CN107064803A - 电池内短路的在线检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动力电池内短路的在线检测方法，包括如下步骤：充、放电过程中，当动力电池荷电状态大于预设的第一阈值时，对动力电池中各电芯的电压进行监测和记录；依据所记录的各电芯历史监测电压，判断是否存在充电过程中电压小于第二阈值、且放电过程中电压小于第三阈值的电芯，若存在则将对应电芯标记为内短路电芯。本发明可以可准确判断车辆运行过程中动力电池内部短路故障的发生，保证车辆和人员安全。

Description

电池内短路的在线检测方法
技术领域
本发明属于电池检测领域，具体涉及一种电池内短路的在线检测方法。
背景技术
电池内短路现象示意图如图1所示，其形成原因为：由于电池内部存在杂质，以及使用过程中可能形成的锂枝晶导致电池内部隔膜2破损，正负极直接接触，从而区域1处出现内部短路。
由于电池为密封结构，一旦电池发生了内短路，将不可终止，直到电池电量耗尽。电池内短路会造成以下影响：(1)电池存在持续的内部放电，电压及带电量持续降低；(2)电池内部由于持续的电流通过，会造成局部发热，还有可能引发电池的复杂电化学反应，造成热量持续聚集，进而引燃电池。
由于电池内短路存在可预见性低、不可终止、以及危害性大的特点，所以在车载动力电池的使用时，对动力电池的内部短路的尽早发现并处理，对于保证车辆可靠及安全运行极其重要。
目前电池的内短路判断方法如有下几种：
1、通过对疑似内短路的电池进行解体分析，检测绝缘层有无破损来判断电池是否出现内短路；该方法是目前最准确的判断电池是否出现内短路的方法，常用作原因分析及后续改进的方法，但该方法不能满足车载动力电池使用时的在线检测需要，无法对动力电池发生内部短路做到及时检测及处理。
2、通过检测电池之间的静态电压差值，判断静态电压差值是否持续扩大来判断电池是否出现内短路；该方法本身就需要较的长时间来检测和判断，而且由于电池均衡的存在，因此在车载动力电池使用时不能及时有效的进行内短路的判断。
3、动力电池的内短路检测方法(专利授权公告号CN102565611B)所提出的在线分析方法，包括：(1)检测电池电压是否低于设定值，来判断是否标记为电池内部短路；(2)检测电池在放电末端的静态电压差是否过大，来判断是否标记为电池内部短路；(3)通过检测电池的充放电电压截止次数来进一步判断(1)和(2)所标记的电池内部短路是否为真。
上述方法2、3的核心思想都是基于电池间的荷电状态差异来判断电池是否存在内部短路，但通常会有多种原因导致上述方法中判断依据所述现象的产生，例如：由于电池本身存在一致性差异，使电池单体间的容量衰减不一致，造成并联电芯中的部分电芯衰减过快的问题，以及由于电池与电压采样电路之间的接触不良的问题等，都可能导致上述现象的发生，但这些问题都不是由电池的内短路造成的。
同时由于目前的车载电池管理系统都具备电池的均衡功能，以对电池间的差异进行均衡，所以在电池内短路发生后，必须持续存在一定时间后，才有可能出现上述现象，所以上述方法2、3在实际应用中的有效性会进一步降低。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决快速、准确的发现内短路电池的问题，本发明提出了一种动力电池内短路的在线检测方法，包括如下步骤：
充、放电过程中，当动力电池荷电状态大于预设的第一阈值时，对动力电池中各电芯的电压进行监测和记录；
依据所记录的各电芯历史监测电压，判断是否存在充电过程中电压小于第二阈值、且放电过程中电压小于第三阈值的电芯，若存在则将对应电芯标记为内短路电芯。
优选地，在所述对动力电池中各电芯的电压进行监测前，设置有是否进行监测的判断步骤，该步骤包括：
计算动力电池中各串电芯间压差，若存在小于预设的第四阈值的压差，则对动力电池中各电芯的电压进行监测。
优选地，所述第二阈值为动力电池中所有电芯的平均电压与预设第一电压变量的差值，所述第三阈值为动力电池中所有电芯的平均电压与预设第二电压变量的差值。
优选地，充电过程中电压小于第二阈值的电芯的检测方法为：
步骤A1，依据所监测到的各电芯的电压，计算动力电池中所有电芯的平均电压，并对应的计算第二阈值；
