肖健夫，孫 瑞，閔 婕，黃 娟，馬洋洋

(1.深圳市欣旺達(dá)綜合能源服務(wù)有限公司，廣東深圳 518132；2.北京交通大學(xué)國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100044)

鋰離子電池具有高工作電壓、寬溫度范圍、高能量密度以及較長(zhǎng)的使用壽命等特點(diǎn)，已經(jīng)成為儲(chǔ)能電池組中使用較多的電池類型[1-2]。電池組的安全問(wèn)題給電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如何快速準(zhǔn)確地診斷和識(shí)別出導(dǎo)致電池組各類故障的原因，為鋰離子電池系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)和安全運(yùn)行提供可靠保障成為關(guān)鍵。

目前許多研究者對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)故障的診斷開展了廣泛研究，越來(lái)越多的新技術(shù)和研究方法被運(yùn)用到故障診斷中來(lái)[3-5]。ARUNAVA N 等[6]提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的鋰離子電池內(nèi)部短路實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，故障檢測(cè)精度在97%以上。PAN Y 等[7]提出了基于遞歸最小二乘法的故障電池在線檢測(cè)算法，該算法能夠高效準(zhǔn)確地檢測(cè)出電池組的內(nèi)部短路故障。李曉輝等[8]將模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種能正確診斷電池故障并給出故障嚴(yán)重程度的電池故障診斷系統(tǒng)。柏云耀等[9]提出了一種用于電池系統(tǒng)濫用故障檢測(cè)的數(shù)據(jù)分析方法，該方法利用局部離群因子(LOF，local outlier factor)異常算法對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類，找出異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)一步判斷電池是否有濫用故障發(fā)生?？紤]到電池組實(shí)際運(yùn)行中數(shù)據(jù)的采樣間隔不一致、采樣時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量龐大等特點(diǎn)，本文利用電池特征參數(shù)的閾值判別方法和離群點(diǎn)檢測(cè)算法對(duì)異常電池進(jìn)行診斷，進(jìn)一步對(duì)異常電池的故障模式進(jìn)行識(shí)別。具體故障檢測(cè)示意圖如圖1 所示。

圖1 動(dòng)力電池系統(tǒng)故障檢測(cè)示意圖

1 鋰離子電池常見(jiàn)異常原因分析

在進(jìn)行鋰離子電池系統(tǒng)故障診斷時(shí)，需要先將系統(tǒng)級(jí)別故障如線路采集故障、連接組件故障、傳感器信號(hào)缺失等排除掉，然后依據(jù)電池的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)對(duì)電池本體進(jìn)行診斷，以判斷電池本體是否發(fā)生異常。鋰離子電池的常見(jiàn)異常模式、異常表現(xiàn)和異常原因如表1 所示。從表1 可以看出，鋰離子電池的多數(shù)異常模式可以從電池各類參數(shù)的差異及其變化情況表現(xiàn)出來(lái)，而造成異常的原因與電池的制造成組工藝、充放電控制、是否發(fā)生內(nèi)部短路和化學(xué)反應(yīng)以及是否存在各種濫用情形等密切相關(guān)。

表1 鋰離子電池異常模式、表現(xiàn)及原因

分析鋰離子電池的異常模式、異常表現(xiàn)和造成異常的各種原因可以為電池故障診斷及模式識(shí)別提供基礎(chǔ)。由于電池組的實(shí)際運(yùn)行情況較為復(fù)雜，存在難以提取的多種放電工況，但都是按照固定的充電模式進(jìn)行充電，所以本文將以儲(chǔ)能電池組充電過(guò)程中的數(shù)據(jù)為重點(diǎn)研究對(duì)象，根據(jù)電池各類參數(shù)的異常表現(xiàn)判斷異常電池并分析其異常原因。

