CN105846483B - 一种电池包不均衡故障判定及均衡方法 - Google Patents

一种电池包不均衡故障判定及均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池包不均衡故障判定及均衡方法，包括故障判定和均衡策略两个步骤，其中，故障判定步骤包括设定电池工作的电流方向，设定判断节点K、电压特性参数P、偏离标准值Pm和故障阀值V，然后依据单体电池工作电流方向不同的两次电压差故障数据进行计算比较来对电池不均衡故障进行分类；均衡策略步骤根据不同故障类型采取相对应的均衡措施。本发明方法能够有效判定电池包不均衡故障的类型，并采取有针对性的均衡措施，改善了电池包的动力性能，延长了电池包的使用寿命。

Description

一种电池包不均衡故障判定及均衡方法
技术领域
本发明属于电池管理技术领域，尤其涉及一种电池包不均衡故障判定及均衡方法。
背景技术
电动汽车动力电池和其他储能设备等正在由最初的试验阶段逐步走上市场。在各种储能设备中，电池的使用方式是将大量电池单体进行串联和/或并联组装成电池包，而含有大量串和/或并联电池单体的电池包在制造过程中或使用中受到诸多不可控因素的影响，会引起电池单体之间的差异，进而降低电池包的动力性能，减少储能设备使用时间，降低车辆续航里程等等。因此关于均衡的研究就成了业界当前的热点。
电池包内电池单体的差异主要有两种情形：一种是核电状态(SOC)的不一致，另一种是额定容量因为衰减不同导致的不一致，这里的额定容量是指电池在标准条件下可以放出的最大电量。但目前的电池管理系统(BMS)只是简单的对电池单体的电压进行比对，从而得出压差过大故障、单体电压过高故障或单体电压过低故障，工作人员或BMS均衡模块则只是根据上报的电压差异对电池单体进行补电或放电。显然，这种一贯的补电或放电是默认为SOC不一致的。因此，当电池包故障发生时，BMS仅仅根据所采集到的电压不一致而上报电压过低或电压过高故障则并没有体现出故障的产生原因，更不能有效指导后续的均衡工作。而且对于含有均衡功能的BMS如果仅仅根据电压的异同就启动均衡，往往会适得其反。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种电池不均衡故障判定及均衡的方法。本发明方法能够有效判定电池包不均衡故障的类型，体现故障产生的实质原因，并经有效的均衡策略进行有针对性的改善，改善了电池包的动力性能，延长了电池包的使用寿命，降低了电池包的使用成本。
本发明方法方案如下：
第一步，故障判定(见图1)：
S11，首先设定电池工作的电流方向，i为充放电电流，当i>0时，表示充电；当i<0时，表示放电。电池包核电状态SOC的计算公式为：其中，SOCt是t时刻的核电状态，SOC0是初始时刻的核电状态。
S12，根据电池体系的充放电特点，设定电池充放电中的某节点K，及相应情况下的电压特性参数P。
S13，根据选定的电压特性参数P并结合电池动力性能设定偏离标准值Pm和故障阀值V。
S14，在电池包工作达到设定的节点K时，检测是否有电池单体的电压特性参数值Ps与偏离标准值Pm的偏差达到|Ps-Pm|≥V，
如果没有，则判定电池包电压正常，无均衡故障；
如果有，则判定电池包存在电压不均衡故障，并记录该单体电池的电压差故障信息，包含数据：电流方向ix、电池单体电压特性参数值Psx和偏离标准值Pm。
S15，将该单体电池本次故障信息数据存储至BMS历史故障记录，如已有该单体电池工作电流方向相同的历史故障记录，则覆盖该单体电池工作电流方向相同的历史故障记录。
S16，根据电池包工作状态判断故障类型：
