CN108152755A - 在线定量诊断电池微短路故障的方法 - Google Patents

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CN108152755A CN201810053081.XA CN201810053081A CN108152755A CN 108152755 A CN108152755 A CN 108152755A CN 201810053081 A CN201810053081 A CN 201810053081A CN 108152755 A CN108152755 A CN 108152755A
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Abstract

本发明涉及一种在线定量诊断电池微短路故障方法，预先建立电量与充放电电压的关系表格，并存储。然后在在线诊断过程中，将充电/放电结束时的电压在关系表格上进行查表或插值得到电池在充电/放电结束时的电量，进而根据电量随时间的变化估算微短路电流，根据微短路电流的大小诊断有无微短路及严重程度。针对电池包能够充满电、放空电、充不满、放不空等结束情况分别提出了对应的诊断方法，形成了全方位的诊断架构。为了解决电池老化和不同次充放电时的环境温度差异会对诊断准确度和微短路电流计算精度有影响的问题，实施补偿的解决方案。微短路电流所述方法可以提前探测到微短路故障，并输出微短路电流的大小以评估故障的严重程度，为报警或应对等措施提供依据。

Description

在线定量诊断电池微短路故障的方法
技术领域
本发明涉及一种电池诊断故障技术，特别涉及一种在线定量诊断电池微短路故障的方法。
背景技术
纵观电动汽车发展历程可以发现，从19世纪人类就开始发展电动汽车，经历了好几次的兴衰过程，可依然没有成为人类的主流交通工具。究其主要原因是电动汽车的一些缺点造成的，主要是由于电动汽车续航里程短、电池循环寿命短、安全性差。电池包作为电动汽车的动力源，一般由成百上千的电池单体串联构成，电池包一般配有电池管理系统(BMS)来保证这些电池的高效和安全的工作。其中电池短路是一种常见的故障，电池短路是指由于某种原因，致使电池的正负极在电阻非常小的情况下相互连接的非正常通路。电池短路又分为电池内短路和外短路。外部短路是最常见的电池被滥用的情况，除了正负极被直接短接的剧烈外短路外，还包括电压测量线漏电、电池均衡出现故障等情况时可能造成的外部微短路。针刺、火烧、挤压等行为可直接引发电池剧烈内短路，造成电池起火爆炸。内部微短路一般是指由于电池内部的隔膜缺陷，电极局部干涸，电极材料表面微刺等情况造成的电池内部自成回路，不断消耗电池电量的情况。在电池的生产过程中，集流体等原材料存在毛刺或有粉尘落入，那么在电池以后的使用过程中就存在着隔膜会被破坏的隐患，形成内部微短路。即便是不存在制造缺陷的电池，在使用过程中，如果面对过度放电、过度充电、超高温、超低温、剧烈振动等滥用情况时，电池的负极表面容易形成树枝状的锂支晶，这可能会刺破隔膜引发电池内部微短路。随着微短路程度的升高后会导致电池自放电率逐渐提高，发热量增加，进而导致着火、甚至热失控等严重的安全问题。因此需要及时在线的对微短路故障进行诊断，防止热失控等严重安全问题的发生。
发明内容
本发明是针对微短路故障提前预测重要性的问题，提出了一种在线定量诊断电池微短路故障的方法，可以提前探测到微短路故障，并输出微短路电流的大小以评估故障的严重程度，为报警或应对等措施提供依据。
本发明的技术方案为：一种在线定量诊断电池微短路故障的方法，具体包括如下步骤：
1)存储数据表格的建立：以客户实际使用电池时的充电方式对电池进行充电，从零电量充电到满电量，建立充电时电量与电压的关系表格，对每次电压发生设定单位变化内的放电电流进行时间积分，获得每次电压发生设定单位变化内的放电电量，然后进行累加可获得每次电压发生设定单位变化后电池的所含电量，称之为Q-CV关系表格；
以确定的放电方式对电池进行放电，从满电量放电到零电量，建立放电时电量与电压的关系表格，对每次电压发生设定单位变化内的放电电流进行时间积分，获得每次电压发生设定单位变化内的放电电量，然后进行累减可获得每次电压发生设定单位变化后电池的所含电量，称之为Q-DCV关系表格；
按照同样的方法，在不同温度下获得多个Q-CV和Q-DCV关系表格存储在BMS的Flash或者其他存储器中备用；
再按照同样的方法，在电池不同老化循环次数下，建立不同温度下的Q-CV和Q-DCV关系表格存储在BMS的Flash或其他存储器中备用；
2)进行在线电池诊断：
在线电池诊断的电池包由n节同型号电池单体全串构成，此电池单体型号与步骤1)所测电池型号相同，
A1、充满电情况下的诊断方法，具体步骤如下：
A11：不限电池包开始充电时刻，在电池包充满电时且充电时间大于预设时间，电池管理系统记录充满时刻的时间和时间对应的各电池单体电压值，并进行存储；
A12：根据测得各单体电压值，用查表法，在预先建立的Q-CV关系表格中查表得到各单体电压值与之对应的各单体目前所含电量，并将各单体所含电量与步骤A11中所得时间对应存储；
A13：用得到的各单体目前所含电量减去存储器中存储的对应各单体在上一次电池包充满电时所含电量，得到前后两次充满电各单体的所含电量差值；
