一种储能电池组短路故障诊断方法、电池管理方法及系统

技术特征：
1.一种储能电池组短路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：获取储能电池组基准工况下基于交错电压量测拓扑的基准差分交错量测电压时序子矩阵的基准差分电压均值向量和基准差分电压标准差对角阵；获取储能电池组基准工况下基于交错电压量测拓扑的基准差分交错量测电压时序子矩阵标准化后的协方差矩阵的最大基准特征值向量，及最大基准特征值均值和最大基准特征值标准差；步骤s2：对最大基准特征值向量进行标准化，设置故障检测的显著性水平，获取短路故障检测阈值，进而获取短路故障的最小可检测故障估计，并确定最小可检测短路电阻；其中，获取短路故障检测阈值，进而获取最小可检测短路故障估计的具体步骤为：步骤s201：对最大基准特征值向量λ
max,base,1
和λ
max,base,2
分别进行标准化，具体如式(14)所示：其中，和分别为最大基准特征值向量λ
max,base,1
和λ
max,base,2
的标准化向量；和分别是标准化基准差分交错量测电压时序子矩阵和的最大基准特征值均值；和分别为标准化基准差分交错量测电压时序子矩阵和最大基准特征值标准差；步骤s202：设置显著性水平为α，基于标准化最大基准特征值向量和获得的对应于基准差分交错量测电压时序子矩阵和的短路故障检测子阈值为d
th,1
和d
th,2
，满足式(15)：其中，n{
·
}表示满足{
·
}中条件的元素个数；短路故障检测阈值d
th
如式(16)所示：
步骤s203：短路故障的最小可检测故障特征f
min
满足如下公式(17)所示二次函数形式：其中，t
f
表示滑动窗口内的故障持续时间；表示短路故障发生于单电池电压向量的第l通道上时的故障分量系数，表示标准化基准差分交错量测电压时序子矩阵和的特征值标准差，计算如式(18)所示：据此，得到短路故障的最小可检测故障特征f
min
的估计值；所述确定最小可检测短路电阻的步骤，包括：根据式(19)得到最小可检测故障特征f
min
对应的最小可检测短路电阻：r
sc
表示最小可检测短路电阻，e
m
表示故障电池的开路电压，i
d
表示故障电池处于放电状态时的电流值，r0表示故障电池等效电路模型中的串联电阻；其中，基于最小可检测故障特征f
min
的短路电流计算公式如公式(20)所示：步骤s3：根据实时获取的基于交错电压量测拓扑的储能电池组差分电压时序向量，构造标准化的差分电压量测时序矩阵，计算对应的实时短路故障检测指标；步骤s4：当短路故障检测指标超过故障检测阈值时，计算故障的差分电压通道贡献度，确定短路故障的发生位置。2.如权利要求1所述的一种储能电池组短路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤s1，包括如下步骤：获取储能电池组基准工况下基于交错电压量测拓扑的20％至80％荷电状态区间的基准交错量测电压时序矩阵其表达式如式所示：
其中，n为交错量测拓扑的量测电压传感器个数，m为基准交错量测电压时序矩阵的时间序列长度；为基准交错量测电压时序矩阵中第t个基准交错量测电压列向量，为中第i个交错量测通道的基准测量电压值；其中，i＝1,2,
…
,n；t＝1,2,
…
,m；对应80％荷电状态下的基准交错量测电压向量，对应20％荷电状态下的基准交错量测电压向量；其中，基准交错量测电压列向量的表达式如公式(2)所示：其中，为基准交错量测电压时序矩阵的第t个基准交错量测电压列向量的第i个交错量测通道的基准测量电压值；为交错量测拓扑中第t个时间序列时的第i个单体电池的电压值，所组成向量为单体电池电压向量。3.如权利要求2所述的一种储能电池组短路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤s1，还包括如下步骤：对基准交错量测电压时序矩阵作基于交错量测通道的差分运算，得到基准差分交错量测基准电压时序矩阵表达式如公式(3)所示：其中，为基准差分交错量测基准电压时序矩阵中第t个基准差分交错量测电压列向量，为中第i个交错量测通道和第j个交错量测通道间的差分交错量测电压值，其中，基准差分交错量测基准电压时序矩阵中第t个基准差分交错量测电压列向量表达式如公式(4)所示：4.如权利要求3所述的一种储能电池组短路故障诊断方法，其特征在于，所述获取储能电池组基准工况下基于交错电压量测拓扑的基准差分交错量测电压时
序子矩阵的基准差分电压均值向量和基准差分电压标准差对角阵的步骤，基准差分电压均值向量表达式如公式(5)所示：其中，为基准差分交错量测基准电压时序矩阵中第t个基准差分交错量测电压列向量第i个交错量测通道与第j个交错量测通道间的基准差分测量电压均值，计算公式如公式所示：基准差分电压标准差对角阵如公式(7)所示：其中，diag{
·
}为以{
·
