正常；

当所述电压数据处于所述电压阈值范围之外时，则确定当前时刻电池单体发生故障。

优选地，还包括：

依据电池单体的老化特性，在特定时间段后重新确定不同使用状态下电池单体的电压阈值范围。

优选地，所述特定时间段为6个月。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法，通过对电池不同使用状态的划分，来区别电池的使用状态，进一步来判断电池的电压是否处于该阶段的安全阈值范围内。并且会随着电池的不断使用，考虑电池的老化情况，提出了不断更新的电池电压合理阈值范围。根据该车型电池去除异常点后的历史历史电压数据来计算出该电池电压的合理置信区间，以此来判断电池的电压是否处于正常的范围内，能够合理有效的诊断电池的故障并进行报警，降低电池的故障率。

对应于上述提供的基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法，本发明还提供了一种系统，具体如下：

一种基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断系统，包括：

历史数据获取模块，用于获取汽车电池单体的历史电流数据和历史电压数据；

使用状态确定模块，用于根据所述历史电流数据确定所述汽车电池单体的使用状态；所述使用状态包括：充电状态、放电状态和制动能量回收状态；

电压均值-标准差确定模块，用于根据所述历史电压数据确定不同使用状态下所述电池单体的电压均值和电压标准差；

置信区间确定模块，用于根据所述电压均值和所述电压标准差确定不同使用状态下电池单体的置信区间；

电压阈值范围确定模块，用于根据不同使用状态下电池单体的置信区间对应确定不同使用状态下电池单体的电压阈值范围；

当前数据获取模块，用于获取当前时刻的电池单体的电流数据和电压数据；

电压阈值范围选择模块，用于根据当前时刻的电池单体的电流数据确定电池单体的使用状态，并获取该使用状态下的电压阈值范围；

故障判定模块，用于根据所述电压数据和该使用状态下的电压阈值范围确定当前时刻电池单体是否发生故障。

此外，本发明还提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机运行程序；所述计算机运行程序执行上述基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法。

因本发明提供的该故障诊断系统和计算机存储介质所解决的技术问题与本发明提供的上述故障诊断方法相同，所以在此不再对其达到的技术效果进行赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的车载电池单体数据传输框架图；

图3为本发明实施例提供的基于图2所示传输框架下的故障诊断方法流程图；

图4为本发明提供的基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法和系统，以能够合理有效的诊断电池的故障并进行报警，进而降低电池的故障率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法，包括：

步骤100：获取汽车电池单体的历史电流数据和历史电压数据。

步骤101：根据历史电流数据确定汽车电池单体的使用状态。使用状态包括：充电状态、放电状态和制动能量回收状态。

具体的，当历史电流数据中的电流值小于等于零(即I≦0，I为历史电流数据中的电流值)时，则确定汽车电池单体的使用状态为充电状态或制动能量回收状态。充电状态包括：快充状态和慢充状态。制动能量回收状态包括：弱制动能量回收状态和强制动能量回收状态。

当历史电流数据中的电流值大于零(即I>0)时，则确定汽车电池单体的使用状态为放电状态。放电状态包括：加速放电状态和匀速放电状态。

其中，当历史电流数据中的电流值大于等于第一预设电流阈值(即I≧I

当历史电流数据中的电流值小于第一预设电流阈值(即I

当历史电流数据中的电流值大于等于第二预设电流阈值且小于等于第三预设电流阈值(即I

当历史电流数据中的电流值大于等于第四预设电流阈值且小于等于第五预设电流阈值(即I

当历史电流数据中的电流值大于第六预设电流阈值(即I>I

当历史电流数据中的电流值大于等于第七预设电流阈值且小于等于第八预设电流阈值(即I

上述采用的第一预设电流阈值、第二预设电流阈值、第三预设电流阈值、第四预设电流阈值和第五预设电流阈值均小于等于零，第六预设电流阈值、第七预设电流阈值和第八预设电流阈值均大于零。第一预设电流阈值、第二预设电流阈值、第三预设电流阈值、第四预设电流阈值、第五预设电流阈值、第六预设电流阈值、第七预设电流阈值和第八预设电流阈值均是根据历史数据和车辆实际应用情况人为确定的值。

步骤102：根据历史电压数据确定不同使用状态下电池单体的电压均值和电压标准差。

例如：

快充状态下某电池单体的电压均值μ

快充状态下某电池单体的电压标准差

那么，通过相同的方式依次计算出慢充状态下某电池单体的电压均值μ

步骤103：根据电压均值和电压标准差确定不同使用状态下电池单体的置信区间。

步骤104：根据不同使用状态下电池单体的置信区间对应确定不同使用状态下电池单体的电压阈值范围。

具体的，选择95％的置信水平，并根据计算出的电压均值和电压标准差进一步计算出该使用状态下的单体电池电压的置信区间。

其中，置信区间的计算公式为：

基于该计算公式分别计算出快充、慢充、加速、匀速、弱制动能量回收、强制动能量回收等状态下的电压置信区间。

步骤105：获取当前时刻的电池单体的电流数据和电压数据。

步骤106：根据当前时刻的电池单体的电流数据确定电池单体的使用状态，并获取该使用状态下的电压阈值范围。

其中，快充状态的电压阈值范围为[U

步骤107：根据电压数据和该使用状态下的电压阈值范围确定当前时刻电池单体是否发生故障。

具体的，当电压数据处于电压阈值范围内时，则确定当前时刻电池单体正常。即U

当电压数据处于电压阈值范围之外时，则确定当前时刻电池单体发生故障。

为了进一步保障确定得到的电压阈值范围的准确性，在获取汽车电池单体的历史电流数据和历史电压数据之后，本发明还优选包括：根据3σ准则剔除历史电流数据和历史电压数据中的异常值。即收集该电池单体的历史电压数据，并根据3σ准则将所获得的该电池单体的电压数据中的异常点去除。

