一种电池系统及其微短路故障检测方法和电池管理系统与流程

1.本发明属于电池系统的故障诊断领域，具体涉及一种电池系统及其微短路故障检测方法和电池管理系统。


背景技术：

2.目前，新能源汽车的电池系统中一般均设置有加热回路，解决电池在低温性能方面不足的问题，如图1所示，该加热回路中依次串设有总正接触器kp、加热丝r1、
…
、rj-1、rj和总负接触器kn，总正接触器kp连接动力电池的总正极，总负接触器kn连接动力电池的总负极。当电池系统中存在异物，造成电池防护蓝膜lm和加热膜防护层对应位置同时刺穿时，使动力电池与加热膜中的加热丝之间发生微短路故障(用rs表示短路故障位置)。
3.现有技术中，无法检测出动力电池与加热回路之间的微短路故障，只能在微短路故障发展成短路故障后，进行短路故障的检测，针对该短路故障的检测，现有技术主要依靠单体电池的电压、温差和温升速率等进行判断，只能在电池系统中发生拉弧、烧蚀等失效故障后，通过电池的温度检测和电池电压变化才能判断故障是否已经发生，严重情况下会造成电池系统短路烧蚀故障，甚至整车大面积火灾事故，对公共财产和人身安全造成不可逆的损失。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种电池系统的微短路故障检测方法，用于解决现有技术无法及发现动力电池与加热回路间的微短路故障问题；还提出一种电池系统，用于解决现有技术无法及发现动力电池与加热回路间的微短路故障问题，同时，还提出一种电池管理系统，用于解决现有技术无法及发现动力电池与加热回路间的微短路故障问题。
5.基于上述目的，一种电池系统的微短路故障检测方法的技术方案如下：
6.1)断开电池系统的加热回路中的总正接触器和总负接触器，所述总正接触器的第一端与电池系统中动力电池的总正极连接，所述总正接触器的第二端与加热回路上的加热元件连接，所述总负接触器的第一端与电池系统中动力电池的总负极连接，所述总负接触器的第二端与加热回路上的加热元件连接；
7.2)检测动力电池的正极短路电压和/或负极短路电压，所述正极短路电压为所述动力电池的总正极与所述总正接触器的第二端之间的电压；所述负极短路电压为动力电池的总负极与所述总负接触器的第二端之间的电压；
8.3)当所述正极短路电压和/或负极短路电压大于设定的电压阈值时，判定动力电池与加热回路之间存在微短路故障。
9.上述技术方案的有益效果是：
10.本发明的微短路故障检测方法，不需要检测单体电池的电压、温差和温升速率，仅通过检测并判断动力电池的总正极与加热回路中总正接触器的第二端之间的电压，和/或检测并判断动力电池的总负极与加热回路中总负接触器的第二端之间的电压，能够快速及
时的检测出动力电池与加热回路之间发生的微短路故障。相对现有技术通过电池的温度检测和电池电压变化才能判断出短路故障而言，本发明的微短路故障检测方法在电池的温度和电压发生较大变化之前，就能够更快、更早的检测出微短路故障的发生，并且，本发明的微短路故障检测方法的原理简单、实用，可利用现有的电池管系统硬件资源进行短路故障诊断，降低功能开发成本，具有市场应用价值。
11.基于上述目的，一种电池管理系统的技术方案如下：
12.包括处理器，所述处理器分别控制连接电池系统的加热回路中的总正接触器和总负接触器，所述处理器分别检测连接电池系统中动力电池的总正极与所述总正接触器的第二端，所述总正接触器的第二端用于与加热回路上的加热元件连接，所述总正接触器的第一端用于与电池系统中动力电池的总正极连接；
13.所述处理器分别检测连接电池系统中动力电池的总负极与所述总负接触器的第二端，所述总负接触器的第二端用于与加热回路上的加热元件连接，所述总负接触器的第一端用于与电池系统中动力电池的总负极连接；
14.所述处理器用于在执行计算机程序时实现如上述的电池系统的微短路故障检测方法。
