鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) — 模糊故障診斷

　　6.4模糊系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　電池組故障模糊診斷系統(tǒng)以信號(hào)采集電路所采集到的電池電壓、電流和溫度值為依據(jù)，結(jié)合知識(shí)庫(kù)中保存的鋰電池使用和維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則，利用存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中癥狀與故障之間的模糊關(guān)系以及設(shè)定的診斷規(guī)則，采用模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)電池故障進(jìn)行診斷。其功能結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。

　　該模糊診斷系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：

　　1)知識(shí)獲取模塊。完善知識(shí)庫(kù)中的電池診斷方法，擴(kuò)充和修改癥狀與故障之間的模糊關(guān)系矩陣。

　　2)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。除了存放信號(hào)采集電路所采集到的電池電壓、電流和溫度值，還記錄在診斷過(guò)程中的一些中間數(shù)據(jù)。

　　3)規(guī)則庫(kù)。電池診斷規(guī)則和相關(guān)知識(shí)的存放地點(diǎn)。

　　4)推理機(jī)。依據(jù)知識(shí)庫(kù)中的診斷規(guī)則和模糊關(guān)系矩陣，控制推理過(guò)程。

　　5)人機(jī)接口。進(jìn)行人機(jī)交互。

　　6.5規(guī)則庫(kù)建立

　　規(guī)則庫(kù)是電池組模糊故障診斷系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)模塊。規(guī)則庫(kù)的建立關(guān)鍵是要抽象化專家知識(shí)，將其變成規(guī)則。對(duì)于本診斷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是需要得到癥

　　狀的隸屬度函數(shù)、癥狀與故障之間的模糊關(guān)系矩陣以及對(duì)故障的診斷規(guī)則，然后將這些信息存儲(chǔ)起來(lái)，構(gòu)建成規(guī)則庫(kù)。

　　對(duì)于電池組故障診斷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，癥狀與故障之間的關(guān)系主要有：電池在閑置時(shí)電壓下降較快且電池放置時(shí)間長(zhǎng)時(shí)電壓較低，則表示電池自放電率高;充放電時(shí)電池電壓異常，則表示電池內(nèi)阻過(guò)大;當(dāng)開(kāi)路時(shí)，電池電壓較低且無(wú)法帶動(dòng)負(fù)載，則表示電池可能報(bào)廢或連接不正常;電池組放電時(shí)，其中一節(jié)電池電壓下降比別的快，則表示該節(jié)電池可能充電不足或該電池已損壞;在充放電時(shí)，電池電壓上升和下降速度異常，則表示該節(jié)電池容量變小或極板損壞;充電時(shí)電壓極高，則電池內(nèi)部開(kāi)路。

　　6.5.1癥狀隸屬函數(shù)的確定

　　癥狀隸屬函數(shù)是依據(jù)信號(hào)采集電路對(duì)電池電壓、電流和溫度值的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)得到的。不同時(shí)間段采集到的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)都對(duì)電池癥狀有所影響，只不過(guò)時(shí)間不同，采集到的數(shù)據(jù)對(duì)電池癥狀影響的程度不一樣。例如對(duì)于“電壓下降快”這個(gè)癥狀，在放電的初始階段比后面更能反映該癥狀。因此，先求每個(gè)采樣周期的癥狀隸屬度，然后對(duì)不同采樣周期設(shè)定不同的加權(quán)值，最終得到該癥狀的隸屬度。該算法定義如下：

　　定義： m為采樣階段次數(shù);t為每個(gè)采樣階段的采樣次數(shù);PLK為電池組中第L個(gè)電池出現(xiàn)癥狀K的隸屬度值;PLKI為電池組中第L個(gè)電池出現(xiàn)癥狀K在第i個(gè)時(shí)間段的隸屬度值;P(t)LKI為電池組中第L個(gè)電池出現(xiàn)癥狀K在第i個(gè)時(shí)間段的第t次采樣數(shù)據(jù)的單次隸屬度值;C(n)是加權(quán)函數(shù)

　　6.5.2單次采樣數(shù)據(jù)癥狀隸屬函數(shù)的確定

　　在建立規(guī)則庫(kù)時(shí)，我們定義了故障診斷系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的電池癥狀，主要有以下幾點(diǎn)：

　　⑴充電時(shí)電池電壓上升快;

　?、品烹姇r(shí)電池電壓下降快;

　?、浅潆姕囟雀?，放電溫度高;

　　⑷充電時(shí)電壓極高，放電電壓極低;

　　電池出現(xiàn)故障所對(duì)應(yīng)的癥狀主要都是處于充放電兩種狀態(tài)下，并且都是跟電池的電壓和溫度這兩種外部特性數(shù)據(jù)有關(guān)，且變化程度分為高、低、極高、極低等。

　　由此，可得單次采樣數(shù)據(jù)癥狀隸屬函數(shù)如下：

　　Psta(I)為電池的狀態(tài)函數(shù)，Psts(X)為電池的外部特性數(shù)據(jù)函數(shù)。Psta(I)由其對(duì)應(yīng)的癥狀所描述的狀態(tài)決定，Pcha(X)則取決于它所對(duì)應(yīng)的癥狀所描述的電池外部特性數(shù)據(jù)及其變化程度，一般是一些根據(jù)電池的充放電曲線和電池使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步給出并通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整得出的離散函數(shù)。

　　6.5.3模糊矩陣元素的確定

　　模糊矩陣元素的確定大多是先由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，再在實(shí)踐中修正的方法。

　　在前面我們對(duì)電池故障與癥狀之間的模糊關(guān)系已經(jīng)做了一些介紹，某一故障可能因?yàn)槎鄠€(gè)癥狀產(chǎn)生，某一癥狀的產(chǎn)生也可能會(huì)引起多個(gè)故障。它們之間的隸屬關(guān)系通常是處于穩(wěn)態(tài)的。因此我們需要經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和專家對(duì)電池故障特性的研究成果以及經(jīng)驗(yàn)，才能最終得到精確的癥狀與故障之間的模糊關(guān)系矩陣參數(shù)。

　　6.6推理診斷過(guò)程

　　在建立規(guī)則庫(kù)時(shí)，我們了解到在電池的使用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)的故障主要有電池充電不足、電池?fù)p壞、內(nèi)阻過(guò)大、電池容量小、板極損壞等。

　　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：

　　故障隸屬度依次為：

　　則一個(gè)具體故障的隸屬度viμ可用以下公式表示：

　　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。

　　6.7診斷結(jié)果

　　電池組故障診斷結(jié)果是通過(guò)對(duì)電池組做放電實(shí)驗(yàn)得到的。

　　診斷結(jié)果如表6.1所示。

　　6.8結(jié)論

　　目前，該故障診斷模糊算法中對(duì)于電池組癥狀隸屬度的大小還沒(méi)有一個(gè)明確值，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)才能得到其準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。另外，很多規(guī)則也需要經(jīng)過(guò)多次的運(yùn)行才能準(zhǔn)確的定義。因此，該算法還不成熟，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行、實(shí)驗(yàn)和調(diào)試才能使其最終完善。