电池故障诊断梳理

锂离子电池故障诊断本PPT是对储能科学与技术上苏伟、马紫峰《锂离子电池故障诊断技术进展》的整理和总结目录•1、背景•2、常见故障分类•3、故障诊断步骤•4、故障引发机制•5、故障诊断方法分类•6、应用案例介绍•7、未来挑战本PPT是对储能科学与技术上苏伟、马紫峰《锂离子电池故障诊断技术进展》的整理和总结一、背景•锂离子电池具有功率/能量密度高、循环寿命长、自放电率低等优点，已在电子消费品、电动汽车、分布式储能、大规模储能等不同应用场景广泛应用。•但锂离子电池存在着较高的安全隐患：1）锂离子电池作为一类典型的涉及复杂电化学反应/传递机理的能量储存装置，锂离子电池本身存在较高的安全隐患，需要采用系统工程的理论和方法，在电池材料体系研发、电池管理系统设计、储能系统结构优化等各个层面予以关注，确保其在使用过程中的安全、稳定和可靠；2）在实际运行过程中，受当前电、热和安全管理系统技术发展水平的限制，在某些情况下会发生机、电、热滥用，如过充、过放、过热的等，容易引起电池性能的快速衰减，甚至引发内短路而导致安全隐患；3）锂离子电池为满足电动汽车、储能等应用需求；不断的增大电流、电压、功率、能量等参数，常需要通过串并联手段将大量单体组成电池组、电池包乃至电池簇，存在大量的连接组件，极大地增加了系统的复杂程度，导致发生各类故障的概率增大，并增加了安全隐患。•因此，在认清电池系统故障引发机制的基础上，至少需要在锂离子电池单体和系统两个层面实施故障诊断，确保可以识别出渐变、突变等故障，实现提前预警，保证人民生命财产安全。本PPT是对储能科学与技术上苏伟、马紫峰《锂离子电池故障诊断技术进展》的整理和总结二、常见故障分类①电池本体故障渐变性故障突发性故障②其他类型故障电池管理系统故障传感器故障连接组件故障•主要由于电池老化导致，如随循环次数↑，活性物质损失，内阻增大，容量衰减，功率衰退等•主要指无明显征兆或短时征兆，便导致系统失效或性能明显下降；如短路、热失控、跳水、漏液等；•导致单体不一致性加剧；•引发过充、过放、寿命↓等•导致无法准确检测数据；•引发BMS发送错误指令等；•导致螺母/焊点松动、接触不良；进而连接内阻增大，导致压差过大，影响系统性能本PPT是对储能科学与技术上苏伟、马紫峰《锂离子电池故障诊断技术进展》的整理和总结三、故障诊断步骤故障电池包检查外观诊断BMS诊断传感器诊断连接组件调查外观异常原因外观是否正常否是Next是否正常分析电池本体是否修正异常部位是否恢复正常找到对应原因是解决问题检查外观否是否正常检查电池性能电池解体是分析外观异常原因否分析原因制定改善措施本PPT是对储能科学与技术上苏伟、马紫峰《锂离子电池故障诊断技术进展》的整理和总结四、故障引发机制本PPT是对储能科学与技术上苏伟、马紫峰《锂离子电池故障诊断技术进展》的整理和总结四、故障引发机制序号现象原因分析1过充1）电池组的不一致性，充电控制技术不能精确调控，可导致单体过充2）单体过充后，会在负极表面析锂，导致负极膨胀，损失活性锂，引发容量衰减，导致发生渐变性故障；3）也有可能产生锂枝晶，引发内短路，如果电池温度持续升高，可能会触发SEI膜分解、电解液分解等，产生大量热，导致热失控2过放1）长期轻微过放，由于负极表面和SEI膜的Li+会全部脱嵌，易导致负极结构和SEI膜的破坏，导致活性物质损失，引发电池容量过快衰减的渐变性故障；2）长时间深度过放，会导致负极集流体铜箔氧化后在负极表面沉积，一方面影响锂离子的脱嵌，另一方面可能会刺破隔膜引发内短路，甚至热失控。3过冷低温环境下，电解液电导率降低，Li+迁移/扩散速率变小，尤其是低温充电会出现电化学反应与固相扩散速率不匹配，导致负极表面发生析锂，形成的锂枝晶会刺穿隔膜，导致内短路，甚至引发热失控等；4过热当电池处于较高环境温度工作时，内部副反应速率增大，会引发电池容量衰减过快的渐变性故障；充电过程电池会产热，若产热不能及时散发，会触发SEI膜分解、电解液分解、正极材料分解等大量放热的副反应，进而引发热失控。5大倍率充放电充放电倍率增大，产热的速率也增大，引发内部副反应的几率也就增大；并且极易产生锂离子的脱出速率与在负极的嵌入速率不匹配的情况，导致在负极表面形成锂枝晶。6不一致性电池系统的各个单体的可用容量、自放电、内阻、开路电压、SOC等内外部参数均存在一定程度不一致性，会对系统的效率、安全性、使用寿命造成影响。