CN105759212A - 电池包故障模拟方法及故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开电池包故障模拟方法及故障检测方法，故障模拟方法包括：(1)建立单颗电芯模型；(2)将若干个单颗电芯模型组合成电池包模型；(3)建立电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线。故障检测方法：A将电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线预存在电池管理系统；B采集电池包的工作状态数据；C拟合出电池包工作曲线；D将电池包的工作曲线与预存的电池包状态曲线进行比较；E若两者一致性高于预设的故障阈值时，判定电池包为故障状态。通过模拟故障的方式能准确获得极限条件下电池包的状态数据，且成本低；通过对电池包实现准确的故障检测提高电池包使用的安全性。

Description

电池包故障模拟方法及故障检测方法

技术领域

本发明涉及动力电池技术领域，更具体地说，是涉及一种电池包故障模拟方法及故障检测方法。

背景技术

随着国家节能减排政策的推广，电动汽车逐渐被人们接受，电动汽车的市场份额逐年增大。而电动汽车的动力源与普通机车的燃料源不同，电动汽车采用的动力电池，其特性难以捉摸，且随着环境的变化电特性和物理特性变化较大，这也是近年电动汽车着火事件层出不穷的原因。

电池包作为电动汽车的动力源，其使用过程中的安全性能尤为重要。但目前，电池厂商、电池管理系统厂商、汽车厂商均把注意力集中在电池包的管理方面，而对电池包及其电芯的特性的研究却被忽略，导致现有的状况为电池包应用过程的故障报警方式及故障检测方式五花八门，却都只能在故障发生时进行报警或采用相应的故障措施，虽一定程度上降低电池包故障带来的事故损失，但不能有效地进行故障报警，无法从根源上避免故障导致的事故的发生。

而要研究电池包本身或其电芯的安全特性，想要获得极端条件下电池包或其电芯的真实特性，存在较大困难。首先，电芯的价格昂贵，采用电芯做测试样本，成本高。此外，电池包在测试过程中，尤其在极端测试条件下安全特性难以预料，存在较大的安全隐患。且在现实操作过程中，电动汽车着火时其电池包及电芯的数据难以真实获得，故无法对电池包在发生危险前的电特性变化进行研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种电池包故障模拟方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供了电池包故障模拟方法，包括以下步骤：

(1)建立单颗电芯模型；

(2)将若干个单颗电芯模型组合成电池包模型；

(3)建立电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线。

作为优选方式，所述步骤(1)中建立单颗电芯模组的过程如下：

(11)通过对单体电芯进行OCV实验和工况测试，得到单体电芯的OCV与SOC、温度之间的关系表，以及不同工况下单体电芯的状态数据；

(12)根据步骤(11)中得到的关系表及状态数据，建立二阶单颗电芯等效电路模型。

作为优选方式，所述单体电芯的状态数据包括：电压数据、温度数据、内阻数据。

作为优选方式，在步骤(11)中还包括引入滞后因子对关系表及状态数据进行修正的步骤。

作为优选方式，所述步骤(2)中将若干个单颗电芯模型组合成电池包模型的过程如下：

(21)将若干个单颗电芯模型以一定的串、并联方式组合成电池包模型。

作为优选方式，所述步骤(3)的具体过程如下：

(31)重复多次测试如下故障测试：对电池包模型中单颗电芯模型设定不同类型、不同程度的故障条件，并记录相应故障条件下，电池包模型充放电过程的故障数据；

(32)根据步骤(31)中故障测试结果建立电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包故障状态曲线。

作为优选方式，电池包模型的故障数据包括：电压数据、内阻数据、温度数据。

作为优选方式，所述步骤(3)还包括以下步骤：

(33)在单颗电芯模型均正常的情况下，记录电池包模型充放电过程的正常状态数据，电池包模型的正常状态数据包括：电压数据、内阻数据、温度数据；

(34)根据步骤(33)中的测试结果建立电池包模型正常状态数据关于电池包模型中单颗电芯均正常状态的电池包正常状态曲线。

本发明的另一目的在于提供一种电池包故障检测方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供了电池包故障检测方法，包括以下步骤：