并且，为了进一步提高电池单体诊断的精确性，本发明公开的上述故障诊断方法中，还需要依据电池单体的老化特性，在特定时间段(优选为6个月)后重新确定不同使用状态下电池单体的电压阈值范围。

下面以图2所示的电池单体数据传输的具体过程为例，对本发明提供的基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法的具体应用过程进行说明。

如图3所示，该故障诊断方法的具体应用过程为：

步骤1：电池管理系统将电压和电流传感器采集的电压和电流数据，通过CAN总线传输给车载终端，车载终端借助无线网络传输给新能源汽车大数据平台。数据具体传输过程如图2所示。

步骤2：从大数据平台获取多组单帧的n个单体电压。单帧数据如下：

2020:09:1513:00:00时间对应的1号单体电压3.21V，2号单体电压3.22V，以此类推。

形成电压矩阵U，行方向代表单体序号，列方向代表时间序列。

步骤3：根据电池的电流数据判断电池的使用状态(正电流为放电、负电流为充电)，并进行分类，包括充电状态(快充、慢充)、放电状态(加速、匀速)和制动能量回收状态(强制动能量回收、弱制动能量回收)。

其中充电状态划分为快充、慢充状态。放电状态划分为加速状态、匀速状态。制动能量回收状态又划分为弱制动能量回收和强制动能量回收。

其中，设收集到的电池电流大小为I，若I<0，则电池处于充电状态或者制动能量回收状态。若I>0，则电池处于放电状态。

若电池的电流I>I

若电池的电流I

若电池的电流I>I

步骤4：收集该电池单体的历史电压数据，并根据3σ准则将所获得的该电池单体的电压数据中的异常点去除。

步骤5：根据电池的不同使用状态(快充、慢充、加速放电、匀速放电、弱制动能量回收、强制动能量回收)，对不同使用状态下的数据进行数理统计，分别计算出在该使用状态下电池单体的电压均值μ和电压的标准差σ。

例如：

快充状态下某电池单体的电压均值μ

快充状态下某电池单体的电压标准差

通过相同的方式依次计算出慢充状态下某电池单体的电压均值μ

步骤6：选择95％的置信水平，并根据计算出的均值μ和标准差σ进一步计算出该使用状态下的单体电池电压的置信区间。

其中，置信区间的计算公式为：

基于该公式，分别计算出快充、慢充、加速放电、匀速放电、弱制动能量回收和强制动能量回收状态下的电压置信区间。

步骤7：根据步骤6的电池不同使用状态下的电压置信区间来划分不同使用状态下的电压阈值(单体电池电压的置信区间即位不同使用状态下的阈值)。快充电压阈值为U

步骤8:确定后的阈值范围应该根据电池的老化情况不断调整变化(每6个月更新一次阈值范围)，以满足电池不断老化对电池电压的变化的影响。

即，每六个月重新计算该电池单体不同使用状态下的电压阈值(重复步骤4至步骤7)

步骤9：针对电池的电压，判断电池电压是否处于该段(使用状态)的正常阈值范围内，如果是，则正常。如果否，则首先检查该电池单体是否存在通信故障。如果不存在通信故障，则诊断该电池电压数据异常，并报警。

基于上述内容，本发明提供的基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法，利用实时传输的单体电池的电压和电流数据参数，根据电流来判断电池的使用状态，再根据电池的历史电压来划分电池不同使用阶段的置信区间，然后判断电池的电压是否处于对应的置信区间，使得该方法简单实时性较高。此外，针对电压是否处于其对应的置信区间内，通过此方法可以快速诊断出动力电池电压故障，并进行报警，从而有效防止动力电池电压故障的发生。

对应于上述提供的基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法，本发明还提供了一种系统，如图4所示，该基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断系统，包括：历史数据获取模块1、使用状态确定模块2、电压均值-标准差确定模块3、置信区间确定模块4、电压阈值范围确定模块5、当前数据获取模块6、电压阈值范围选择模块7和故障判定模块8。

其中，历史数据获取模块1用于获取汽车电池单体的历史电流数据和历史电压数据。

使用状态确定模块2用于根据历史电流数据确定汽车电池单体的使用状态。使用状态包括：充电状态、放电状态和制动能量回收状态。

电压均值-标准差确定模块3用于根据历史电压数据确定不同使用状态下电池单体的电压均值和电压标准差。

置信区间确定模块4用于根据电压均值和电压标准差确定不同使用状态下电池单体的置信区间。

电压阈值范围确定模块5用于根据不同使用状态下电池单体的置信区间对应确定不同使用状态下电池单体的电压阈值范围。

当前数据获取模块6用于获取当前时刻的电池单体的电流数据和电压数据。

电压阈值范围选择模块7用于根据当前时刻的电池单体的电流数据确定电池单体的使用状态，并获取该使用状态下的电压阈值范围。

故障判定模块8用于根据电压数据和该使用状态下的电压阈值范围确定当前时刻电池单体是否发生故障。

此外，本发明还提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机运行程序。计算机运行程序执行上述基于置信区间的锂离子动力电池组的故障诊断方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。