参数说明：ix为该单体电池本次记录的电流，i0为BMS存储记录的该单体电池历史故障的电流，Psx为该单体电池本次记录的电压特性参数值，Ps0负为BMS存储的该单体电池历史故障记录中i0＜0时的电压特性参数值，Ps0正为BMS存储的该单体电池历史故障记录中i0＞0时的电压特性参数值，Pm为偏离标准值，V为故障阀值。
判断本次记录电流方向ix是否＞0，
如果ix＞0，则，
检查BMS存储的历史故障数据中有没有该单体电池的工作电流方向相反(i0＜0)的历史故障记录，
如果没有，则故障判定终止；
如果有，则将历史记录数据(包括电池单体电压特性参数值Ps0负)与本次记录数据(包括电池单体电压特性参数值Psx)进行计算比较，对该单体电池进行故障类型判断：
若Psx-Pm≥V，Ps0负-Pm≤-V，则判定故障为电池单体额定容量过低；
若Psx-Pm≥V，Ps0负-Pm≥V，则判定故障为电池单体核电状态SOC过高；
若Psx-Pm≤-V，Ps0负-Pm≤-V，则判定故障为电池单体核电状态SOC过低；
若Psx-Pm≤-V，Ps0负-Pm≥V，则判定故障为电池单体额定容量过高；
如果ix＜0，则，
检查BMS存储的历史故障数据中有没有该单体电池的工作电流方向相反(i0＞0)的历史故障记录，
如果没有，则故障判定终止；
如果有，则将历史记录数据(包括电池单体电压特性参数值Ps0正)与本次记录数据(包括电池单体电压特性参数值Psx)进行计算比较，对该单体电池进行故障类型判断：
若Ps0正-Pm≥V，Psx-Pm≤-V，则判定故障为电池单体额定容量过低；
若Ps0正-Pm≥V，Psx-Pm≥V，则判定故障为电池单体核电状态SOC过高；
若Ps0正-Pm≤-V，Psx-Pm≤-V，则判定故障为电池单体核电状态SOC过低；
若Ps0正-Pm≤-V，Psx-Pm≥V，则判定故障为电池单体额定容量过高。
第二步，均衡策略：
当BMS识别出SOC高的故障电芯时，选择在放电末端时对目标电芯进行均衡，均衡方式可以是能量消耗型的被动均衡或能量转移型的主动均衡；
当BMS识别出SOC低的故障电芯时，选择在充电末端对其进行均衡，均衡方式为有源主动均衡或电池包内能量转移型的主动均衡；
当BMS识别出容量偏低时，如果额定容量过低的程度过大就要更换电池单体，如果在一定范围内，可以对容量偏低的电芯进行均衡，均衡方式有两种：(1)在充电末端时采用被动均衡对其进行放电或主动均衡将它的能量转移走、(2)在放电末端时采用主动均衡对其进行充电；容量过低程度的界定，可以按照电池体系寿命衰减的特点来定。
当BMS识别出容量偏高时，则不用处理。
附图说明
图1为本发明的电池包不均衡故障判定流程
具体实施方式
实施例1
本例中，针对磷酸铁锂体系的电池包进行检测。
首先设定电池工作的电流方向。设i为充放电电流，当i>0时，表示充电；当i<0时，表示放电。电池包核电状态SOC的计算公式为：其中，SOCt是t时刻的核电状态，SOC0是初始时刻的核电状态。
然后设定充电时SOC达到90％为节点K。
设定电压特性参数P为充电末端的截止电压值。
结合磷酸铁锂电池体系的性能设定V为150mV。
设定pm为节点K时电池包所有单体电池的电压平均值。
在电池包工作时，当到达设置的节点K，首次检测到某一只或某几只电池单体参数值Ps与偏离标准值Pm偏差达到|Ps-Pm|≥150mV，则记录该单体电池的电压差故障状态信息，包含数据：电流方向ix、电池单体电压特性参数值Psx和偏离标准值Pm。
将该单体电池本次故障信息数据存储至BMS历史故障记录，如已有该单体电池工作电流方向相同的历史故障记录，则覆盖该单体电池工作电流方向相同的历史故障记录。
