CN107153162A - 一种动力电池组多故障在线检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池组多故障在线检测系统及方法，在由n节电池单体或并联模组串联而成的电池组中，利用2n个电压传感器对电压交叉测量，获取采集电压信号；依次进行诊断是否存在传感器故障和诊断是否存在接触点故障，在确定电池系统中并无传感器故障和接触点故障后，确定电池本身是否出现短路、过充/放故障。本发明可与其他电池短路、过充/放等其他故障的诊断方法实现简便嫁接，本发明可排除电压测量问题和接触点电阻问题，保证了输入量的准确性，能够增加故障诊断结果的准确性。

Description

一种动力电池组多故障在线检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种动力电池组多故障在线检测系统及方法。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度、高功率密度等特点，因而已在电动汽车中得到广泛应用，电池管理系统(Battery Management System，BMS)是动力电池系统的“大脑”，实时管理着由成百上千个电池单体组成的电池组，但是在系统层面上动力电池系统仍有许多潜在缺陷，首当其冲的是安全问题，而先进的故障诊断技术是保证动力电池系统安全运行、BMS可靠工作的核心保障。锂离子电池的故障类型主要包括：传感器故障(测量故障)、电池自身故障(内阻异常、过压、欠压、过流)、接触电阻故障(接触点故障)等，这些故障虽然类型不同，但最终都可能演化为热失控等严重故障。除电池本身出现过充/放、物理结构破坏等因素引发的外(内)短路等故障外，在动力电池组中，由电池单体并联构成的模块通常再通过铜片铝片与其他模块相连，并利用螺丝拧紧，但在电动汽车复杂的行驶工况下，连接点可能出现老化、松落等现象，具体表现为电池接触电阻过大，导致连接点故障(接触故障)。这些故障均可导致局部温升，使得热量传播造成大面积热失控最终引发火灾。大多数安全事故可以通过检测初期局部故障，及时处理而避免，大面积热失控可以被提前抑制。另一方面，电池故障多由电压、电流、温度信号综合判定得到，但在运行过程中可能出现传感器故障，同样可能导致错误诊断结果，造成误警。总之，先进故障诊断系统不仅必须快速检测到故障的发生，而且需要准确判断故障类型及故障点，以便及时、正确诊断和处理。

现有车载的动力电池多为先并联后串联的电池组，而故障诊断系统建立在数据采集系统的基础上，需要同时测量每串联单体(单体电池并联之后的模块)的电压和主电路电流，并通过电池系统内的分布温度传感器测量温度，电池管理系统中的故障诊断可通过采集得到的电压电流温度信号分析得知，但现有BMS无法满足故障类型和故障点的快速准确诊断，具体问题主要表现为：

1)现有电压测量电路多为每串联单体连接一个电压传感器，但是受制于电压传感器的可靠性，可能会发生卡死(卡在某值)故障、恒增益故障(乘性故障)、恒偏差故障等情况，因此，传感器故障可能引发电池故障误检测。

2)解决传感器故障的方法通常是在每一个测量电压的地方同时加入两个传感器，若出现某一个电压信号异常且两个电压传感器差值过大，则可判定出现传感器故障而不是电池出现故障。另外一种解决方法是不仅测量每个串联单位的电压，而且通过测量电路总电压对应各传感器所得电压的和，来确定是否出现传感器故障。但上述两种方法仍然存在相同技术漏洞，即无法检测出连接点故障。例如在某节电池出现连接点故障之后，测量点电压跌落，传感器同时传出故障信号，此时真实故障点在电压测量点至电极的连接处，并不在电池内，仍可能误判为其它故障，这就无法有效甄别真实故障类型和故障发生位置，发生误判。

3)解决接触点故障问题可利用解析冗余方法，即利用香农熵、样本熵等方法通过区分电池故障和连接点故障时电压响应能够辨别出连接点故障，但这些方法需要十分庞大的计算量，现阶段只存在于科研研究阶段，现有BMS的计算能力达不到其要求，所以这些方法工业应用仍然很难。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种动力电池组多故障在线检测方法，本发明能够解决电池中存在的不同故障类型和故障点的快速准确诊断问题，其中测量电路通过交叉式电压测量设计，并利用相应故障诊断方法甄别多种故障(电池自身故障、传感器故障、接触点故障)类型和故障点，实现了对电池电压信号的冗余，保证电压信号的可靠性，并实现了对接触点电阻分压的检测，可有效甄别连接点故障及传感器故障，在排除传感器故障和连接点故障后，可通过所得电池测量参数进一步诊断电池出现的其他自身故障。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动力电池组多故障在线检测系统，包括电池主电路和测量电路，其中电池主电路由n节电池串联成组，测量电路包含2n个电压传感器、电流传感器和温度传感器，其中，每两个电压传感器与串联单体交叉并联，检测输出电压，电流传感器串联在主电路上检测输出电流，温度传感器分布在电池各处测量温度。

