基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法及系统

本发明属于新能源汽车电池管理，尤其涉及一种基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法及系统。

背景技术：

1、锂离子电池作为一种高能量密度和环保的能源储存设备，在新能源汽车和储能领域得到了广泛应用。然而，锂离子电池在长期使用过程中会出现容量衰减、内阻增加等老化现象，由于电极材料的结构变化、电解液成分变化、电池内部化学反应的副产物积聚等原因所致的故障会降低电池系统的性能、安全性和可靠性，甚至可能导致火灾或爆炸等严重后果。因此，有必要进行锂离子电池故障诊断，及时发现故障的早期特征参数或者规律，防止诱发热失控。当前，锂离子电池的故障诊断方法主要有基于知识的故障诊断方法、基于模型的诊断方法、基于数据驱动的诊断方法三大类，不同方法各有优缺点，可以根据具体应用场景和需求选择。然而，锂离子电池自身是一个复杂的非线性系统，其性能受到气候条件、运行工况以及用户行等多重因素的影响，同一故障在不同条件下的失效机理差异明显，由此开发的故障诊断方法难以精准识别不同故障类型。此外，目前对于锂离子电池的多场耦合特性研究还不充分，在电化学和机械场耦合作用下，锂离子电池故障前后的运行特性以及故障诊断方法仍需要深入探索。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法及系统。其中，一种基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法，包括：

2、基于设计的锂离子电池正常运行及故障模拟实验方案，获取电池的电压、容量及应力数据，构建锂离子电池机电信号数据集；

3、根据所述锂离子电池机电信号数据集，分析正常运行电池和故障模拟运行电池的机电信号变化趋势，基于离群度量算法计算电压和压力数据的链距离和局部链接离群因子；

4、将电池电压信号和电池压力信号的局部链接离群因子转换为z-score，并通过格鲁布斯检验获取z-score阈值，根据所述z-score阈值诊断电池是否发生异常，获得故障诊断结果。

5、优选地，设计锂离子电池正常运行及故障模拟实验方案之前还包括电池定容实验；

6、所述电池定容实验包括：将锂离子电池以0.5c的倍率用恒流恒压的充电模式充至电压上限后放置2h，再以0.5c的倍率恒流放电至电压下限，重复操作4次求得电池放电容量均值，按容量一致性将电池分为两组，第一组两组用于正常循环，第二组电池用于故障模拟。

7、优选地，基于设计的锂离子电池正常运行实验方案，获取电池的电压、容量及应力数据的过程包括：

8、在常温及预设的初始预紧力下进行正常循环实验，使第一组电池分别在常规1c恒流恒压充电-恒流放电模式下循环运行10次，采集第一电池组的电压信息、应力信息以及容量信息。

9、优选地，基于设计的锂离子电池故障模拟实验方案，获取电池的电压、容量及应力数据的过程包括：

10、在常温及预设的初始预紧力下进行故障模拟实验，对第二组电池分别并联电阻模拟故障，以1/8c的倍率恒流充电至截止电压上限电压，随后以1c倍率放电至电压下限，重复循环10次，在此过程中分别记录锂离子电池的电压、应力、容量的变化情况，获得第二电池组的电压信息、应力信息以及容量信息。

11、优选地，基于离群度量算法计算电压和压力数据的局部链接离群因子的过程包括：

12、定义第k距离为数据点x和距离点x第k近的点之间距离；

13、定义链距离为从数据点x开始，逐步连接最近邻观测点且不产生环路的最短距离，则所述局部链接离群因子的公式表达式为：

14、

15、式中，lcof(v)表示电压数据集v中，数据点v与近邻点之间的偏离关系，以及在第k距离邻域内的离群程度；

16、lcof(f)表示压力数据集f中，数据点f与近邻点之间的偏离关系，以及在第k距离邻域内的离群程度；lcof的值越大，表明数据点在k距离邻域内的离群程度越高，离群点的可能性也越大；

