一种基于电压和电量离群系数的电池内短路定量诊断方法与流程

1.本发明涉及储能电池技术领域，尤其是涉及一种基于电压和电量离群系数的电池内短路定量诊断方法。


背景技术：

2.锂离子电池作为新能源电动汽车的核心部件，具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低等优点，受到人们的广泛关注。然而锂离子电池存在潜在的安全问题，近年来，发生了多起锂离子电池安全事故。内短路是引发锂离子电池安全事故的主要原因之一，早期内短路症状不明显，但持续演化会发生热失控，导致电池燃烧甚至爆炸。所以尽早检测到内短路故障，对提高电池的安全性具有重要意义。
3.现有的内短路检测方法有以下4种：1)基于模型的诊断方法。通过判断电池测得的电压、温度等参数的真实值与电池模型的预测值的误差是否超过阈值来判断是否发生内短路。但该方法建模过程比较复杂，且需要经过多次测试验证。2)检测电压、温度的变化方法。检测电池电压和温度的变化率是否超过系统设定的阈值进而判断是否发生内短路。但该方法主要适用于内短路末期，无法准确探测内短路早期特征。3)检测是否自放电的方法。检测电池是否发生超出正常范围的自放电现象来判断是否发生内短路。该方法需要通过传感器或者串联电流表进行监测，增加了电池组成本。4)交流阻抗法。通过比较待测电池交流阻抗谱与正常电池交流阻抗皮来判断电池是否发生内短路。但该方法实现的技术难度高，成本高，且无法定量计算内短路阻值。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电压和电量离群系数的电池内短路定量诊断方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于电压和电量离群系数的电池内短路定量诊断方法，该方法包括：
7.1)在线采集动力电池充电过程中各单体电池的电压、电流及充电时间数据；
8.2)分别计算各单体电池在每个循环充电过程中的电压离群系数及电量离群系数；
9.3)基于电压离群系数及电量离群系数确定动力电池是否发生内短路并定位发生内短路的单体电池；
10.4)定量计算发生内短路的单体电池的短路阻值。
11.优选地，步骤2)中电压离群系数通过下式获得：
[0012][0013]
其中，u
i
(n1)为第n1个循环充电过程中第i个单体电池的电压离群系数，t为充电时间，t0(n1)为第n1个循环充电过程的起始时间，t
s
(n1)为第n1个循环充电过程的终止时间，为第n1个循环充电过程中第i个单体电池在t时刻的电压，为第n1个循环充电
过程中t时刻的平均单体电压，为第n1个循环充电过程中t时刻的最大单体电压，为第n1个循环充电过程中t时刻的最小单体电压。
[0014]
优选地，所述的电量离群系数通过如下方式获取：
[0015]
首先，确定每个循环充电过程的充电电压窗口；
[0016]
然后，计算每个循环充电过程中电压窗口内各单体电池的充电电量；
[0017]
最后，计算每个循环充电过程中各单体电池的电量离群系数。
[0018]
优选地，充电电压窗口通过下式确定：
[0019][0020][0021]
式中，u
lb
(n2)为第n2个循环充电过程中电压窗口下限电压，u
ub
(n2)为第n2个循环充电过程中电压窗口上限电压，为第n2个循环充电过程开始后延时δt时长后的最大单体电压，为第n2个循环充电过程结束时刻的最小单体电压，t0(n2)为第n2个循环充电过程的起始时间，t
s
(n2)为第n2个循环充电过程的终止时间。
[0022]
优选地，循环充电过程中电压窗口内各单体电池的充电电量通过下式计算：
[0023][0024]
其中，q
j
(n2)为第n2个循环充电过程中第j个单体电池的充电电量，为第n2个循环充电过程中第j个单体电池在t时刻的充电电流。
[0025]
优选地，所述的电量离群系数通过下式计算：
[0026][0027]
式中，q
j
(n2)为第n2个循环充电过程中第j个单体电池的电量离群系数，为第n2个循环充电过程中的平均单体充电电量，q
max
(n2)为第n2个循环充电过程中的最大单体充电电量，q