电压传感器采用交叉式连接方式。

每个电压传感器测量的不仅是某一节电池的电压，同时均包含此节电池到临近某节电池的连接点电阻所分担电压。

一种动力电池组多故障在线检测方法，包括以下步骤：

(1)在由n节电池单体或并联模组串联而成的电池组中，利用2n个电压传感器对电压交叉测量，获取采集电压信号；

(2)对照所有电池对应的两个电压传感器所测值是否相近，计算最大单体电压差，若i号电池对应的两个电压测量值的差值大于电池均衡阈值，且i-1、i+1号电池的测量信号并未出现异常，则判断i号电池的传感器出现故障；

(3)诊断是否存在接触点故障，当第i号电池与i+1号所对应的2i-1号、2i号及2i+1号、2i+2号两组电压传感器电压测量值均出现差值过大情况，大于设定阈值I·Δ，则判定第i号电池与i+1号电池之间接触电阻过大，出现接触点故障；

(4)在确定电池系统中并无传感器故障和接触点故障后，确定电池本身是否出现短路、过充/放故障。

所述步骤(1)中，两个电压传感器与每个串联电池单体并联，检测输出电压，电流传感器串联在主电路上检测输出电流。

所述步骤(1)中，电池组中电池单体分别命名为1到n号电池，其中1号电压传感器分别连接1号电池正极和2号电池正极，2号电压传感器分别连接对外正极输出端和1号电池负极；第2i-1号电压传感器分别连接i号电池正极和i+1号电池正极，第2i号电压传感器分别连接i-1号电池的负极和i号电池的负极；在末端，第2n-1号电压传感器分别连接第n号电池的正极和电池组的负极输出端，2n号电压传感器分别连接n-1号电池的负极和n号电池的负极。

所述步骤(2)中，若两个传感器出现测量值差距过大且通过对比两侧传感器未出现异常情况排除接触点电阻增大带来的故障，则判定某节电池出现传感器故障，并可通过传感器编号确定故障点。

所述步骤(3)中，当串联电池之间出现接触点故障时，在第i号电池与i+1号电池之间出现接触电阻变大的情况，则对应的2i-1号电压传感器和2i+2号电压传感器会同时电压跌落，电压值低于2i和2i+1传感器所采集电压值。

所述步骤(4)中，当电池本身出现短路故障时，当第i号电池出现外短路故障时，则对应的2i-1号电压传感器和2i号电压传感器会同时电压跌落，与接触点故障不同的是出现波动的传感器序号不同，与传感器故障不同之处在于测量i号电池的两个传感器均检测到电压异常。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)可以满足现有动力电池先并联后串联结构的多故障诊断需求，并实现对故障类型和故障点的有效判定。

(2)与每个电池对应一个电压传感器的电路结构相比，确保了测量电压的有效性，并可有效检测接触电阻过大位置，增加了诊断电池系统中接触点故障及传感器故障的功能；

(3)与普通冗余电压测量电路相比，可有效检测测量点与电池电极之间可能出现的接触电阻变大，导致分压过多的情况，与解析冗余(样本熵、香农熵等)方法相比，解析冗余方法判定接触电阻大大增加了系统的运算负荷，不符合现有BMS的实际应用，而通过本发明提到的交叉式测量电路可通过简单运算检测接触故障及传感器故障；

(4)本发明可与其他电池短路、过充/放等其他故障的诊断方法实现简便嫁接，本发明可排除电压测量问题和接触点电阻问题，保证了输入量的准确性，能够增加故障诊断结果的准确性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一种动力电池组多故障在线检测方法所需交叉式串联电池组电压测量电路的组成示意图；