A14：将前后两次充满电各单体的所含电量差值除以前后两次充满电间的时间差值，可以得到各单体的微短路电流；
A15：根据微短路电流的大小是否超过诊断阈值及超过的程度，判断是否发生微短路故障及故障严重程度，诊断阈值可根据国家标准对电池荷电保持能力的要求进行设定；
A2：放空电情况下的诊断方法，具体步骤如下：
A21：不限电池包开始放电时刻，在电池包放空时且放电时间大于预设时间，电池管理系统记录放空时刻的时间和时间对应的各电池单体电压值，并进行存储；
A22：用得到的各单体电压值减去存储器中存储的对应各单体在上一次电池包放空时的电压值，可以得到各单体前后两次电池包放空间的电压差值；
A23：根据电压差值判断微短路是否存在，当单体电压差值在设定安全范围内时，认为该单体无微短路；当超出半数单体的电压差值都为正数且超出安全范围时，认为最先达到放电截止电压的单体存在微短路；当单体电压差值为负数且超出安全范围时，认为此单体存在微短路；
A24：根据各微短路单体放空电压值，在预先建立的Q-DCV关系表格中查表，得到与之对应的各微短路单体目前所含电量，并将各微短路单体所含电量与步骤A21中所得时间对应存储；
A25：用得到的各微短路单体目前所含电量减去存储器中存储的对应各微短路单体在上一次电池包放空时的所含电量，可以得到各微短路单体在前后两次放空间的漏电量；
A26：各微短路单体漏电量除以前后两次放空间的时间差值，可以得到各微短路单体的微短路电流；
A27：根据微短路电流超过诊断阈值的程度，进一步判断故障严重程度；
A3:没充满电结束情况下的诊断方法，具体步骤如下：
A31：不限电池包开始充电时刻，在电池包充电结束时且充电时间大于预设时间，电池管理系统记录充电结束时刻的时间Tcha-end和时间对应的各电池单体电压值。A32：在下一次电池包充电时，对上一次充电结束时电压最高单体电池进行监测，一旦这次充电此单体电池电压升高到与上次Tcha-end时间记录电压值相同时，判断所用充电时间是否大于预设时间，如果大于，则记录下此刻的时间Tcha-same和时间对应的各单体电压值，进入A33；如果不大于，清除上一次充电结束时刻Tcha-end的时间和各电池单体电压值，不进入A33-A36，而是等待充电结束，不进行判断；
A33：根据Tcha-end和Tcha-same时间记录的各单体电压值，在预先建立的Q-CV关系表格中查表，得到与之对应的各单体所含电量；
A34：将Tcha-end和Tcha-same两次时间对应的各单体电量相减，可以得到各单体在Tcha-end和Tcha-same两时间内的所含电量差值；
A35：各单体所含电量差值除以Tcha-end和Tcha-same两时间差值可以得到各单体的微短路电流；
A36：根据微短路电流的大小是否超过诊断阈值及超过的程度，判断是否发生微短路故障及故障严重程度；
A4：没放空电结束情况下的诊断方法，具体步骤如下：
A41：不限电池包开始放电时刻，在电池包放电结束时且放电时间大于预设时间，电池管理系统记录放电结束时刻的时间Tdcha-end和时间对应的各电池单体电压值；
A42：在下一次电池包放电时，对上一次放电结束时间Tdcha-end电压最低的单体电池进行监测，一旦这次放电此单体电池电压下降到与上一次放电结束时相同，判断所用放电时间是否大于预设时间，如果大于，则记录下此刻Tdcha-same的时间和时间对应的各单体电压值，进入A43；如果不大于，清除上一次放电结束时刻Tdcha-end的时间和各电池单体电压值，不进入A43-A46，而是等待放电结束，不进行判断；
A43：根据Tdcha-end和Tdcha-same两次时间对应的各单体电压值，在预先建立的电量与放电电压的关系表格中查表，得到与之对应的各单体所含电量；
A44：将Tdcha-same时间对应的各单体电量减去Tdcha-end时间对应的各单体电量，可以得到各单体在Tdcha-end和Tdcha-same两次时间内的所含电量差值，电量差值除以两时刻时间差值得到微短路电流；
A45：当微短路电流超出安全范围且为负数时，说明该单体为微短路单体；当微短路电流没有超出安全范围时或者超出安全范围但是是正数时，说明该单体为正常单体；当超出半数单体的微短路电流超出安全范围且为正数时，说明最先到达放电截止电压的单体存在微短路故障；
A46：根据微短路电流的大小是进一步评估故障严重程度；
A5：补偿温度影响:
A51：充电或放电结束时，BMS记录电池包的温度T；
A52：比较微短路诊断算法中的两次充电或放电时的温度，第一次为T1，第二次为T2，如果差距大于阈值,进入A53中进行补偿处理，如果差距不大于阈值，则不作A53-A55的处理，在通过充电或放电结束时刻电压查表获得充电或放电结束时电量的时候，查的是BMS所存储不同温度下的Q-CV表格或Q-DCV表格中温度最接近T1或T2的表格；
A53：两次充电或放电时温度差距大于阈值，需要对其中一次充电或放电的电压进行补偿，从而使得两次充电或放电时刻的电量可以在同一温度下的表格中进行的查表得到，具体的操作方法为：温度最靠近25℃的那一次充电或放电作为基准，记为第m次，对温度离25℃稍远的那一次的充电或放电时刻电压值进行补偿，记为第m’次；假设BMS所存储不同温度下的表格中温度最接近T1和T2的是T1BMS和T2BMS温度下的，计算T1BMS和T2BMS温度下充电或放电结束时电压差值，这个差值就是补偿电压值；第m’次充电/或放电结束时刻的电压值加上补偿电压值得到Uafter-offset，将Uafter-offset作为第m’次充电或放电结束时刻的电压值；
