一种快换电池固定态势的主动探测系统及方法

本发明涉及新能源汽车换电安全监控领域，尤其是一种快换电池固定态势的主动探测系统及方法。

背景技术：

1、电动汽车的电池快换技术是实现电能快速补给的有效途径之一，快换电池的固定可靠度由机械锁止、快换电连接器以及冷却管路接口共同保证。随着换电次数的增加，锁止机构不可避免产生磨损、间隙增大，电连接器插针的镀层磨损、微动腐蚀会导致接触阻抗非线性增长，冷却管路的密封性能也可能因反复插拔而退化。这些问题在初期很难通过传统的位移开关或温度传感器察觉，一旦被检测到往往已接近失效，易引发行车中的动力中断或热失控风险。

2、现有技术中，存在基于霍尔传感器检测电池吊点距离和温度传感器检测端子温度的方案，其仅能在距离超过设定值时报警或端子发热后被动反应；也有利用锁止机构监测传感器检测锁钩是否到位的方案，但其检测维度仅限于锁钩的物理位置是否到达；还有采用双回路触点方式判断连接器通断的方案，其仅能进行开关量检测。

3、上述方案共同存在的不足是：仅依赖对单一物理量的被动阈值判断，无法捕捉固定机构在亚健康状态下的早期特性变化，无法综合机械与电气耦合劣化趋势，且均为事后被动响应，不具备预测能力。更重要的是，目前行业中将机械锁止与电气连接视为两个独立系统分别检测，从未认识到二者在物理上通过锁止预紧力构成耦合关系，因此无法通过同步探测获取机电融合的整体正常状态。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种快换电池固定态势的主动探测系统及方法，将机械锁止与电气连接视为一个由锁止预紧力物理耦合的等效机电网络，采用同一激励信号同步激励，并通过机电融合特征向量的马氏距离分析实现健康度量化评估，最终通过趋势预测实现从“被动阈值报警”到“主动认知预测”的技术升维。

2、本发明采用的技术方案如下：一种快换电池固定态势的主动探测系统，用于对由快换电池的机械锁止和电气连接通过锁止预紧力物理耦合构成的等效机电网络进行主动探测，包括依次连接的特征信号生成与注入模块、多维特征采集模块、特征比对与态势认知模块、安全控制与通讯模块；其中：

3、所述特征信号生成与注入模块，用于生成具有频谱特征的激励信号，并将该激励信号经功率分配器分为两路：一路经激振器注入所述等效机电网络的机械锁止，另一路经定向耦合器注入所述等效机电网络的电气连接；

4、多维特征采集模块，用于同步采集所述机械锁止的机械振动响应信号、所述电气连接的电气传输响应信号；

5、特征比对与态势认知模块，内置有正常状态下的基准特征模型，所述基准特征模型包含基准特征向量v_ref和协方差矩阵s；该特征比对与态势认知模块用于提取所述机械振动响应信号、电气传输响应信号的实时特征以构建多维的实时特征向量v(t)，计算v(t)与v_ref之间的马氏距离d_m，经预设函数映射得到态势健康度指数hi；

6、安全控制与通讯模块，用于根据态势健康度指数hi落入的预设区间，执行正常、亚健康、故障风险三个状态的分级控制策略，并通过通讯与整车控制器及换电设施进行交互。

7、进一步地，所述机械振动响应信号由集成于锁止机构或电池包壳体上的宽频振动传感器采集；

8、和/或所述电气传输响应信号为经定向耦合器耦合端口返回的反射信号，由幅度与相位检测单元采集。

9、进一步地，所述实时特征向量v(t)包含从机械振动响应信号中提取的多个频谱峰值频率f和多个半功率带宽bw，以及从电气传输响应信号中提取的多个预设频点处的归一化阻抗实部re(z)与虚部im(z)。

10、进一步地，所述马氏距离d_m的计算公式为：

11、；

12、进一步地，所述基准特征模型还包含一个分类器，用于区分正常、亚健康、故障风险三种状态并输出对应的后验概率，其中，正常状态的后验概率记为p_n、亚健康状态的后验概率记为p_s、故障风险状态的后验概率记为p_f；所述态势健康度指数hi由基于马氏距离的健康度分量hi_m与分类器健康度分量hi_c加权融合得出：