本PPT是对储能科学与技术上苏伟、马紫峰《锂离子电池故障诊断技术进展》的整理和总结五、故障诊断方法分类本PPT是对储能科学与技术上苏伟、马紫峰《锂离子电池故障诊断技术进展》的整理和总结锂离子电池系统故障诊断方法基于电池模型的故障诊断方法无电池模型的故障诊断方法融合参数估计的故障诊断方法融合状态估计的故障诊断方法基于统计分析的故障诊断方法基于数据驱动建模的故障诊断方法基于专家系统的故障诊断方法模型特点电化学机理复杂程度高，难以在线实现数据驱动纯经验模型，外推性能难以保证等效电路半经验半机理模型，计算复杂程度低，具有优良的预测性能方法特点统计分析利用信息熵、正态分布等统计分析，通过设置合理的异常系数或阈值，实现故障诊断数据驱动建模将电池的可测数据作为输入，故障作为输出，建立模型，实现电池系统故障的在线诊断专家系统主要有知识库、推理机、实时数据库和人机接口组成，可用于多种故障的检测和隔离五、故障诊断方法分类方法优缺点应用性电化学机理模型可以模拟电池内部反应，但模型计算复杂度高，喃意思实时在线计算不适合产业应用数据驱动模型性能依赖样本质量应用少等效电路模型计算复杂程度低，预测性能优良已广泛应用统计分析计算复杂程度低，执行效率高，但往往仅能实现故障检测，难以对故障类型进行识别。应用较少数据驱动建模依赖于训练数据的质量和数量，合理利用电池系统大数据平台，有望获得可靠的训练数据。由于离线数据往往难以覆盖各种类型的故障，需要融合自适应在线学习策略，以提高故障诊断适应性应用较少专家系统知识库是专家系统的核心关键（一是基于电池系统故障特征分析的专家领域知识/规范，二是历史运行数据和故障检修记录）推理机是实现故障类型、发生时间、位置预测的关键应用较少六、应用案例介绍序号故障类型诊断步骤/方法1短路故障诊断对电池短路故障实施合理诊断，需要在不同层面解决如下问题：①定性判断电池是否存在短路；②定量计算电池短路程度，即漏电流/短路电阻的大小；③定位短路发生位置，并区分内/外短路；④判断引发电池短路的内在原因；⑤认清由短路引发热失控的演化规律，实现提前预警，保证安全运行；2热故障诊断引发热故障的外在表现为电池温度不正常升高，甚至触发热失控导致安全问题。因此要实现合理的热故障诊断，需要对热故障引发机制有深入的认识，结合短路、一致性等其他类型故障诊断结果，开发精准的电-热模型和高效状态估计/故障诊断方法3传感器故障诊断1）Marcicki等提出非线性奇偶方程法构建诊断模型，通过结合滑膜观测器与离线电池模型，实现了单体电流或电压传感器故障的检测与隔离；2）Chen等提出一种融合降阶LUENBERGER观测器和学习观测器的传感器故障诊断策略，可同时实现故障检测、分离与估计。4连接组件故障诊断电池连接组件故障，如螺母、焊点松动会导致接触内阻增加，影响电池系统在高倍率下的功率性能，且会导致局部产热量增大，老化速率加快，会减少剩余使用寿命，并在极端情况下可能会引发热安全事故。5不一致性诊断1、电池本体的电压故障，其有可能是与电池组内其他单体的可用容量、内阻、开路电压、自放电率、荷电状态等存在明显差异而导致，往往需要结合电池内外参数辨识技术才能实现对引发电压故障的原因实施合理的诊断；2、电池本体温度故障，其可能是由高内阻、内短路等原因导致；6多故障联合诊断刘文杰等提出了一种基于模糊数学和模糊诊断理论的电池故障诊断专家系统，可实现对内阻过大、电池开路、电池老化、电池连接不正常、电池容量偏小额电池充电不足等6类故障的诊断。本PPT是对储能科学与技术上苏伟、马紫峰《锂离子电池故障诊断技术进展》的整理和总结七、未来挑战序号挑战详细内容1故障诊断系统的顶层设计需要从系统工程的角度出发，加强对故障诊断系统整体框架设计研究，以提升对实际应用场景的适应性。一方面，需要在认清发生不同类型故障引发机制与危害的基础上，实施分层分级，合理设置故障诊断顺序；另一方面，针对大规模电池系统，需要在单体、模组和系统三个层次，开展合理的简化策略研究，降低故障诊断方法的计算量，确保故障诊断系统的高效运行。2故障引发机制的深层次诊断现有大部分研究仅实施故障检测，对故障分离与故障程度估计研究相对较少，尤其缺乏对故障引发原因的相关诊断研究。因此需要在认清各类故障引发机制与多种故障相互耦合关系的基础上，在一定程度上实现故障类型/引发原因的解耦后，一方面有助于从源头上采取相应防护措施，避免故障发生或对潜在故障实施提前防护；另一方面需要结合发展故障分离、故障程度评估方法，最终实现对故障引发机制的深层次判断。3热失控的精准、提前预警由于热失控演化规律复杂，在其发生前隐蔽性强，如何实现热失控的精准、提前预警，挑战很大。因此在认清热失控引发机制和演化规律基础上，尤其是针对机、电、热滥用情况，认清微/内短路的演化规律，开发在多种滥用情况下包含电、热、机械等多物理场耦合建模方法，实现不同热失控触发机制的特性模型，基此发展相应的热失控提前预警方法，以实现安全事故预防。4全生命周期内精准、可靠的故障诊断现有大部分研究提出的各类电池系统故障诊断方法，基本未在电池全生命周期内的故障诊断性能实施验证，实际效果及适应性有待进一步验证。因此需在电池试用阶段全生命周期内的故障诊断试验设计方法研究基础上，评价现有电池故障诊断方法的适用性和效果，并需要引入自适应学习机制，提高全生命周期内故障诊断方法的精准性和可靠性。