15.基于上述目的，一种电池系统的技术方案如下：
16.包括动力电池、加热回路和电池管理系统，其中，动力电池由若干单体电池组成，加热回路中依次串设有总正接触器、加热元件和总负接触器，所述总正接触器连接所述动力电池的总正极，所述总负接触器连接所述动力电池的总负极，所述电池管理系统包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的电池系统的微短路故障检测方法。
17.上述两个技术方案的有益效果是：
18.本发明的电池系统和电池管理系统，由于采用了上述的微短路故障检测方法，相对现有技术，能够更快、更早的检测出微短路故障的发生，并且，本发明的微短路故障检测原理简单、实用，可利用现有的电池管系统硬件资源进行短路故障诊断，降低功能开发成本，具有较高的市场应用价值。
19.为了提高定位精度，还包括以下步骤：
20.比较所述正极短路电压和所述负极短路电压，在所述正极短路电压和所述负极短路电压中选择电压值较高的短路电压，计算该短路电压与动力电池中的单体电池电压之间的比值，对该比值取整数k，进行短路故障定位。
21.作为故障定位的其他实施方式，还包括以下步骤：
22.求取所述正极短路电压和动力电池中的单体电池电压之间的比值，对该比值取整数i，进行动力电池中的短路故障位置定位，将该短路故障位置定位在从动力电池的总正极开始算起的第i个单体电池。
23.作为故障定位的其他实施方式，还包括以下步骤：
24.求取所述负极短路电压和电池系统中的单体电池电压之间的比值，对该比值取整数i
′
，进行电池系统中的短路故障位置定位，将该短路故障位置定位在从动力电池的总负极开始算起的第i
′
个单体电池。
25.为了防止微短路故障的误判，判断存在短路故障后，还包括以下步骤：
26.对所述电池系统的正极短路电压和负极短路电压进行求和处理，比较所述求和处理得到的电压与动力电池的总电压之间的电压偏差，当所述电压偏差在设定电压范围内时，确认动力电池与加热回路之间确实存在微短路故障；
27.当所述电压偏差不在所述设定电压范围内时，则所述微短路故障的判定有误，并按照步骤2)和步骤3)中的内容，重新进行检测和判断。
28.为了可靠确定短路故障位置，所述电池系统中的单体电池电压为单体电池的平均电压，确定步骤如下：
29.检测动力电池的总正极和总负极之间的总电压，根据所述总电压和动力电池中单体电池的数量之间的比值，得到所述单体电池的平均电压。
30.为了确定步骤3)中的电压阈值，步骤3)中所述电压阈值的取值范围为5v～2000v。
附图说明
31.图1是本发明现有技术中动力电池与加热回路之间发生短路故障的示意图；
32.图2是本发明实施方式1的系统实施例中的电池系统示意图；
33.图3是本发明实施方式1的系统实施例中的微短路故障检测方法流程图；
34.图4是本发明系统实施方式1的方法实施例中的微短路故障检测方法流程图；
35.图5是本发明实施方式2的系统实施例中的电池系统示意图；
36.图6是本发明实施方式3的系统实施例中的电池系统示意图；
37.图7是本发明系统实施方式1的方法实施例中的微短路故障检测方法在不同车辆工况下的应用过程示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
39.实施方式1：
40.本实施方式中，涉及系统实施例和方法实施例，下面分别进行介绍。
41.系统实施例：
42.如图2所示的电池系统，包括动力电池、加热回路和电池管理系统bms，其中，动力电池由若干单体电池b1、
…
、bn-1、bn组成，加热回路中依次串设有总正接触器kp、加热丝r1、
…
