基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的純電動汽車動力電池系統(tǒng)故障診斷

張俊

摘要

本文通過介紹動力電池經(jīng)常出現(xiàn)的故障類型，分析了故障產(chǎn)生的原因，總結(jié)歸納了診斷方法;結(jié)合動力電池系統(tǒng)的故障類型和故障產(chǎn)生的原因，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的純電動汽車動力電池系統(tǒng)故障診斷方案并通過實例進行驗證。

【關(guān)鍵詞】動力電池 故障診斷 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

純電動汽車和傳統(tǒng)汽車相比有很大的不同之處，純電動汽車的動力電池、電機和控制系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機。由于純電動汽車的控制系統(tǒng)要比傳統(tǒng)車型的復(fù)雜，所以在實際運行中純電動汽車的故障比較多樣，對故障診斷及分析起來也比較困難。動力電池系統(tǒng)是純電動汽車必不可少的一部分。因為動力電池系統(tǒng)很容易受到技術(shù)、氣候和使用方式等方面的影響，所以它很容易就會發(fā)生故障，也是故障診斷的重點。當(dāng)動力電池系統(tǒng)故障發(fā)生時汽車仍在正常行駛，如果未能及時發(fā)現(xiàn)和排除，就可能造成重大事故。因此急需對純電動汽車動力電池系統(tǒng)進行故障分析與診斷的研究。

1動力電池故障類型

通常動力電池出現(xiàn)故障的級別大小可以將其分成兩級：I級故障（一般的故障）和II級故障（嚴(yán)重的故障），分類如表1。

2故障產(chǎn)生原因分析

電池系統(tǒng)故障都是有一定的原因造成的，比如：因為生產(chǎn)中存在技術(shù)問題，各個單體之間存在電容量、充放電效率的差別，這是本身的問題;長時間不使用，不進行充電維護，長時間電量過低，最后引起電壓下降快;充電電流一直很大并且充電的時間也很長，使電池活性物質(zhì)掉落;電池間的連接是以焊接的方式連接的，焊接處裂開或脫落，導(dǎo)線沒接觸好、短路等會造成局部發(fā)熱的故障;動力電源通常是通過串并聯(lián)一些電池單體組成的，當(dāng)出現(xiàn)過分充電時，就會很容易造成電池組的溫度上升，從而引起電解液泄露。

電池的故障因素很多而且之間還會相互影響，一種因素的變化可能會引起多種故障的產(chǎn)生。動力電池在使用過程中都在進行著時時刻刻的變化，影響動力電池變化的因素也很多，因此一旦動力電池發(fā)生故障，故障就會很復(fù)雜診斷起來就會花費很長時間。而且動力電池的內(nèi)部構(gòu)造是電化學(xué)結(jié)構(gòu)，許多元素會影響到電池的電化學(xué)反應(yīng)也就是電池的工作狀態(tài)。當(dāng)多個因素發(fā)生變化引起故障時，故障的變化規(guī)律就會很復(fù)雜，很有可能多個故障同時出現(xiàn)，故障程度過于嚴(yán)重時將會使動力電池不可修復(fù)。所以需要一種功能強大而且可以同時對多種因素引起的故障進行準(zhǔn)確而詳細(xì)的診斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法就符合這種要求。

3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方案

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種可以進行多個參數(shù)輸入多種結(jié)果輸出非線性系統(tǒng)識別的有效方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以進行不斷地吸收新的東西而且學(xué)習(xí)能力很強，就像人類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它可以通過故障的特征現(xiàn)象和故障產(chǎn)生的原因讓它們之間存在相應(yīng)的關(guān)系，這個關(guān)系可以成為一種固定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。這個模型就是把故障及其原因連在一起，可以從故障的現(xiàn)象找出產(chǎn)生的原因。

對純電動汽車動力電池系統(tǒng)進行故障診斷要用的是當(dāng)下使用率較高的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它的工作原理是：首先，建一個存儲數(shù)據(jù)的庫，這個數(shù)據(jù)庫是用來儲存電源系統(tǒng)在工作時一些重要參數(shù)的變化數(shù)據(jù);然后分析動力電源系統(tǒng)中的故障和故障產(chǎn)生的原因以及故障產(chǎn)生與哪些參數(shù)有關(guān)系，因為電源系統(tǒng)的變化多樣常常是非線性的，所以要把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)和故障現(xiàn)象建立一個固定的架構(gòu);在架構(gòu)建立好后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以通過這個架構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)分析出是否有故障產(chǎn)生，若是有就可以找出故障的原因。電池的故障是比較多的例如：電池溫度過高、過充電和過放電造成的電池?fù)p害、電壓過高過低、均衡失效、充放電時電流不規(guī)律，還有長時間放置電池而沒電的自放電現(xiàn)象以及電池內(nèi)阻異常和衰老等問題。多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是通過電池的一些相關(guān)參數(shù)的變化來找到故障及故障原因。故障診斷流程大體上如圖l所示。

