CN103163464A - 电池包中电芯的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池包中故障电芯的检测方法，通过在静置以及充放电过程中对极耳两端的电压进行测量，依据电压差的方向性和大小，可以判断出短路，断路和高内阻的电芯，而通过将电压信号转化为电流信号后对时间进行积分，可以判断出低容量的电芯。这样，在一次检测中迅速可靠地检测出短路，断路，高内阻和低容量的电芯。

Description

电池包中电芯的检测方法

[技术领域]

本发明涉及一种电池包中电芯的检测方法，尤其是电池包中并联模块内单体电芯的检测方法。

[背景技术]

随着石油资源的日益减少和环境的污染日渐严重，保护环境，节能减排成了目前世界上的潮流和趋势。在这个背景下，近年来，以电池为主要动力源或者部分动力源的电动车辆(主要包括混合动力车，插电式混合动力车，纯电动车)逐渐出现并日益增多，电动车辆的碳排放量要小于传统内燃机汽车，纯电动车的碳排放甚至为零，并且具有能量转换效率高的特点，这使得人们将电动汽车视为未来替代内燃机车的一个重要选择。

在电动汽车的发展中，其动力部分，也就是电池包的设计是最受关注的一个方面，电动汽车的电池包一般由多个电芯并联或者串联组成，家用电动汽车(尤其是纯电动汽车)的动力电池组一般储能都在20kWh以上，而纯电动公交车，卡车的动力电池组的储能甚至可以达到上百kWh。如此巨大的能量，往往需要上百个上千个甚至上万个电池单体来构成一个电池包。

目前，一种常用的电池包的设计方式是：将若干个电池单体并联构成一个电池模块，再将若干个电池模块组合构成电动汽车用电池包。

而在使用过程中，由于复杂的行驶工况，温度环境以及电池包的反复充放电，电池包中数量众多的电芯之间会发生不一致性并逐渐扩大，最终使得部分电池产生故障，常见的故障有：短路，断路，内阻增大，容量降低等。这些发生了故障的电芯需要被准确而迅速地鉴别出来并更换，否则容易导致整个电池包的迅速劣化甚至导致安全事故，所以，对于而电池包的控制系统而言，则需要快速可靠地从电池包中的众多电芯中鉴别出具有故障的电池，但是迄今为止，尚未有一种方法，可以一次便捷，迅速，可靠地鉴别出所有以上所述的这些故障。

[发明内容]