步骤A2，依次将各电芯的电压与所述第二阈值进行对比，判断是否存在电压小于所述第二阈值的电芯，若存在则执行步骤A3，若不存在则执行步骤A4；
步骤A3，将电压小于所述第二阈值的电芯标记为充电过程最低电压电芯；
步骤A4，等待充电电流大于充电电流预设值时重复上述步骤。
优选地，所述充电电流预设值的取值范围为[2C，5C]，其中C为充放电倍率。
优选地，所述充电电流预设值为2C。
优选地，放电过程中电压小于第三阈值的电芯的检测方法为：
步骤B1，依据所监测到的各电芯的电压，计算动力电池中所有电芯的平均电压，并对应的计算第三阈值；
步骤B2，依次将各电芯的电压与所述第三阈值进行对比，判断是否存在电压小于所述第三阈值的电芯，若存在则执行步骤B3，若不存在则执行步骤B4；
步骤B3，将电压小于所述第三阈值的电芯标记为放电过程最低电压电芯；
步骤B4，等待放电电流大于放电电流预设值时重复上述步骤。
优选地，所述放电电流预设值的取值范围为[5C，8C]，其中C为充放电倍率。
优选地，所述放电电流预设值为5C。
优选地，所述第一阈值的取值范围为[50％，90％]。
优选地，所述第四阈值为20mv。
优选地，所述第一电压变量为50mv；所述第二电压变量为100mv。
优选地，将电芯标记为内短路电芯后，还设置有处理步骤，包括：发送报警信息和充电禁止、或电池能量回收禁止、或冷却系统最大能力工作、或系统功率限制至跛行模式。
优选地，所述跛行模式，其对应系统功率的取值范围为[7kw，10kw]。
本发明可以可准确判断车辆运行过程中动力电池内部短路故障的发生，保证车辆和人员安全。
方案1、一种动力电池内短路的在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
充、放电过程中，当动力电池荷电状态大于预设的第一阈值时，对动力电池中各电芯的电压进行监测和记录；
依据所记录的各电芯历史监测电压，判断是否存在充电过程中电压小于第二阈值、且放电过程中电压小于第三阈值的电芯，若存在则将对应电芯标记为内短路电芯。
方案2、根据方案1所述的方法，其特征在于，在所述对动力电池中各电芯的电压进行监测前，设置有是否进行监测的判断步骤，该步骤包括：
计算动力电池中各串电芯间压差，若存在小于预设的第四阈值的压差，则对动力电池中各电芯的电压进行监测。
方案3、根据方案2所述的方法，其特征在于，所述第二阈值为动力电池中所有电芯的平均电压与预设第一电压变量的差值，所述第三阈值为动力电池中所有电芯的平均电压与预设第二电压变量的差值。
方案4、根据方案3所述的方法，其特征在于，充电过程中电压小于第二阈值的电芯的检测方法为：
步骤A1，依据所监测到的各电芯的电压，计算动力电池中所有电芯的平均电压，并对应的计算第二阈值；
步骤A2，依次将各电芯的电压与所述第二阈值进行对比，判断是否存在电压小于所述第二阈值的电芯，若存在则执行步骤A3，若不存在则执行步骤A4；
步骤A3，将电压小于所述第二阈值的电芯标记为充电过程最低电压电芯；
步骤A4，等待充电电流大于充电电流预设值时重复上述步骤。
方案5、根据方案4所述的方法，其特征在于，所述充电电流预设值的取值范围为[2C，5C]，其中C为充放电倍率。
方案6、根据方案4所述的方法，其特征在于，所述充电电流预设值为2C。
方案7、根据方案3所述的方法，其特征在于，放电过程中电压小于第三阈值的电芯的检测方法为：
步骤B1，依据所监测到的各电芯的电压，计算动力电池中所有电芯的平均电压，并对应的计算第三阈值；
步骤B2，依次将各电芯的电压与所述第三阈值进行对比，判断是否存在电压小于所述第三阈值的电芯，若存在则执行步骤B3，若不存在则执行步骤B4；
步骤B3，将电压小于所述第三阈值的电芯标记为放电过程最低电压电芯；
步骤B4，等待放电电流大于放电电流预设值时重复上述步骤。
方案8、根据方案7所述的方法，其特征在于，所述放电电流预设值的取值范围为[5C，8C]，其中C为充放电倍率。
方案9、根据方案8所述的方法，其特征在于，所述放电电流预设值为5C。
方案10、根据方案1～9任一项所述的方法，其特征在于，所述第一阈值的取值范围为[50％，90％]。
方案11、根据方案2～9任一项所述的方法，其特征在于，所述第四阈值为20mv。
方案12、根据方案3～9任一项所述的方法，其特征在于，所述第一电压变量为50mv；所述第二电压变量为100mv。