先采集動力電池的參數(shù)，再把所得參數(shù)輸入到電池的管理系統(tǒng)計算出電池的剩余電量（soc），管理系統(tǒng)再把參數(shù)信息輸入到故障診斷系統(tǒng)，診斷系統(tǒng)對數(shù)據(jù)分析確定電池有沒有出現(xiàn)問題或者已有問題并將會產(chǎn)生故障，這些結(jié)果再通過上位機顯示出來，有故障時上位機會對故障信息進行預(yù)警，同時還會反饋個電池管理系統(tǒng)讓其對電池進行相應(yīng)措施，這樣就可以對純電動汽車的動力電源系統(tǒng)進行故障的分析和診斷了，同時也可以保證電源系統(tǒng)能夠正常運行。

4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)能夠很準(zhǔn)確的把純電動汽車動力電源系統(tǒng)所出現(xiàn)的故障診斷出來，該診斷系統(tǒng)是把故障現(xiàn)象以代碼的形式存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，通過對故障碼的分析找出故障現(xiàn)象以完成對故障的診斷。而在此之前需要對故障檢測系統(tǒng)進行訓(xùn)練，使代碼和故障現(xiàn)象有一個對應(yīng)關(guān)系。以動力電池常出現(xiàn)的故障為例，如表2所示。

當(dāng)故障現(xiàn)象與故障碼建立一種相互對應(yīng)的關(guān)系后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)根據(jù)樣本輸入的信息分析可以輸出目標(biāo)信息，它的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本以電池出現(xiàn)的故障為例：電池的活性物質(zhì)脫落、電極極化和電池電量過低等故障。如表3所示。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)從學(xué)習(xí)的樣本中可診斷出所出現(xiàn)的故障，樣本輸入的信息是an（ n=l、2…6）代替故障現(xiàn)象。當(dāng)an=O時代表沒有故障現(xiàn)象發(fā)生;當(dāng)an=l時代表存在故障現(xiàn)象。而目標(biāo)輸出為{l O O}是其中的表示第一個故障存在，因為在樣本信息中1表示存在故障現(xiàn)象，O表示沒有故障現(xiàn)象。在上面的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本中有三種故障存電池活性物質(zhì)脫落;電量過低;電池極板硫化。而在輸出時，1是代表存在故障，o是代表沒有故障。這個過程可以通過MATLAB仿真軟件進行故障診斷模擬。

（1）要建立一個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也就是表2所示，要故障與故障碼相對應(yīng)作為樣本信息的輸入，再將故障作為目標(biāo)信息的輸出，從而建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，之后得出程序語句如下：

net=newff（minmax（P），[10，3]，‘logsig，‘logsig}，‘traingdm）;

而且還建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并進行具體的參數(shù)設(shè)置，如圖2所示。

本文利用Levenberg-Marquardt訓(xùn)練方法，對輸入和輸出項進行訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及具體的訓(xùn)練參數(shù)如圖2所示。

在訓(xùn)練之后可以得到目標(biāo)信息輸出值如表4所示。

將樣本輸入和目標(biāo)輸出輸入到MATLAB仿真系統(tǒng)中進行訓(xùn)練可以得到如圖3的效果訓(xùn)練圖。

（2）進行故障診斷時將檢測到的故障的碼如：a=[0 0 0.9 1 0.2 0]所示，輸入到之前訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行診斷，可以得到一個實際的目標(biāo)輸出信息b =[0.9280 0.08970.3649]，其與原來訓(xùn)練時的輸出目標(biāo)[1 0 0]相似，既故障是電池活性物質(zhì)脫落。

5結(jié)論

本文根據(jù)對純電動汽車動力電池系統(tǒng)常見的故障類型、產(chǎn)生原因及診斷方法的分析，提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法，并對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法進行了詳細(xì)的介紹，最后舉出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的純電動汽車動力電池系統(tǒng)故障診斷案例。通過本文的研究可以提高純電動汽車動力電源系統(tǒng)故障診斷的效率以及準(zhǔn)確性。

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