本发明即是针对上述问题，提供一种便捷、迅速、可靠的电芯检测方法，可以高效准确地检测出电池包中发生短路、断路、内阻增大和容量降低的电芯。

为了实现上述目的，本发明的方法包括如下步骤：

(1)测量电池包中每个电芯极耳两端的电压值并计算电压差；

(2)将电池包放电，在放电过程中测量电池包中每个电芯极耳两端的电压值并计算电压差；

(3)对于每个电芯，依据其电压差判断是否在预定范围内；

(4)依据上述判断值，得出电芯是否具有故障。

作为一种优选的方式，步骤(1)包括如下步骤：

依据放电倍率得出预定放电时间T；

将电池包放电时间分为N段，N为大于10小于60的整数；

在T/N、2T/N、3T/N...........NT/N个时刻测量每个电芯极耳两端的电压值并得到对应的电压差；则对于每一个电芯，得到N个电压差值；

对于每个电芯，设定其对应于任一且同一测量时刻或者N个电压差值的平均值为短路电压差。

作为另一种优选的方式，步骤(2)中电池包放电或充电的倍率范围为1～10C。

作为另一种优选的方式，步骤(2)中所述的测量电池包中每个电芯极耳电压值并计算电压差的步骤包括：

依据放电倍率得出预定放电时间T；

将电池包放电时间分为N段，N为大于10小于60的整数；

在T/N、2T/N、3T/N...........NT/N个时刻测量每个电芯极耳两端的电压值并得到对应的电压差；则对于每一个电芯，得到N个电压差值；

对于每个电芯，设定其对应于任一且同一测量时刻或者N个电压差值的平均值为第一电压差；

对于每个电芯，设定其N个电压差值的和为第二电压差。

作为另一种优选的方式，步骤(3)中的判断每个电芯的电压差是否在预定范围内的步骤包括：

依据电池包的放电倍率和电芯的容量得出电芯的预定放电电流；

依据电芯的预定放电电流和极耳的电阻值相乘计算出第一预定电压差；

将第一预定电压差值与N相乘得出第二预定电压差；

将测量出的每个电芯的短路电压差与第一预定电压差进行比较，若两者的数值正负不符合，则电芯为短路；

将测量出的每个电芯的第一电压差与第一预定电压差进行比较，若两者的数值正负符合但是数值大小的差别在50％以上，则电芯为高内阻或断路；

将测量出的每个电芯的第二电压差与第二预定电压差进行比较，若两者的数值大小差别在20％以上，则电芯为低容量。

作为另一种优选的方式，步骤(3)中的判断每个电芯的电压差是否在预定范围内的步骤包括：

依据电池包的放电倍率和电芯的容量得出电芯的预定放电电流；

依据电芯的预定放电电流和极耳的电阻值相乘计算出第一预定电压差；

将第一预定电压差值与N相乘得出第二预定电压差；

将测量出的每个电芯的第一电压差与第一预定电压差进行比较，若两者的数值正负不符合，则电芯为短路；

将测量出的每个电芯的第一电压差与第一预定电压差进行比较，若两者的数值正负符合但是数值大小的差别在50％以上，则电芯为高内阻或断路；

将测量出的每个电芯的第二电压差与第二预定电压差进行比较，若两者的数值大小差别在20％以上，则电芯为低容量。

作为另一种优选的方式，步骤(3)中的判断每个电芯的电压差是否在预定范围内的步骤包括：

将测量出的每个电芯的第一电压差做算术平均，得到平均值；

将平均值与N相乘得出第二预定电压差；

将测量出的每个电芯的第一电压差与平均值进行比较，若两者的数值正负不符合，则电芯为短路；

将测量出的每个电芯的第一电压差与平均值进行比较，若两者的数值正负符合但是数值大小的差别在50％以上，则电芯为断路或高内阻；

将测量出的每个电芯的第二电压差与第二预定电压差进行比较，若两者的数值大小差别在20％以上，则电芯为低容量。

通过在静置以及充放电过程中对极耳两端的电压进行测量，依据电压差的方向性和大小，可以判断出短路，断路和高内阻的电芯，而通过将电压信号转化为电流信号后对时间进行积分，可以判断出低容量的电芯。这样，在一次检测中迅速可靠地检测出短路，断路，高内阻和低容量的电芯。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其它特点和优点将变得更加清楚。

[附图说明]

图1为根据本发明来判断电芯是否有故障的流程图；

图2为实施例中测量短路电压差的流程示意；

图3为在放电程中测量每个电芯极耳两端的电压值并计算电压差的流程图；

图4为实施例中依据测量所得电压差判断电芯是否有故障的流程图；

图5为实施例中圆柱形电芯单体极耳两端的测量点示意图；

图6为实施例中软包电芯单体极耳两端的测量点示意图。

[具体实施方式]

下面结合附图和具体实施方式来对本发明做具体描述。

图5和图6分别为圆柱电芯单体和软包电芯单体极耳两端的测量点示意图，实施例中测量A，B两点的电位差。

图1是按照本发明一实施方式检测电芯的方法流程图，该流程开始于步骤1，即在静置状态下测量各电芯的极耳两端电压值并计算电压差，步骤1的详细策略可以采用图2流程来进行。

首先，在步骤11中，依据放电或者充电倍率得出预订的放电或者充电时间T，比如，若设定对电池包进行1C放电，则可以知道满电状态下的电池包放电完毕需要一个小时。若设定对电池包进行10C放电，则可以知道满电状态下的电池包放电完毕需要6分钟，对于充电也亦然。

然后，在步骤12中，根据上述的时间T，确定采样频率，即将T分为N段，一般而言N为10～60之间的整数，过于频繁的采样或者过于稀疏的采样都不能很好地描述电芯的性质，例如，若以1C放电，则放电时间T为1小时，N可以取60，即，每分钟采样一次。

设定好N值后，在步骤13中，在T/N，2T/N....NT/N时刻进行采样测量，这样，对于每一个电芯，可以得到N个电压差值。

在步骤24中，分别对每个电芯进行设定其短路电压差，对于多个电芯，其电压差可以取同一时刻的测量值，例如，可以设定第三次(也可以是第四次，第五次，等等)测量的电压差为短路电压差；也可以对于每个电芯，将其测量得到的N个电压差值做算术平均得到一个新值并将这个新值设定为短路电压差。