、rj-1、rj和总负接触器kn，总正接触器kp的第一端连接动力电池的总正极，总负接触器kn的第一端连接动力电池的总负极，电池管理系统bms包括存储器和处理器，以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器分别检测连接动力电池的总正极、总负极，加热回路中总正接触器kp的第二端，以及加热回路中总负接触器kn的第二端，并且，该处理器还控制连接总正接触器kp和总负接触器kn。
43.本实施例中，电池管理系统bms的处理器与存储器相耦合，该处理器在执行计算机程序时实现电池系统的微短路故障检测方法，如图3所示，该方法的具体步骤如下：
44.1)控制总正接触器kp打开，控制总负接触器kn打开。
45.本步骤中，由处理器直接控制总正接触器kp和总负接触器kn打开；作为其他实施方式，还可以先检测总正接触器kp和总负接触器kn的通断状态，判断总正接触器kp和总负
接触器kn是否为断开状态，若不为断开状态，为闭合状态，则控制总正接触器kp和总负接触器kn断开。
46.2)进行电压检测：
47.检测动力电池的正极短路电压u1和负极短路电压u2，其中，正极短路电压u1为动力电池的总正极与加热回路中总正接触器kp的第二端之间的电压，负极短路电压u2为动力电池的总负极与加热回路中总负接触器kn的第二端之间的电压。
48.3)进行故障判断：
49.判断正极短路电压u1和负极短路电压u2是否大于设定的电压阈值，若正极短路电压u1和负极短路电压u2中任一电压大于设定的电压阈值时，判定动力电池与加热回路之间已形成回路，存在微短路故障，并有可能发展成短路故障。
50.本步骤中，设定的电压阈值可在电池系统的电压检测的正公差至可适配的最小电池系统电压之间进行确定，优选的，该电压阈值的取值范围为5v～2000v。
51.3)故障位置定位：
52.根据正极短路电压和动力电池中的单体电池电压之间的比值，进行动力电池中的短路故障位置定位；或者根据负极短路电压和动力电池中的单体电池电压之间的比值，进行动力电池中的短路故障位置(图2中的rs表示短路故障位置，lm为蓝膜)定位，本实施例提供以下定位方式：
53.定位方式一：求取正极短路电压u1和动力电池中的单体电池平均电压uavg之间的比值，对该比值取取整数i(i＝1,2,
…
,n)，进行动力电池中的短路故障位置定位，将该短路故障位置定位在从动力电池的总正极开始算起的第i个单体电池。
54.作为其他实施方式，还可以将动力电池的总电压un(即动力电池的总正极和总负极间的电压)与正极短路电压u1作差，得到u3(u3相当于计算得到的负极短路电压)，计算u3和电池系统中的单体电池平均电压uavg之间的比值，对该比值取取整数i
′
(i
′
＝1,2,
…
,n)，将短路故障位置定位在从动力电池的总负极开始算起的第i
′
个单体电池。
55.定位方式二：求取负极短路电压u2和电池系统中的单体电池平均电压uavg之间的比值，对该比值取取整数i
′
，进行电池系统中的短路故障位置定位，将该短路故障位置定位在从动力电池的总负极开始算起的第i
′
个单体电池。
56.作为其他实施方式，还可以将动力电池的总电压un与负极短路电压u2作差，得到u4(u4相当于计算得到的正极短路电压)，计算u4和电池系统中的单体电池平均电压uavg之间的比值，对该比值取取整数i，将短路故障位置定位在从动力电池的总正极开始算起的第i个单体电池。
57.本步骤中，为了防止因电磁干扰或电路检测精度问题造成的误定位，还可以比较正极短路电压u1和负极短路电压u2的大小，在正极短路电压u1和负极短路电压u2之间选择较大的电压进行短路故障定位，由于较大电压的检测误差相对较小，因此故障定位精度更高。
58.本步骤中，单体电池的平均电压是通过以下步骤得到的：
59.检测电池系统中动力电池的总电压un，根据动力电池的总电压un和电池系统中单体电池的数量n，计算得到电池系统中单体电池的平均电压uavg。作为其他实施方式，本步骤中的单体电池的平均电压还可以采用单体电池的额定电压代替，或采用某一个单体电池