图2为本发明一种交叉式串联电池组电压测量电路的局部细节图；

图3为本发明在Matlab/Simulink上搭建的电池组仿真示例模型；

图4为电池正常工况结果图；

图5为5号传感器故障结果图；

图6为2号与3号电池间接触故障结果图；

图7为3号电池短路故障结果图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种动力电池组多故障在线检测方法所需硬件部分，包括含有n节串联电池组、2n个电压传感器、电流传感器、开关、负载等，其中，电池、开关、负载串联组成主电路，每两个电压传感器与每个串联电池单体并联，检测输出电压，电流传感器串联在主电路上检测输出电流，另外为了有效检测及诊断电池故障，需要外部温度传感器及电池管理系统对数据处理运算配合得到。其中需要说明的是电压传感器需要使用交叉式连接，例如电池组中电池单体分别命名为1到n号电池，其中1号电压传感器分别连接1号电池正极和2号电池正极，2号电压传感器分别连接对外正极输出端和1号电池负极；第2i-1号电压传感器分别连接i号电池正极和i+1号电池正极，第2i号电压传感器分别连接i-1号电池的负极和i号电池的负极；在末端，第2n-1号电压传感器分别连接第n号电池的正极和电池组的负极输出端，2n号电压传感器分别连接n-1号电池的负极和n号电池的负极。

本发明可有效区分电池传感器故障、连接点故障及短路、过充/放等电故障，具体工作原理为：

每个电压传感器不仅测量的是某一节电池的电压，同时均包含此节电池到临近某节电池的连接点电阻所分担电压，设主电路电流为I，第i号电压传感器的电压表示为U_i，第i号电池实际电压为U_ai，第i节电池到第i+1节电池间的接触电阻为R_(i,i+1)，故电路中电压关系可表示为公式(1)：

需要说明的是接触电阻R_(i,i+1)在电池正常状态下几乎为零，所以其分担电压可以忽略不计，但在发生接触故障后，接触电阻无法被忽略。可以由(1)式看出每个电池电压分别与两个传感器所得电压相关，且每个接触电阻也与两个传感器所得电压相关。

在忽略某一节电池接触点故障和传感器故障同时发生这一小概率事件基础上。当电池电压测量出现传感器故障时，可通过对比同一个电池两个测量值，例如对1号电池对应1号和2号电压传感器，通过设定合理阈值U_α，若两个传感器出现测量值差距过大且通过对比两侧传感器未出现异常情况排除接触点电阻增大带来的故障，则可判定某节电池出现传感器故障，并可通过传感器编号确定故障点。设传感器故障矢量为f_s(t)，则第2i-1号传感器出现故障时，可通过(2)式求得：

f_s1(t)＝|U_2i-1-U_2i|＞U_α

&f_s2(t)＝|U_2i+1-U_2i+2|＜U_α

&f_s3(t)＝|U_2i-3-U_2i-2|＜U_α (2)

当串联电池之间出现接触点故障时，例如在第i号电池与i+1号电池之间出现接触电阻变大的情况，则对应的2i-1号电压传感器和2i+2号电压传感器会同时电压跌落，电压值低于2i和2i+1传感器所采集电压值。设接触点故障矢量为f_c(t)，故障触发阈值为I·Δ，则第2i-1号传感器出现故障时，可得：

当电池本身出现短路等故障时，例如当第i号电池出现外短路故障时，则对应的2i-1号电压传感器和2i号电压传感器会同时电压跌落，与接触点故障不同的是出现波动的传感器序号不同，与传感器故障不同之处在于测量i号电池的两个传感器均检测到电压异常。故可通过求取2i-1和2i号的电压差是否小于阈值U_σ(取大于测量噪声的值)，其中电压测量误差表示为U_δ，同时判定电压是否出现异常，例如在短路故障中利用电压变化率是否大于阈值U_η′，来最终确定短路故障的发生(文中只列举此一种简单短路判定方法，本发明电路同样适合使用其他方法来判定电池本身的故障)。设电池短路故障矢量为f_s(t)，则第i号电池出现短路故障时，可得：

通过上述原理，可利用本发明所提出电压测量电路拓扑有效区分动力电池组中出现的接触点故障、传感器故障及电池本身短路过充等故障，并可准确判断故障点位置，包括确定出现异常的传感器编号，确定出现接触点故障位置及出现异常工况的电池编号。

一种动力电池组多故障在线检测方法的实现，包括以下步骤：

获取采集电压信号：在由n节电池单体(或并联模组)串联而成的电池组中，利用2n个电压传感器对电压交叉测量；

诊断是否存在传感器故障：对照所有电池对应的两个电压传感器所测值是否相近，计算最大单体电压差，若i号电池对应的两个电压测量值的差值大于电池均衡阈值，且i-1、i+1电池的测量信号并未出现异常，则判断i号电池的传感器出现故障；