在步骤1的过程中，若某个电芯为短路，则整个电池模块构成回路，在这种情况下，正常的电芯相当于进行放电过程，而短路电芯进行充电过程，所以通过正常电芯的电流方向与通过短路电芯的电流方向相反，所以，短路电芯测量出来的短路电压差的值的应与正常电芯测量出来的短路电压差的值正负相反。

步骤1完成后进行步骤2，即将电池包(模块)进行开始放电，放电的倍率可以依据电芯的容量和电池包的类型而定，一般而言，放电的电流倍率范围选择在1C到10C之间。电流过大或者过小都不利于目标信号的辨识。在这个范围内，采样具有较高的辨识度，

在步骤2中，在放电的过程中，测量每个电芯的极耳两端的电压值，这里所谓的极耳为电芯同一极性的极耳，即，要么对所有电芯的正极极耳进行测量，要么对所有电芯的负极极耳进行测量。且这个测量可以在不同的时刻进行，比如第一分钟结束时进行一次测量，第二分钟结束时再进行一次测量，等等。测量的次数可以由人工根据实际情况进行设定。当每次测量完极耳两端的电压值后，就根据这两个电压值来计算出一个电压差值并记录。

上面简略地描述了步骤2，步骤2的详细策略可以采用图3流程来进行，首先，在步骤21中，依据放电或者充电倍率得出预订的放电或者充电时间T，比如，若设定对电池包进行1C放电，则可以知道满电状态下的电池包放电完毕需要一个小时。若设定对电池包进行10C放电，则可以知道满电状态下的电池包放电完毕需要6分钟，对于充电也亦然。

然后，在步骤22中，根据上述的时间T，确定采样频率，即将T分为N段，一般而言N为10～60之间的整数，过于频繁的采样或者过于稀疏的采样都不能很好地描述电芯的性质，例如，若以1C放电，则放电时间T为1小时，N可以取60，即，每分钟采样一次。

设定好N值后，在步骤23中，在T/N，2T/N....NT/N时刻进行采样测量，这样，对于每一个电芯，可以得到N个电压差值。

在步骤24和25中，分别对每个电芯进行设定两个值：第一电压差和第二电压差。对于多个电芯，其第一电压差可以取同一时刻的测量值，例如，可以设定第三次(也可以是第四次，第五次，等等)测量的电压差为第一电压差；也可以对于每个电芯，将其测量得到的N个电压差值做算术平均得到一个新值并将这个新值设定为第一电压差。对于第二电压差，则是将每个电芯的N个电压差值求和而得到。这里之所以设定两个电压差值，是因为要根据第一电压差值来判断短路，断路和高内阻这三种故障态，而根据第二电压差值来判断低容量这种故障。

当步骤2执行完毕后，进入到步骤3，即依据测量数值来判断电芯是否有故障以及是哪种故障。步骤3的具体策略可以采用图3所示意的流程进行，首先，在步骤311中，依据电池包的放电(或充电)倍率和电芯的容量，得到电芯的预订放电电流，例如，由18650型容量为1Ah的锂离子电芯构成的电池包，若设定为5C放电，则可以知道，在放电过程中通过电芯的电流为5A。

在步骤312中，先测量出每个极耳的电阻值，然后根据每个极耳的电阻值与步骤311中得到的预定放电电流相乘，得到第一预定电压差值。例如若某型极耳的电阻为1mΩ，预定放电电流为5A，则可以得知，在电芯放电时，极耳上的第一预定电压差为1mΩ×5A＝5mV。

在步骤313中，将第一预定电压差与步骤22中的N值相乘得到第二预定电压差。

314，315，316为涉及比较判断的步骤，在步骤314中，首先将每个电芯的短路电压差与第一预定电压差进行比较正负，若某个电芯为短路，则其在放电的过程中，流经极耳的电流方向就与正常的电芯相反，则该短路电芯的短路电压差的正负就会与第一预定电压差的正负相反，所以，在步骤314中，可以首先甄别出短路的电芯。

当步骤314执行之后，在步骤315中，对于剩下的电芯，若这些电芯为断路或者高内阻，则不会有电流或者有极小的电流通过电芯，这样，测得的第一电压差就会非常小，我们设定，若第一电压差和第一预定电压差两者的数值差别在50％以上，则这些电芯为断路或者高内阻。