的实际检测电压代替。
60.4)故障的准确性校验：
61.对电池系统的正极短路电压u1和负极短路电压u2进行求和处理，比较求和处理得到的电压(u1 u2)与动力电池的总电压un之间的电压偏差δu，当电压偏差δu在设定电压范围0～100v内时，确认动力电池与加热回路之间确实存在短路故障；
62.当电压偏差δu不在设定电压范围内时，则短路故障的判定有误，需要按照步骤2)和步骤3)中的内容，重新进行检测和判断。
63.本步骤中，为了保证短路故障校验的准确性，对正极短路电压u1和负极短路电压u2的数据采集需保证在时间上的同步性。
64.本发明的电池系统能够进行快速、有效的短路故障检测，不需要检测单体电池的电压、温差和温升速率，仅通过检测并判断动力电池的总正极与加热回路中总正接触器的第二端之间的电压，和/或检测并判断动力电池的总负极与加热回路中总负接触器的第二端之间的电压，能够快速及时的检测出动力电池与加热回路之间发生的微短路故障。相对现有技术通过电池的温度检测和电池电压变化才能判断出短路故障而言，本发明的微短路故障检测方法在电池的温度和电压没有太大变化之前，就能够更快、更早的检测出短路故障的发生，并且，本发明的微短路故障检测方法的原理简单、实用，可利用现有的电池管系统硬件资源进行短路故障诊断，降低功能开发成本，具有市场应用价值。
65.方法实施例：
66.基于上述系统实施例中的电池系统，本实施例提出一种该电池系统的微短路故障检测方法，该微短路故障检测方法的步骤如下：
67.1)断开电池系统的加热回路中的总正接触器和总负接触器；
68.2)检测动力电池的正极短路电压u1和负极短路电压u2；
69.3)当正极短路电压u1和/或负极短路电压u2大于设定的电压阈值时，判定动力电池与加热回路之间存在微短路故障；
70.4)进行故障位置定位：
71.比较正极短路电压u1和负极短路电压u2的大小，在正极短路电压u1和负极短路电压u2之间选择较大的短路电压，计算该短路电压与动力电池中的单体电池电压之间的比值，对该比值取整数k，根据该整数k确定短路故障位置。具体的，若较大的短路电压为正极短路电压u1，将该短路故障位置定位在从动力电池的总正极开始算起的第k个单体电池；若较大的短路电压为负极短路电压u2，将短路故障位置定位在从动力电池的总负极开始算起的第k个单体电池。
72.本步骤中，之所以选择较大电压进行故障位置定位，是由于较大电压的检测误差相对较小，故障定位精度更高，能够防止因电磁干扰或电路检测精度问题造成的误定位。
73.5)故障的准确性校验：
74.对电池系统的正极短路电压和负极短路电压进行求和处理，比较求和处理得到的电压与动力电池的总电压之间的电压偏差，当电压偏差在设定电压范围内时，确认动力电池与加热回路之间确实存在短路故障；
75.当电压偏差不在设定电压范围内时，则短路故障的判定有误，并按照步骤2)、步骤3)和步骤4)中的内容，重新进行检测和判断。
76.由于本发明的微短路故障检测方法可靠性较高，因此，作为其他实施方式，可以无需进行步骤5)中故障的准确性校验，在检测到短路故障并判断出故障位置k后直接进行短路故障预警，并显示故障位置，告知司机和维修人员提前介入，避免故障扩大，如图4所示。图4中，对正极短路电压u1和负极短路电压u2的电压检测是在间隔某一个时间段的电压检测，作为其他实施方式，也可以实时检测正极短路电压u1和负极短路电压u2的电压，并进行短路故障判断。
77.本实施例的该电池系统的微短路故障检测方法，在具体应用至车辆中内的电池系统中时，在车辆的不同工况下，该微短路故障检测方法的具体处理步骤有所不同。下面以实际应用工况为例，阐述本实施例的该电池系统的微短路故障检测方法的应用过程，如图7所示：
78.1)工况为车辆静止：