诊断是否存在接触点故障：当第i号电池与i+1号所对应的2i-1号、2i号及2i+1号、2i+2号两组电压传感器电压测量值均出现差值过大情况，大于设定阈值I·Δ，则判定第i号电池与i+1号电池之间接触电阻过大，已出现接触点故障；

诊断是否存在电池短路等其他故障：在确定电池系统中并无传感器故障和接触点故障后，可通过其他方法确定电池本身是否出现短路、过充/放等故障，其中第i号电池所对应的2i-1号、2i号电压传感器均为有效采集。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1、图2所示，一种动力电池组多故障在线检测方法的硬件部分，包括含有n节串联电池组、2n个电压传感器、电流传感器、开关、负载等，其中，电池、开关、负载串联组成主电路，电压传感器与每个串联单位并联，检测输出电压，电流传感器串联在主电路上检测输出电流，另外为了有效检测及诊断电池故障，需要外部温度传感器及电池管理系统对数据处理运算配合得到。如图1中所示，电压传感器需要使用交叉式连接，其实物细节图如图2所示，电池组的串联单体分别命名为1到n号电池，其中1号电压传感器分别连接1号电池正极和2号电池正极，2号电压传感器分别连接对外正极输出端和1号电池负极；第2i-1号电压传感器分别连接i号电池正极和i+1号电池正极，第2i号电压传感器分别连接i-1号电池的负极和i号电池的负极；在末端，第2n-1号电压传感器分别连接第n号电池的正极和电池组的负极输出端，2n号电压传感器分别连接n-1号电池的负极和n号电池的负极。

所述电流传感器、开关、负载根据该电池的应用场合不同而改变，本发明不要求特定型号，故并未在图中显示；

所述电压传感器仅是对各类测量电压的设备统称，可随着系统的要求改变，但该2n个电压传感器需使用同一型号，保证电压信号之间对比的有效性；

所述串联单位电池是指在动力电池等大型电池系统中，所需要的最小电压测量单位，例如在许多商用电动汽车中，电池由若干18650电池首先并联起来成为模块，再以并联模块为单位串联起来，BMS通常采用仅测量每个并联模块电压的方法，所以在此时电池串联单体应指并联模块。

动力电池组多故障在线检测的实现方法，包括以下步骤：

获取采集电压信号：在由n节电池单体(或并联模组)串联而成的电池组中，利用2n个电压传感器对电压交叉测量；

诊断是否存在传感器故障：对照所有电池对应的两个电压传感器所测值是否相近，计算最大单体电压差，若i号电池对应的两个电压测量值的差值大于电池均衡阈值，且通过对比两边电池的测量差值是否出现异常排除出现接触点故障，则判断i号电池的传感器出现故障；

诊断是否存在接触点故障：当第i号电池与i+1号所对应的2i-1号、2i号及2i+1号、2i+2号两组电压传感器电压测量值均出现差值过大情况，大于设定阈值I·Δ，则判定第i号电池与i+1号电池之间接触电阻过大，已出现接触点故障；

诊断是否存在电池短路等其他故障：在确定电池系统中并无传感器故障和接触点故障后，可通过其他方法确定电池本身是否出现短路、过充/放等故障，其中第i号电池所对应的2i-1号、2i号电压传感器均为有效测量。

实施例一：

如图3，以在Matlab/Simulink上搭建的5节电池单体串联电路仿真示例模型为例，电池模型使用锂离子电池模型，设定平均电压7.2V，并将串联电池分别设定为SOC初值差最大8％，以模拟串联组电池间的不一致性。在串联电池之间均串联电阻，代表各电池连接的接触电阻，电压测量使用本发明中交叉式接法，但在电压输出端加入幅值为0.02V的随机噪声用于模拟实际电压测量中的测量误差，在主电路并入串联RLC模块模拟负载，另主电路中串联电流传感器测量主电路电压。图3中仅展示仿真模型主电路部分，采集电路并未显示。在仿真中，将各串联电池初始状态设置相同，并将各接触电阻初值设置为0.001Ω，此时为正常状态，模拟在实际应用中电池之间的电阻。

正常放电工况：电池组恒负载放电，过程中并未出现故障情况，得到结果如图4。所有电压数据相近，并未采集到故障信号。

传感器故障：令5号电压传感器的值在t＝1s时减去2V，用于模拟传感器出现差值故障，对比图4、图5可以看出，在t＝1s时，5号传感器数据出现电压突降，且其余传感器正常，通过上述故障判定原理可判定为5号传感器出现故障。

接触点故障：在运行过程中，令2号电池、3号电池间接触电阻在1s时突然变为0.5Ω，模拟电池接触点故障，电池接触电阻突然增大的情况。由图6，可知在t＝1s时，4号、5号电压传感器出现电压跌落情况，但其分别属于测量2号、3号电池的电压，由上述判定原理可知，当第i号电池与i+1号所对应的2i-1号、2i号及2i+1号、2i+2号两组电压传感器电压测量值均出现差值过大情况，则判定第i号电池与i+1号电池之间接触电阻过大，已出现接触点故障。故此时判定2号、3号电池之间接触电阻过大。

短路故障：对3号电池突加0.5Ω并联电阻持续1s，用于模拟电池短路故障，结果如图7。在t＝0.67s时，5号、6号电压传感器出现电压跌落情况，其同时测量3号电池的电压，由判定原理可知，第i号电池所对应的2i-1号、2i号电压传感器均出现短路类似情况，则判定此时3号电池出现短路故障。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种动力电池组多故障在线检测方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)在由n节电池单体或并联模组串联而成的电池组中，利用2n个电压传感器对电压交叉测量，获取采集电压信号；

(2)诊断是否存在传感器故障，对照所有电池对应的两个电压传感器所测值是否相近，计算最大单体电压差，若i号电池对应的两个电压测量值的差值大于电池均衡阈值，且i-1、i+1号电池的测量信号并未出现异常，则判断i号电池的传感器出现故障；

(3)诊断是否存在接触点故障，当第i号电池与i+1号所对应的2i-1号、2i号及2i+1号、2i+2号两组电压传感器电压测量值均出现差值过大情况，大于设定阈值I·，则判定第i号电池与i+1号电池之间接触电阻过大，,出现接触点故障；

(4)在确定电池系统中并无传感器故障和接触点故障后，确定电池本身是否出现短路、过充/放故障。

2.如权利要求1所述的一种动力电池组多故障在线检测方法，其特征是：所述步骤(1)中，两个电压传感器与每个串联电池单体并联，检测输出电压，电流传感器串联在主电路上检测输出电流。

3.如权利要求1所述的一种动力电池组多故障在线检测方法，其特征是：所述步骤(1)中，电池组中电池单体分别命名为1到n号电池，其中1号电压传感器分别连接1号电池正极和2号电池正极，2号电压传感器分别连接对外正极输出端和1号电池负极；第2i-1号电压传感器分别连接i号电池正极和i+1号电池正极，第2i号电压传感器分别连接i-1号电池的负极和i号电池的负极；在末端，第2n-1号电压传感器分别连接第n号电池的正极和电池组的负极输出端，2n号电压传感器分别连接n-1号电池的负极和n号电池的负极。

4.如权利要求1所述的一种动力电池组多故障在线检测方法，其特征是：所述步骤(2)中，若两个传感器出现测量值差距过大且通过对比两侧传感器未出现异常情况排除接触点电阻增大带来的故障，则判定某节电池出现传感器故障，并可通过传感器编号确定故障点。

5.如权利要求1所述的一种动力电池组多故障在线检测方法，其特征是：所述步骤(3)中，当串联电池之间出现接触点故障时，在第i号电池与i+1号电池之间出现接触电阻变大的情况，则对应的2i-1号电压传感器和2i+2号电压传感器会同时电压跌落，电压值低于2i和2i+1传感器所采集电压值。

6.如权利要求1所述的一种动力电池组多故障在线检测方法，其特征是：所述步骤(4)中，当电池本身出现短路故障时，当第i号电池出现外短路故障时，则对应的2i-1号电压传感器和2i号电压传感器会同时电压跌落，与接触点故障不同的是出现波动的传感器序号不同，与传感器故障不同之处在于测量i号电池的两个传感器均检测到电压异常。

7.一种动力电池组多故障在线检测系统，其特征是：包括电池主电路和测量电路，其中电池主电路由n节电池串联成组，测量电路包含2n个电压传感器、电流传感器和温度传感器，其中，每两个电压传感器与串联单体交叉并联，检测输出电压，电流传感器串联在主电路上检测输出电流，温度传感器分布在电池各处测量温度。

8.如权利要求7所述的一种动力电池组多故障在线检测系统，其特征是：电压传感器采用交叉式连接方式。

9.如权利要求7所述的一种动力电池组多故障在线检测系统，其特征是：每个电压传感器测量的不仅是某一节电池的电压，同时均包含此节电池到临近某节电池的连接点电阻所分担电压。