步骤316用来判断某个电芯是否为低容量，我们设定：这里指的低容量电芯是指当充电完成后，放出的电量低于额定容量80％的电芯。由于放电容量是指的对整个放电过程而言，所以不能采用一次测量的第一电压差来判断，而是采用第一电压差与N的乘积来进行。这里进行一下说明，虽然一般而言电量(Q)为电流强度(I)对时间(T)的积分，即Q＝∫I(T)*dT。但是由于电压V＝I×R，在本发明所涉及的范围内，R为极耳的电阻，对于每个电芯来说，由于一个电池包中的电芯所用极耳都是一样的，则R都是相同的，相当于一个常数，所以我们以V来代替电流I，所以，在步骤25和313中设定的第二电压差和第二预定电压差实际上代表的是电芯4容量。采用第二电压差和第二预定电压差来比较电芯是否为低容量。

若电芯通过了313，315，316，则认为电芯是正常的。

也可以采用另一种测量来执行步骤3，即在步骤324中，以第一电压差代替短路电压差，同样可以甄别出短路电芯(第一电压差与短路电压差的正负相同)。

也可以采用另一种测量来执行步骤3，即在步骤331中，将测量出来的每一个电芯的第一电压差做算术平均，得到一个平均值。这里即是以平均值来代替步骤312中的第一预定电压差。

然后在步骤332中，将平均值与N相乘得到第4预定电压差。

步骤333，334，335分别与步骤313，315，316执行相同的判断。

表1是对于一个由18650型容量为1Ah的锂离子电芯构成的电池组在静置状态下按照实施例方法进行测量短路电压差的部分数据。

其中的数据为极耳的电压差，单位为mV(毫伏)，可以看出，#5电芯的短路电压差数值为负数，与其余电芯的短路电压差数值相反，可以初步判断#5电芯为短路。

记录时间	1#	2#	3#	5#
					1min	0.002	0.001	0.001	-0.038
2min	0.005	0.003	0.008	-0.032
					3min	0.001	0.003	0.004	-0.043

表1

表2是对于一个由18650型容量为1Ah的锂离子电芯构成的电池组在10C放电的情况下按照实施例方法进行测量的部分数据。

其中的数据为极耳的电压差，单位为mV(毫伏)，可以看出，，11#电芯在第一分钟，第二分钟，第三分钟，第四分钟所测得的电压差与1#，2#，3#电芯相比，仅仅约相当于1#，2#，3#电芯测量值的5％～15％，可以初步判断11#电芯为断路或者高内阻。

记录时间

1#

2#

3#

11#

1min	7.673	6.393	6.514	0.068
					2min	7.566	6.582	6.615	0.055
3min	7.259	6.471	6.997	0.108
					4min	7.056	6.557	7.271	0.030

表2

表3为另一个由18650型容量为1Ah的锂离子电芯构成的电池组在4C放电的情况下按照实施例方法进行测量的部分数据。

其中的数据为极耳的电压差，单位为mV(毫伏)，可以看出，，7#电芯在第一分钟，第二分钟，所测得的电压差与1#，2#，3#电芯相比，仅仅约相当于1#，2#，3#电芯测量值的10％～12％，就可以初步判断11#电芯为断路或者高内阻。

表3

表4为另一个由18650型容量为1Ah的锂离子电芯构成的电池组在1C放电的情况下按照实施例方法进行测量的部分数据。

其中的数据为极耳的电压差，单位为mV(毫伏)，可以看出，，9#电芯在第一分钟，第二分钟，第三分钟所测得的电压差与1#，2#，3#电芯相比，仅仅约相当于1#，2#，3#电芯测量值的5％，可以初步判断9#电芯为断路或者高内阻。

表4

表5为另一个由18650型容量为1Ah的锂离子电芯构成的电池组在2C放电的情况下按照实施例方法进行测量的数据。测量每分钟进行一次，共测量26次。

其中的数据为极耳的电压差，单位为mV(毫伏)。可以看出，当把每个电芯的每次测量数据叠加后，2#电芯的总数值明显较小，大约相当于其它电芯的60％，根据这些数据可以初步判断2#电芯为低容量，而容量也较小的10#电芯是否为低容量则取决于实际的比较结果。