2 異常電池特征參數(shù)閾值判別

本文用來(lái)進(jìn)行故障分析的數(shù)據(jù)為儲(chǔ)能電池組的實(shí)際工況運(yùn)行數(shù)據(jù)。該儲(chǔ)能電池組的結(jié)構(gòu)為5 并84 串，單體電池的容量為28 Ah，總?cè)萘繛?40 Ah，BMS 的電壓采集精度為20 mV，溫度采集精度為1 ℃，數(shù)據(jù)的采樣間隔為10 s。利用BMS 采集到的電池電壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建電池的電壓和溫度特征參數(shù)，建立特征參數(shù)矩陣，分析特征參數(shù)的演變規(guī)律，通過(guò)μ±3σ閾值來(lái)判斷電池的參數(shù)是否存在異常，進(jìn)一步對(duì)異常原因進(jìn)行診斷。

2.1 電池特征參數(shù)構(gòu)建

2.1.1 電壓特征參數(shù)

在構(gòu)建電壓特征參數(shù)之前，先構(gòu)造電池的電壓數(shù)據(jù)矩陣如下：

式中：m為單體電池個(gè)數(shù)；n為數(shù)據(jù)的總采樣數(shù)。

(1)電壓變化率

電池的電壓變化率為相鄰兩個(gè)時(shí)刻的電壓差與時(shí)間差之比，即：

對(duì)每個(gè)單體電池在所有時(shí)刻都計(jì)算電壓變化率，得到(n-1)維的電壓變化率矩陣：

(2)電壓偏離度

偏離度可以反映一組數(shù)據(jù)中各個(gè)值與該組數(shù)據(jù)的平均值之間的離散程度，可用于評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的一致性，也可以用于判斷數(shù)據(jù)的異常情況。某一時(shí)刻單體電壓的偏離度為：

計(jì)算所有時(shí)刻的單體電壓偏離度可以得到電壓偏離度矩陣如下：

(3)電壓最大值、最小值和極差

對(duì)于同一時(shí)刻不同單體電池的電壓數(shù)據(jù)求最大值、最小值和極差，可以判斷單體電池過(guò)壓、欠壓以及單體之間的不一致。電壓最大值、最小值和極差可以通過(guò)以下公式得到：

對(duì)不同時(shí)刻的電壓數(shù)據(jù)均求取最大值、最小值和極差，構(gòu)造不同時(shí)刻的電壓最大值矩陣、最小值矩陣和極差矩陣如下：

2.1.2 溫度特征參數(shù)

同上，先構(gòu)造電池的溫度數(shù)據(jù)矩陣如下：

式中：n為數(shù)據(jù)的總采樣數(shù)；p為溫度檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(1)溫度變化率

溫度變化率定義為相鄰兩個(gè)時(shí)刻的溫度差與時(shí)間差之比，即：

同樣，對(duì)每個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)的溫度值在所有時(shí)刻都計(jì)算溫度變化率，得到(n-1)維的溫度變化率矩陣：

(2)溫度最大值、最小值和極差

對(duì)于同一時(shí)刻的不同溫度檢測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)求最大值、最小值和極差，可以判斷溫度過(guò)高、過(guò)低以及單體之間的不一致和溫度不均衡故障。溫度最大值、最小值和極差可以通過(guò)以下公式得到：

對(duì)不同時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)均求取最大值、最小值和極差，構(gòu)造溫度最大值矩陣、最小值矩陣和極差矩陣如下：

2.2 閾值判別結(jié)果及分析

(1)電壓變化率

對(duì)電壓變化率矩陣K中的每一行計(jì)算均值m和標(biāo)準(zhǔn)差s，其閾值判斷結(jié)果如圖2 所示。28#、29#、30#單體電池的電壓變化率在末期均超出了μ±3σ閾值范圍，說(shuō)明這幾只單體電池發(fā)生了異常。