min
(n2)为第n2个循环充电过程中的最小单体充电电量。
[0028]
优选地，步骤3)具体为：
[0029]
31)若第i个单体电池在第n1个循环充电过程中的电压离群系数u
i
(n1)小于0，且u
i
(n1)与第n1‑
m1个循环充电过程中电压离群系数u
i
(n1‑
m1)满足u(n1‑
m1)
‑
u(n1)≥g，则初步判定该动力电池发生了内短路，g为大于0的常数；
[0030]
32)若第j个单体电池在第n2个循环充电过程中的电量离群系数q
j
(n2)大于0，且q
j
(n2)与第n2‑
m2个循环充电过程中电量离群系数q
j
(n2‑
m2)满足q(n2‑
m2)
‑
q(n2)≤h，则初步判定该动力电池发生了内短路，h为大于0的常数；
[0031]
33)若同时满足i＝j，n1＝n2、m1＝m2，则判定该动力电池中第i个单体电池为内短路电池。
[0032]
优选地，假设第n2个循环充电过程中第j个单体电池发生内短路，则步骤4)发生内短路的单体电池的短路阻值通过下式计算：
[0033][0034][0035]
其中，i
iscr
(n2)为第n2个循环充电过程中漏电流值，t0(n2)为第n2个循环充电过程的起始时间，t
s
(n2)为第n2个循环充电过程的终止时间，δt为第n2个循环充电过程开始后延时时长，δq
iscr
(n2)为第j个单体电池在[t0(n2) δt]～t
s
(n2)电压窗口内的总漏电量，q
j
(n2)为第n2个循环充电过程中第j个单体电池的充电电量，q
min
(n2)为第n2个循环充电过程中的最小单体充电电量，r
iscr
(n2)为第n2个循环充电过程中的内短路电阻阻值，r
j
(n2)为第n2个循环充电过程中第j个单体电池的内短路电阻阻值，为第n2个循环充电过程中第j个单体在[t0(n2) δt]～t
s
(n2)电压窗口内的平均电压。
[0036]
优选地，常数g取值为：0.55≤g≤0.65。
[0037]
优选地，常数h取值为：0.5≤h≤0.85。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0039]
(1)本发明利用电压和电量离群系数进行内短路判定及短路阻值定量计算，能够在线简便、准确地实现在充电过程对电池进行频繁的诊断，能够有效保证电动汽车的安全性。
[0040]
(2)本发明实施简便、诊断时间短、诊断准确度高。
附图说明
[0041]
图1为本发明一种基于电压和电量离群系数的电池内短路定量诊断方法的流程框图；
[0042]
图2为本发明实施例中各单体电池的电压
‑
时间曲线；
[0043]
图3为本发明实施例中各单体电池的电压离群系数
‑
循环次数曲线；
[0044]
图4为本发明实施例中各单体电池的充电电量
‑
循环次数曲线；
[0045]
图5为本发明实施例中各单体电池的电量离群系数
‑
循环次数曲线。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
[0047]
实施例
[0048]
如图1所示，本实施例提供一种基于电压和电量离群系数的电池内短路定量诊断方法，该方法包括：
[0049]
1)在线采集动力电池充电过程中各单体电池的电压、电流及充电时间数据。
[0050]
2)分别计算各单体电池在每个循环充电过程中的电压离群系数及电量离群系数。
[0051]
其中，电压离群系数通过下式获得：
[0052][0053]
其中，u
i
(n1)为第n1个循环充电过程中第i个单体电池的电压离群系数，t为充电时间，t0(n1)为第n1个循环充电过程的起始时间，t
s
(n1)为第n1个循环充电过程的终止时间，为第n1个循环充电过程中第i个单体电池在t时刻的电压，为第n1个循环充电过程中t时刻的平均单体电压，为第n1个循环充电过程中t时刻的最大单体电压，为第n1个循环充电过程中t时刻的最小单体电压。
[0054]
电量离群系数通过如下方式获取：
[0055]
首先，确定每个循环充电过程的充电电压窗口；
[0056]
然后，计算每个循环充电过程中电压窗口内各单体电池的充电电量；
