新型電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) — 模糊診斷專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（EXPERT SYSTEM）是一個(gè)具有大量專門知識(shí)的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能（ARTIFICIAL INTELLIGENCE，簡(jiǎn)稱AI）技術(shù)，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)人類專家提供的特殊領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行推理，模擬人類專家作決定的過(guò)程來(lái)解決那些需要專家才能解決的復(fù)雜問(wèn)題。電池組故障診斷模糊專家系統(tǒng)是電池管理系統(tǒng)的一部分，它以模糊數(shù)學(xué)與模糊診斷原理為基礎(chǔ)，將電池專家和有關(guān)蓄電池使用和維護(hù)的書籍上總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則存入知識(shí)庫(kù)中，以電池的歷史檔案、運(yùn)行狀況和上一次的診斷結(jié)果為依據(jù)，采用模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)電池故障進(jìn)行診斷，同時(shí)給出電池的健康狀況和維護(hù)信息。通過(guò)專家診斷系統(tǒng)，我們可以挑選出性能較差的電池，保證純電動(dòng)車或者混合電動(dòng)車的車用電池組性能上的一致，也使剩余電量估計(jì)模型能夠更準(zhǔn)確更好的應(yīng)用于電動(dòng)車上。

7.1 模糊數(shù)學(xué)與模糊診斷方法

在電池故障診斷中專家所描述的癥狀，如“電壓上升快”、“充電不足”、“電壓下降快”等，是界限不清的模糊集合。我們通過(guò)模糊數(shù)學(xué)模型加以描述。用模糊關(guān)系矩陣來(lái)反映某些故障機(jī)理，并選用適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)，用相應(yīng)的隸屬度來(lái)描述這些癥狀存在的傾向性。模糊故障診斷方法就是根據(jù)某些癥狀的隸屬度來(lái)求出各種故障的隸屬度，用以表征各種故障存在的傾向性，為判斷電池故障和采取補(bǔ)救措施的決策提供科學(xué)的依據(jù)。下面介紹模糊數(shù)學(xué)模型和我們采用的綜合評(píng)判方法。



兩論域之間顯然存在著某種模糊關(guān)系。例如，某一故障將引起若干強(qiáng)弱不同的癥狀，而某一癥狀也表征著若干個(gè)故障的存在。這個(gè)模糊關(guān)系可通過(guò)隸屬度表示，例如，可定出癥狀x j相應(yīng)于故障v i的隸屬度：


它組成了論域U和論域V之間的模糊關(guān)系矩陣：



如果已知模糊關(guān)系矩陣R和模糊向量α，就可求得模糊向量β。

這就是多因素評(píng)判：


其中，各癥狀的隸屬度向量α可以從測(cè)量數(shù)據(jù)和歷史檔案通過(guò)一定的隸屬函數(shù)求得。至于模糊關(guān)系矩陣，它是大量分析、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，可以通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和總結(jié)有關(guān)專家，技術(shù)人員和工人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定。同時(shí)還可以參考大量的相關(guān)資料和前人的經(jīng)驗(yàn)。

在我們的系統(tǒng)中采用的運(yùn)算模型將模糊關(guān)系的運(yùn)算式展開如下：



其中“*”為代數(shù)乘，運(yùn)算（_r1j *μ_xj）可看成是對(duì)隸屬度μ_xj的加權(quán)修正，r_ij可看成是加權(quán)值，因而要求r_ij歸一化，即令



而代數(shù)和“+”則表示對(duì)諸因素的綜合。因?yàn)閞ij已歸一化，因而在對(duì)諸因素的綜合過(guò)程中，用代數(shù)和能最好地反映出各因素的作用和影響。

7.2模糊診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電池組故障診斷模糊專家系統(tǒng)將有關(guān)鋰電池使用和維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則存入知識(shí)庫(kù)中，以電池的歷史檔案、運(yùn)行狀況和上一次的診斷結(jié)果為依據(jù)，采用模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)電池故障進(jìn)行診斷，同時(shí)給出電池的健康狀況DOH（Degree Of Health）和維護(hù)信息。其功能結(jié)構(gòu)如圖7.1所示，SOR（State Of Running）為電池運(yùn)行狀況。

歷史檔案和規(guī)則庫(kù)組成了電池組診斷模糊專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，歷史檔案里存放的是每個(gè)電池提供給專家系統(tǒng)診斷用的數(shù)據(jù)，而規(guī)則庫(kù)里存放的是數(shù)字化了的專家提供的診斷規(guī)則，專家系統(tǒng)利用這些規(guī)則和歷史檔案中的數(shù)據(jù)給每個(gè)電池進(jìn)行綜合評(píng)判，得出電池隸屬于各故障存在的隸屬度。利用這些隸屬度，綜合后給出電池的失效程度DOF（Degree Of Failure）。計(jì)算DOF的方法是：如果所有故



