1、2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期：2022-08-16基金项目：国网江苏电力设计咨询有限公司科技项目，电动汽车充电站火灾防控关键技术研究与应用(JE202104)作者简介：吴静云(1989)，女，江西省人，博士，高级工程师，主要研究方向为储能安全管理。基于充电脉冲激励的电池内短路故障诊断方法吴静云1,2,鄢博1,2，戚文1,2，孙金磊3(1.国网江苏电力设计咨询有限公司，江苏 南京 210008；2.国网江苏省电力有限公司经济研究院，江苏 南京 210008；3.南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094)摘要：动力锂离子电池是电动汽车重要的动力来源，其安全稳
2、定运行对于保障电动汽车续航里程和保证驾乘人员安全具有重要意义。然而，目前锂离子电池相关的安全事故频发，而电池内短路故障由于发生在电池内部，具有隐蔽性和不可预知性而难以察觉。提出一种面向电动汽车充电过程的电池内短路故障诊断方法，以阶梯充电电流作为激励，通过建立电池内短路故障等效电路模型，结合带遗忘因子的最小二乘算法辨识等效电路模型参数，进而进行荷电状态(state of charge，SOC)估计和短路电阻估计，从而实现电池内短路故障诊断。在所搭建的电池内短路故障模拟测试平台上进行实验，结果表明所提出方法可以有效识别模拟的50和75 短路故障，短路电阻估计精度分别是94%和86.7%。关键词：电
3、动汽车充电；电池内短路；故障诊断中图分类号：TM 912文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)03-0332-05DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.014Battery internal short-circuit fault diagnosis method for batterybased on charging pulse excitationWU Jingyun1,2,YAN Bo1,2,QI Wen1,2,SUN Jinlei3(1.Jiangsu Electric Power Design Consulting Co.,Lt
4、d.,Nanjing Jiangsu 210008,China;2.Economic Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd.,Nanjing Jiangsu 210008,China;3.School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094,China)Abstract:Power lithium-ion battery is an important source of power
5、 for electric vehicles,and its safe and stableoperation is of great significance to ensure the cruising range of electric vehicles and ensure the safety of driversand passengers.However,at present,lithium-ion battery-related safety accidents are frequent,and short-circuitfaults in batteries are diff
6、icult to detect because they occur inside the battery,which is hidden and unpredictable.An intra-battery short-circuit fault diagnosis method for the charging process of electric vehicles was proposed,which took the stepped charging current as the incentive,the equivalent circuit model of the short-
7、circuit fault inthe battery was established,and the equivalent circuit model parameters by combining the least squares algorithmwith the forgetting factor was identified,and then state of charge(SOC)estimation and short-circuit resistanceestimation was performed,and the short-circuit fault diagnosis
8、 in the battery was realized.Experiments are carriedout on the short-circuit fault simulation test platform in the battery,and the results show that the proposed methodcan effectively identify the simulated 50 and 75 short-circuit faults,and the short-circuit resistance estimationaccuracy is 94%and