A将电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线预存在电池管理系统中；

B在电池包充放电过程中，采集电池包的工作状态数据；

C将所采集的电池包的工作状态数据拟合出电池包工作曲线；

D将电池包的工作曲线与预存的电池包状态曲线进行比较；

E若电池包工作曲线与预存电池包状态曲线的一致性高于预设的故障阈值时，判定电池包为故障状态。

作为优选方式，所述电池包状态曲线包括电池包正常状态曲线和电池包故障状态曲线，

所述步骤A的过程如下：

(A-1)将电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包故障状态曲线及电池包模型正常状态数据关于电池包模型中单颗电芯均正常状态的电池包正常状态曲线预存在电池管理系统中；

所述步骤E为：

E1若电池包工作曲线从预存电池包正常状态曲线趋于电池包故障状态曲线时，判定电池包为预故障状态；

还包括以下步骤：

F若电池包工作曲线从预存电池包状态曲线中的电池包正常状态曲线趋于电池包故障状态曲线时，判定电池包为预故障状态。

作为优选方式，还包括以下步骤：

G将故障信息或预故障信息进行报警输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明根据单颗电芯模型组合电池包模型，并建立电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线，不需要通过实体的电芯进行测试，降低成本，且通过模拟故障的方式，能准确获得极限条件下电池包的状态数据，对电池包的实际应用具有很高的参考价值。

(2)本发明通过对电池包实现准确的故障报警和/或故障预警，提高电池包使用的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1中电池包故障模拟方法的流程图；

图2是实施例2中电池包故障模拟方法的流程图；

图3是实施例3中电池包故障检测方法的流程图；

图4是实施例4中电池包故障检测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明的实施例1提供了电池包故障模拟方法，参考图1，所述电池包故障模拟方法包括以下步骤：

(1-1)建立单颗电芯模型；

(1-2)将若干个单颗电芯模型组合成电池包模型；

(1-3)建立电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线。

本发明根据单颗电芯模型组合电池包模型，并建立电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线，不需要通过实体的电芯进行测试，降低成本，且通过模拟故障的方式，能准确获得极限条件下电池包的状态数据，对电池包的实际应用具有很高的参考价值。

实施例2

本发明的实施例2提供了电池包故障模拟方法，是在实施例1的基础之上进行的改进。参考图2，所述电池包故障模拟方法包括以下步骤：

(2-1)建立单颗电芯模型。具体过程如下：

(2-11)通过对单体电芯进行工况测试，得到单体电芯的OCV与SOC、温度之间的关系表，以及不同工况下单体电芯的状态数据。在实验过程中，优选为挑选同一批次的单体电芯分别进行多工况测试。选择同一批次的单体电芯可以尽可能使各单体电芯之间的一致性好，实验结果更加精确。在实验过程中，根据需要以一定频率(如，每分钟记录一次)记录单体电芯在不同温度、不同工况下的状态数据，单体电芯的状态数据包括但不仅限于电压数据、温度数据、内阻数据。在本实施例中，将单体电芯的状态数据通过MATLAB软件编写函数进行分析得到单体电芯的OCV与SOC、温度之间的关系表。在本实施例中，所述工况测试具体为在不同温度、不同倍率下对单体电芯进行充放电测试。如低温时采取小倍率电流充放电，高温时采取大倍率电流充放电例如，-10℃采用0.5C充放，50℃时采用5C充放，每一个温度下都使用全新的电池，不交叉进行测试。通过上述多工况测试获得建立单体模型的数据组，可以通过实验得到或者通过计算可以准确得到单体电池个参数特性关系的查找表(包括OCV、SOC、充电容量、放电容量、温度等)，例如d(OCV)/d(T)、d(SOC)/d(OCV)、库伦效率/温度、容量/温度等。