方案13、根据方案1～9任一项所述的方法，其特征在于，将电芯标记为内短路电芯后，还设置有处理步骤，包括：发送报警信息和充电禁止、或电池能量回收禁止、或冷却系统最大能力工作、或系统功率限制至跛行模式。
方案14、根据方案13所述的方法，其特征在于，所述跛行模式，其对应系统功率的取值范围为[7kw，10kw]。
附图说明
图1是电池内短路现象示意图；
图2是电池SOC与内阻关系示意图；
图3是本发明动力电池内短路的在线检测方法流程示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明通过电池的SOC(State of Charge，荷电状态)、静态电压、充电电压一致性、放电电压一致性等信息，来判断动力电池中电芯的内部短路故障。
本发明的一种动力电池内短路的在线检测方法，包括如下步骤：
充、放电过程中，当动力电池SOC大于预设的第一阈值时，对动力电池中各电芯的电压进行监测和记录；
依据所记录的各电芯历史监测电压，判断是否存在充电过程中电压小于第二阈值、且放电过程中电压小于第三阈值的电芯，若存在则将该电芯标记为内短路电芯。
如图2所示，电芯的内阻R的变化影响着电芯工作时的过电势(也叫过电位或超电势)大小，在同一温度下，过电势随着SOC的变化而变化，为精确判断动力电池内部短路故障，需要在特定的SOC范围内进行检测，以减小电池内阻的变化。特定的SOC范围为大于设定的第一阈值的区间，通常设定的第一阈值为大于50％的SOC取值。
为了降低系统运算负荷，本发明在对动力电池中各电芯的电压进行监测前，设置有是否进行监测的判断步骤，该步骤包括：计算动力电池中各串电芯间压差，若存在小于预设的第四阈值的压差，则对动力电池中各电芯的电压进行监测。
动力电池中的电芯结构通常采用“N并M串”的方式进行表述，其中“N并”表示存在N个串联电芯组，“M串”表示每个串联电芯组中串联设置M个电芯；所述的各串电芯为串联电芯组中各串联设置的电芯，所述各串电芯间压差为各串联设置的电芯之间的压差。
本实施例中，所述第二阈值为动力电池中所有电芯的平均电压与预设第一电压变量的差值，所述第三阈值为动力电池中所有电芯的平均电压与预设第二电压变量的差值。
电芯的内部短路故障，严重时可能引发单体电芯的热失控。热失控是一种电芯内部由于温度较高，引发剧烈电解液分解等化学反应，从而发生电芯持续升温并伴随释放高温气体/液体的现象。因此需要在判定电芯内部短路故障发生后，设置相应的处理步骤，以保证车辆及人员安全。
在判定电芯内部短路故障发生后，所设置的处理步骤可以包括发送报警信息和以下任一方案或多种方案的组合：
(1)系统功率限制至跛行模式：限制电池的工作电流，以降低电芯内部短路区域的发热，降低发生热失控的可能性，为保证车辆是可移动性，通常跛行模式对应系统功率的取值范围为[7kw，10kw]；
(2)电池系统冷却系统最大能力工作，以降低电池温度，降低发生热失控的可能性；
(3)禁止能量回收及充电，电池发生内部短路后应尽量降低电池的所储存的能量，降低危害；
(4)电池管理系统充电禁止。
下面结合优选的实施方式进行详细说明，如图3所示，包括：
步骤1，检测当前动力电池SOC是否大于预设的第一阈值，若大于则执行步骤2。第一阈值的取值范围为[50％，90％]，本实施例中取值为50％。
步骤2，计算动力电池中各串电芯间压差，若存在小于预设的第四阈值的压差，对动力电池中各电芯的电压进行监测和记录，并执行步骤3。第四阈值为20mv。
步骤3，若为充电过程，则执行步骤4，否则执行步骤5；
步骤4，检测充电过程中电压小于第二阈值的电芯，具体包括步骤A1～步骤A4。第二阈值为动力电池中所有电芯的平均电压与预设第一电压变量的差值，第一电压变量为50mv。
其中，检测充电过程中电压小于第二阈值的电芯的步骤包括：
步骤A1，依据所监测到的各电芯的电压，计算动力电池中所有电芯的平均电压，并对应的计算第二阈值；
步骤A2，依次将各电芯的电压与第二阈值进行对比，判断是否存在电压小于第二阈值的电芯，若存在执行步骤A3，若不存在则执行步骤A4；
步骤A3，将电压小于第二阈值的电芯标记为充电过程最低电压电芯；
步骤A4，等待充电电流大于充电电流预设值时再次执行步骤A1步骤。充电电流预设值的取值范围为[2C，5C]，本实施例中充电电流预设值为2C，其中C为充放电倍率