9、86.7%,respectively.Key words:electric vehicle charging;battery internal short-circuit;fault diagnosis锂离子电池在全生命周期使用过程中由于滥用和自身缺陷可能造成内短路、外短路、过充电、过放电等故障，严重降低了锂离子电池的使用安全性。对故障形成机理及表现特征的研究有助于提升电池使用安全性。在锂离子电池众多故障类型中，内短路故障对于电池的危害尤为显著，在电池包中个别电池内短路往往会影响电池包整体安全性1。电池在内短路前期往往不易察觉，而到了后期察觉时已经扩散蔓延直至失控。为了保障锂电池使用安全，有必
10、要对电池内短路故障进行识别和诊断，预警可能出现内短路故障的电池，以免造成更严重的损失。目前国内外对锂电池内短路的研究比较广泛，孙林等设计了针对电池过放电特性的测试方法，并研究在不同的过放电程度下电池的内短路程度变化规律2；Qiao Dongdong等提出了一种基于增量容量(IC)曲线的内短路诊断方法，在一个单元上对四种内短路情况进行不同充电率的测试实验，以验证所提出的方法，能够有效地诊断电池单体和电池组内短路故障3；Schmid Michael等应用了一种新的数据驱动的方法，基于电池组内的电池电压差异，利用核主成分分析(KPCA)训练非线性数据模型，并将其应用于内短路在线检测，通过结合多个核函
11、数，实现了对内短路的3322023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计快速检测4。上述研究对于本文具有一定的借鉴意义，但现有的研究大多基于复杂的算法和单一的判据，许多内短路故障诊断方法基于简单的阈值判断，存在不可靠性的问题，而采用复杂算法的诊断方法则增大了计算量。针对这一问题，本文提出了一种基于充电脉冲激励的动力电池内短路故障诊断方法，能够在准确判断电池内部是否发生内短路的同时估计内短路阻值。该方法利用阶梯充电流作为激励，建立电池内短路故障等效电路模型，根据充电阶梯阶段采集的电池端电压和电流，结合带遗忘因子的最小二乘算法辨识电路模型中参数，最后进行荷电状态(state of charge
12、，SOC)估计和短路电阻估计，从而实现电池内短路故障诊断。1 电池内短路故障不同阶段特征内短路故障的发展过程可以大致分为三个阶段：初期、中期和末期。在内短路初期，短路电阻很大，内短路放电会引起电压的缓慢下降；在内短路故障中期，短路电阻降低，短路电流增大，电池产热加快，温度上升；到末期阶段，内短路故障已经发展成为热失控，进入不可防控阶段。电池内短路故障演化过程如图1所示。电池发生内短路时端电压静置时下降，同时充电时电池容量增大。当电池放电时，随着内短路故障越来越严重，电池实际可放出电量逐渐减少，该特征与电池老化特性相似。这是因为内短路的等效电阻消耗了一部分电池电量，加速了电池的放电过程。所以，在
13、实际使用中仅通过端电压和可用电量变化无法分辨电池内短路和老化两种诱因。为了解决该问题，本文提出电池内短路故障诊断方法来识别内短路故障。2 电池内短路等效电路模型为了分析电池内短路故障对电池产生的影响以及对故障进行有效诊断，采用等效电路模型进行分析，在电池一阶RC 等效电路模型基础上，在输出端并联模拟内短路故障的等效短路电阻。其示意图如图2所示。图2(a)为一阶RC等效电路模型，图2(b)为电池内短路等效电路模型。图中：Ub为端电压；U1为极化电压；Uoc为开路电压；IL为输入电流；Ii为电化学电流；Is为短路电流；R0为欧姆电阻；R1为极化电阻；Rs为短路电阻；C1为极化电容。根据图 2(b)
14、可以看出，锂电池内短路等效模型是一个由电流 IL输入，电压 Ub输出的单输入单输出系统，其传递函数与电路元件参数有关，如式(1)所示：G()s=Ub(s)I(s)=f(R0,R1,C1,Rs)(1)在下一节将具体介绍如何辨识式(1)所描述的传递函数中的电路元件参数。3 基于带遗忘因子最小二乘的内短路电阻识别方法3.1 电池模型参数辨识通常情况下，电池一阶 RC 模型的参数 R0、R1、C1会受到温度、电池荷电状态SOC、充放电倍率的影响，所以通常采用在线辨识的方法进行模型参数辨识。本节所介绍的正常参数的提取是基于图2(a)所示的正常电池模型进行的。由于内短路故障早期短路电阻 Rs(欧姆级)相较
15、于欧姆内阻 R0(毫欧级)和极化内阻 R1(毫欧级)而言很大，所以在负载电流 IL进行分流时，电化学电流 Ii远大于短路电流 Is，则可以认为 IL近似等于 Ii，所以 Rs的存在对其他参数的辨识结果影响不大。本节首先进行除Rs以外的模型参数辨识。根据图2(a)所示的一阶RC电池模型，列写电池离散状态方程如式(2)所示：|U?1SO?C=|1R1C1000|U1SOC+|1C1QILUb=U1+R0IL+Uoc(2)式中：U?1和SO?C 分别为 U1和 SOC 对时间的导数；和 Q 分别为库仑效率和电池额定容量。为了方便运算，令运算算子U(s)=Ub(s)Uoc(SOC)，求得频域传递函数如
16、式(3)所示：G()s=U(s)IL(s)=R0+R11s+1(3)式中：1=R1C1，为时间常数。采用“脉冲响应不变法”对式(3)进行 z变换，得到离散域传递函数如式(4)所示：G()z=a2+a3z 11 a1z 1(4)式中：z为变换算子；a1=ets1;a2=R0+1C1;a3=R0ets1；ts为采样时间。将式(4)改写为差分方程的形式，并将其写成回归模型，采用带遗忘因子的最小二乘法求解模型，可以得到模型参数如式(5)所示：|R0=a3a1C1=1a2 R0R1=tsC1lna1(5)图1内短路发展演化阶段5图2等效电路模型示意图3332023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计3.2 早期内短路故障特征提取3.2.1 早期内短路故障检测方法根据图 2(b)可以看出，故障电池的内部存在并联的短路电阻，使得负载电流 IL出现分流。由于电化学电流 Ii直接反映 SOC 的变化率，故 Ii可以通过 SOC 的估计值来计算得到，计算公式如式(6)所示：Ii()k=Q SOC()k SOC()k 1 t(6)式中：t为相邻采样间隔时间。同时，负载电流IL可以直接测得，所以短路电流