A54：两次充电或放电结束时刻的电压在最靠近25℃那个温度下的表格中进行查表，得到对应的电量；后面继续根据在不同充电或放电结束情况下的诊断策略进行微短路的诊断；
A6：老化影响对策，在对充电或放电结束时刻电压查表获得电量时，根据电池所处的老化程度，调用存储的对应老化程度下的表格进行查表。
本发明的有益效果在于：本发明在线定量诊断电池微短路故障的方法，该方法能够诊断出电动汽车电池包或其他电能存储装置中是否存在微短路故障单体。还能够计算出微短路故障单体的微短路电流，为故障等级判定及应对措施提供依据，不仅面向充电工况提供了诊断方法，还面向放电工况提供了诊断方法，并且面向放电工况的诊断方法对微短路故障更加敏感；可对电池包内的所有单体同时进行诊断，无需用一个正常单体作为参照。当有多个电池都存在微短路故障时，方法依然有效，故障单体均能被识别出来并估计出微短路电流大小；该方法考虑到了温度和老化对电池的影响，提出了相应的解决方案，可以保证算法在电池包的全生命周期、温度条件变化大等极端条件下进行可靠诊断；该方法所需数据量小，只需记录充电/放电结束时刻的电压值和时间值，而不是一段时间内的数据，计算量也小，只用到了简单的加减乘除运算，特别是在在线确定电量的时候，只是通过电压进行查表得到电量，连电流随时间的积分运算都没用到，算法全程并没有使用复杂算法，易于在线实现，适用于各种电池管理系统。
附图说明
图1为本发明微短路诊断功能示意图；
图2为本发明充电/放电电量与电压关系表格建立流程图；
图3为本发明充满电情况下的诊断方法流程图；
图4为本发明放空电情况下的诊断方法流程图；
图5为本发明没充满结束情况下的诊断方法流程图；
图6为本发明没放空结束情况下的诊断方法流程图；
图7为本发明解决温度影响诊断结果的方法流程图。
具体实施方式
一种在线定量诊断电池微短路故障的方法，预先建立电量与充电电压的关系曲线或者放电时电量与放电电压的关系曲线，并存储。然后在在线诊断过程中，将充电/放电结束时的电压在关系表格上进行查表或插值得到电池在充电/放电结束时的电池所含电量，计算不同次充电/放电结束时的电量差值，进而用电量差值和时间的关系估算微短路电流，微短路电流的大小可作为诊断有无微短路及严重程度的依据。微短路电流针对电池包能够充满电、放空电、充不满、放不空等结束情况分别提出了对应的诊断方法，形成了全方位的诊断架构。针对电池老化、不同次充电/放电时的环境温度差异对诊断准确度和微短路电流计算精度的影响，实施基于对充电/放电结束时刻的电压进行补偿的解决方案。如图1所示微短路诊断功能示意图。
在BMS的设计和生产过程中，通过对单体电池测试获得电池在充电/放电过程中电量随电压变化的关系表格，并在不同老化情况，不同温度下，获得相应的表格，过程如图2所示。
首先介绍如何建立充电时电量与充电电压的关系表格。所需测试的电池包为由n节同型号单体电池全串构成，以电动汽车或其他电能存储装置在使用时的充电方式进行充电，建立充电时电量与电压的关系表格(我们称之为Q-CV表格。Q:quantity电量,CV:charging voltage充电电压)，反应电池充电时电池电量和电压的变化关系。获得方法为把电池从零电量充到满电量的过程中，对每次电压发生微小变化(比如每mV，间隔越小，最后的计算结果越精确)内的充电电流进行时间积分获得每次电压发生微小变化内的充电电量，然后进行累加可获得每次电压发生微小变化后电池的所含电量。然后以表格的形式储存在BMS的ROM、E2PROM或Flash中，一行为电压，一行为电量，这里我们称之为Q-CV关系表格。
同理，建立放电时电量与电压的关系表格(我们称之为Q-DCV表格。Q:quantity电量,DCV:discharging voltage充电电压)，该表格反应的是电池放电时电池电量和电压的变化关系。获得方法为把电池从满电量放到零电量的过程中，对每次电压发生微小变化(比如每mV，间隔越小，最后的计算结果越精确)内的放电电流进行时间积分获得每次电压发生微小变化内的放电电量，然后进行累减可获得每次电压发生微小变化后电池的所含电量。然后以表格的形式储存在BMS的ROM、E2PROM或Flash中，一行为电压，一行为电量，这里我们称之为Q-DCV关系表格。
按照同样的过程，在不同温度下(比如每隔5℃进行一次实验，间隔越小，最终的计算精度越高，但也会导致BMS所存储的数据量变大)获得多个Q-CV和Q-DCV曲线和表格存储在BMS的Flash或者其他存储器中备用。
再按照上述的过程，在不同老化程度(每隔200次循环，间隔越小，最终的计算精度越高，但也会导致BMS所存储的数据量变大)下，建立不同温度下的Q-CV和Q-DCV曲线或者表格存储在BMS的Flash或其他存储器中备用。
在获得所有充电/放电电量与电压关系表格后，存储在BMS的Flash等其他存储器中备用。下面介绍在电动汽车或其他电能存储装置的实际运行中，BMS如何进行在线微短路故障诊断。
