電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) — 模糊診斷專家系統(tǒng)

7.4歷史檔案數(shù)據(jù)內(nèi)容及其建立

以鉛酸電池為例，保存在歷史檔案中的數(shù)據(jù)主要有：

• 電池出廠時的關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如出廠日期、標稱容量、開路電壓等）；
• 使用的總安時數(shù)；過充和過放時最大電壓、電流、溫度的記錄；
• 最近10個充放電周期內(nèi)充電周期屬于電壓最高的次數(shù)和放電周期屬于電壓最低的次數(shù)；
• 最近10個周期內(nèi)充電時溫度升降數(shù)據(jù)和充電效率；
• 最近10個周期內(nèi)小電流充電時電壓差別；
• 最長的兩次充電時間間隔；
• 最近2個周期內(nèi)的SOR；
• 上一次診斷的健康程度（DOH）結(jié)果；

在系統(tǒng)運行的第一次，對歷史檔案進行初始化。初始化的原則是除了一些已知的基本參數(shù)外，其他部分都設(shè)置為最佳狀態(tài)。在以后的運行過程中，系統(tǒng)自動地把與電池有關(guān)的重大事件記錄下來，對歷史檔案進行修改。如果電池組中的某一個電池被撤換下來，則應(yīng)對剛換上的電池的歷史檔案進行初始化。對歷史檔案中的使用總安時數(shù)、總充放電周期數(shù)、過充、過放及充電不足等影響電池健康和使用壽命的記錄采用長期記憶并進行累加的辦法；對于另外表現(xiàn)性能的歷史數(shù)據(jù)則采用定期刷新的方法。

歷史檔案的具體實現(xiàn)方案是：在系統(tǒng)中采用長期記憶芯片來保存歷史數(shù)據(jù)，同時在系統(tǒng)中加一個時鐘電路和一個供電電池為歷史數(shù)據(jù)提供時間信息。

7.5電池組運行性能評估——靜態(tài)SOR評估算法

電池組運行性能評估的重要指標是SOR.系統(tǒng)中采用了靜態(tài)SOR評估算法。

此方法的核心思想是：由于各個電池在某段時間內(nèi)所充放電的電流和安時數(shù)是一致的，這樣各個電池在此段時間內(nèi)的電壓變化U可以體現(xiàn)電池性能的好壞，U小的其性能也就相對好。

靜態(tài)情況下充電時性能評估算法中的電壓表現(xiàn)函數(shù)分別是：



其中，“*”為代數(shù)乘，l為評價次數(shù)，F(xiàn)_kl是第k號電池在第l段時間內(nèi)的電壓表現(xiàn)值，△U_nk為第k個電池在第n段時間內(nèi)變化的電壓數(shù)，（△U_n）_min為第n段時間內(nèi)電壓變化最小的電池的電壓變化值，C（n）為加權(quán)函數(shù)，常量P為電池組中電池個數(shù)。（以下用法同）

靜態(tài)情況下放電時性能評估算法中的電壓表現(xiàn)函數(shù)和充電時一樣，只是加權(quán)函數(shù)不同，應(yīng)為D（n）：



電壓表現(xiàn)函數(shù)的主要思想是將第k號電池在第一到第l段時間內(nèi)每個時間段的電壓變化值減去在此段時間內(nèi)電壓變化最小的電池的電壓數(shù)，并用這些計算得到的差值的加權(quán)和來評價此段時間內(nèi)這個電池的電壓表現(xiàn)。

加權(quán)是因為在不同時間段的電壓表現(xiàn)對電池性能的反映程度不一樣。例如在充電過程中，第一段充電電流剛加到電池組上時電池的電壓表現(xiàn)，比后來充電時間段內(nèi)電池的電壓表現(xiàn)，更能反映電池性能；在放電過程中，放電電流大的時間段內(nèi)的電壓表現(xiàn)，比放電電流小的時間段內(nèi)的電壓表現(xiàn)，更能反映電池性能；等等。此外，加權(quán)用的函數(shù)C（n）、D（n）應(yīng)根據(jù)電池組在不同的應(yīng)用場合進行調(diào)節(jié)。

把電池組P個F_kl中非零值的最小一個作為（F_min）_l，用它與F_kl的比值來評價其計算S_kl

S越小越好，最理想的電池可為零。SOR_k是在S_k的基礎(chǔ)上得出的結(jié)論：



靜態(tài)SOR評估算法的關(guān)鍵在于△T時間內(nèi)所有電池的△U相對大小的比較。

這種評價算法認為電壓變化越小電池運行性能越好。它基于的一種認定就是：沒有任何一種故障，它表現(xiàn)為電池充電電壓上升慢或放電電壓下降慢；任何電壓變化波動小的電池就會被認為是運行性能好的。



實驗證明靜態(tài)SOR評估算法具有實時性好和高準確率等特點。以鋰電池為例，在串聯(lián)的鋰電池的放電后期，假如有一個電池中突然有一個單體電池電量耗盡，那么在放電曲線族上將看出該電池的放電曲線有一個明顯下降的臺階，這個臺階的大小就是一個單體電池的標稱電壓。鋰電池單體電壓平常為4V左右，放電后期大約3V，因此鋰電池的下降臺階為3V到4V之間。從圖7.2中我們可以看出，在電池組放電的前期U會有一定的差別（這是由于電池內(nèi)阻的不同引起的，內(nèi)阻表征大的，下降越明顯），那么相應(yīng)S_kl將有一定的差異；在電池組放電的中期，電池放電曲線族的走向都很平穩(wěn)，盡管在電壓高低上有區(qū)別，但在U上沒有很大差異，因此在中期的S_kl相差將不是很大。最關(guān)鍵的階段是放電后期，好壞電池間的區(qū)別非常明顯，一旦某個電池出現(xiàn)明顯下降的臺階，這個電池的第L時間段的S_kl將突然變大，自然最終對第k號電池的運行性能評估值SOR_k不會高，而且必定是低于正常放電結(jié)束的其他電池的SOR_k.

7.6電池組模糊診斷專家系統(tǒng)的實現(xiàn)

7.6.1癥狀模糊化

歷史數(shù)據(jù)是專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入，專家系統(tǒng)進行診斷的前期工作就是利用歷史檔案求出電池隸屬于各癥狀的隸屬度。系統(tǒng)考慮實際需要隸屬度值用（0——10）表示（0——1）。由歷史檔案求隸屬度是大量試驗和電化學(xué)專家的經(jīng)驗總結(jié)，本系統(tǒng)以鋰電池為例來說明。

根據(jù)上面的規(guī)則，專家系統(tǒng)中用到的癥狀主要有：

• 充電時電壓高、上升快；
• 放電時電壓低、下降快；
• 靜置時電壓下降快，電壓低；
• 開路電壓低，不能帶負載；
• 充電時電壓極高等等。

下面以充電電壓極高這一癥狀隸屬度的求解為例，說明癥狀隸屬度的求解過程。設(shè)其電壓為V，則充電電壓極高這一癥狀的隸屬度函數(shù)為：



隸屬度函數(shù)可在試驗中修改。

7.6.2故障診斷

同樣根據(jù)規(guī)則，系統(tǒng)的能診斷的故障主要有：

• 電池容量下降；電池自放電大；
• 電池充電不足；
• 電池內(nèi)阻過大；
• 電池極板損壞；
• 電池損壞等等。

這m種故障和這n個癥狀的模糊關(guān)系矩陣被保存在數(shù)組DIAG[m][n]中，這個數(shù)組里保存的是代表規(guī)則里各個癥狀因素對故障的作用和影響大小的加權(quán)修正值。如果癥狀i對故障j的作用為零，

則DIAG[j][i]=0.

設(shè)某電池的癥狀隸屬度依次為：



數(shù)組DIAG中各元素的大小是專家系統(tǒng)的各規(guī)則的關(guān)鍵部分，需要同專家深入討論并不斷用試驗驗證，不符合的要反復(fù)調(diào)整，直到結(jié)果與電池的故障狀態(tài)符合為止。