最后，根据电池包工作状态判断故障类型：
参数说明：ix为该单体电池本次记录的电流，i0为BMS存储记录的该单体电池历史故障的电流，Psx为该单体电池本次记录的电压特性参数值，Ps0负为BMS存储的该单体电池历史故障记录中i0＜0时的电压特性参数值，Ps0正为BMS存储的该单体电池历史故障记录中i0＞0时的电压特性参数值，Pm为偏离标准值。
判断本次记录电流方向ix是否＞0，
如果ix＞0，则
检查BMS存储的历史故障数据中有没有该单体电池的工作电流方向相反(i0＜0)的历史故障记录，
如果没有，则故障判定终止；
如果有，则将历史记录数据(包括电池单体电压特性参数值Ps0负)与本次记录数据(包括电池单体电压特性参数值Psx)进行计算比较，对该单体电池进行故障类型判断：
若Psx-Pm≥V，Ps0负-Pm≤-V，则判定故障为电池单体额定容量过低；
若Psx-Pm≥V，Ps0负-Pm≥V，则判定故障为电池单体核电状态SOC过高；
若Psx-Pm≤-V，Ps0负-Pm≤-V，则判定故障为电池单体核电状态SOC过低；
若Psx-Pm≤-V，Ps0负-Pm≥V，则判定故障为电池单体额定容量过高；
如果ix＜0，则，
检查BMS存储的历史故障数据中有没有该单体电池的工作电流方向相反(i0＞0)的历史故障记录，
如果没有，则故障判定终止；
如果有，则将历史记录数据(包括电池单体电压特性参数值Ps0正)与本次记录数据(包括电池单体电压特性参数值Psx)进行计算比较，对该单体电池进行故障类型判断：
若Ps0正-Pm≥V，Psx-Pm≤-V，则判定故障为电池单体额定容量过低；
若Ps0正-Pm≥V，Psx-Pm≥V，则判定故障为电池单体核电状态SOC过高；
若Ps0正-Pm≤-V，Psx-Pm≤-V，则判定故障为电池单体核电状态SOC过低；
若Ps0正-Pm≤-V，Psx-Pm≥V，则判定故障为电池单体额定容量过高。
最后，针对判定出的不同故障类型采取不同的均衡措施：
当BMS识别出SOC高的故障电芯时，选择在放电末端时对目标电芯进行进行均衡，均衡方式为能量消耗型的被动均衡。
当BMS识别出SOC低的故障电芯时，选择在充电末端时，对其进行均衡，均衡方式为有源主动均衡。
当BMS识别出容量偏低时，如果额定容量过低的程度过大就要更换电池单体，如果在一定范围内，可以对容量偏低的电芯进行均衡，均衡方式为在充电末端时采用被动均衡对其进行放电或主动均衡将它的能量转移走。
当BMS识别出容量偏高时，则不用处理。
本发明方法能够有效判定电池包不均衡故障的类型，体现故障产生的实质原因，并经有效的均衡策略进行有针对性的改善，改善了电池包的动力性能，延长了电池包的使用寿命，降低了电池包的使用成本。
实施例2
本例与实施例1的区别在于，
设定电压特性参数P为放电末端的截止电压值。
针对判定出的不同故障类型采取的均衡措施为：
当BMS识别出SOC高的故障电芯时，选择在放电末端时对目标电芯进行进行均衡，均衡方式为能量转移型的主动均衡。
当BMS识别出SOC低的故障电芯时，选择在充电末端时，对其进行均衡，均衡方式为电池包内能量转移型的主动均衡。
当BMS识别出容量偏低时，如果额定容量过低的程度过大就要更换电池单体，如果在一定范围内，可以对容量偏低的电芯进行均衡，均衡方式为在放电末端时采用主动均衡对其进行充电。
本发明方法能够有效判定电池包不均衡故障的类型，体现故障产生的实质原因，并经有效的均衡策略进行有针对性的改善，改善了电池包的动力性能，延长了电池包的使用寿命，降低了电池包的使用成本。

Claims (5)