A1、充满电情况下的诊断方法：
用户在使用电动汽车或其他电能存储装置时，由于里程焦虑等原因，一般不会将电量用尽，而充电时倾向于将电量充满(特别是在夜间充电的时候)。本发明首先提出了面向充满电情况下的在线定量诊断电池微短路故障的简易方法，如图3所示：
A11：不限电池包开始充电时刻，在电池包充满电时且充电时间大于预设时间(主要是避免电池内部极化反应对算法的影响)，电池管理系统记录充满时刻的时间(此时间指具体的年月日时分秒)和时间对应的各电池单体电压值，并进行存储。
A12：根据测得各单体电压值，用查表法，在预先建立的充电时电池电量与电压的关系表格(Q-CV)中查表得到各单体电压值与之对应的各单体目前所含电量，并将各单体所含电量与步骤A11中所得时间对应存储。
A13：用得到的各单体目前所含电量减去存储器中存储的对应各单体在上一次电池包充满电时所含电量，得到前后两次充满电各单体的所含电量差值。
A14：将前后两次充满电各单体的所含电量差值除以前后两次充满电间的时间差值，可以得到各单体的微短路电流。
A15：根据微短路电流的大小是否超过诊断阈值及超过的程度，判断是否发生微短路故障及故障严重程度，诊断阈值可根据国家标准对电池荷电保持能力的要求进行设定。
A2：放空电情况下的诊断方法：
下面再介绍面向放空电情况下的微电路故障诊断方法，可能对用户来说，放空电量的情况并不多，但是在一些维修、保养、梯次利用等场景中会用到，而且在放空电的情况下，该方法对微短路故障更加敏感，利于发现一些更微小的微短路。如图4所示：
A21：不限电池包开始放电时刻，在电池包放空时且采集放电时间大于预设时间，电池管理系统记录放空时刻的时间和时间对应的各电池单体电压值，并进行存储。
A22：用得到的各单体电压值减去存储器中存储的对应各单体在上一次电池包放空时的电压值，可以得到各单体前后两次电池包放空间的电压差值。
A23：根据电压差值判断微短路是否存在，当单体电压差值在设定安全范围内时，认为该单体无微短路；当超过半数以上的单体的电压差值都为正数且超出安全范围时，认为最先达到放电截止电压的单体存在内短路；当单体电压差值为负数且超出安全范围时，认为此单体存在微短路。
A24：根据各微短路单体放空电压值，在预先建立的电量与放电电压的关系表格(Q-DCV)中查表，得到与之对应的各微短路单体目前所含电量，并将各微短路单体所含电量与步骤A21中所得时间对应存储。
A25：用得到的各微短路单体目前所含电量减去存储器中存储的对应各微短路单体在上一次电池包放空时的所含电量，可以得到各微短路单体在前后两次放空间的漏电量。
A26：各微短路单体漏电量除以前后两次放空间的时间差值，可以得到各微短路单体的微短路电流。
A27：根据微短路电流超过诊断阈值的程度，进一步判断故障严重程度。
A3:没充满电结束情况下的诊断方法：
在实际使用中，由于某些原因，有时用户可能在还没充满的情况下就要停止充电，对于这种情况我们也提出了对应的微短路诊断方法，如图5所示。
A31：不限电池包开始充电时刻，在电池包充电结束时且充电时间大于预设时间，电池管理系统记录充电结束时刻的时间(Tcha-end)和时间对应的各电池单体电压值。
A32：在下一次电池包充电时，对上一次充电结束时电压最高单体电池进行监测，一旦这次充电此单体电池电压升高到与上次Tcha-end时间记录电压值相同时，判断所用充电时间是否大于预设时间，如果大于，则记录下此刻的时间(Tcha-same)和时间对应的各单体电压值，进入A33；如果不大于，清除上一次充电结束时刻(Tcha-end)的时间和各电池单体电压值，不进入A33-A36，而是等待充电结束，不进行判断。
A33：根据Tcha-end和Tcha-same时间记录的各单体电压值，在预先建立的电量与充电电压的关系表格中查表，得到与之对应的各单体所含电量。
A34：将Tcha-end和Tcha-same两次时间对应的各单体电量相减，可以得到各单体在Tcha-end和Tcha-same两时间内的所含电量差值。
A35：各单体所含电量差值除以Tcha-end和Tcha-same两时间差值可以得到各单体的微短路电流。
A36：根据微短路电流的大小是否超过诊断阈值及超过的程度，判断是否发生微短路故障及故障严重程度。
A4：没放空电结束情况下的诊断方法：
前面介绍过面向放空电情况下的微电路故障诊断方法，它适用于一些维修、保养、梯次利用等场景，但是可能也会由于一些原因不能够放空进行检测，所以这里也给出在面向放电的工况下没放空时的微短路诊断方法，如图6所示。
A41：不限电池包开始放电时刻，在电池包放电结束时且放电时间大于预设时间，电池管理系统记录放电结束时刻的时间(Tdcha-end)和时间对应的各电池单体电压值。
A42：在下一次电池包放电时，对上一次放电结束时间(Tdcha-end)电压最低的单体电池进行监测，一旦这次放电此单体电池电压下降到与上一次放电结束时相同，判断所用放电时间是否大于预设时间，如果大于，则记录下此刻(Tdcha-same)的时间和时间对应的各单体电压值，进入A43；如果不大于，清除上一次放电结束时刻(Tdcha-end)的时间和各电池单体电压值，不进入A43-A46，而是等待放电结束，不进行判断。