79.采用上述方法并结合整车的24小时监控功能进行不定期的短路故障诊断(包括故障检测和故障定位)，如果发生微短路故障，则及时上报整车主机和后台监控系统，并禁止任一加热接触器(即总正接触器和总负接触器)有闭合动作。
80.2)工况为行车前：
81.将此工况下的短路故障检测列为常规检测项进行检测，采用上述方法在每次行车前进行短路故障诊断，如果发生微短路故障，则及时上报整车主机和后台监控系统，并禁止任一加热接触器有闭合动作，根据其他参数判断车辆是否可行驶，但不允许给动力电池加热(即保证加热回路断电)。
82.3)工况为行车中且动力电池的加热未开启：
83.每间隔一定时间段(推荐时间段为小于2小时)对电池系统进行短路故障诊断一次，每次检测时间需持续一段时间(推荐持续时间不低于300s)，如果发生微短路故障，则及时上报整车主机和后台监控系统，并禁止任一加热接触器有闭合动作，根据其他参数判断车辆是否可行驶，但不允许给动力电池加热。
84.4)工况为行车中且加热已开启：
85.每间隔一定时间停止加热(推荐时间为小于2小时)，并对系统进行故障诊断一次，每次检测时间需持续一段时间(推荐持续时间不低于300s)，如果发生微短路故障，则及时上报整车主机和后台监控系统，并禁止任一加热接触器有闭合动作，根据其他参数判断车辆是否可行驶，但不允许加热。
86.5)工况为动力电池充电前：
87.将此工况下的短路故障检测列为常规检测项进行检测，采用上述方法每次行车前进行短路故障诊断，如果发生微短路故障，则及时上报整车主机和后台监控系统，并禁止任一加热接触器有闭合动作，根据其他参数判断车辆是否可充电，但不允许给动力电池加热。
88.6)工况为充电中且加热未开启：
89.每间隔一定时间(推荐时间为小于2小时)对系统进行短路故障诊断一次，每次检测时间需持续一段时间(推荐持续时间不低于300s)，如果发生微短路故障，则及时上报整车主机和后台监控系统，并禁止任一加热接触器有闭合动作，根据其他参数判断车辆是否可充电，但不允许给动力电池加热。
90.本发明的微短路故障检测方法，具有以下优点：
91.(1)本发明的检测原理简单，不需要检测单体电池的电压、温差和温升速率，仅通过检测并判断动力电池的总正极与加热回路中总正接触器的第二端之间的电压，和/或检测并判断动力电池的总负极与加热回路中总负接触器的第二端之间的电压，能够在电池的温度和电压产生太大变化之前，快速及时的检测出动力电池与加热回路之间发生的微短路故障，可靠性高。
92.(2)不需要增加硬件成本，采用目前电池系统中的动力电池总电压检测短路和接触器黏连硬件检测电路就能够获取用于进行短路故障判断的相关参数，保证该方法应用至产品的成本最低。
93.(3)具备故障定位功能，可有效识别故障位置，有利于后续的故障排查和检修，降低故障处理的难度，减少故障排除和处理的工作量，具有较高的市场应用价值。
94.(4)采用全时域、整车不同工况下的短路故障检测模式，可实现整车在全工况下的故障检测，检测更全面，可靠性高。
95.(5)由于在正极短路电压和负极短路电压之间选择较大的短路电压，用于短路故障位置定位，可避免因电磁干扰或电路检测精度问题造成的故障误定位。
96.实施方式2：
97.本实施方式中，涉及系统实施例和方法实施例，下面分别进行介绍。
98.系统实施例：
99.如图5所示，本实施例提出一种电池系统，与实施方式1的系统实施例中的电池系统不同，本实施例的电池系统中电池管理系统bms的处理器不需检测连接热回路中总负接触器kn的第二端，处理器分别检测连接动力电池的总正极、总负极，加热回路中总正接触器kp的第二端，并且，该处理器还控制连接总正接触器kp和总负接触器kn。
100.本实施例中，电池管理系统bms的处理器与存储器相耦合，该处理器在执行计算机程序时实现电池系统的微短路故障检测方法，该方法的步骤如下：