表5

本发明的保护范围并不仅限于实施例，凡在本发明精神下所做的变化和改动，均应落在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电池包中电芯的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)测量电池包中每个电芯极耳两端的电压值并计算电压差；

(2)将电池包放电，在放电过程中测量电池包中每个电芯极耳两端的电压值并计算电压差；

(3)对于每个电芯，依据其电压差判断是否在预定范围内；

(4)依据上述判断值，得出电芯是否具有故障。

2.如权利要求1所述的电池包中电芯的检测方法，其特征在于：步骤(1)包括如下步骤：

(11)依据放电倍率得出预定放电或者充电时间T；

(12)将电池包放电时间分为N段，N为大于10小于60的整数；

(13)在T/N、2T/N、3T/N...........NT/N个时刻测量每个电芯极耳两端的电压值并得到对应的电压差；则对于每一个电芯，得到N个电压差值；

(14)对于每个电芯，设定其对应于任一且同一测量时刻或者N个电压差值的平均值为短路电压差。

3.如权利要求1所述的电池包中电芯的检测方法，其特征在于：步骤(2)中电池包放电的倍率范围为1～10C。

4.如权利要求1或2或3所述的电池包中电芯的检测方法，其特征在于：步骤(2)中所述的测量电池包中每个电芯极耳电压值并计算电压差的步骤包括：

(21)依据放电倍率得出预定放电时间T；

(22)将电池包放电时间分为N段，N为大于10小于60的整数；

(23)在T/N、2T/N、3T/N...........NT/N个时刻测量每个电芯极耳两端的电压值并得到对应的电压差；则对于每一个电芯，得到N个电压差值；

(24)对于每个电芯，设定其对应于任一且同一测量时刻或者N个电压差值的平均值为第一电压差；

(25)对于每个电芯，设定其N个电压差值的和为第二电压差。

5.如权利要求4所述的电池包中电芯的检测方法，其特征在于：步骤(3)中的判断每个电芯的电压差是否在预定范围内的步骤包括：

(311)依据电池包的放电倍率和电芯的容量得出电芯的预定放电电流；

(312)依据电芯的预定放电电流和极耳的电阻值相乘计算出第一预定电压差；

(313)将第一预定电压差值与N相乘得出第二预定电压差；

(314)将测量出的每个电芯的短路电压差与第一预定电压差进行比较，若两者的数值正负不符合，则电芯为短路；

(315)将测量出的每个电芯的第一电压差与第一预定电压差进行比较，若两者的数值正负符合但是数值大小的差别在50％以上，则电芯为高内阻或断路；

(316)将测量出的每个电芯的第二电压差与第二预定电压差进行比较，若两者的数值大小差别在20％以上，则电芯为低容量。

6.如权利要求4所述的电池包中电芯的检测方法，其特征在于：步骤(3)中的判断每个电芯的电压差是否在预定范围内的步骤包括：

(321)依据电池包的放电倍率和电芯的容量得出电芯的预定放电电流；

(322)依据电芯的预定放电电流和极耳的电阻值相乘计算出第一预定电压差；

(323)将第一预定电压差值与N相乘得出第二预定电压差；

(324)将测量出的每个电芯的第一电压差与第一预定电压差进行比较，若两者的数值正负不符合，则电芯为短路；

(325)将测量出的每个电芯的第一电压差与第一预定电压差进行比较，若两者的数值正负符合但是数值大小的差别在50％以上，则电芯为高内阻或断路；

(326)将测量出的每个电芯的第二电压差与第二预定电压差进行比较，若两者的数值大小差别在20％以上，则电芯为低容量。

7.如权利要求4所述的电池包中电芯的检测方法，其特征在于：步骤(3)中的判断每个电芯的电压差是否在预定范围内的步骤包括：

(331)将测量出的每个电芯的第一电压差做算术平均，得到平均值；

(332)将平均值与N相乘得出第二预定电压差；

(333)将测量出的每个电芯的第一电压差与平均值进行比较，若两者的数值正负不符合，则电芯为短路；

(334)将测量出的每个电芯的第一电压差与平均值进行比较，若两者的数值正负符合但是数值大小的差别在50％以上，则电芯为断路或高内阻；

(335)将测量出的每个电芯的第二电压差与第二预定电压差进行比较，若两者的数值大小差别在20％以上，则电芯为低容量。

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