障存在的隸屬度最多只有一個(gè)大于0.5，則DOF取隸屬度最大的一個(gè)；如果存在兩個(gè)以上故障存在的隸屬度大于0.5，則DOF取這幾個(gè)故障的并集，各故障之間的綜合采用運(yùn)算。對(duì)其運(yùn)算的定義如下：



其中a、b分別為兩個(gè)故障存在的隸屬度。采用這種運(yùn)算方式是因?yàn)楦鱾€(gè)不同的故障對(duì)電池失效所起的扶持和加強(qiáng)作用。例如，設(shè)電池極板損壞存在的隸屬度為a=0.8，電池老化存在的隸屬度為b=0.5.如果采用最大最小運(yùn)算法則，則綜合的隸屬度μ=0.8.但實(shí)際上，由于電池老化的存在加強(qiáng)了我們對(duì)判斷電池失效的信念。如果用運(yùn)算，則可得μ=0.9，其值大于電池極板損壞的隸屬度，這樣能對(duì)所有因素的影響和作用都給予適當(dāng)?shù)目紤]，比起極大極小運(yùn)算模型只突出主故障的法則，能更全面地反映實(shí)際。

電池的健康狀況DOH（Degree Of Health），是我們?yōu)榉从畴姵厥褂眯阅艿默F(xiàn)有狀況而提出的，將電池按照其性能的好壞程度而進(jìn)行分類的概念。在我們的系統(tǒng)中，電池的DOH被分為十級(jí)，被確定為第四級(jí)以下的電池應(yīng)該被更換，第四級(jí)至第六級(jí)電池應(yīng)該加強(qiáng)維護(hù)，第七級(jí)至第十級(jí)電池為健康電池。



DOF、最近兩個(gè)CYCLE的SOR和上一次的診斷結(jié)果DOH^的加權(quán)和作為此次診斷的最終診斷結(jié)果：電池的健康狀況DOH值。其中，C₁ + C₂ + C₃ =1，在我們現(xiàn)在系統(tǒng)中它們分別為（3/10，4/10，3/10），加權(quán)值的大小是在實(shí)驗(yàn)中不斷調(diào)整得出的。

診斷模塊根據(jù)這些規(guī)則和模糊化的數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)電池進(jìn)行診斷，給出電池隸屬于每種故障的隸屬度，根據(jù)隸屬原則得出診斷結(jié)果。

DOH值作為電池的一個(gè)重要信息被保存在電池管理系統(tǒng)中，用戶可通過(guò)顯示模塊進(jìn)行查看。同時(shí)診斷結(jié)果、診斷得出的中間結(jié)果和歷史檔案數(shù)據(jù)都可被傳到上位機(jī)上，供專業(yè)人士查看。

7.3電池診斷模糊專家系統(tǒng)所用規(guī)則

我們對(duì)電池專家提供的電池故障診斷規(guī)則、電池診斷和維護(hù)的資料進(jìn)行分析整理后寫入專家系統(tǒng)。然后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)取舍和增加。以鉛酸電池為例，系統(tǒng)中的規(guī)則主要有：

