CN102393489A - 电车动力电池高压回路电阻的在线监测控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电车动力电池高压回路电阻的在线监测控制方法及装置，其包括以下步骤：1)接线；2)测量及计算各电芯的电压及动力电池系统的总电压；3)电车动力电池系统高压回路连接组件电阻的在线监测；4)动力电池系统高压回路连接组件的异常控制；本发明采用对动力电池系统进行双线制接线方式，消除了连接板压降对电芯电压的影响，使测得的数据更加精确。在不增加任何复杂电路元件的情况下，通过计算和推导，实现了对动力电池系统高压回路连接组件电阻的在线监测和异常控制。节约了成本，节省了动力电池系统的内部空间，方便快捷，准确度高。

Description

电车动力电池高压回路电阻的在线监测控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电车动力电池高压回路电阻的在线监测控制方法及装置，属于电动汽车技术领域。

背景技术

随着环境污染和能源匮乏等问题对地球生态和人类生活带来越来越大的影响，调整汽车产业结构，开发新能源汽车替代传统的燃油车成为现今社会发展的必然趋势。随着锂离子电池技术的发展，电动汽车目前已成为各国政府开展新能源汽车研发生产的主流方向。我国十二五规划明确提出要大力发展电动汽车，实现汽车产业的转型和可持续发展。

而动力电池系统是电动汽车的心脏，是电动汽车中唯一的高压储能及高压输出电气单元。动力电池系统的安全性直接影响着电动汽车的安全使用，也直接决定着电动汽车是否能够走出试制车间，走向市场。因此，保证动力电池系统的安全是电动汽车生产企业需要把握的关键。动力电池系统高压回路连接组件的电阻值是直接判定动力电池系统高压回路安全性的参数，依据该值可以判断高压回路的连接是否松脱虚接。电动汽车用动力电池系统在行车过程中一直处于振动状态，长期运行时高压回路的连接组件容易发生松脱现象，导致放电时高压回路发热严重，甚至产生火花。因此，实时监测动力电池系统高压回路连接组件的电阻值十分必要。

作为电动汽车使用的高压储能及高压输出单元，动力电池系统的安全性能尤为重要。动力电池系统高压回路连接组件的电阻值能有效反应出电芯/模组的连接状态是否正常可靠，是表征动力电池系统安全性能的关键参数。2008年6月发生的丰田普锐斯插电式混合电动汽车(PHEV)的燃烧事件以及2011年4月份出现的众泰朗悦纯电动汽车燃烧事件的调查结果表明，高压回路上的连接出现故障是造成这两次重大事故的主要原因。

测量电池组内阻的方法有两种：(1)让电池组短时间内通过一个大电流，通过监测电池组两端的电压U以及通过的电流I，使用欧姆定律测得电池组的内阻R(R＝U/I)；(2)给电池组施加一个固定频率和固定电流(目前一般使用1kHz频率，50mA小电流)，然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池组的内阻值。

现在大多数电池组生产厂商(尤其是电动汽车动力电池系统厂商)并未在动力电池系统中添加在线监测高压回路内阻的功能，仅仅通过判断电芯的电压值以及动力电池系统的总电压值来判断动力电池系统是否正常。

为此，中国专利CN1975444A提到一种蓄电池内阻及劣化状态在线监测方法及系统，包括激励单元和检测单元。对蓄电池分段，蓄电池组的总正极、总负极以及各分段点通过激励信号线与激励单元连接，每只单体蓄电池与检测单元连接，激励单元中的信号发生器与恒流源对分段内的蓄电池注入一定频率的、恒流的矩形波或正弦波信号，利用检测单元测试每只单体蓄电池对于激励信号的电压响应，计算出蓄电池的内阻，并分析出蓄电池的劣化状态，此种方法需要安装激励单元，检测单元以及复杂的电路，这会占用动力电池系统的内部空间，影响动力电池系统的布置电量，并且会提高动力电池系统的造价。中国专利CN101943743A采用高压光继电器作为前端采用输入的切换，直接测量电池组中每个电池内阻电压和连接条电阻电压，并配合双高进度的模数转换电路，实现高精度采集采样，测量连接条电阻与电池内阻，采集数据的处理也采用分布式控制及数据处理单元硬件构架，实现多任务实时处理功能，但是需要安装高压光继电器对采样数据进行切换，增加了控制的复杂度，提高了制造成本。

