CN107187328A - 锂离子电池管理系统及电芯单体内阻在线测量诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开锂离子电池管理系统及电芯单体内阻在线测量诊断方法，包括主控单元、电芯传感监控单元和电流传感器；采用高低压分离，电芯传感监控单元用于监控测量锂离子电池电芯单体的电压；电流传感器用于测量电路主回路中的母线电流；主控单元则用于控制锂离子电池组的工作模式，控制继电器的断开和闭合，数据的处理与储存，以及电池电芯单体内阻的计算、处理与发送、电芯故障的诊断和警告；实现电池电芯单体内阻的在线测量，并能进行电池电芯故障和老化的诊断，更有效的监控锂离子电池组的性能和状态，为电池的保证提供有效的依据，为电池电芯的更换提供可靠的参考，为汽车整车的策略提供重要的信息，保证车辆和驾乘人员的安全。

Description

锂离子电池管理系统及电芯单体内阻在线测量诊断方法

技术领域

本发明涉及电池参数的测量，具体涉及锂离子电池管理系统及电芯单体内阻在线测量及故障诊断方法。

背景技术

目前在新能源汽车上已经开始大规模使用锂离子动力电池，由于锂离子电池单体电芯的容量和能量限制，必须采用成组技术，将多节电池串联使用，以实现锂离子动力电池组乃至新能源汽车整车的性能指标；而现有技术对于成组后的电芯单体内阻缺乏有效的测量手段，这样就增加了电池单体的健康状态与故障诊断的难度。

锂离子电池的性能与其健康状态密切相关，其中电池内阻是电池健康状态的关键指标，通过测量锂离子电池内阻可以评估、预测电池性能，判断电池的老化状况，预测电池的使用寿命，为控制策略例如充放电策略和续驶里程计算的调整提供依据，提升其可靠性；而电池内阻是指电流流过电池所受的阻力，电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻，欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜的内阻以及各部分零件的接触内阻；而极化内阻则是指正极与负极在进行电化学反应时极化所引起的内阻，是电化学极化和浓差极化所引起的内阻之和；电池电芯内阻的急剧变化是电芯故障的重要反映，例如隔膜穿刺或者内部短路引起内阻急剧减小，或者电解液泄漏、极板腐蚀、集流体接触不佳引起内阻急剧增大，都可以通过测量内阻诊断出故障电芯，进行相应的应急处理和电芯更换，避免引起进一步的安全隐患；由于电池内阻的重要作用，业内针对锂离子电池的内阻测量开展了大量研究。

但是由于锂离子电池是成组状态，在现有技术和条件下，实现单体内阻的测量十分复杂；而在新能源汽车的应用环境下，在线测量单体内阻更是非常困难。

现在已有的内阻测量方法分为直流法和交流法；直流法是对电池接入固定设备而且电池需要处于静态，通过外部负载进行大电流的充放电，同时测量电池的电压降，通过电池压降与放电电流的比值；得出电池的内阻；但是此种方式因为需要接入固定的测量设备，往往需要将电池包拆卸以供测量，十分麻烦，若是对于单体电芯进行测量，则需要彻底的拆解，在日常使用中，不具有实际操作性；交流法则适应面较广，但是测量的结果与所用信号的波型和频率以及电流强度有关，测量结果误差较大；其是通过对蓄电池施加一个交流低频的小电流信号，测量反馈的交流电压信号，通过交流电压的幅度和相位，并根据输入的交流电流信号，获得电池的阻抗；但是在交流法中，无法在在线环境下产生稳定的交流电流小信号，也无法高精度地采集交流电压信号，干扰严重；并且交流法还需要增加额外设备和器件，会加剧系统的复杂性和成本的增加，还无法排除噪音的影响，测量结果误差也很大；而且上述方法主要是针对电芯成组后的电池包进行整体测量，若将上述方法应用到单体内阻测量上，会进一步加大难度，可行性很低。