}中元素为依序对角元素的对角阵；代表基准差分交错量测基准电压时序矩阵中第t个基准差分交错量测电压列向量第i个交错量测通道与第j个交错量测通道间的基准差分测量电压标准差，其计算公式如式所示：5.如权利要求4所述的一种储能电池组短路故障诊断方法，其特征在于，所述获取储能电池组基准工况下基于交错电压量测拓扑的基准差分交错量测电压时序子矩阵标准化后的协方差矩阵的最大基准特征值向量，及最大基准特征值均值和最大基准特征值标准差，其具体步骤为：对基准差分交错量测基准电压时序矩阵进行标准化，如公式(9)所示：其中，为基准差分交错量测基准电压时序矩阵的标准化矩阵；将标准化基准差分交错量测基准电压时序矩阵分为两组标准化基准差分交错量测电压时序子矩阵和其中，标准化基准差分交错量测电压时序子矩阵由标准化基准差分交错量测基准电压时序矩阵的第1至n-1行依序组成，标准化基准差分交错量测电压时序子矩阵为标准化基准差分交错量测基准电压时序矩阵的第2至n行依序组成；标准化基准差分交错量测电压时序子矩阵和的最大基准特征值均值和的表达式如公式(10)所示：
其中，λ
max,k,base,1
和λ
max,k,base,2
分别为标准化基准差分交错量测电压时序子矩阵和中第k个以ω为矩阵宽度的滑动时序子矩阵的和的协方差矩阵和的最大特征值；其中，标准化滑动时序子矩阵由标准化时序子矩阵的k-ω 1列至k列依序组成，标准化滑动时序子矩阵由标准化时序子矩阵的k-ω 1列至k列依序组成；k＝ω,ω 1,
…
,m；滑动时序子矩阵的和的协方差矩阵和的表达式如式(11)所示：并且有其中，λ
max,base,1
和λ
max,base,2
分别为标准化时序子矩阵和的最大基准特征值向量；标准化基准差分交错量测电压时序子矩阵和最大基准特征值标准差和计算公式如式所示：6.如权利要求5所述的一种储能电池组短路故障诊断方法，其特征在于，所述构造标准化的储能电池组实时差分电压量测时序矩阵的步骤，具体为：获取t时刻基于交错电压量测拓扑的储能电池组实时电压向量如式(21)所示：
其中，为t时刻基于交错电压量测拓扑获取的第i个量测通道的实时电压值；计算t时刻基于交错电压量测拓扑的储能电池组实时差分电压向量如式(22)所示：当t≥ω时，构造t时刻基于交错电压量测拓扑的储能电池组实时差分电压量测时序矩阵如式(23)所示：t时刻基于交错电压量测拓扑的标准化储能电池组实时差分电压量测时序矩阵如式(24)所示：将标准化储能电池组实时差分电压量测时序矩阵分为两组标准化实时差分电压量测时序子矩阵和其中，标准化实时差分交错量测电压时序子矩阵由标准化实时差分交错量测基准电压时序矩阵的第1至n-1行依序组成，标准化差分交错量测电压时序子矩阵为标准化差分交错量测基准电压时序矩阵的第2至n行依序组成。7.如权利要求6所述的一种储能电池组短路故障诊断方法，其特征在于，所述实时短路故障检测指标的计算步骤具体为：获取t时刻标准化实时差分电压量测时序子矩阵和的协方差矩阵，如式(25)所示：通过特征值求解方法得到t时刻标准化实时差分电压量测时序子矩阵和的协方差矩阵和的最大特征值λ
max,t,1
和λ
max,t,2
，其对应的特征向量为v
max,t,1
和v
max,t,2
；
对特征值λ
max,t,1
和λ
max,t,2
分别进行标准化，如式(26)所示：其中，和分别为t时刻标准化实时差分电压量测时序子矩阵和的协方差矩阵和的标准化最大特征值；获取储能电池组t时刻的实时短路故障检测指标d
t
，其表达式如式(27)所示：当t时刻的实时短路故障检测指标d
t
满足d
t
>d
th
时，表明电池组发生短路故障。8.如权利要求7所述的一种储能电池组短路故障诊断方法，其特征在于，所述短路故障发生位置的定位步骤具体为：步骤s401：利用式(28)计算t时刻短路故障的实时差分电压通道贡献度向量η
t
＝{η
t,i
}，其中，i＝1,
…
,n；其中，v
max,t,1,i
和v
max,t,2,i
分别为t时刻标准化实时差分电压量测时序子矩阵和的协方差矩阵和的最大特征值和对应的特征向量v
max,t,1
和v
max,t,2
的第i个元素；步骤s402：当t时刻短路故障的实时差分电压通道贡献度向量η
t
中最大的两个元素η
t,i
和η
t,j
的下标i和j满足式(29)：则t时刻短路故障发生于第i个单体电池。9.一种电池管理方法，其特征在于，采用如权利要求1至8任一项所述的方法进行储能电池组短路故障诊断。10.一种电池管理系统，包括计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明属于电池管理技术领域，公开一种储能电池组短路故障诊断方法，包括以下步骤：获取故障检测所需基准参数；对最大基准特征值向量进行标准化，设置显著性水平，获取短路故障检测阈值，进而获取短路故障的最小可检测故障估计，并确定最小可检测短路电阻；根据实时获取的基于交错电压量测拓扑的储能电池组差分电压时序向量，构造标准化的差分电压量测时序矩阵，计算对应的实时短路故障检测指标；当短路故障检测指标超过故障检测阈值时，计算故障的差分电压通道贡献度，确定短路故障的发生位置。本发明能够有效提高对储能电池组初期短路故障的检测灵敏度，降低由正常工况下电压波动对故障检测和定位过程的影响，提高故障诊断可靠性。靠性。靠性。


技术研发人员：李立伟 刘含筱 李扬 张承慧
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2022.08.22
技术公布日：2022/11/11