[0057]
最后，计算每个循环充电过程中各单体电池的电量离群系数。
[0058]
充电电压窗口通过下式确定：
[0059][0060][0061]
式中，u
lb
(n2)为第n2个循环充电过程中电压窗口下限电压，u
ub
(n2)为第n2个循环充电过程中电压窗口上限电压，为第n2个循环充电过程开始后延时δt时长后的最大单体电压，为第n2个循环充电过程结束时刻的最小单体电压，t0(n2)为第n2个循环充电过程的起始时间，t
s
(n2)为第n2个循环充电过程的终止时间。
[0062]
循环充电过程中电压窗口内各单体电池的充电电量通过下式计算：
[0063][0064]
其中，q
j
(n2)为第n2个循环充电过程中第j个单体电池的充电电量，为第n2个循环充电过程中第j个单体电池在t时刻的充电电流。
[0065]
电量离群系数通过下式计算：
[0066][0067]
式中，q
j
(n2)为第n2个循环充电过程中第j个单体电池的电量离群系数，为第n2个循环充电过程中的平均单体充电电量，q
max
(n2)为第n2个循环充电过程中的最大单体充电电量，q
min
(n2)为第n2个循环充电过程中的最小单体充电电量。
[0068]
3)基于电压离群系数及电量离群系数确定动力电池是否发生内短路并定位发生内短路的单体电池，具体为：
[0069]
31)若第i个单体电池在第n1个循环充电过程中的电压离群系数u
i
(n1)小于0，且u
i
(n1)与第n1‑
m1个循环充电过程中电压离群系数u
i
(n1‑
m1)满足u(n1‑
m1)
‑
u(n1)≥g，则初步判定该动力电池发生了内短路，常数g取值为：0.55≤g≤0.65；
[0070]
32)若第j个单体电池在第n2个循环充电过程中的电量离群系数q
j
(n2)大于0，且q
j
(n2)与第n2‑
m2个循环充电过程中电量离群系数q
j
(n2‑
m2)满足q(n2‑
m2)
‑
q(n2)≤h，则初步判定该动力电池发生了内短路，常数h取值为：0.5≤h≤0.85；
[0071]
33)若同时满足i＝j，n1＝n2、m1＝m2，则判定该动力电池中第i个单体电池为内短路电池。
[0072]
4)定量计算发生内短路的单体电池的短路阻值，假设第n2个循环充电过程中第j个单体电池发生内短路，则发生内短路的单体电池的短路阻值通过下式计算：
[0073][0074][0075]
其中，i
iscr
(n2)为第n2个循环充电过程中漏电流值，t0(n2)为第n2个循环充电过程的起始时间，t
s
(n2)为第n2个循环充电过程的终止时间，δt为第n2个循环充电过程开始后延时时长，δq
iscr
(n2)为第j个单体电池在[t0(n2) δt]～t
s
(n2)电压窗口内的总漏电量，q
j
(n2)为第n2个循环充电过程中第j个单体电池的充电电量，q
min
(n2)为第n2个循环充电过程中的最小单体充电电量，r
iscr
(n2)为第n2个循环充电过程中的内短路电阻阻值，r
j
(n2)为第n2个循环充电过程中第j个单体电池的内短路电阻阻值，为第n2个循环充电过程中第j个单体在[t0(n2) δt]～t
s
(n2)电压窗口内的平均电压。
[0076]
本实施例中所用的电池为三元锂离子电池，充放电截止电压分别为4.2v和2.5v，实际应用中不限于此。实验中对电池4外接1000ω电阻来模拟电池发生内短路。
[0077]
1、在线采集动力电池充电过程电压数据并计算电压离群系数。
[0078]
由于各单体电池串联，工况相同，所以对于健康电池，各单体电池的电压应大致相同。当第i个单体电池在第n1个循环发生内短路时，此时内短路电池在内短路处发生泄漏，因此会造成内短路电池的电压低于其他正常电池，单体i短路越严重，漏电现象越明显，即电压越小。各单体电池的电压
‑
时间曲线如图2所示。
[0079]
根据在线采集的动力电池充电过程电压数据，计算各单体电池的电压离群系数，各单体电压离群系数为某循环充电过程中各时刻单体电压与平均单体电压差值除以电压范围的平均值，即：
[0080][0081]