(2-12)根据步骤(2-11)中得到的关系表及状态数据，建立二阶单颗电芯等效电路模型。在本实施例中，采用MATLAB软件建立二阶单颗电芯等效电路模型，等效电路模型中的元素参数通过编辑自定义函数进行赋值，函数输入量为与该元素参数值相关的因素，输出量为该元素的参数值。在本实施例中，所述等效电路模型的建立过程实质上是一个基于等效电路模型中各元件(电容、电阻及它们的组合)，将其参数(电阻值、阻容回路时间常数RC)在对应温度下分别计算出来(自定义函数计算包括曲线拟合参数、最小二乘计算、线性插值)，然后在MATLAB中以数据结构体的形式体现的过程。所述二阶单颗电芯等效电路模型的表现形式为根据系统输入作为请求，基于电池模型数据结构体调用或者采用线性插值法计算相应的数据作为输出。

(2-2)将若干个单颗电芯模型组合成电池包模型，具体为步骤(2-21)：将若干个单颗电芯模型以一定的串、并联方式组合成电池包模型。在该步骤中依据步骤(2-12)建立的二阶单颗电芯等效电路模型参照实际电动汽车单体电芯的连接方式组成电池包模型，如通常情况下是将若干单颗电芯模型进行并联得到电池模组模型，再将若干个电池模组模型串联得到电池包模型。

(2-3)建立电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线。作为优选的实施方式，所述单颗电芯的故障条件包括单颗电芯的正常工作状态及故障工作状态。在本实施例中，步骤(2-3)的具体过程如下：

在单颗电芯模型均正常的情况下，重复多次如下测试：

(2-31)记录电池包模型充放电状态下的状态数据。在本实施例中，所述电池包模型的状态数据包括但不限于电压数据、内阻数据、温度数据。

(2-32)根据步骤(2-31)中的测试结果建立电池包模型正常状态数据关于电池包模型中单颗电芯均正常状态的电池包正常状态曲线。

在单颗电芯模型存在异常的情况下，重复多次如下故障测试：

(2-33)对电池包模型中单颗电芯模型设定不同类型、不同程度的故障条件，并记录相应故障条件下，电池包模型充放电过程的故障数据。在本实施例中，所述电池包模型的故障数据包括但不限于电压数据、内阻数据及温度数据。其中，故障条件的类型可以为软短路、硬短路、SOC差异、容量差异等类型。

(2-34)根据步骤(2-33)中故障测试结果建立电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包故障状态曲线。

本发明通过对电池包模型进行故障测试，得到电池包模型正常状态数据关于电池包模型中单颗电芯均正常状态的电池包正常状态曲线及电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包故障状态曲线，不需要通过实体的电芯进行测试，降低成本，且通过模拟故障的方式，能准确获得极限条件下电池包的状态数据，对电池包的实际应用具有很高的参考价值。

实施例3

本发明的实施例3提供了一种基于上述实施例1所述的电池故障测试方法的电池包故障检测方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供了电池包故障检测方法，包括以下步骤：

a将上述电池包故障模拟方法得到的电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线预存在电池管理系统中。

b在电池包充放电过程中，采集电池包的工作状态数据。在本实施例中,所述工作状态数据包括但不限于电压数据、内阻数据、温度数据。

c将所采集的电池包的工作状态数据拟合出电池包工作曲线。

d将电池包的工作曲线与预存的电池包状态曲线进行比较。

e若电池包工作曲线与预存电池包状态曲线的一致性高于预设的故障阈值时，判定电池包为故障状态；

f将故障信息进行报警输出。

本发明通过对电池包实现准确的故障报警，提高电池包使用的安全性。

实施例4

本发明的实施例4提供了一种基于上述实施例2所述的电池故障测试方法的电池包故障检测方法，该方法也为实施例3的改进。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供了电池包故障检测方法，该方法包括以下步骤：

a1将上述电池包故障模拟方法得到的电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包故障状态曲线及电池包模型正常状态数据关于电池包模型中单颗电芯均正常状态的电池包正常状态曲线预存在电池管理系统中；