上述电动汽车上的动力电池系统并不直接对电芯内阻以及动力电池系统内部的连接电阻是否正常进行判断，仅判断电芯电压以及动力电池系统的总电压是否正常，这种方式让非专业人员难以理解；其次，动力电池系统测试电压的接线方式均为单线方式，测得的电压涵盖了连接条上的电压，使得测得的电压值不精确，出现问题是无法分清是电芯的问题还是电芯连接的问题；并且，现有的接线方式测量动力电池系统总电压时并不包含分流器、正极继电器以及负极继电器带来的压差，这样得到的动力电池系统电压是不准确的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种自动化程度高、操作简单、成本低廉、使用安全、可信度高的电车动力电池高压回路电阻的在线监测控制方法及装置。

本发明的电车动力电池高压回路连接组件电阻的在线监测控制方法，包括以下步骤：

动力电池系统开始工作时，BMS实时监测动力电池系统的电压、电流和温度等数据，如果这些数据不能够正常被检测到，则BMS向VCU发出“BMS内部通讯故障”报警，否则，BMS开始对检测到的数据进行分析，然后判断高压回路连接组件是否异常，如果有异常，则发送“连接组件电阻异常报警”，如果正常，则将高压回路的电阻数据发送到整车CAN总线上，并判断下一个周期数据是否正常。

还包括以下步骤：

1)接线：将各电芯两端的电压测量线连接到电池管理系统BMS上，再将动力电池系统总正总负输出端的电压测量线连接到电池管理系统BMS上；

2)测量及计算各电芯的电压及动力电池系统的总电压：通过电池管理系统BMS分别测得各电芯的电压V₁、V₂......V_n-1、V_n，动力电池系统的总电压V_总，所有电芯的电压之和V_sum；n为动力电池系统中电芯或并联模块的数量；

3)电车动力电池系统高压回路连接组件电阻的在线监测：根据电池充电和放电的过程，V_总与V_sum之间的大小随着动力电池系统处于充电状态或者放电状态不同，有如下关系：

充电时：V_连＝V_总-V_sum

放电时：V_连＝V_sum-V_总

式中V_连为高压回路连接元件部分的压降。不论充电还是放电，高压回路连接组件产生的压降在数值上等于V_总和V_sum之间差值的绝对值，即V_连＝|V_总-V_sum|；则|V_总-V_sum|/I代表高压回路中连接组件的内阻之和，式中I为高压回路电流；电池管理系统BMS将以上数据发送到整车CAN总线中，进而传输到整车显示器中，实现对动力电池高压回路电阻的在线监测；

4)动力电池系统高压回路连接组件的异常控制：经过步骤3)测出高压回路连接元件的内阻之和后，由于高压回路中连接组件的内阻充放电过程中仅仅与系统内部的温度T相关；首先测得动力电池系统内部温度为25℃时对应的压降|V_总-V_sum|T＝25℃，使用

表示；

由于R＝ρl/S，式中ρ-介质的电导率；l-待测介质长度；S-待测介质横截面积；而ρ＝ρ₀·[1+a·(T-25)]，式中ρ₀-介质25℃时的电导率；a-温度系数；T-介质温度；由R＝ρl/S可知高压回路连接组件的电阻值与温度呈线性关系，根据以上公式可推导出

动力电池系统充放电时，由温度探头测得系统内部的温度T，然后根据公式可以求出动力电池系统高压回路连接组件在不同温度下对应的压降V连，当时，动力电池系统高压回路连接组件出现异常，此时电池管理系统BMS可向CAN总线发出报警信号。

电车动力电池高压回路电阻的在线监测控制装置，包括分流器、总正接触器、总负接触器、CAN总线和电池管理系统BMS；电池管理系统BMS通过通信线束监测继电器的通断、熔断器的通断、每只电芯的电压、动力电池系统的总电压、分流器探测的高压回路电流等参数，并经过一定的算法运算以后，将监测的数值或报警信息通过通信线束传送到整车CAN总线上。

动力电池中每只电芯均采用双接线方式监测电压，BMS采集各电芯两端的电压、动力电池的总电压，高压回路的电流，并通过规定的算法计算出动力电池高压回路的电阻，从而进行在线监控和控制。

与现有技术相比本发明的有益效果为：本发明采用对电芯和电池进行双接线方式，消除了连接板压降对电芯电压测试的影响，测得的数据更加精确。因为对电芯电压的监测、动力电池系统总电压的监测、系统内部温度的监测都是电动汽车用动力电池系统现有的必要功能，所以本发明在不增加任何复杂电路元件的情况下，通过计算和推导，实现了对动力电池系统高压回路连接组件电阻的在线监测和异常控制。节约了成本，节省了动力电池系统的内部空间，方便快捷，准确度高。