A43：根据Tdcha-end和Tdcha-same两次时间对应的各单体电压值，在预先建立的电量与放电电压的关系表格中查表，得到与之对应的各单体所含电量。
A44：将Tdcha-same时间对应的各单体电量减去Tdcha-end时间对应的各单体电量，可以得到各单体在Tdcha-end和Tdcha-same两两次时间内的所含电量差值，电量差值除以两时刻时间差值得到微短路电流。
A45：当微短路电流超出安全范围且为正数时，说明该单体为微短路单体；当微短路电流没有超出安全范围时或者超出安全范围但是是正数时，说明该单体为正常单体；当大多数单体的微短路电流超出安全范围且为正数时，说明最先到达放电截止电压的单体存在微短路故障。
A46：根据微短路电流的大小是进一步评估故障严重程度。
A5：补偿温度影响:
为了解决两次充电/放电时的环境温度差异对算法的影响，提出了基于对充电/放电结束时刻的电压进行补偿的解决方案。如图7所示。
A51：充电/放电开始时(也可以是结束时)，BMS记录电池包的温度T。
A52：比较微短路诊断算法中的两次充电或放电时的温度(第一次为T1，第二次为T2)，如果差距大于阈值,进入A53中进行补偿处理，如果差距不大于阈值，则不作A53-A55的处理，在通过充电或放电结束时刻电压查表获得充电或放电结束时电量的时候，查的是BMS所存储不同温度下的表格中温度最接近T1或T2的表格。
A53：两次充电或放电时温度差距大于阈值，需要对其中一次充电/放电的电压进行补偿，从而使得两次充电/放电时刻的电量可以在同一温度下的表格中进行的查表得到，具体的操作方法为：温度最靠近25℃(可根据电池最佳保存温度设定)的那一次(记为第m次)作为基准，对温度离25℃稍远的那一次(记为第m’次)的充电或放电时刻电压值进行补偿；假设BMS所存储不同温度下的Q-CV表格中温度最接近T1和T2的是T1BMS和T2BMS温度下的，计算T1BMS和T2BMS温度下充电或放电结束时电压差值，这个差值就是补偿电压值；第m’次充电/或放电结束时刻的电压值加上补偿电压值得到Uafter-offset，将Uafter-offset作为第m’次充电或放电结束时刻的电压值。
A54：两次充电或放电结束时刻的电压在同一温度(T1BMS和T2BMS最靠近25℃那一个温度)下的表格中进行查表，得到对应的电量。后面继续根据在不同充电或放电结束情况下(充满结束、放空结束、充不满结束、放不空结束)的诊断策略进行微短路的诊断。
A6：老化影响对策
另外，为了解决电池包以及电池老化后对算法的影响。在对充电或放电结束时刻电压查表获得电量时，根据电池所处的老化程度，调用存储的对应老化程度下的表格进行查表。
下面具体阐述实现方法，首先介绍本发明如何建立充电时电量与电压的关系表格。充电时电量与电压的关系表格(我们称之为Q-CV表格)，反应的是电池充电时电池电量和电压的变化关系。获得方法为把电池从零电量充到满电量的过程中，对每次电压发生1mV变化内的充电电流进行时间积分获得每次电压发生1mV变化内的充电电量，然后进行累加可获得每次电压发生1mV变化后电池的所含电量。然后以表格的形式储存在BMS的ROM、E2PROM或Flash中，一行为电压，一行为电量，这里我们称之为Q-CV关系表格。如果以某锂电池充电时为例，将电压作为横坐标，求得的电量作为纵坐标，进行绘图。
同理，建立放电时电量与电压的关系表格(我们称之为Q-DCV表格)，该表格反应的是电池放电时电池电量和电压的变化关系。获得方法为把电池从满电量放到零电量的过程中，对每次电压发生1mV内的放电电流进行时间积分获得每次电压发生1mV内的放电电量，然后进行累减可获得每次电压发生1mV后电池的所含电量。然后以表格的形式储存在BMS的ROM、E2PROM或Flash中，一行为电压，一行为电量，这里我们称之为Q-DCV关系表格。如果以某锂电池充电时为例，将电压作为横坐标，求得的电量作为纵坐标，进行绘图。
按照同样的过程，在不同温度下,即在电池允许工作温度范围内(-20℃～45℃)每隔5℃进行一次实验，获得14个Q-CV，14个Q-DCV表格存储在BMS的Flash或其他存储器中备用。
再按照上述的过程，在不同老化程度下，即在电池循环寿命终止前，假设循环寿命是1000次循环，每隔200次循环进行14个温度下的满充满放实验，共建立84个Q-CV和84个Q-DCV曲线或者表格存储在BMS的Flash或其他存储器中备用。
在获得所有充电/放电电量与电压关系表格后，存储在BMS的Flash或其他存储器中备用。下面介绍在电动汽车或其他电能存储装置的实际运行中，BMS如何进行在线微短路故障诊断。
S1：充满结束时具体实施例
用户在使用电动汽车或其他电能存储装置时，由于里程焦虑等原因，一般不会将电量用尽，而充电时倾向于将电量充满(特别是在夜间充电的时候)。本发明首先提出了面向充满电情况下的在线定量诊断电池微短路故障的简易方法，如图3所示：
S11：在电池包充满电时且充电时间大于10分钟，电池管理系统记录充电结束这1秒时刻(假设BMS的电压采集频率是1秒/次)的时间和各电池单体电压值。这里假设X号单体的电压为4V。
S12：用各单体电压值在预先建立的电量与充电电压的关系表格(Q-CV)中查表得到与之对应的各单体目前所含电量。这里假设X号单体4V查表对应的目前电量为30Ah。
S13：各单体目前所含电量减去各单体在上一次电池包充满电时各单体所含电量可以得到各单体的所含电量差值。这里假设X号单体的上一次充满电结束通过电压查表得到的电量为31Ah，那么电量差值为31-30＝1Ah。
S14：各单体所含电量差值除以两次充满电间的时间差值可以得到各单体的微短路电流。这里假设两次充满电时刻差值为10小时，那么微短路电流为1Ah/20h＝0.05A。
S15：根据微短路电流的大小是否超过诊断阈值及超过的程度，判断是否发生微短路故障及故障严重程度。其中诊断阈值的设定，根据国家标准QC/T743-2006中对电池荷电保持能力的要求，28天内荷电保持能力大于80％，则以微短路电流计约为3/10000C。比如电池容量为32Ah时，按照万分之三倍率计算，9.6mA的电流即为判断阈值。当然也可根据不同严重程度的微短路电池实验进行标定。那么在S14中得出的0.05A大于9.6mA的5倍还多，可以认为发生了较高危险等级的微短路，具体的危险等级可以根据工程经验进行标定。
S2：放空结束时具体实施例
下面再介绍面向放空电情况下的微电路故障诊断方法，可能对用户来说，放空电量的情况并不多，但是在一些维修、保养、梯次利用等场景中会用到，因为这时候我们可以向充电时一样，进行固定的一个充电规则，而且在放空电的情况下，该方法对微短路故障更加敏感，利于发现一些更微小的微短路。如图4所示。
S21：在电池包放空时且放电时间大于10分钟，电池管理系统记录在放电结束这1秒时刻的时间和各电池单体电压值。
S22：各单体电压值减去各单体在上一次电池包放空时的电压值可以得到各单体两次电池包放空间的电压差值。
S23：根据电压差值判断微短路是否存在，当电压差值没有超出±10mV的安全范围时，认为该单体无微短路；当大多数单体的电压差值都为正数且超出±10mV的安全范围时，认为最先达到放电截止电压的单体存在内短路；当电压差值为负数且超出±10mV的安全范围时，认为该单体存在微短路。
S24：各微短路单体电压值在预先建立Q-DCV表格中查表得到与之对应的各微短路单体目前所含电量。
S25：各微短路单体目前所含电量减去各微短路单体在上一次电池包放空时的所含电量可以得到各微短路单体在两次放空间的漏电量。
S26：各微短路单体漏电量除以两次放空间的时间差值可以得到各微短路单体的微短路电流。
S27：根据微短路电流超过诊断阈值的程度，进一步判断故障严重程度。
S3:没充满结束时具体实施例
在实际使用中，由于某些原因，有时用户可能在还没充满的情况下就要停止充电，对于这种情况我们也提出了对应的微短路诊断方法，如图5所示。
S31：在电池包充电结束时且充电时间大于10分钟，电池管理系统记录结束时刻的时间(Tcha-end)和各电池单体电压值。假设在充电结束时刻，电压最高单体(Y号单体)的电压为3.98V。
S32：在下一次电池包充电时，一旦Y号单体的电压升高到3.98V，判断这次充电时间是否大于10分钟，如果大于，则记录下这一时刻的时间(Tcha-same)和各单体电压值，进入S33；如果不大于，清除上一次充电结束时刻(Tcha-end)的时间和各电池单体电压值，不进入S33-S36，而是等待充电结束。
S33：将Tcha-end和Tcha-same的各单体电压值在预先建立的电量与充电电压的关系表格中查表得到与之对应的各单体所含电量。
S34：将Tcha-end和Tcha-same时刻的各单体电量相减，可以得到各单体在Tcha-end和Tcha-same两时刻内的所含电量差值。
S35：各单体所含电量差值除以Tcha-end和Tcha-same两时间差值可以得到各单体的微短路电流。
S36：根据微短路电流的大小是否超过诊断阈值及超过的程度，判断是否发生微短路故障及故障严重程度。
S4：没放空结束时具体实施例
前面介绍过面向放空电情况下的微电路故障诊断方法，它适用于一些维修、保养、梯次利用等场景，这时可以向充电时一样有固定的充电规则，但是可能也会由于一些原因不能够放空进行检测，所以这里也给出在面向放电的工况下没放空时的微短路诊断方法，如图6所示。
S41：在电池包放电结束时且放电时间大于10分钟，电池管理系统记录结束时刻的时间(Tdcha-end)和各电池单体电压值。假设电压最低单体(Z号单体)的电压为2.7V。
S42：在下一次电池包放电时，一旦Z号单体的电压下降到2.7V，判断这次放电时间是否大于10分钟，如果大于，则记录下此刻(Tdcha-same)的时间和各单体电压值，进入S43；如果不大于，清除上一次放电结束时刻(Tdcha-end)的时间和各电池单体电压值，不进入S43-S46，而是等待放电结束。
S43：将Tdcha-end和Tdcha-same的各单体电压值在预先建立的电量与放电电压的关系表格中查表得到与之对应的各单体所含电量。
S44：将Tdcha-same时刻的各单体电量减去Tdcha-end时刻的各单体电量，可以得到各单体在Tdcha-end和Tdcha-same两时刻内的所含电量差值，电量差值除以Tdcha-end和Tdcha-same两时刻的时间差值得到微短路电流。
S45：当微短路电流超出±9.6mA的范围且为正数时，说明该单体为微短路单体；当微短路电流没有超出±9.6mA的范围时或者超出±9.6mA的范围但是是负数时，说明该单体为正常单体；当大多数单体的电量差值超出±9.6mA的范围且为正数时，说明最先到达放电截止电压的单体存在微短路故障。
S46：根据微短路电流的大小是进一步评估故障严重程度。
S5：补偿温度影响具体实施例
为了解决两次充电/放电时的环境温度差异对算法的影响，提出了基于对充电/放电结束时刻的电压进行补偿的解决方案，如图7所示。
S51：充电/放电开始时(也可以是结束时)，BMS记录电池包的温度T。
S52：比较微短路诊断算法中的两次充电/放电时的温度(第一次为T1，第二次为T2)，如果差距大于5℃,进入S53中进行补偿处理，如果差距不大于5℃，则不作S53-S55的处理，在通过充电/放电结束时刻电压查表获得充电/放电结束时电量的时候，查的是BMS所存储不同温度下的Q-CV表格中温度最接近T1或T2的表格。
S53：两次充电/放电时温度差距大于5℃，需要对其中一次充电/放电的电压进行补偿，从而使得两次充电/放电时刻的电量可以在同一温度下的表格中进行的查表得到，这里假设第一次为T1＝27℃，第二次为T2＝9℃，具体的操作方法为：温度最靠近25℃(可根据电池最佳保存温度设定)的那一次作为基准，即第一次为T1＝27℃的作为基准，温度离25℃稍远的那一次的充电/放电时刻电压值需要进行补偿，即第二次为T2＝9℃的充电/放电时刻电压值需要进行补偿；BMS所存储不同温度下的Q-CV表格中，温度最接近T1和T2的分别是T1BMS＝25℃和T2BMS＝10℃温度，计算25℃和10℃温度下充电/放电结束时电压差值，这个差值就是补偿电压值；第二次充电/放电时刻的电压值加上补偿电压值得到Uafter-offset，将Uafter-offset作为第二次充电/放电时刻的电压值。
S54：两次充电/放电结束时刻的电压在同一温度(25℃)下的表格中进行查表，得到对应的电量。后面继续根据在不同充电/放电结束情况下(充满结束、放空结束、充不满结束、放不空结束)的诊断策略进行微短路的诊断。
S6：老化影响对策具体实施例
另外，为了解决电池包以及电池老化后对算法的影响。在对充电/放电结束时刻电压查表获得电量时，根据电池所处的老化程度，调用存储的对应老化程度下的表格进行查表。
根据我们在介绍Q-CV、Q-DCV表格的制作过程的实施例中提到，在0～1000次循环寿命中，每隔200次循环进行14个温度下的满充满放实验，共建立84个Q-CV和84个Q-DCV曲线或者表格存储在BMS的Flash或其他存储器中备用。
比如电池包目前循环次数为266次，那么在对充电/放电结束时刻电压查表获得电量时，在存储的不同循环次数的表格中，选取离循环次数266次最近的200次循环下的表格进行查表。

Claims (1)

1.一种在线定量诊断电池微短路故障的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)存储数据表格的建立：以客户实际使用电池时的充电方式对电池进行充电，从零电量充电到满电量，建立充电时电量与电压的关系表格，对每次电压发生设定单位变化内的放电电流进行时间积分，获得每次电压发生设定单位变化内的放电电量，然后进行累加可获得每次电压发生设定单位变化后电池的所含电量，称之为Q-CV关系表格；
以确定的放电方式对电池进行放电，从满电量放电到零电量，建立放电时电量与电压的关系表格，对每次电压发生设定单位变化内的放电电流进行时间积分，获得每次电压发生设定单位变化内的放电电量，然后进行累减可获得每次电压发生设定单位变化后电池的所含电量，称之为Q-DCV关系表格；
按照同样的方法，在不同温度下获得多个Q-CV和Q-DCV关系表格存储在BMS的Flash或者其他存储器中备用；
再按照同样的方法，在电池不同老化循环次数下，建立不同温度下的Q-CV和Q-DCV关系表格存储在BMS的Flash或其他存储器中备用；
2)进行在线电池诊断：
在线电池诊断的电池包由n节同型号电池单体全串构成，此电池单体型号与步骤1)所测电池型号相同，
A1、充满电情况下的诊断方法，具体步骤如下：
A11：不限电池包开始充电时刻，在电池包充满电时且充电时间大于预设时间，电池管理系统记录充满时刻的时间和时间对应的各电池单体电压值，并进行存储；
A12：根据测得各单体电压值，用查表法，在预先建立的Q-CV关系表格中查表得到各单体电压值与之对应的各单体目前所含电量，并将各单体所含电量与步骤A11中所得时间对应存储；
A13：用得到的各单体目前所含电量减去存储器中存储的对应各单体在上一次电池包充满电时所含电量，得到前后两次充满电各单体的所含电量差值；
A14：将前后两次充满电各单体的所含电量差值除以前后两次充满电间的时间差值，可以得到各单体的微短路电流；
A15：根据微短路电流的大小是否超过诊断阈值及超过的程度，判断是否发生微短路故障及故障严重程度，诊断阈值可根据国家标准对电池荷电保持能力的要求进行设定；
A2：放空电情况下的诊断方法，具体步骤如下：
A21：不限电池包开始放电时刻，在电池包放空时且放电时间大于预设时间，电池管理系统记录放空时刻的时间和时间对应的各电池单体电压值，并进行存储；
A22：用得到的各单体电压值减去存储器中存储的对应各单体在上一次电池包放空时的电压值，可以得到各单体前后两次电池包放空间的电压差值；
A23：根据电压差值判断微短路是否存在，当单体电压差值在设定安全范围内时，认为该单体无微短路；当超出半数单体的电压差值都为正数且超出安全范围时，认为最先达到放电截止电压的单体存在微短路；当单体电压差值为负数且超出安全范围时，认为此单体存在微短路；
A24：根据各微短路单体放空电压值，在预先建立的Q-DCV关系表格中查表，得到与之对应的各微短路单体目前所含电量，并将各微短路单体所含电量与步骤A21中所得时间对应存储；
A25：用得到的各微短路单体目前所含电量减去存储器中存储的对应各微短路单体在上一次电池包放空时的所含电量，可以得到各微短路单体在前后两次放空间的漏电量；
A26：各微短路单体漏电量除以前后两次放空间的时间差值，可以得到各微短路单体的微短路电流；
A27：根据微短路电流超过诊断阈值的程度，进一步判断故障严重程度；
A3:没充满电结束情况下的诊断方法，具体步骤如下：
A31：不限电池包开始充电时刻，在电池包充电结束时且充电时间大于预设时间，电池管理系统记录充电结束时刻的时间Tcha-end和时间对应的各电池单体电压值。
A32：在下一次电池包充电时，对上一次充电结束时电压最高单体电池进行监测，一旦这次充电此单体电池电压升高到与上次Tcha-end时间记录电压值相同时，判断所用充电时间是否大于预设时间，如果大于，则记录下此刻的时间Tcha-same和时间对应的各单体电压值，进入A33；如果不大于，清除上一次充电结束时刻Tcha-end的时间和各电池单体电压值，不进入A33-A36，而是等待充电结束，不进行判断；
A33：根据Tcha-end和Tcha-same时间记录的各单体电压值，在预先建立的Q-CV关系表格中查表，得到与之对应的各单体所含电量；
A34：将Tcha-end和Tcha-same两次时间对应的各单体电量相减，可以得到各单体在Tcha-end和Tcha-same两时间内的所含电量差值；
A35：各单体所含电量差值除以Tcha-end和Tcha-same两时间差值可以得到各单体的微短路电流；
A36：根据微短路电流的大小是否超过诊断阈值及超过的程度，判断是否发生微短路故障及故障严重程度；
A4：没放空电结束情况下的诊断方法，具体步骤如下：
A41：不限电池包开始放电时刻，在电池包放电结束时且放电时间大于预设时间，电池管理系统记录放电结束时刻的时间Tdcha-end和时间对应的各电池单体电压值；
A42：在下一次电池包放电时，对上一次放电结束时间Tdcha-end电压最低的单体电池进行监测，一旦这次放电此单体电池电压下降到与上一次放电结束时相同，判断所用放电时间是否大于预设时间，如果大于，则记录下此刻Tdcha-same的时间和时间对应的各单体电压值，进入A43；如果不大于，清除上一次放电结束时刻(Tdcha-end)的时间和各电池单体电压值，不进入A43-A46，而是等待放电结束，不进行判断；
A43：根据Tdcha-end和Tdcha-same两次时间对应的各单体电压值，在预先建立的Q-DCV关系表格中查表，得到与之对应的各单体所含电量；
A44：将Tdcha-same时间对应的各单体电量减去Tdcha-end时间对应的各单体电量，可以得到各单体在Tdcha-end和Tdcha-same两次时间内的所含电量差值，电量差值除以两时刻时间差值得到微短路电流；
A45：当微短路电流超出安全范围且为负数时，说明该单体为微短路单体；当微短路电流没有超出安全范围时或者超出安全范围但是是正数时，说明该单体为正常单体；当超出半数单体的微短路电流超出安全范围且为正数时，说明最先到达放电截止电压的单体存在微短路故障；
A46：根据微短路电流的大小是进一步评估故障严重程度；
A5：补偿温度影响:
A51：充电或放电结束时，BMS记录电池包的温度T；
A52：比较微短路诊断算法中的两次充电或放电时的温度，第一次为T1，第二次为T2，如果差距大于阈值,进入A53中进行补偿处理，如果差距不大于阈值，则不作A53-A55的处理，在通过充电或放电结束时刻电压查表获得充电或放电结束时电量的时候，查的是BMS所存储不同温度下的Q-CV表格或Q-DCV表格中温度最接近T1或T2的表格；
A53：两次充电或放电时温度差距大于阈值，需要对其中一次充电或放电的电压进行补偿，从而使得两次充电或放电时刻的电量可以在同一温度下的表格中进行的查表得到，具体的操作方法为：温度最靠近25℃的那一次充电或放电作为基准，记为第m次，对温度离25℃稍远的那一次的充电或放电时刻电压值进行补偿，记为第m’次；假设BMS所存储不同温度下的表格中温度最接近T1和T2的是T1BMS和T2BMS温度下的，计算T1BMS和T2BMS温度下充电或放电结束时电压差值，这个差值就是补偿电压值；第m’次充电/或放电结束时刻的电压值加上补偿电压值得到Uafter-offset，将Uafter-offset作为第m’次充电或放电结束时刻的电压值；
A54：两次充电或放电结束时刻的电压在最靠近25℃那个温度下的表格中进行查表，得到对应的电量；后面继续根据在不同充电或放电结束情况下的诊断策略进行微短路的诊断；
A6：老化影响对策，在对充电或放电结束时刻电压查表获得电量时，根据电池所处的老化程度，调用存储的对应老化程度下的表格进行查表。
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