当第i个单体电池在第n1个循环充电过程中发生内短路，则第i个电池电压逐渐减小，通常位于充电电压曲线的最下方，因此在电池充电过程中，虽然各单体电池电压都逐渐上升，但增加量小于又由于因此大于即内短路电池离群系数逐渐减小。绘制电压离群系数
‑
循环次数曲线如图3所示。
[0082]
2、确定充电电压窗口并计算电压窗口内各单体电池的电量离群系数。
[0083]
本实施例中确定充电窗口时排除充电过程起始250s的内阻影响，即设置δt＝250s，电压窗口的下限为充电过程开始后δt秒时的最大单体电压，上限为充电结束时刻的
最小单体电压，即：
[0084][0085][0086]
式中，u
lb
(n2)为第n2个循环充电过程中电压窗口下限电压，u
ub
(n2)为第n2个循环充电过程中电压窗口上限电压，为第n2个循环充电过程开始后延时δt时长后的最大单体电压，为第n2个循环充电过程结束时刻的最小单体电压，t0(n2)为第n2个循环充电过程的起始时间，t
s
(n2)为第n2个循环充电过程的终止时间。
[0087]
电压窗口内各单体电池的充电电量由安时积分法计算可得，即：
[0088][0089]
其中，q
j
(n2)为第n2个循环充电过程中第j个单体电池的充电电量，为第n2个循环充电过程中第j个单体电池在t时刻的充电电流。
[0090]
由于各单体电池串联，工况相同，所以对于正常的电池组，每次充电时，相同电压窗口内各单体的充电电量应大致相同。但当第j个单体电池在第n2个循环充电过程发生内短路时，第j个单体电池会自放电，额外消耗电量，短路程度越大，漏电量越大，充电电量q
j
(n2)越大。各单体电池的充电电量
‑
循环次数曲线如图4所示。
[0091]
电量离群系数为电压窗口内单体电池的充电电量离群系数为单体电量与平均单体电量差值除以电量范围，即：
[0092][0093]
式中，q
j
(n2)为第n2个循环充电过程中第j个单体电池的电量离群系数，为第n2个循环充电过程中的平均单体充电电量，q
max
(n2)为第n2个循环充电过程中的最大单体充电电量，q
min
(n2)为第n2个循环充电过程中的最小单体充电电量。
[0094]
当第j个单体电池在第n2个循环发生内短路时，第j个单体电池的充电电量q
j
(n2)增大且大于其他单体电池的充电电量，所以该单体在第n2个循环的电量离群系数q
j
(n2)应增大且大于其他单体的电量离群系数，绘制电量离群系数
‑
循环曲线如图5所示。
[0095]
3、基于电压和电量离群系数综合判断动力电池是否发生内短路。
[0096]
本实施例中设置电压离群系数下降阈值g＝0.6，根据步骤1中得到的图3可以看出，电池4在第4个循环的充电电压离群系数u4(3)＝
‑
0.691，与第3个循环的充电电压离群系数u4(3)＝0.118相比，下降了0.809，可以初步判定该电池发生了内短路。
[0097]
本实施例设置电量离群系数上升阈值h＝0.8，根据步骤2中得到的图5可以看出，电池4在第3个循环的电量离群系数q4(4)＝0.721，与第35个循环的电量离群系数q4(3)＝
‑
0.551相比，上升了1.272，与电压离群系数计算结果相对应，综合判定4号单体电池从第4个循环开始发生了内短路。
[0098]
4、基于内短路电池在电压窗口内的充电电量、充电时间计算该电池的短路阻值。
[0099]
在第n2个循环，短路电池j的电量与正常电池的最小电量的差δq
iscr
(n2)为短路电
池j在该电压窗口内的总漏电量，以总漏电量δq
iscr
(n2)除以该电池在电压窗口内的充电时间即可获得该短路电池的漏电流值i
iscr
(n2)，即
[0100][0101]
计算短路电池j在该电压窗口内的平均电压除以短路电流i
iscr
(n2)即可获得短路电阻r
iscr
(n2)，即：
[0102][0103]
通过上述计算步骤可以得到电池4在出现内短路的第4个循环的短路电阻r
iscr
(4)＝901.821ω，误差为9.818％。通过该方法定量计算阻值可对电池进行内短路的定量诊断。
[0104]
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。