附图说明

图1是本发明实施例所述的电车动力电池高压回路连接组件电阻的在线监测系统结构示意图；

图2是本发明实施例所述的电车动力电池高压回路连接组件电阻的在线监测控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，

电车动力电池高压回路电阻的在线监测控制装置，包括分流器3、总正接触器2、总负接触器1、熔断器5、CAN总线6和电池管理系统BMS4。总负继电器1、总正继电器2、分流器3、熔断器5都串联在动力电池的高压回路上，每只电芯均采用双接线方式进行电压探测，V₁表示电芯7两端的电压；V₂表示电芯8两端的电压；V_n-1表示电芯9两端的电压；V_n表示电芯10两端的电压。

电池管理系统BMS4通过低压线束测量每只电芯的电压、动力电池系统的总电压、分流器探测的高压回路电流等参数，并经过算法运算以后，将监测的数值或报警信息通过通信线束传送到整车CAN总线6上。

电池管理系统BMS4通过通信线束U₁、U₂连接电芯7；电池管理系统BMS4通过通信线束U₃、U₄连接电芯8；电池管理系统BMS4通过通信线束U₀连接总正接触器2；电池管理系统BMS4通过通信线束U_2n、U_2n-1连接电芯10；电池管理系统BMS4通过通信线束U_2n+1连接总负接触器1；电池管理系统BMS4通过通信线束U_2n-2、U_2n-3连接电芯9；电池管理系统BMS4通过通信线束连接分流器3、熔断器5并监测继电器的通断、熔断器的通断、每只电芯的电压、动力电池系统的总电压、分流器探测的高压回路电流等参数，并经过算法运算以后，将监测的数值或报警信息通过通信线束传送到整车CAN总线6上。

如图2所示，动力电池系统开始工作时，BMS实时监测动力电池系统的电压、电流和温度等数据，如果这些数据不能够正常被检测到，则BMS向VCU发出“BMS内部通讯故障”报警，否则，BMS开始对检测到的数据进行分析，计算出高压回路连接组件的内阻|V_总-V_sum|/I，

然后判断

是否成立以判定高压回路连接组件是否异常，如果有异常，则发送“连接组件电阻异常报警”，如果正常，则将高压回路的电阻数据|V_总-V_sum|/I发送到整车CAN总线上，并判断下一个周期数据是否正常。

本发明的电车动力电池高压回路电阻的在线监测控制方法，包括以下步骤：

1)接线：将各电芯两端的电压测量线连接到电池管理系统BMS4上，再将动力电池系统总正总负输出端的电压测量线连接到电池管理系统BMS4上；排除了分流器3、总正接触器2以及总负接触器1带来的压差对测量的影响；

2)测量及计算各电芯的电压及动力电池系统的总电压：通过电池管理系统BMS4分别测得各电芯的电压V₁、V₂......V_n-1、V_n，动力电池系统的总电压V_总，所有电芯的电压之和V_sum；

3)电车动力电池系统高压回路连接组件电阻的在线监测：根据电池充电和放电的过程，V_总与V_sum之间的大小随着动力电池系统处于充电状态或者放电状态不同，有如下关系：

充电时：V_连＝V_总-V_sum

放电时：V_连＝V_sum-V_总

式中V_连为高压回路连接元件部分的压降。不论充电还是放电，高压回路连接组件产生的压降在数值上等于V_总和V_sum之间差值的绝对值，即V_连＝|V_总-V_sum|；则|V_总-V_sum|/I代表高压回路中连接组件的内阻之和，式中I为高压回路电流；电池管理系统BMS4将以上数据发送到整车CAN总线6中，进而传输到整车显示器中，实现对动力电池高压回路电阻的在线监测；

4)动力电池系统高压回路连接组件的异常控制：经过步骤3)测出高压回路连接元件的内阻之和后，由于高压回路中连接组件的内阻充放电过程中仅仅与系统内部的温度T相关；首先测得动力电池系统内部温度为25℃时对应的压降|V_总-V_sum|T＝25℃，使用V_连 ^θ表示；

由于R＝ρl/S，式中ρ-介质的电导率；l-待测介质长度；S-待测介质横截面积；而ρ＝ρ₀·[1+a·(T-25)]，式中ρ₀-介质25℃时的电导率；a-温度系数；T-介质温度；由R＝ρl/S可知高压回路连接组件的电阻值与温度呈线性关系，根据以上公式可推导出