1.一种电池包不均衡故障判定及均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，故障判定：
S11，设定电池包荷电状态SOC的计算公式：及电池包工作电流i的方向，i＞0为充电，i＜0为放电，其中，SOCt是t时刻的荷电状态，SOC0是初始时刻的荷电状态；
S12，根据电池体系的充放电特点，设定电池充放电中的某节点K，及相应情况下的电压特性参数P；
S13，根据选定的电压特性参数P并结合电池动力性能设定偏离标准值Pm和故障阀值V；
S14，在电池包工作达到设定的节点K时，检测是否有电池单体的电压特性参数值Ps与偏离标准值Pm的偏差达到|Ps-Pm|≥V，
如果没有，则判定电池包电压正常，无不均衡故障；
如果有，则判定电池包存在电压不均衡故障，并记录该单体电池的电压差故障信息，包含数据：电流方向ix、电池单体电压特性参数值Psx和偏离标准值Pm；
S15，将该单体电池本次故障信息数据存储至电池管理系统BMS历史故障记录，如已有该单体电池工作电流方向相同的历史故障记录，则覆盖该单体电池工作电流方向相同的历史故障记录；
S16，根据电池包工作状态判断故障类型：
判断本次记录电流方向ix是否＞0，
如果ix＞0，则，
检查电池管理系统BMS存储的历史故障数据中有没有该单体电池的工作电流方向相反(i0＜0)的历史故障记录，
如果没有，则故障判定终止；
如果有，则将历史记录数据与本次记录数据进行计算比较，对该单体电池进行故障类型判断：
若Psx-Pm≥V，Ps0负-Pm≤-V，则判定故障为电池单体额定容量过低；
若Psx-Pm≥V，Ps0负-Pm≥V，则判定故障为电池单体荷电状态SOC过高；
若Psx-Pm≤-V，Ps0负-Pm≤-V，则判定故障为电池单体荷电状态SOC过低；
若Psx-Pm≤-V，Ps0负-Pm≥V，则判定故障为电池单体额定容量过高；
如果ix＜0，则，
检查电池管理系统BMS存储的历史故障数据中有没有该单体电池的工作电流方向相反(i0＞0)的历史故障记录，
如果没有，则故障判定终止；
如果有，则将历史记录数据与本次记录数据进行计算比较，对该单体电池进行故障类型判断：
若Ps0正-Pm≥V，Psx-Pm≤-V，则判定故障为电池单体额定容量过低；
若Ps0正-Pm≥V，Psx-Pm≥V，则判定故障为电池单体荷电状态SOC过高；
若Ps0正-Pm≤-V，Psx-Pm≤-V，则判定故障为电池单体荷电状态SOC过低；
若Ps0正-Pm≤-V，Psx-Pm≥V，则判定故障为电池单体额定容量过高；
第二步，均衡策略：
当BMS识别出SOC高的故障电芯时，选择放电末端时对目标电芯进行均衡；
当BMS识别出SOC低的故障电芯时，选择充电末端时对目标电芯进行均衡；
当BMS识别出容量偏低时，如果额定容量过低的程度过大就要更换电池单体，
如果在一定范围内，可以对容量偏低的电芯进行均衡；
当BMS识别出容量偏高时，则不用处理。
2.根据权利要求1所述的电池包不均衡故障判定及均衡方法，其特征在于，所述节点K根据电池包SOC设定。
3.根据权利要求2所述的电池包不均衡故障判定及均衡方法，其特征在于，所述电压特性参数P根据充电末端的截止电压设定。
4.根据权利要求2所述的电池包不均衡故障判定及均衡方法，其特征在于，所述电压特性参数P根据放电末端的截止电压设定。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电池包不均衡故障判定及均衡方法，其特征在于，所述偏离标准值Pm为电池包所有电池单体的电压平均值。
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