发明内容

本发明的目的是为提供一种实现新能源汽车车用锂离子电池电芯单体内阻在线测量以及基于内阻的电芯故障和老化诊断的锂离子电池管理系统及电池电芯单体内阻在线测量及故障诊断方法。

本发明通过以下技术方案实现：锂离子电池管理系统，用于监测管理由若干锂离子电池电芯单体组成的锂离子电池组，包括主控单元、电芯传感监控单元和电流传感器；所述电芯传感监控单元连接至锂离子电池组中的每个锂离子电池电芯单体并监控测量其端电压；所述电流传感器串联在锂离子电池组与电路主回路之间用于测量电路主回路中的母线电流；所述主控单元分别与电流传感器和电芯传感监控单元连接，并且还连接至整车通信网络，控制锂离子电池组的工作模式，数据的处理与储存，以及电池电芯单体内阻的计算、处理与发送、电芯故障的诊断和警告。

优选地，所述电路主回路与锂离子电池组之间串联有继电器，所述主控单元连接至继电器并控制继电器的断开和闭合，根据主控单元接收的整车信号以及锂离子电池组状态来判断是否开启断开继电器。

优选地，所述电芯传感监控单元内置前端芯片用以采集电池电芯单体的电压，保证采集的准确度和及时性。

优选地，所述主控单元与整车通信网络是通过CAN总线的通讯方式连接，方便数据传输。

锂离子电池管理系统的电芯单体内阻在线测量诊断方法，步骤如下：

步骤a）主控单元接收到启动信号并唤醒锂离子电池管理系统；

步骤b）主控单元控制继电器闭合；

步骤c）以继电器闭合为起点，电芯传感监控单元测量规定时间区间中的电池电芯两端的电压变化，其还内置前端芯片用于采集电池电芯单体的电压变化情况，数据输出至主控单元；

步骤d）以继电器闭合为起点，电流传感器测量规定时间区间中的母线电流的变化，并输出至主控单元；

步骤e）主控单元接收电芯传感监控单元和电流传感器测量得到的数据，根据继电器闭合为起点的步骤c和步骤d中规定时间区间内测量得到的电池电芯电压和母线电流，计算得出电池电芯单体的内阻；

步骤f）主控单元根据计算得到的电池电芯单体的内阻，计算内阻的平均值，并得到电池电芯单体内阻的最大值及其序列号，以及电池电芯单体内阻的最小值及其序列号；

步骤g）主控单元根据计算所得的电池电芯单体内阻的最大值、最小值与电池电芯单体内阻平均值的差值，若电池电芯单体内阻的最大值减去电池电芯单体内阻平均值的差值大于内阻过大故障报警限值，则报警并输出相应的电芯序列号，建议维护；若电池电芯单体内阻平均值减去电池电芯单体内阻的最小值的差值小于内阻过小故障报警限值，也报警并输出相应的电芯序列号，建议维护。

优选地，所述步骤a中唤醒锂离子电池管理系统后系统还需要进行上电自检，用于防止测量条件不满足导致测量结果不准确。

优选地，所述步骤e中主控单元测量计算得出每节电池电芯单体的内阻，所述步骤f中电池电芯单体内阻的最大值和最小值通过主控单元计算所得，并且分辨记录得到池电芯单体内阻最大值的序列号和最小值的序列号；所述步骤g中，如果电池电芯内阻的平均值减去内阻最小值后大于故障报警限值，那么就发出报警提醒，电芯存在内阻值过小，可能出现内短的现象，建议维护，并输出具有最小内阻的电芯序列号；如果电池电芯内阻的最大值减去平均值后大于故障报警值，也发出报警提醒，电芯存在内阻值过大，可能出现老化严重的现象，建议维护，并输出具有最大内阻的电芯序列号；主控单元通过其网络通信模块输出电芯单体内阻的情况至整车通信网络，如果出现电芯老化和故障的情况，会进行报警提醒；进行相应的应急处理和电芯更换，避免引起进一步的安全隐患。

优选地，所述步骤c和步骤d中的规定时间区间相同并且两者保持同步，所述规定时间区间都为以继电器闭合为起点的200毫秒的区间内；用于保证测量结果的准确性。

优选地，所述步骤d中的电流传感器测量的母线电流是通过旁路电阻或者霍尔传感器测量得到的；用于保证母线电流测量的准确性。

优选地，所述步骤e中主控单元计算得出电池电芯单体的内阻需要根据规定时间区间内测量得到的电流电压值绘制曲线，并判断是否满足测量条件，选取电流平均值和电压瞬时值来计算电池电芯单体的内阻；所述测量条件为锂离子电池组在测量启动前静置2小时以上，用于保证计算结果的准确性。

本发明包括主控单元和电芯传感监控单元以及电流传感器；采用高低压分离，与锂离子电池组每节电池电芯单体连接的电芯传感监控单元用于监控测量锂离子电池电芯单体的电压；串联在锂离子电池组与电路主回路之间的电流传感器用于测量电路主回路中的母线电流；分别与继电器、电流传感器和电芯传感监控单元以及整车通信网络连接的主控单元则用于控制锂离子电池组的工作模式，控制继电器的断开和闭合，数据的处理与储存，以及电池电芯单体内阻的计算、处理与发送、电芯故障的诊断和警告；实现电池电芯单体内阻的在线测量，并在此基础上，进行电池电芯故障和老化的诊断，能够更有效的监控锂离子电池组的性能和状态，为电池的保证提供有效的依据，为电池电芯的更换提供可靠的参考，为汽车整车的策略提供重要的信息，保证车辆和驾乘人员的安全。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：1）可以直接在线测量电池电芯的内阻，无需拆卸，降低测量的条件，节省成本；2）锂离子电池组中的每节电池电芯单体内阻都能够被测量以供分析使用；3）测量得到的内阻可以进行电池电芯故障和老化的诊断，及时判断出故障的电池电芯，进行更换或者修理或者相应的处理措施，保证车辆和驾乘人员的安全；4）对故障的电池电芯有效甄别，精确分辨，实现精准更换，降低更换难度；5）保证精确更换故障电池电芯，而电池的其它部分以及其它所有电池电芯仍旧可以使用，相较于传统的整个电池包更换，能够极大降低成本。

附图说明

图1为本发明的框示示意图。

图2为本发明中电池电芯电压跳变的示意图。

图3为锂离子电池化学原理的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步描述。

见图1至图3，锂离子电池管理系统，用于监测管理由若干锂离子电池电芯单体组成的锂离子电池组，包括主控单元、电芯传感监控单元和电流传感器；所述电芯传感监控单元连接至锂离子电池组的每个锂离子电池电芯单体并监控测量其端电压；所述电流传感器串联在锂离子电池组与电路主回路之间用于测量电路主回路中的母线电流；所述主控单元分别与电流传感器和电芯传感监控单元连接，并且还连接至整车通信网络，控制锂离子电池组的工作模式，数据的处理与储存，以及电池电芯单体内阻的计算、处理与发送、电芯故障的诊断和警告；所述电路主回路与锂离子电池组之间串联有继电器，所述主控单元连接至继电器并控制继电器的断开和闭合，根据主控单元接收的整车信号以及锂离子电池组状态来判断是否开启继电器；所述电芯传感监控单元内置前端芯片用以采集电池电芯单体的电压；所述主控单元与整车通信网络优选通过CAN总线的通讯方式连接。

锂离子电池管理系统的电芯单体内阻在线测量诊断方法，步骤如下：

步骤a）主控单元接收到启动信号并唤醒锂离子电池管理系统；

步骤b）主控单元控制继电器闭合；

步骤c）以继电器闭合为起点，电芯传感监控单元测量规定时间区间中的电池电芯两端的电压变化，其还内置前端芯片用于采集电池电芯单体的电压变化情况，数据输出至主控单元；

步骤d）以继电器闭合为起点，电流传感器测量规定时间区间中的母线电流的变化，并输出至主控单元；

步骤e）主控单元接收电芯传感监控单元和电流传感器测量得到的数据，根据继电器闭合为起点的步骤c和步骤d中规定时间区间内测量得到的电池电芯电压和母线电流，计算得出电池电芯单体的内阻；

步骤f）主控单元根据计算得到的电池电芯单体的内阻，计算内阻的平均值，并得到电池电芯单体内阻的最大值及其序列号，以及电池电芯单体内阻的最小值及其序列号；

步骤g）主控单元根据计算所得的电池电芯单体内阻的最大值、最小值与电池电芯单体内阻平均值的差值，若电池电芯单体内阻的最大值减去电池电芯单体内阻平均值的差值大于内阻过大故障报警限值，则报警并输出相应的电芯序列号，建议维护；若电池电芯单体内阻平均值减去电池电芯单体内阻的最小值的差值小于内阻过小故障报警限值，也报警并输出相应的电芯序列号，建议维护。

本实施方式中，所述步骤a中唤醒锂离子电池管理系统后系统还需要进行上电自检；所述步骤e中主控单元测量计算得出每节电池电芯单体的内阻，所述步骤f中电池电芯单体内阻的最大值和最小值通过主控单元分辨所得，并且分辨记录得到池电芯单体内阻最大值的序列号和最小值的序列号，根据电池电芯单体内阻的情况来判断电池电芯老化和故障的情况，并输出电池电芯单体内阻的情况至整车通信网络，如果出现电芯老化和故障的情况，会进行报警提醒并输出故障电池电芯单体的序列号；所述步骤c和步骤d中的规定时间区间相同并且两者保持同步，所述规定时间区间都为以继电器闭合为起点的200毫秒的区间内；所述步骤d中的电流传感器测量的母线电流是通过旁路电阻或者霍尔传感器测量得到的；所述步骤e中主控单元计算得出电池电芯单体的内阻需要根据规定时间区间内测量得到的电流电压值绘制曲线，并判断是否满足测量条件，选取电流平均值和电压瞬间值来计算电池电芯单体的内阻；所述测量条件为锂离子电池组静置2小时以上。

如图3所示，锂离子电池电化学原理为在电流突跃瞬间，流过电极的电量会极小，不足以改变界面的荷电状态，因此界面电势差来不及发生改变，因而电极/溶液界面的双电层电容对突变信号短路，而欧姆内阻具有电路跟随特性，在200ms，即可完成压降；随后，当电极/溶液界面上通过电流后，电化学反应开始发生，由于电荷传递过程的迟缓性，引起双电层充电，电极电势反生变化，随着电化学反应的进行，电极表面上的反应物粒子不断消耗，产物粒子不断生成，由于液相扩散传质过程的迟缓性更为明显，电极表面反应物粒子的浓度开始下降，产物粒子浓度开始上升，浓差极化开始出现，并且这种浓差极化状态随着时间由电极表面向溶液本体深处不断发展，电极表面上粒子浓度持续变化，进一步造成电池电势的持续下降；由于极化反应的影响相对于欧姆内阻的响应迟缓，在放电开始后的较短时间内，例如200ms 可认为欧姆内阻占主导作用；而现阶段的主要的变化在于欧姆内阻；同时，极化内阻与电流密度有很大的关系，不同的电流密度带来极化内阻的区别，所以其并不是一个绝对值，在实际测量中存在很大的困难，并不具有实用性；而在这200ms内，即使电池以安全范围的最大电流放电，例如10C电流放电，所消耗的电量不到电池总电量的万分之六，对于电池电动势/开路电压的影响微乎其微；可以认为，在这一阶段的压降主要由欧姆内阻引起。

本实施方式中，在步骤b中，继电器接收到主控单元控制信号将吸合，锂离子电池组开始放电，会造成电池电芯电压的跳变，如果电流足够大，例如开始启动或者急加速，会导致电池电芯电压的跳变更加明显；在瞬间作用下，也就是小于200ms的时间内，跳变主要是由欧姆内阻上的压降引起，而极化作用并不会明显，可以排除极化作用的影响。

本实施方式中，所述步骤e中主控单元计算得出电池电芯单体的内阻需要根据规定时间区间内测量得到的电流电压值绘制曲线，并判断是否满足测量条件；此满足测量条件为是否静置2小时以上。

本实施方式中，所述步骤c和步骤d的计算中，12V电池给电池管理系统供电，而主控单元收到启动信号后，电池管理系统被唤醒，同时判断启动前是否已经静置足够长的时间，保证高压电池在放电之前的去极化，消除极化作用的影响；电芯传感监控单元进行锂离子电池电芯电压的检测；而在步骤b之前，继电器处于断开状态，锂离子电池几乎不会有放电电流；之后主控单元控制继电器闭合，锂离子电池开始大电流放电，造成电池电芯电压的瞬间降低；在200ms内的压降主要由欧姆内阻引起；并且锂离子电池的欧姆内阻在锂离子电池使用过程中发生变化的情况更为显著，可作为锂离子电池老化的重要依据。

本实施方式中，所述步骤e中电池电芯单体的内阻的计算是指，设电池组中共有M节串联电芯，对于第m号电芯单体（m=1,2,……M），由电芯传感监控单元获取的继电器闭合前的电压U_1m，继电器闭合后规定时间△t（优选的，△t≤200ms）后的电压U_2m；上述数据由电芯传感监控单元获取，传输至主控单元处理计算。由电流传感器测量得到的继电器闭合后规定时间区间△t内的电流采样值值I_n，上述数据由电流传感器获取，传输至主控单元处理计算。电流采样周期频率为Fsample（优选的，Fsample≥50H_Z）；继电器闭合后△t内的采样总数；规定时间区间内的平均电流； 那么电池组中第m号电芯单体的内阻R_m=（U_2m-U_1m）/I_avg；重复上述计算，可得到每节电芯单体的内阻。

本实施方式中，所述步骤f中，主控单元可根据电池单体电芯的内阻，求出电池电芯内阻的平均值，并得出最大值和最小值及其电芯序列号；具体方法如下：

得到每节电芯单体内阻后，可计算电芯内阻的平均值R_avg；

计算单体电芯的最大值的步骤：

第一步，取R_max=R₁，电芯序列号SerialNo = 1；

第二步，若R₂>R_max, 则R_max = R₂, SerialNo = 2; 若R₂≤R_max，则R_max，SerialNo不变；

第三步，若R₃>R_max, 则R_max = R₃, SerialNo = 3; 若R₃≤R_max，则R_max，SerialNo不变；

重复上述步骤，直到最后一节电芯R_M；

获得电芯内阻最大值R_max及其序列号SerialNo。

本实施方式中，主所述步骤g中，主控单元可根据电池电芯单体内阻的情况包括平均值，最大值和最小值等来判断电芯老化和故障的情况；根据电池类型设定故障报警限值，如果电池电芯内阻的平均值减去内阻最小值后大于故障报警限值，发出报警提醒，电芯存在内阻值过小，可能出现内短的现象，建议维护，并输出具有最小内阻的电芯序列号；如果电池电芯内阻的最大值减去平均值后大于故障报警值，也发出报警提醒，电芯存在内阻值过大，可能出现老化严重的现象，建议维护，并输出具有最大内阻的电芯序列号；具体方法如下：若R_max – R_avg > R_{u_limit}，R_{u_limit}为内阻过大故障报警限值，可根据电池类型标定定义，发出报警提醒，电芯存在内阻值过大，可能出现老化严重的现象，建议维护，并输出具有最大内阻的电芯序列号SerialNo；

计算单体电芯的最小值的步骤：

第一步，取R_min=R₁，电芯序列号SerialNo = 1;

第二步，若R₂<R_min, 则R_min = R₂, SerialNo = 2; 若R₂≥R_min，则R_min，SerialNo不变；

第三步，若R₃<R_min, 则R_min = R₃, SerialNo = 3; 若R₃≥R_min，则R_min，SerialNo不变；

重复上述步骤，直到最后一节电芯R_M；

获得电芯内阻小值R_min及其序列号SerialNo。

若R_avg–R_min >R_{l_limit}，R_{l_limit}为内阻过小故障报警限值，可根据电池类型标定定义，发出报警提醒，电芯存在内阻值过小，可能出现内短的现象，建议维护，并输出具有最小内阻的电芯序列号SerialNo；。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.锂离子电池管理系统，用于监测管理由若干锂离子电池电芯单体组成的锂离子电池组，其特征在于：包括主控单元、电芯传感监控单元和电流传感器；所述电芯传感监控单元连接至锂离子电池组的每个锂离子电池电芯单体并监控测量其端电压；所述电流传感器串联在锂离子电池组与电路主回路之间用于测量电路主回路中的母线电流；所述主控单元分别与电流传感器和电芯传感监控单元连接，并且还连接至整车通信网络，控制锂离子电池组的工作模式，数据的处理与储存，以及电池电芯单体内阻的计算、处理与发送、电芯故障的诊断和警告。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于：所述电路主回路与锂离子电池组之间串联有继电器，所述主控单元连接至继电器控制继电器的断开和闭合，根据主控单元接收的整车信号以及锂离子电池组状态来判断是否开启继电器。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于：所述电芯传感监控单元内置前端芯片用以采集电池电芯单体的电压。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于：所述主控单元与整车通信网络是通过CAN总线的通讯方式连接。

5.锂离子电池管理系统的电芯单体内阻在线测量诊断方法，其特征在于，步骤如下：

步骤a）主控单元接收到启动信号并唤醒锂离子电池管理系统；

步骤b）主控单元控制继电器闭合；

步骤c）以继电器闭合为起点，电芯传感监控单元测量规定时间区间中的电池电芯两端的电压变化，其还内置前端芯片用于采集电池电芯单体的电压变化情况，数据输出至主控单元；

步骤d）以继电器闭合为起点，电流传感器测量规定时间区间中的母线电流的变化，并输出至主控单元；

步骤e）主控单元接收电芯传感监控单元和电流传感器测量得到的数据，根据继电器闭合为起点的步骤c和步骤d中规定时间区间内测量得到的电池电芯电压和母线电流，计算得出电池电芯单体的内阻。

6.步骤f）主控单元根据计算得到的电池电芯单体的内阻，计算内阻的平均值，并得到电池电芯单体内阻的最大值及其序列号，以及电池电芯单体内阻的最小值及其序列号；

步骤g）主控单元根据计算所得的电池电芯单体内阻的最大值、最小值与电池电芯单体内阻平均值的差值，若电池电芯单体内阻的最大值减去电池电芯单体内阻平均值的差值大于内阻过大故障报警限值，则报警并输出相应的电芯序列号，建议维护；若电池电芯单体内阻平均值减去电池电芯单体内阻的最小值的差值小于内阻过小故障报警限值，也报警并输出相应的电芯序列号，建议维护。

7.根据权利要求5所述的动锂离子电池管理系统的电芯单体内阻在线测量诊断方法其特征在于：所述步骤f中电池电芯单体内阻的最大值和最小值通过主控单元计算所得，并且分辨记录得到池电芯单体内阻最大值的序列号和最小值的序列号。

8.根据权利要求5所述的锂离子电池管理系统的电芯单体内阻在线测量诊断方法，其特征在于：所述步骤c和步骤d中的规定时间区间相同并且两者保持同步，所述规定时间区间都为以继电器闭合为起点的200毫秒的区间内。

9.根据权利要求5所述的锂离子电池管理系统的电芯单体内阻在线测量诊断方法，其特征在于：所述步骤d中的电流传感器测量的母线电流是通过旁路电阻或者霍尔传感器测量得到的。

10.根据权利要求5所述的锂离子电池管理系统的电芯单体内阻在线测量诊断方法，其特征在于：所述步骤e中主控单元计算得出电池电芯单体的内阻需要根据规定时间区间内测量得到的电流电压值绘制曲线，并判断是否满足测量条件，选取电流平均值和电压瞬时值来计算电池电芯单体的内阻。