13、；

14、其中，hi_m由所述马氏距离d_m经指数映射函数得到：

15、；

16、k为灵敏度标定系数，通过模拟松动试验确定；

17、；

18、c1为正常状态区间的最大值；c2为亚健康状态区间的中位值；c3为故障风险状态区间的中位值。

19、β为加权系数；若基准特征模型未配置所述分类器，则。

20、进一步地，所述安全控制与通讯模块将态势健康度指数hi划分为以下区间并执行分级控制：

21、当hi≥第一阈值时，判定为正常状态，发送健康报文；

22、当第一阈值>hi≥第二阈值时，判定为亚健康状态，发送受限运行请求；

23、当hi<第二阈值时，判定为故障风险状态，发送紧急下电指令。

24、进一步地，所述特征比对与态势认知模块还内置有自适应算法；该自适应算法在运行阶段时，当态势健康度指数hi高于预设的基准更新判定值时，基准更新判定值大于正常状态所处预设区间的下限值，以遗忘因子动态更新所述基准特征向量v_ref和协方差矩阵s，以自适应机构老化和环境变化带来的基线漂移。

25、一种快换电池固定态势的主动探测方法，应用于所述的主动探测系统，其特征在于：包括以下步骤：

26、s1：主动探测与信号采集；所述特征信号生成与注入模块周期性地发射具有频谱特征的激励信号，通过功率分配器将该激励信号同步注入由快换电池的机械锁止和电气连接通过锁止预紧力物理耦合构成的等效机电网络，多维特征采集模块同步采集等效机电网络输出的机械振动响应信号和电气传输响应信号；

27、s2：特征提取与健康度评估；所述特征比对与态势认知模块提取所述机械振动响应信号、电气传输响应信号的实时特征构建实时特征向量，并计算实时特征向量与正常状态下基准特征向量之间的马氏距离，并映射为态势健康度指数；

28、s3：趋势预测与安全决策；所述安全控制与通讯模块对所述态势健康度指数的时间序列进行线性回归或趋势分析，计算衰减速率α；当所述衰减速率的绝对值大于预设阈值，且基于所述衰减速率在预设的短期预测时间窗口内进行外推预测，预测到将跌破第一阈值或第二阈值时，提前执行分级控制策略。

29、进一步地，步骤s3中衰减速率α的计算公式为：

30、；

31、其中t_i为时间戳，hi_i为时间戳下对应的态势健康度指数，n为数据点数。

32、进一步地，当所述衰减速率α小于0且绝对值大于预设劣化速率阈值时，执行预测性控制：计算到达第一阈值的剩余时间，若小于预设预警时间窗口则触发预警；计算到达第二阈值的剩余时间，若小于预设强制干预时间窗口则强制进入跛行模式。

33、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

34、1、本发明将“主动激励-响应采集-多维特征比对-健康度量化”闭环应用于换电电池固定态势评估，能够捕捉锁止机构的早期微弱松动以及电气连接阻抗的微小变化，实现了从“故障后报警”到“劣化即发现”的跨越。

35、2、本发明利用了机械锁止与电气连接通过锁止预紧力物理耦合这一被长期忽视的技术事实，将机械锁止与电气连接视为等效机电网络并采用同一激励源同步探测；特别地，通过协方差矩阵的非对角线元素精确建模机械与电气特征间的相关性结构，并在马氏距离计算中利用该结构识别联动劣化偏移，由此产生的耦合劣化识别能力是任何独立检测或简单特征组合手段所无法实现的不可预期技术效果。

36、3、本发明通过对态势健康度指数时间序列的趋势外推，可在故障实际发生前数分钟主动触发分级保护措施，预留充足的时间窗口，彻底改变了现有技术“故障发生后才被动响应”的安全控制模式。

37、4、本发明通过内置自适应算法，基准特征模型能够以遗忘因子在线更新，自适应机械锁止正常磨损和环境温度变化引起的基线漂移，确保检测灵敏度在全生命周期内不退化。