101.1)控制总正接触器kp打开，控制总负接触器kn打开。
102.2)进行电压检测：
103.检测动力电池的正极短路电压u1，即动力电池的总正极与加热回路中总正接触器kp的第二端之间的电压。
104.3)进行故障判断：
105.判断正极短路电压u1是否大于设定的电压阈值，电压阈值的取值范围为5v～2000v，若正极短路电压u1大于设定的电压阈值时，判定动力电池与加热回路之间已形成回路，存在微短路故障。
106.4)故障位置定位：
107.根据正极短路电压和动力电池中的单体电池电压之间的比值，进行动力电池中的短路故障位置定位；或者将动力电池的总电压减去正极短路电压，得到计算的负极短路电压，根据负极短路电压和动力电池中的单体电池电压之间的比值，进行动力电池中的短路故障位置定位，详细内容请参考实施方式1的系统实施例中故障位置定位的定位方式一中的记载，本实施例不再详述。
108.方法实施例：
109.基于上述系统实施例中的电池系统，本实施例提出一种该电池系统的微短路故障
检测方法，该微短路故障检测方法的步骤如下：
110.1)断开电池系统的加热回路中的总正接触器和总负接触器；
111.2)检测动力电池的正极短路电压；
112.3)当正极短路电压大于设定的电压阈值时，判定动力电池与加热回路之间存在微短路故障；
113.4)故障位置定位。
114.由于本实施例中的微短路故障检测方法，已经在本实施方式2的系统实施例中进行了清楚、完整的介绍，故本实施例不再详细描述。
115.实施方式3：
116.本实施方式中，涉及系统实施例和方法实施例，下面分别进行介绍。
117.系统实施例：
118.如图6所示，本实施例提出一种电池系统，与实施方式1的系统实施例中的电池系统不同，本实施例的电池系统中电池管理系统bms的处理器不需检测连接热回路中总正接触器kp的第二端，处理器分别检测连接动力电池的总正极、总负极，加热回路中总负接触器kn的第二端，并且，该处理器还控制连接总正接触器kp和总负接触器kn。
119.本实施例中，电池管理系统bms的处理器与存储器相耦合，该处理器在执行计算机程序时实现电池系统的微短路故障检测方法，该方法的步骤如下：
120.1)控制总正接触器kp打开，控制总负接触器kn打开。
121.2)进行电压检测：
122.检测动力电池的负极短路电压u2，即动力电池的总负极与加热回路中总负接触器kn的第二端之间的电压。
123.3)进行故障判断：
124.判断负极短路电压u2是否大于设定的电压阈值，电压阈值的取值范围为5v～2000v，若负极短路电压u2大于设定的电压阈值时，判定动力电池与加热回路之间已形成回路，存在微短路故障。
125.3)故障位置定位：
126.根据负极短路电压和动力电池中的单体电池电压之间的比值，进行动力电池中的短路故障位置定位；或者将动力电池的总电压减去负极短路电压，得到计算出的正极短路电压，再根据计算出来的正极短路电压和动力电池中单体电池电压之间的比值，进行动力电池中的短路故障位置定位，详细内容请参考实施方式1的系统实施例中故障位置定位的定位方式二中的记载，本实施例不再详述。
127.方法实施例：
128.基于上述系统实施例中的电池系统，本实施例提出一种该电池系统的微短路故障检测方法，该微短路故障检测方法的步骤如下：
129.1)断开电池系统的加热回路中的总正接触器和总负接触器；
130.2)检测动力电池的负极短路电压；
131.3)当负极短路电压大于设定的电压阈值时，判定动力电池与加热回路之间存在微短路故障；
132.4)故障位置定位。
133.由于本实施例中的微短路故障检测方法，已经在本实施方式3的系统实施例中进行了清楚、完整的介绍，故本实施例不再详细描述。
134.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。