17、为数据点v的第k距离邻域链距离，为数据点v的第k距离邻域内链距离；

18、为数据点f的第k距离邻域链距离，为数据点f的第k距离邻域内链距离；

19、nkv为数据点v的第k距离邻域，且领域内的所有点到v点的距离小于等于第k距离；

20、nkf为数据点v的第k距离邻域，且领域内的所有点到f点的距离小于等于第k距离。

21、优选地，将电池电压信号和电池压力信号的局部链接离群因子转换为z-score的公式表达式为：

22、

23、式中，mlcof和slcof分别表示每个局部链接离群因子lcof的平均值和标准差，对于每个lcof值，z-score分数越大，离群点的相对程度就越高。

24、优选地，通过格鲁布斯检验获取z-score阈值的过程包括：

25、计算锂离子电池机电信号数据集的平均值和标准差，以及每个数据点与平均值的差值的绝对值；

26、根据格鲁布斯检验的统计量计算公式计算检验统计量；

27、其中，所述格鲁布斯检验的统计量计算公式为：

28、

29、式中，s表示数据集的平均值和标准差，g表示统计量，临界值对应的g值就是z-score阈值。

30、优选地，根据所述z-score阈值诊断电池是否发生异常的过程包括：

31、根据锂离子电池机电信号数据集的大小和所选择的显著性水平查找临界值，如果计算得到的g统计量大于临界值，则拒绝原假设，说明存在离群值，进而诊断电池出现故障。

32、本发明还提供一种基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断系统，包括：

33、数据采集模块，用于基于设计的锂离子电池正常运行及故障模拟实验方案，获取电池的电压、容量及应力数据，构建锂离子电池机电信号数据集；

34、数据处理模块，与所述数据采集模块连接，用于根据所述锂离子电池机电信号数据集，分析正常运行电池和故障模拟运行电池的机电信号变化趋势，基于离群度量算法计算电压和压力数据的链距离和局部链接离群因子；

35、故障诊断模块，与所述数据处理模块连接，用于将电池电压信号和电池压力信号的局部链接离群因子转换为z-score，并通过格鲁布斯检验获取z-score阈值，根据所述z-score阈值诊断电池是否发生异常，获得故障诊断结果。

36、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

37、本发明提出的锂离子电池故障诊断方法考虑锂离子电池电化学场与机械场的耦合，通过采集分析电池实际运行机电信号，拓宽了诊断信号维度。采用的离群度量检测方法基于统计学原理和数据分布特征，能够快速有效地判断出异常点，确保了本发明的故障诊断方法具有更高的准确性和可靠性。

技术特征：

1.一种基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法，其特征在于，设计锂离子电池正常运行及故障模拟实验方案之前还包括电池定容实验；

3.根据权利要求1所述的基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法，其特征在于，基于设计的锂离子电池正常运行实验方案，获取电池的电压、容量及应力数据的过程包括：

4.根据权利要求1所述的基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法，其特征在于，基于设计的锂离子电池故障模拟实验方案，获取电池的电压、容量及应力数据的过程包括：

5.根据权利要求1所述的基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法，其特征在于，基于离群度量算法计算电压和压力数据的局部链接离群因子的过程包括：

6.根据权利要求1所述的基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法，其特征在于，将电池电压信号和电池压力信号的局部链接离群因子转换为z-score的公式表达式为：

7.根据权利要求1所述的基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法，其特征在于，通过格鲁布斯检验获取z-score阈值的过程包括：

8.根据权利要求1所述的基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法，其特征在于，根据所述z-score阈值诊断电池是否发生异常的过程包括：

9.一种基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断系统，其特征在于，包括：

技术总结本发明公开了一种基于锂离子电池机电信号离群度量的故障诊断方法及系统，包括：基于设计的锂离子电池正常运行及故障模拟实验方案，获取电池的电压、容量及应力数据，构建锂离子电池机电信号数据集；根据锂离子电池机电信号数据集，分析正常运行电池和故障模拟运行电池的机电信号变化趋势，基于离群度量算法计算电压和压力数据的链距离和局部链接离群因子；将电池电压信号和电池压力信号的局部链接离群因子转换为Z‑score，并通过格鲁布斯检验获取Z‑score阈值，根据Z‑score阈值诊断电池是否发生异常，获得故障诊断结果。本发明全面考虑电池多个维度的运行特性，具有较强的自适应性和通用性。技术研发人员：龚莉莉,谈鹏,孙凯,李雪妍,丁俊杰,杨昊松,付康受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2