动力电池系统充放电时，由温度探头测得系统内部的温度T，然后根据公式可以求出动力电池系统高压回路连接组件在不同温度下对应的压降V连，当

时，动力电池系统高压回路连接组件出现异常，此时电池管理系统BMS4可向CAN总线6发出报警信号。

本发明的电车动力电池高压回路电阻的在线监测及异常控制方法采用对电芯和电池进行双接线方式，消除了连接板压降对电芯电压测试的影响，测得的数据更加精确。因为对电芯电压的监测、动力电池系统总电压的监测、系统内部温度的监测都是电动汽车用动力电池系统现有的必要功能，所以本发明在不增加任何复杂电路元件的情况下，通过计算和推导，实现了对动力电池系统高压回路连接组件电阻的在线监测和异常控制。节约了成本，节省了动力电池系统的内部空间，方便快捷，准确度高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电车动力电池高压回路连接组件电阻的在线监测控制方法，其特征在于含有以下步骤：动力电池系统开始工作时，BMS实时监测动力电池系统的电压、电流和温度等数据，如果这些数据不能够正常被检测到，则BMS向VCU发出“BMS内部通讯故障”报警，否则，BMS开始对检测到的数据进行分析，然后判断高压回路连接组件是否异常，如果有异常，则发送“连接组件电阻异常报警”，如果正常，则将高压回路的电阻数据发送到整车CAN总线上，并判断下一个周期数据是否正常。

2.根据权利要求1所述的一种电车动力电池高压回路连接组件电阻的在线监测控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)接线：将各电芯两端的电压测量线连接到电池管理系统BMS上，再将动力电池系统总正总负输出端的电压测量线连接到电池管理系统BMS上；

2)测量及计算各电芯的电压及动力电池系统的总电压：通过电池管理系统BMS分别测得各电芯的电压V₁、V₂......V_n-1、V_n，动力电池系统的总电压V_总，所有电芯的电压之和V_sum，其中V_总＝U_2n+1-U₀，V_sum＝V₁+V₂+…+V_n-1+V_n；n为动力电池系统中电芯或并联模块的数量；

3)电车动力电池系统高压回路连接组件电阻的在线监测：根据电池充电和放电的过程，V_总与V_sum之间的大小随着动力电池系统处于充电状态或者放电状态不同，有如下关系：

充电时：V_连＝V_总-V_sum

放电时：V_连＝V_sum-V_总

式中V_连为高压回路连接元件部分的压降；不论充电还是放电，高压回路连接组件产生的压降在数值上等于V_总和V_sum之间差值的绝对值，即V_连＝|V_总-V_sum|；则|V_总-V_sum|/I代表高压回路中连接组件的内阻之和，式中I为高压回路电流；电池管理系统BMS将以上数据发送到整车CAN总线中，进而传输到整车显示器中，实现对动力电池高压回路电阻的在线监测；

4)动力电池系统高压回路连接组件的异常控制：经过步骤3)测出高压回路连接元件的内阻之和后，由于高压回路中连接组件的内阻充放电过程中仅仅与系统内部的温度T相关；首先测得动力电池系统内部温度为25℃时对应的压降|V_总-V_sum|T＝25℃，使用

表示；

由于R＝ρl/S，式中ρ-介质的电导率；l-待测介质长度；S-待测介质横截面积；而ρ＝ρ₀·[1+a·(T-25)]，式中ρ₀-介质25℃时的电导率；a-温度系数；T-介质温度；由R＝ρl/S可知高压回路连接组件的电阻值与温度呈线性关系，根据以上公式可推导出

动力电池系统充放电时，由温度探头测得系统内部的温度T，然后根据公式

可以求出动力电池系统高压回路连接组件在不同温度下对应的压降V连，当时，动力电池系统高压回路连接组件出现异常，此时电池管理系统BMS可向CAN总线发出报警信号。

3.电车动力电池高压回路连接组件电阻的在线监测系统，其特征在于包括分流器、总正接触器、总负接触器、CAN总线和电池管理系统BMS；电池管理系统BMS通过通信线束监测继电器的通断、熔断器的通断、每只电芯的电压、动力电池系统的总电压、分流器探测的高压回路电流等参数，并经过一定的算法运算以后，将监测的数值或报警信息通过通信线束传送到整车CAN总线上。

4.根据权利要求3所述的电车动力电池高压回路连接组件电阻的的在线监测系统，其特征在于动力电池中每只电芯均采用双接线方式监测电压，BMS采集各电芯两端的电压、动力电池的总电压，高压回路的电流，并通过规定的算法计算出动力电池高压回路的电阻，从而进行在线监控和控制。

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