圖2 單體電池的電壓變化率

(2)電壓偏離度

單體電池的電壓偏離度如圖3 所示。在車輛運(yùn)行后期29#、30#、31#單體發(fā)生了異常，電壓偏離度超出了μ±3σ閾值范圍，這與電壓變化率的結(jié)果有一定區(qū)別，也說(shuō)明僅僅依靠一個(gè)參數(shù)無(wú)法判別全部的異常電池，而是需要多個(gè)參數(shù)相結(jié)合。

圖3 單體電池的電壓偏離度

(3)電壓最大值、最小值和極差

如圖4 所示，在電池組運(yùn)行過(guò)程中單體電壓最大值在正常范圍之內(nèi)，而最小值在運(yùn)行后期低于2.5 V，最低低至1 V以下，說(shuō)明有單體電池在運(yùn)行后期處于欠壓狀態(tài)。從電壓極差來(lái)看，正常的電壓極差一直處于0～0.5 V 之內(nèi)，而當(dāng)有單體發(fā)生異常時(shí)，極差最高達(dá)到3 V 以上，說(shuō)明由于單體欠壓造成了電池組電壓的不均衡。

圖4 電壓最大值、最小值(a)和極差(b)

(4)溫度變化率

計(jì)算溫度變化率矩陣H中每一行的均值m和標(biāo)準(zhǔn)差s，閾值判斷結(jié)果如圖5 所示。在發(fā)生異常之前，溫度變化率一直在－1～1 之間，當(dāng)發(fā)生溫度故障時(shí)，溫度變化率超出了此范圍。從圖5(b)中可以看到，9#、10#和11#溫度檢測(cè)點(diǎn)的變化率超出了閾值范圍，其中10#的溫度變化率最高超過(guò)了3 ℃/s，出現(xiàn)了非常明顯的偏離，說(shuō)明10#溫度檢測(cè)點(diǎn)所在位置的單體電池很大可能發(fā)生了熱失控，導(dǎo)致9#和11#檢測(cè)點(diǎn)的溫度也隨之升高。

圖5 溫度檢測(cè)點(diǎn)的溫度變化率

(5)溫度最大值、最小值和極差

溫度最大值、最小值和極差結(jié)果如圖6 所示。溫度最大值和最小值隨著運(yùn)行時(shí)間在不斷地變化，在后期溫度最大值不斷增大，最高升至68 ℃，出現(xiàn)溫度過(guò)高的情況；電池組正常運(yùn)行期間的溫度極差范圍在0～10 ℃之間，后期發(fā)生故障時(shí)溫度極差最大達(dá)到了39 ℃，各溫度檢測(cè)點(diǎn)之間溫度不均衡，說(shuō)明電池組中有一只或多只單體發(fā)生了故障，從而引起電池溫度不均衡。

圖6 溫度最大值、最小值(a)和極差(b)

3 基于離群點(diǎn)檢測(cè)的不一致單體診斷

除了分析電池特征參數(shù)的異常之外，電池組中單體電池之間的一致性也是影響電池系統(tǒng)安全的主要因素之一。利用離群點(diǎn)檢測(cè)算法可以對(duì)電池組中的不一致單體做出診斷，提取單體電池的充電電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)曲線距離分析和局部離群因子檢測(cè)兩種方法來(lái)診斷不一致單體電池。

3.1 充電電壓曲線距離分析

計(jì)算每?jī)蓷l曲線之間的歐氏距離來(lái)分析所有單體之間的差異性，找出差異性最明顯即與其他單體之間歐氏距離最大的單體，認(rèn)定為電池組中該單體的一致性最差。

兩條曲線之間歐氏距離的計(jì)算公式如下：

式中：X={x1,…,xn},Y={y1,…,yn}為兩條曲線上所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合。

電池組中有84 只單體電池，需要兩兩之間逐一進(jìn)行計(jì)算，具體的計(jì)算過(guò)程為：先以1 號(hào)單體電壓曲線為基準(zhǔn)，計(jì)算其與其他83 只單體電壓曲線的歐氏距離，可得到83 個(gè)距離值；然后計(jì)算2 號(hào)單體與剩余82 只單體的歐氏距離，可以得到82 個(gè)距離值；以此類推，直至計(jì)算完83 號(hào)單體與84 號(hào)單體之間的歐氏距離，這樣就得到了所有曲線之間的歐氏距離值，每個(gè)距離值對(duì)應(yīng)兩只單體電池的編號(hào)，將這些值由大到小排序，取前10 個(gè)較大的值進(jìn)行分析，結(jié)果如表2 中所示。

表2 單體電壓曲線的歐氏距離

可以看出，在前10 個(gè)較大的距離值中21 號(hào)單體出現(xiàn)的次數(shù)最多，每個(gè)距離值對(duì)應(yīng)的單體中都包含21 號(hào)，說(shuō)明21 號(hào)電池的充電電壓曲線與其余電池的電壓曲線距離較遠(yuǎn)，其一致性較差。圖7 所示為單體電池的充電電壓曲線，其中21 號(hào)電池的充電電壓一直處于偏低狀態(tài)，很有可能是由于SOC偏低所導(dǎo)致的不一致。

圖7 單體電池充電電壓曲線

3.2 LOF 局部離群點(diǎn)檢測(cè)

LOF 通過(guò)檢測(cè)相對(duì)密度來(lái)反映數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散程度，若某個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的相對(duì)密度極低，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)點(diǎn)是異常值的概率較大。與曲線距離分析相比，LOF 離群點(diǎn)檢測(cè)算法通過(guò)計(jì)算單體電池的局部離群因子能夠直接檢測(cè)出不一致單體，而且檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，速度較快。

利用LOF 檢測(cè)算法計(jì)算單體電池局部離群因子的步驟如下[10]：

(1)提取單體電池的充電電壓數(shù)據(jù)，得到充電電壓矩陣：

(2)計(jì)算矩陣中每一列的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到：

(3)將均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為曲線的特征值，計(jì)算它們之間的歐氏距離：

(4)求取局部可達(dá)距離：

(5)計(jì)算局部可達(dá)密度：

(6)最后得到單體電池的局部離群因子LOF：

LOF值越高，則說(shuō)明單體電池的離群概率越高。本文取k值為5，LOF的閾值設(shè)置為2，得到的離群點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。可以看到，21 號(hào)電池為離群電池，其余電池均在閾值范圍之內(nèi)，這與曲線歐氏距離的判斷結(jié)果一致，說(shuō)明21 號(hào)電池為該電池組中的不一致單體。

圖8 LOF離群點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果

4 異常電池故障模式識(shí)別

結(jié)合表1 中的鋰離子電池常見(jiàn)異常模式及原因，根據(jù)電池參數(shù)的變化情況對(duì)第2 節(jié)和第3 節(jié)中診斷出的異常電池進(jìn)行故障模式識(shí)別，結(jié)果如表3。

表3 異常單體電池的故障模式識(shí)別結(jié)果

從表中可以看出，造成單體電池異常的可能原因有SOC偏低、單體欠壓和內(nèi)部短路。由于實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行工況、充電方式等不盡相同，所以導(dǎo)致單體電池異常的原因會(huì)有很多種，除此之外，電池的生產(chǎn)制造工藝的好壞也對(duì)電池有很大的影響。因此，對(duì)于異常電池的故障模式識(shí)別只是根據(jù)參數(shù)變化的異常憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)大致判斷，并不能夠確定其發(fā)生某種故障的具體原因。

5 結(jié)論

本文基于儲(chǔ)能電池組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)故障進(jìn)行了診斷，構(gòu)建電池的電壓和溫度特征參數(shù)，通過(guò)閾值方法判別出參數(shù)異常的電池。利用兩種離群點(diǎn)檢測(cè)方法對(duì)電池組中的不一致單體進(jìn)行了診斷，其診斷結(jié)果一致。對(duì)異常單體電池進(jìn)行故障模式識(shí)別，主要故障原因?yàn)閱误wSOC偏低、單體欠壓和內(nèi)部短路。