1.放電電壓下降快、電壓低，充電電壓上升快、電壓高，則電池容量變小或極板損壞；

2.靜置時(shí)電池端電壓下降快，長(zhǎng)期放置電壓低，則自放電過(guò)大；

3.放電時(shí)電池端電壓下降很快，電壓比平均電壓低0.4伏左右，則有單元電池?fù)p壞；

4.蓄電池開路電壓很低、不能帶負(fù)載，則電池?fù)p壞或連接不正常；

5.充電時(shí)電壓偏高，放電時(shí)電壓偏低，則蓄電池內(nèi)阻過(guò)大；

6.充電時(shí)電壓極高，則蓄電池內(nèi)部開路；

7.電池自開始放電起，其電壓就一直比別的電池略低，其放電平臺(tái)性能正常，則電池可能充電不足；

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(shí)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如出廠日期、標(biāo)稱容量、開路電壓等）；
• 使用的總安時(shí)數(shù)；過(guò)充和過(guò)放時(shí)最大電壓、電流、溫度的記錄；
• 最近10個(gè)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(gè)周期內(nèi)充電時(shí)溫度升降數(shù)據(jù)和充電效率；
• 最近10個(gè)周期內(nèi)小電流充電時(shí)電壓差別；
• 最長(zhǎng)的兩次充電時(shí)間間隔；
• 最近2個(gè)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(yùn)行的第一次，對(duì)歷史檔案進(jìn)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(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)地把與電池有關(guān)的重大事件記錄下來(lái)，對(duì)歷史檔案進(jìn)行修改。如果電池組中的某一個(gè)電池被撤換下來(lái)，則應(yīng)對(duì)剛換上的電池的歷史檔案進(jìn)行初始化。對(duì)歷史檔案中的使用總安時(shí)數(shù)、總充放電周期數(shù)、過(guò)充、過(guò)放及充電不足等影響電池健康和使用壽命的記錄采用長(zhǎng)期記憶并進(jìn)行累加的辦法；對(duì)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(shí)現(xiàn)方案是：在系統(tǒng)中采用長(zhǎng)期記憶芯片來(lái)保存歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)在系統(tǒng)中加一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)供電電池為歷史數(shù)據(jù)提供時(shí)間信息。

7.5電池組運(yùn)行性能評(píng)估——靜態(tài)SOR評(píng)估算法

電池組運(yùn)行性能評(píng)估的重要指標(biāo)是SOR.系統(tǒng)中采用了靜態(tài)SOR評(píng)估算法。

此方法的核心思想是：由于各個(gè)電池在某段時(shí)間內(nèi)所充放電的電流和安時(shí)數(shù)是一致的，這樣各個(gè)電池在此段時(shí)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(duì)好。

靜態(tài)情況下充電時(shí)性能評(píng)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(píng)價(jià)次數(shù)，F(xiàn)_kl是第k號(hào)電池在第l段時(shí)間內(nèi)的電壓表現(xiàn)值，△U_nk為第k個(gè)電池在第n段時(shí)間內(nèi)變化的電壓數(shù)，（△U_n）_min為第n段時(shí)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(gè)數(shù)。（以下用法同）

靜態(tài)情況下放電時(shí)性能評(píng)估算法中的電壓表現(xiàn)函數(shù)和充電時(shí)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(hào)電池在第一到第l段時(shí)間內(nèi)每個(gè)時(shí)間段的電壓變化值減去在此段時(shí)間內(nèi)電壓變化最小的電池的電壓數(shù)，并用這些計(jì)算得到的差值的加權(quán)和來(lái)評(píng)價(jià)此段時(shí)間內(nèi)這個(gè)電池的電壓表現(xiàn)。

加權(quán)是因?yàn)樵诓煌瑫r(shí)間段的電壓表現(xiàn)對(duì)電池性能的反映程度不一樣。例如在充電過(guò)程中，第一段充電電流剛加到電池組上時(shí)電池的電壓表現(xiàn)，比后來(lái)充電時(shí)間段內(nèi)電池的電壓表現(xiàn)，更能反映電池性能；在放電過(guò)程中，放電電流大的時(shí)間段內(nèi)的電壓表現(xiàn)，比放電電流小的時(shí)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(chǎng)合進(jìn)行調(diào)節(jié)。

把電池組P個(gè)F_kl中非零值的最小一個(gè)作為（F_min）_l，用它與F_kl的比值來(lái)評(píng)價(jià)其計(jì)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(píng)估算法的關(guān)鍵在于△T時(shí)間內(nèi)所有電池的△U相對(duì)大小的比較。

這種評(píng)價(jià)算法認(rèn)為電壓變化越小電池運(yùn)行性能越好。它基于的一種認(rèn)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(dòng)小的電池就會(huì)被認(rèn)為是運(yùn)行性能好的。



實(shí)驗(yàn)證明靜態(tài)SOR評(píng)估算法具有實(shí)時(shí)性好和高準(zhǔn)確率等特點(diǎn)。以鋰電池為例，在串聯(lián)的鋰電池的放電后期，假如有一個(gè)電池中突然有一個(gè)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(gè)明顯下降的臺(tái)階，這個(gè)臺(tái)階的大小就是一個(gè)單體電池的標(biāo)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(tái)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(huì)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(gè)電池出現(xiàn)明顯下降的臺(tái)階，這個(gè)電池的第L時(shí)間段的S_kl將突然變大，自然最終對(duì)第k號(hào)電池的運(yùn)行性能評(píng)估值SOR_k不會(huì)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(shí)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(jìn)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(shí)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(yàn)和電化學(xué)專家的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本系統(tǒng)以鋰電池為例來(lái)說(shuō)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(shí)電壓高、上升快；
• 放電時(shí)電壓低、下降快；
• 靜置時(shí)電壓下降快，電壓低；
• 開路電壓低，不能帶負(fù)載；
• 充電時(shí)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(shuō)明癥狀隸屬度的求解過(guò)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(yàn)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(guò)大；
• 電池極板損壞；
• 電池?fù)p壞等等。

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