步骤5，检测放电过程中电压小于第三阈值的电芯，具体包括步骤B1～步骤B4。所述第三阈值为动力电池中所有电芯的平均电压与预设第二电压变量的差值，所述第二电压变量为100mv。
其中，检测放电过程中电压小于第三阈值的电芯的步骤包括：
步骤B1，依据所监测到的各电芯的电压，计算动力电池中所有电芯的平均电压，并对应的计算第三阈值；
步骤B2，依次将各电芯的电压与第三阈值进行对比，判断是否存在电压小于第三阈值的电芯，若存在执行步骤B3，否则执行步骤B4；
步骤B3，将电压小于第三阈值的电芯标记为放电过程最低电压电芯；
步骤B4，等待放电电流大于放电电流预设值时再次执行步骤B1步骤。放电电流预设值的取值范围为[5C，8C]，本实施例中放电电流预设值为5C。
步骤6，筛选同时标记有充电过程最低电压电芯、放电过程最低电压电芯的电芯，并将对应电芯标记为内短路电芯。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动力电池内短路的在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
充、放电过程中，当动力电池荷电状态大于预设的第一阈值时，对动力电池中各电芯的电压进行监测和记录；
依据所记录的各电芯历史监测电压，判断是否存在充电过程中电压小于第二阈值、且放电过程中电压小于第三阈值的电芯，若存在则将对应电芯标记为内短路电芯。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述对动力电池中各电芯的电压进行监测前，设置有是否进行监测的判断步骤，该步骤包括：
计算动力电池中各串电芯间压差，若存在小于预设的第四阈值的压差，则对动力电池中各电芯的电压进行监测。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二阈值为动力电池中所有电芯的平均电压与预设第一电压变量的差值，所述第三阈值为动力电池中所有电芯的平均电压与预设第二电压变量的差值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，充电过程中电压小于第二阈值的电芯的检测方法为：
步骤A1，依据所监测到的各电芯的电压，计算动力电池中所有电芯的平均电压，并对应的计算第二阈值；
步骤A2，依次将各电芯的电压与所述第二阈值进行对比，判断是否存在电压小于所述第二阈值的电芯，若存在则执行步骤A3，若不存在则执行步骤A4；
步骤A3，将电压小于所述第二阈值的电芯标记为充电过程最低电压电芯；
步骤A4，等待充电电流大于充电电流预设值时重复上述步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述充电电流预设值的取值范围为[2C，5C]，其中C为充放电倍率。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述充电电流预设值为2C。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，放电过程中电压小于第三阈值的电芯的检测方法为：
步骤B1，依据所监测到的各电芯的电压，计算动力电池中所有电芯的平均电压，并对应的计算第三阈值；
步骤B2，依次将各电芯的电压与所述第三阈值进行对比，判断是否存在电压小于所述第三阈值的电芯，若存在则执行步骤B3，若不存在则执行步骤B4；
步骤B3，将电压小于所述第三阈值的电芯标记为放电过程最低电压电芯；
步骤B4，等待放电电流大于放电电流预设值时重复上述步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述放电电流预设值的取值范围为[5C，8C]，其中C为充放电倍率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述放电电流预设值为5C。
10.根据权利要求1～9任一项所述的方法，其特征在于，所述第一阈值的取值范围为[50％，90％]。
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