Сочинение на тему Диагностика неисправностей датчиков на основе моделей в аккумуляторах, используемых в гибридных электромобилях

Аннотация. Глобальный интерес к гибридным электромобилям, в частности к системе накопления энергии, привел к необходимости эффективных методов диагностики неисправностей для обеспечения их надежности и безопасности. Эта статья посвящена обнаружению неисправностей напряжения и датчиков в системе литий-ионных аккумуляторов с использованием схемы диагностики неисправностей на основе остаточной модели, основанной на методе эквивалентной схемы. Для этой нелинейной системы расширенный фильтр Калмана (EKF) переносится для оценки напряжения на клеммах аккумуляторной батареи, а затем создается информация об остаточном несущем сбое путем вычитания оцененного напряжения из измеренных значений для дальнейшей оценки с использованием теста GLR.

Ключевые слова – неисправность датчика; EKF дизайн; GLR тест

I. Введение

Для снижения экстремальной добычи нефти и погружения ядовитых газов автомобильные компании разработали гибридные электромобили с двигателем. Возможно, наиболее перспективным из них является то, что технология гибридного электрического транспортного средства (HEV) обусловлена ​​его уникальностью в системе хранения. Накопители энергии подразделяются на ультраконденсаторы, свинцово-кислотные аккумуляторы, никель-металлогидридные аккумуляторы и литий-ионные аккумуляторы. Батареи, которые установлены на литиевой химии, отметили превосходный рост использования в последние годы. Их превосходное удобство, энергоэффективность и увеличенный срок службы сделали литий-ионные аккумуляторы наиболее распространенными аккумуляторами в полностью электрических и подключаемых HEV. Тем не менее, серьезные опасения в отношении безопасности, точности и снижения производительности литий-ионных батарей требуют использования методов обнаружения неисправностей, чтобы гарантировать надежную работу литиевой батареи и ее надежность, которая приведет к безопасности клиента. Различные типы неисправностей могут возникать в литий-ионной батарее на основе математического представления, временных характеристик и местоположения. В динамической системе могут возникать неисправности в приводах, датчиках или компонентах системы. Частичная или полная потеря управления на входе процесса означает наличие неисправностей привода. Для системы аккумуляторов, рассматриваемой в данной работе, исполнительные механизмы отсутствуют. Следовательно, неисправности привода не применимы. Неисправности компонентов – это неисправности в компонентах системы, которые обычно рассматриваются как изменение физических параметров системы. В аккумуляторной системе существуют две основные неисправности компонентов: уменьшение емкости и увеличение внутреннего сопротивления. В общем, реальный вывод системы не может быть достигнут мгновенно; следовательно, выход системы измеряется с помощью датчиков. Таким образом, неисправности датчика указывают на неправильные показания датчика, и это может быть следствием частичного или полного отказа датчика. Методы обнаружения неисправностей подразделяются на физические и аналитические методы на основе избыточности. Первый основан на использовании нескольких датчиков для каждой измеряемой переменной. Независимо от его простоты в реализации и высокой точности, использование более одного датчика увеличит стоимость, вес, энергопотребление и сложность системы. Однако последний использует избыточные отношения существующих и оценочных измерений и классифицируется на стратегии, основанные на данных, стратегии, основанные на знаниях, и стратегии, основанные на моделях. Стратегии, основанные на данных, зависят от анализа обширных исторических данных, но у них есть проблемы со сложностью обучения, вычислительными затратами и затратами времени. В отличие от стратегий, основанных на знаниях, которые используются, когда математическая модель недоступна, методы на основе моделей предпочтительнее в системах, где можно легко получить точную математическую модель. В последних работах для решения проблемы обнаружения наличия неисправностей широко распространены подходы диагностики неисправностей на основе моделей, поскольку их стоимость невелика и обеспечивает высокую гибкость. Кроме того, основанные на модели стратегии подразделяются на параметры оценки, которые оценивают физические параметры и оценки состояния, которые создают состояния или измеренные переменные. Оценка параметров выше при обнаружении неисправностей компонентов, тогда как оценка состояния выше при обнаружении неисправностей датчиков. Оценка состояния дополнительно классифицируется на отношения четности и подходы, основанные на наблюдателях, которые подразделяются на LO-наблюдатели и фильтры Калмана. Сравнивая их, соотношение четности требует дополнительной фильтрации и предварительной обработки в приложениях шума, наблюдатели LO дают неудовлетворительные результаты в шуме и становятся очень сложными, когда число измерений увеличивается; однако фильтры Калмана показывают хорошие результаты в отношении шума и являются простой, оптимальной и хорошо разработанной теорией. Следовательно, поскольку математические модели в батарейных системах легко получить, в этой статье будут использованы модельные подходы, основанные на фильтрации Калмана. Оставшаяся часть этой статьи организована следующим образом: Раздел 2 описывает моделирование батареи, которое иллюстрируется с помощью модели эквивалентной схемы и уравнений пространства состояний. В разделе 3 представлена ​​предлагаемая система обнаружения неисправностей, которая проверена с помощью результатов моделирования. Наконец, работа заканчивается общими выводами и перспективами на будущее.

II. Модель пространства состояний батареи

Многие модели аккумуляторов предназначены для систем идентификации неисправностей аккумуляторов. Наиболее часто используемые модели можно объединить в две группы: электрохимические модели и модели эквивалентных цепей. В электрохимических моделях используются нелинейные дифференциальные уравнения с хорошим диапазоном неизвестных параметров, которые часто требуют гигантской памяти и отмечают серьезную вычислительную нагрузку [5]. Фактически, динамику батареи нужно моделировать математически так, чтобы SoC можно было рассчитать, измеряя только напряжение и ток батареи на клеммах батареи. Для этой цели, которые поддерживаются принципом поведения батареи, имитируют их динамику с помощью схемы сети, состоящей из конденсатора, резистора, источника постоянного напряжения и т. Д. Для периодических ситуаций предпочтительным является моделирование батареи на основе эквивалентной схемы из-за более простой конфигурации и наглядная иллюстрация системного процесса без использования повышенной мощности машины. Следовательно, моделирование батареи с использованием модели эквивалентной схемы является эффективным способом для процессов управления системой. Ссылаясь на ссылку, простота модели Rint является преимуществом; тем не менее, не все характеристики батареи очерчены. Следовательно, таким образом, SoC неправильно оценивается на протяжении всего процесса продвижения.

С другой стороны, Thevenin описывает динамические характеристики батареи приблизительно. Однако после добавления еще одной RC-сети ожидается достойная оценка SoC с использованием модели DP, где характеристики системы будут проиллюстрированы точно. Другое добавление RC параллельной цепи увеличит конфигурацию модели системы, что приведет к увеличению вычислительных затрат, но точность системы не будет значительно увеличена. Таким образом, в этой статье используются две RC-схемы, поскольку они могут обеспечить достаточную целостность и краткость модели одновременно, что подтверждено в нескольких работах. Система управляется одним входом; входной ток где является входным вектором. Переменные состояния батареи представляют собой напряжения на конденсаторах, а состояние заряда батареи – это вектор состояния элемента батареи. Наблюдаемая переменная – это напряжение на выходной клемме, где – вектор измеренных наблюдений. Соответственно, следующие уравнения обозначают электрическое поведение схемы модели DP в непрерывном времени: