CN103399282A - 电池单体故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电池单体故障诊断方法，电池组包括N个电池单体，包括：S1：记录N个电池单体的电池单体电压和电池单体电流，计算平均电压；S2：当电池单体电压与电池单体平均电压的差异大于设定阈值时，则判定电池单体存在故障；S3：判断电池单体电压是否随电池单体电流变化，如果否则判定存在电压测量故障，如果是则执行步骤S4；S4：对电池单体进行总内阻辨识；S5：判断电池单体的总内阻随时间的变化是否恒定，如果是则存在总内阻故障，如果否则存在接触电阻故障。本发明可以实现车用动力电池组的电压测量故障，总内阻故障和接触电阻故障的诊断，具有算法简便，准确度高的优点。

Description

电池单体故障诊断方法

技术领域

本发明属于车用动力电池技术领域，具体涉及一种电池单体故障诊断方法。

背景技术

在车用动力电池技术领域中，电池单体必须组合成组，才能提供足够的能量，但是成组后面临的一个主要的问题就是安全性的问题，一旦有一个电池单体出现安全问题，很可能波及整个电池组，从而导致重大的安全事故。因此需要对电池单体可能发生的安全故障问题做出及时的诊断和报警。

由于电池单体电压是电池单体外特性的直接体现，因此对电池单体电压的故障诊断是最为重要的，电池单体电压过高或过低是最为明显的故障，但是只要电池管理系统能确保电池单体不被滥用，电池单体电压过高或过低的故障是不应该发生的。而电池组区别于电池单体的特点在于电池组内的电池单体电压存在不一致的情况，这是由于制造和使用过程的各电池单体的荷电状态（State of Charge，SOC），容量，总内阻等不一致性造成的，是无法避免的。

电池单体在制造和使用过程中的不一致造成的电池单体电压差异是有限的，因而过大电池单体电压差异表明电池组存在故障的可能性，这种电池单体电压差异造成的原因有三种，第一种是电压测量故障造成的电池单体电压差异，第二种是由于电池单体总内阻增大电池单体电压差异，第三种是电池单体连接片紧固松动而使接触电阻增大电池单体电压差异。这三种故障的处理方式各不相同。由于故障处理的方式不同，因此判断属于何种故障，对于故障的修复是非常重要的。但目前对这些故障的识别没有较好的方法，通常的做法是采用排除法，对电压的测量和连接片紧固后，再确定是否为总内阻增大的故障，因此修复效率低下。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种电池单体故障诊断方法，电池组包括N个电池单体，包括以下步骤：S1：在电池组使用过程中，电池管理系统记录所述N个电池单体的电池单体电压和电池单体电流，并计算电池单体平均电压；S2：当第i个电池单体对应的电压与电池单体平均电压的差异大于设定阈值时，则判定所述第i个电池单体存在故障；S3：判断所述第i个电池单体的电池单体电压是否随电池单体电流变化，如果否则判定所述第i个电池单体存在电压测量故障，如果是则执行步骤S4；S4：根据所述第i个电池单体的电池单体电压和电池单体电流，通过带有接触电阻的总内阻电池单体模型对所述第i个电池单体进行总内阻辨识；S5：判断所述第i个电池单体的总内阻随时间的变化是否恒定，如果是则判定所述第i个电池单体存在总内阻故障，如果否则判定所述第i个电池单体存在接触电阻故障。

优选的，所述设定阈值为电池单体电压标准差的6倍。

优选的，所述步骤S4中，对所述第i个电池单体进行总内阻辨识的总内阻电池单体模型为：

x_i=A_i ⁺u_i

其中，

$x_i=\left[\begin{array}{c}{x}_{1,i}\\ x_{2,i}\\ x_{3,i}\\ x_{4,i}\end{array}\right],$ $u_i=\left[\begin{array}{c}{U}_i\left((k+1)T\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ U_i\left((k+n)T\right)\end{array}\right],$ $A_i=\left[\begin{array}{cccc}{U}_i\left(\mathrm{kT}\right)& I\left(\mathrm{kT}\right)& I\left((k+1)T\right)& 1\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ U_i\left((k+n-1)T\right)& I\left((k+n-1)T\right)& I\left((k+n)T\right)& 1\end{array}\right],$

x_i为参数辨识矩阵，第一辨识参数

第二辨识参数 $x_{2,i}=e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}}\·R_{i,i}^{\′}-(1-e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}})R_{p,i},$ 第三辨识参数 $x_{3,i}=-R_{i,i}^{\′},$ 第四辨识参数

A_i为第i个电池单体的离散状态方程矩阵，A_i ⁺为矩阵A_i的广义逆矩阵，I为功率电流，U_i为第i个电池单体的电池单体电压，E_i为第i个电池单体的电池单体开路电压，T为采样时间，u_i是U_i的采样时间序列矩阵，n为采样时间序列，k为采样点，k∈[1,n]且k为整数，C_p,i为第i个电池单体极化电容，R_p,i为第i个电池单体极化电阻，

为第i个电池单体的总内阻，在计算得到x_i后，

则得到第i个电池单体的总内阻，进行多次计算得到总内阻随时间变化的规律。

优选的，在执行步骤S4时，电池管理系统记录所述第i个电池单体的电池单体电流和电池单体电压的采样频率为1Hz。

优选的，n取值为50-150。

本发明的电池单体故障诊断方法，可以实现车用动力电池组的电压测量故障，总内阻故障和接触电阻故障的区分和诊断，防止电池组发生进一步的安全问题，同时便于电池组的修复，具有算法简便，准确度高的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的电池单体故障诊断方法的流程图；

图2是本发明实施例的电池单体连接和电池单体电压测量的示意图；

图3是图2中电池单体连接和电池单体电压测量的等效电路模型图；

图4是本发明实施例的考虑接触电阻的电池单体等效电池单体模型图；

图5是图4中电池单体正负极接触电阻和欧姆内阻作为总电阻的等效电池单体模型图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，为本发明实施例的电池单体故障诊断方法的流程图，电池组包括N个电池单体，包括以下步骤：

S1：在电池组使用过程中，电池管理系统记录所述N个电池单体的电池单体电压和电池单体电流，并计算电池单体平均电压。

如图2所示，为本发明实施例的电池单体连接和电池单体电压测量的示意图，并结合如图3所示的电池单体连接和电池单体电压测量的等效电路模型图，电池单体串联成组，电池单体连接片和电压测量线通过螺栓等紧固方式连接每一个电池单体的电极，以电池单体N为例，可以看到，电池单体N用R_i,N代表欧姆内阻，E_N代表电池单体N的开路电压，R_c,N+和R_c,N-代表了正负电极的接触电阻。第N个电压测量传感器和电压测量线的电阻以R_m,N表示。功率电流I流经电池单体和连接片，而由于电压测量传感器和电压测量线的电阻R_m,N很大，因而电压测量线上测量的电流，即电池单体电流i_N很小。因而通过电压测量线的电阻压降可以忽略，电压测量传感器N所测量的电压U_N即可认为电池单体电压。由于电压测量线上的电池单体电流i_N独立于功率电流I，如果发生电压测量传感器和电压测量线的电压测量故障，测量的电池单体电压与功率电流I无关，故障电池单体的电池单体电压不跟随功率电流I变化而变化。

需要说明的是，电池管理系统记录电池单体电流和电池单体电压，其记录的时间间隔，即采样时间可以灵活设定。若采样间隔较长，例如30s，则可以减少记录数据的存储空间；若采样时间间隔较短，例如1s，则意味着记录的信息较为全面，万一后面发现故障，可以无需重新进行实验，仅从历史记录数据中进行分析即可。

S2：当第i个电池单体对应的电压与电池单体平均电压的差异大于设定阈值时，则判定第i个电池单体存在故障。

在这里需要说明的是，为了减少故障的误判定，在本发明的实施例中，设定阈值为电池单体电压标准差的6倍，则认为第i个电池单体存在故障。实际使用中，本领域技术人员可以根据相应的电池组不一致性程度进行调整。

S3：判断第i个电池单体的电池单体电压是否随电池单体电流变化，如果否则判定第i个电池单体存在电压测量故障，如果是则执行步骤S4。

S4：根据第i个电池单体的电池单体电压和电池单体电流，通过带有接触电阻的总内阻电池单体模型对第i个电池单体进行总内阻辨识。

如图4所示，为本发明实施例的考虑接触电阻的电池单体等效电池单体模型图，第i个电池单体的正负极接触电阻分别为R_c,i+和R_c,i-，欧姆内阻为R_i,i，则第i个电池单体的总内阻

则在本发明实施例中，将第i个电池单体的正负极接触电阻和欧姆内阻作为总电阻的等效电池单体模型图如图5所示，在图4和图5所示的等效电池单体模型图中，第i个电池单体的开路电压和电池单体电压分别用E_i和U_i表示，进一步可以得到电池单体动态模型的离散状态空间方程为：

$U_{p,i}\left((k+1)T\right)=e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}}\·U_{p,i}\left(\mathrm{kT}\right)+(1-e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}})R_{p,i}\·I\left(\mathrm{kT}\right)$

$U_i\left(\mathrm{kT}\right)=-U_{p,i}\left(\mathrm{kT}\right)-R_{i,i}^{\′}\·I\left(\mathrm{kT}\right)+E_i$

T为采样时间，在本发明的一个实施例中，T取值为1s，即电池管理系统记录第i个电池单体的电池单体电流和电池单体电压的采样频率为1Hz。

在这里需要注意的是，在步骤S1中，如果电池管理系统记录的时间间隔较长，则不能从历史记录中得到准确的分析结果，需要将采样频率提高到1Hz后继续记录有故障的电池单体的电池单体电流和电池单体电压。同理，在执行步骤S3时作同样处理。

同时，记录时间的点数，即采样时间序列需要有相当数量，以便进一步分析，排除干扰的影响，本发明实施例中可取采样时间序列n取值为50-150，优选为100，k为采样点，k∈[1,n]且k为整数。利用本离散状态空间方程进行参数辨识，其方法为：

首先从公式中消除U_p,i得到差分方程：

$U_i\left((k+1)T\right)=e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}}\·U_i\left(\mathrm{kT}\right)+[e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}}\·R_{i,i}^{\′}-(1-e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}})R_{p,i}]\·I\left(\mathrm{kT}\right)-R_{i,i}^{\·}\·I\left((k+1)T\right)+(1-e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}})E_i$

简化为：

U_i((k+1)T)=x_1,i·U_i(kT)+x_2,i·I(kT)+x_3,i·I((k+1)T)+x_4,i

在这里，第一辨识参数 $x_{1,i}=e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}},$ 第二辨识参数 $x_{2,i}=e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}}\·R_{i,i}^{\′}-(1-e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}})R_{p,i},$ 第三辨识参数 $x_{3,i}=-R_{i,i}^{\′},$ 第四辨识参数 $x_{4,i}=(1-e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}})E_i,$

同理可以推导出：

$R_{i,i}^{\′}=-x_{3,i},$ $E_i=\frac{x_{4,i}}{1-x_{1,i}},$ $R_{p,i}=\frac{-x_{2,i}-x_{1,i}{x}_{3,i}}{1-x_{1,i}},$ $C_{p,i}=-\frac{T}{\frac{-x_{2,i}-x_{1,i}{x}_{3,i}}{1-x_{1,i}}\·\log x_{1,i}}$

令

$x_i=\left[\begin{array}{c}{x}_{1,i}\\ x_{2,i}\\ x_{3,i}\\ x_{4,i}\end{array}\right],$ $u_i=\left[\begin{array}{c}{U}_i\left((k+1)T\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ U_i\left((k+n)T\right)\end{array}\right],$ $A_i=\left[\begin{array}{cccc}{U}_i\left(\mathrm{kT}\right)& I\left(\mathrm{kT}\right)& I\left((k+1)T\right)& 1\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ U_i\left((k+n-1)T\right)& I\left((k+n-1)T\right)& I\left((k+n)T\right)& 1\end{array}\right],$

则有u_i=A_ix_i，x_i为参数辨识矩阵。

在本发明的实施例中，x_i通过广义逆方法实现最小二乘估计，则对第i个电池单体进行总内阻辨识的总内阻电池单体模型为：

x_i=A_i ⁺u_i

其中，A_i为第i个电池单体的离散状态方程矩阵，A_i ⁺为矩阵A_i的广义逆矩阵，u_i是U_i的采样时间序列矩阵，C_p,i为第i个电池单体极化电容，I_p,i为第i个电池单体极化电流，R_p,i为第i个电池单体极化电阻，U_p,i为第i个电池单体极化电压。

同时需要注意的是，已述采样时间序列n取值优选为100，采样时间序列n的决定需要进行认真的权衡，大的n对最小二乘估计算法的精度是有利的，然而大的n可能导致估计参数是常数的这个假设的不成立，因为大的n会使时间间隔过大而导致估计参数的变化。

在计算得到x_i后，

则得到第i个电池单体的总内阻，进行多次计算后可以得到总内阻随时间变化的规律，进一步由步骤S5判断故障原因。

S5：判断第i个电池单体的总内阻随时间的变化是否恒定，如果是则判定第i个电池单体存在总内阻故障，如果否则判定第i个电池单体存在接触电阻故障。

由于总内阻故障和接触电阻故障的表现非常相似，甚至于其故障的数量级也是相近的，因此要区分总内阻故障和接触电阻故障是比较困难的。事实上，总内阻故障的出现是一个缓慢渐变的过程，而当出现接触电阻故障时，接触电阻相对于总内阻的变化快而无序，这是因为不良的接触条件和接触压力的变化使得接触电阻变得不稳定。因此由步骤S4得到的总内阻随时间的变化上看，如果发生接触电阻故障，总内阻随时间变化不是恒定的，而发生总内阻故障时总内阻随时间变化是恒定的。

综上所述，根据电池单体的三种不同形式的故障，处理方式各不相同，电压测量故障需要对电池单体电压测量传感器进行修复，总内阻故障则表明该电池单体已经老化，需要进行更换，而接触电阻故障则需要对电池单体连接片进行紧固。

需要说明的是，本发明的电池单体故障诊断方法，不仅适用于纯电动汽车，而且还适用于非电动汽车的蓄电池组。

本发明的电池单体故障诊断方法，可以实现车用动力电池组的电压测量故障，总内阻故障和接触电阻故障的区分和诊断，防止电池组发生进一步的安全问题，同时便于电池组的修复，具有算法简便，准确度高的优点。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种电池单体故障诊断方法，其特征在于，电池组包括N个电池单体，包括以下步骤：

S1：在电池组使用过程中，电池管理系统记录所述N个电池单体的电池单体电压和电池单体电流，并计算电池单体平均电压；

S2：当第i个电池单体对应的电压与电池单体平均电压的差异大于设定阈值时，则判定所述第i个电池单体存在故障；

S3：判断所述第i个电池单体的电池单体电压是否随电池单体电流变化，如果否则判定所述第i个电池单体存在电压测量故障，如果是则执行步骤S4；

S4：根据所述第i个电池单体的电池单体电压和电池单体电流，通过带有接触电阻的总内阻电池单体模型对所述第i个电池单体进行总内阻辨识；以及

S5：判断所述第i个电池单体的总内阻随时间的变化是否恒定，如果是则判定所述第i个电池单体存在总内阻故障，如果否则判定所述第i个电池单体存在接触电阻故障。

2.如权利要求1所述的电池单体故障诊断方法，其特征在于，所述设定阈值为电池单体电压标准差的6倍。

3.如权利要求1所述的电池单体故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S4中，对所述第i个电池单体进行总内阻辨识的总内阻电池单体模型为：

x_i=A_i ⁺u_i

其中，

$x_i=\left[\begin{array}{c}{x}_{1,i}\\ x_{2,i}\\ x_{3,i}\\ x_{4,i}\end{array}\right],$ $u_i=\left[\begin{array}{c}{U}_i\left((k+1)T\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ U_i\left((k+n)T\right)\end{array}\right],$ $A_i=\left[\begin{array}{cccc}{U}_i\left(\mathrm{kT}\right)& I\left(\mathrm{kT}\right)& I\left((k+1)T\right)& 1\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ U_i\left((k+n-1)T\right)& I\left((k+n-1)T\right)& I\left((k+n)T\right)& 1\end{array}\right],$

x_i为参数辨识矩阵，第一辨识参数

第二辨识参数 $x_{2,i}=e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}}\·R_{i,i}^{\′}-(1-e^{-\frac{T}{C_{p,i}{R}_{p,i}}})R_{p,i},$ 第三辨识参数 $x_{3,i}=-R_{i,i}^{\′},$ 第四辨识参数A_i为第i个电池单体的离散状态方程矩阵，A_i ⁺为矩阵A_i的广义逆矩阵，I为功率电流，U_i为第i个电池单体的电池单体电压，E_i为第i个电池单体的电池单体开路电压，T为采样时间，u_i是U_i的采样时间序列矩阵，n为采样时间序列，k为采样点，k∈[1,n]且k为整数，C_p,i为第i个电池单体极化电容，R_p,i为第i个电池单体极化电阻，

为第i个电池单体的总内阻，在计算得到x_i后，

则得到第i个电池单体的总内阻，进行多次计算得到总内阻随时间变化的规律。

4.如权利要求1所述的电池单体故障诊断方法，其特征在于，在执行步骤S4时，电池管理系统记录所述第i个电池单体的电池单体电流和电池单体电压的采样频率为1Hz。

5.如权利要求3所述的电池单体故障诊断方法，其特征在于，n取值为50-150。

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