b1在电池包充放电过程中，采集电池包的工作状态数据；

c1将所采集的电池包的工作状态数据拟合出电池包工作曲线；

d1将电池包的工作曲线与预存的电池包正常状态曲线及电池包故障状态曲线进行比较；

e1若电池包工作曲线从预存电池包正常状态曲线趋于电池包故障状态曲线时，判定电池包为预故障状态；

f1若电池包工作曲线与预存的电池包故障状态曲线一致性高于预设的故障阈值时，判定电池包为故障状态；

g1将故障信息或预故障信息进行报警输出。在实际应用中，可以通过电池管理系统的BCU向上位机发出报警信息，上位机通过显示屏、语音、LED灯等方式进行报警提示和/或报警提示。

本发明通过对电池包实现准确的故障报警和/或预故障报警，提高电池包使用的安全性。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.电池包故障模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立单颗电芯模型；

(2)将若干个单颗电芯模型组合成电池包模型；

(3)建立电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线。

2.根据权利要求1所述的电池包故障模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中建立单颗电芯模组的过程如下：

(11)通过对单体电芯进行OCV实验和工况测试，得到单体电芯的OCV与SOC、温度之间的关系表及不同工况下单体电芯的状态数据；

(12)根据步骤(11)中得到的关系表及状态数据，建立二阶单颗电芯等效电路模型。

3.根据权利要求2所述的电池包故障模拟方法，其特征在于，所述单体电芯的状态数据包括：电压数据、温度数据、内阻数据。

4.根据权利要求2所述的电池包故障模拟方法，其特征在于，在步骤(11)中还包括引入滞后因子对关系表及状态数据进行修正的步骤。

5.根据权利要求1所述的电池包故障模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体过程如下：

(31)重复多次测试如下故障测试：对电池包模型中单颗电芯模型设定不同类型、不同程度的故障条件，并记录相应故障条件下，电池包模型充放电过程的故障数据；

(32)根据步骤(31)中故障测试结果建立电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包故障状态曲线。

6.根据权利要求5所述的电池包故障模拟方法，其特征在于，电池包模型的故障数据包括：电压数据、内阻数据、温度数据。

7.根据权利要求6所述的电池包故障模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括以下步骤：

(33)在单颗电芯模型均正常的情况下，记录电池包模型充放电过程的正常状态数据，电池包模型的正常状态数据包括：电压数据、内阻数据、温度数据；

(34)根据步骤(33)中的测试结果建立电池包模型正常状态数据关于电池包模型中单颗电芯均正常状态的电池包正常状态曲线。

8.基于权利要求1-7任一项所述的电池包故障模拟方法的电池包故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A将电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包状态曲线预存在电池管理系统中；

B在电池包充放电过程中，采集电池包的工作状态数据；

C将所采集的电池包的工作状态数据拟合出电池包工作曲线；

D将电池包的工作曲线与预存的电池包状态曲线进行比较；

E若电池包工作曲线与预存电池包状态曲线的一致性高于预设的故障阈值时，判定电池包为故障状态。

9.根据权利要求8所述的电池包故障检测方法，其特征在于，所述电池包状态曲线包括电池包正常状态曲线和电池包故障状态曲线，

所述步骤A的过程如下：

(A-1)将电池包模型故障数据关于电池包模型中单颗电芯的故障条件的电池包故障状态曲线及电池包模型正常状态数据关于电池包模型中单颗电芯均正常状态的电池包正常状态曲线预存在电池管理系统中；

所述步骤E为：

E1若电池包工作曲线从预存电池包正常状态曲线趋于电池包故障状态曲线时，判定电池包为预故障状态；

还包括以下步骤：

F若电池包工作曲线从预存电池包状态曲线中的电池包正常状态曲线趋于电池包故障状态曲线时，判定电池包为预故障状态。

10.根据权利要求8所述的电池包故障检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

G将故障信息或预故障信息进行报警输出。