CN108918948B - 动力电池内生电流的提取方法 - Google Patents

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CN108918948B CN201810660697.3A CN201810660697A CN108918948B CN 108918948 B CN108918948 B CN 108918948B CN 201810660697 A CN201810660697 A CN 201810660697A CN 108918948 B CN108918948 B CN 108918948B
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Abstract

本申请涉及一种动力电池内生电流的提取方法。所述方法通过对电池组外部负载电流I0施加一个较小的扰动ΔI0，测量并联支路电流在扰动ΔI0作用下的变化量ΔI，进而根据内生电流与负载电流I0的关系模型，将内生电流与外生电流区分开，即将动力电池发生内短路时的内生电流的提取出来。本方法有效的解决了内短路检测面临的问题，使得内短路检测方法能够更加准确地将动力电池的内短路电流检测出来。本方法有助于提高锂离子动力电池安全管理的可靠性，从而减少锂离子动力电池安全性事故的发生。

Description

动力电池内生电流的提取方法
技术领域
本申请涉及电池技术领域，特别是涉及一种动力电池内生电流的提取方法。
背景技术
在能源紧缺问题与环境污染问题的双重压力下，新能源的应用已经成为不可逆的科技发展趋势。在汽车动力系统中，锂离子动力电池因其具有高比能量、低自放电率已经长循环寿命的特点，已经成为电动汽车动力来源的主要选择之一。
然而，锂离子动力电池容易发生热失控事故。锂离子电池内短路作为电滥用的触发形式的一种，是锂离子电池热失控事故中最常见的诱因之一。在锂离子动力电池使用过程中，内短路从产生到最终引发热失控需要经历数小时的时间。为了避免热失控的发生，在内短路发生与发展的这数小时内，需要使用可靠有效的内短路提取方法将内短路检测出来。传统的动力电池内生电流的提取方法在电池组一致性较差或者电池组发生老化的情况下，由于内短路引发的内生电流和外生电流会相互掩盖，干扰到内短路引发的内生电流信号的识别，从而无法准确的检测到内生内生电流。
发明内容
基于此，有必要针对无法准确的检测到内生电流的问题，提供一种动力电池内生电流的提取方法。
一种动力电池内生电流的提取方法，包括以下步骤：
S100，提供电池模组，所述电池模组包括多个等效的并联支路；
S200，对所述电池模组施加外部负载电流I0，测量其中一个并联支路ab在外部负载电流I0作用下的并联支路电流Iab，所述并联支路电流Iab等于内生电流Iab内与外生电流Iab外之和；
S300，对所述外部负载电流I0施加电流扰动ΔI0，测量所述并联支路ab在所述电流扰动ΔI0的作用下的电流变化量ΔIab；
S400，根据所述内生电流Iab内和所述外部负载电流I0的关系模型，计算动力电池内生电流的大小，其中，所述内生电流Iab内和所述负载电流I0的关系模型为：
Figure GDA0002175823220000021
在一个实施例中，在所述步骤S200之前还包括：
S110，在对所述电池模组施加外部负载电流I0时，对所述电池模组中所述并联支路的电流组成进行分析，以得出任意一个所述并联支路在外部负载电流I0作用下的实际电流I有负载，所述并联支路在外部负载电流I0作用下的实际电流I有负载等于在动力电池电动势作用下产生的内生电流I1、在动力电池电动势作用下产生的均衡电流I2、在电池外部负载作用下产生的内生电流I3和在电池外部负载作用下产生的均衡电流I4之和。
在一个实施例中，所述步骤S110，包括：
S111，对所述电池模组进行等效，对所述电池模组根据节点电流定律列出方程式组；
S112，将所述方程式组进行联立求解，选取一个所述并联支路ab，计算得出所述并联支路ab的并联支路电流Iab，满足以下公式：
Figure GDA0002175823220000022
其中，Iab为所述并联支路中其中一个发生内短路的并联支路电流，A1，A2，B1，B2，B3，B4为常数；I0为外部负载电流；RIsCr为内短路阻值；
S113，对所述步骤S112中的公式进行因式分解，得到：
Figure GDA0002175823220000023
Figure GDA0002175823220000024
Figure GDA0002175823220000025
Figure GDA0002175823220000031
其中，Iab1为在动力电池电动势作用下产生的内生电流，Iab2为在动力电池电动势作用下产生的均衡电流，Iab3为在电池外部负载作用下产生的内生电流，Iab4为在电池外部负载作用下产生的均衡电流。
在一个实施例中，在所述步骤S112中，当外部负载电流I0为0时，
进行因式分解后，得到：
Figure GDA0002175823220000033
为在动力电池电动势作用下产生的内生电流；
为在动力电池电动势作用下产生的均衡电流。
在一个实施例中，根据所述并联支路电流Iab满足的公式
Figure GDA0002175823220000035
对所述外部负载电流进行求导，得到：
Figure GDA0002175823220000036
得出：
Figure GDA0002175823220000037
其中，Iab内为所述并联支路ab的内生电流。
在一个实施例中，所述步骤S300中，所述电流扰动ΔI0小于所述外部负载电流I0。
在一个实施例中，所述步骤S100中：
所述电池模组包括N个对称环形拓扑电路构型，每一个所述对称环形拓扑电路构型包括多个动力电池，一个所述对称环形拓扑电路构型中的每一个所述动力电池的正极通过导线电连接形成第一环路，多个所述动力电池的负极通过导线电连接形成第二环路。
在一个实施例中，所述步骤S100中，所述电池模组包括两个串联的所述对称环形拓扑电路构型，每一个所述对称环形拓扑电路构型中包括三个并联的动力电池。
在一个实施例中，所述第一环路由一根直导线连接每一个所述动力电池的正极，所述第二环路由另一根直导线连接每一个所述动力电池的负极，每一根直导线的电阻值相等。
在一个实施例中，每一次所述动力电池内生电流的提取方法中，采用铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、铁镍蓄电池、钠氯化镍蓄电池、银锌蓄电池、钠硫蓄电池、锂蓄电池、空气蓄电池、燃料电池、太阳能蓄电池、超容量电容器、飞轮电池或者钠硫电池中的任意一种。
本申请提供一种动力电池内生电流的提取方法，通过负载扰动分离内生电流和外生电流。所述方法通过对电池组外部负载电流I0施加一个较小的扰动ΔI0，测量并联支路电流在扰动ΔI0作用下的变化量ΔI，进而根据内生电流与负载电流I0的关系模型，将内生电流与外生电流区分开，即将动力电池发生内短路时的内生电流的提取出来。本方法有效的解决了内短路检测面临的问题，使得内短路检测方法能够更加准确地将动力电池的内短路电流检测出来。本方法有助于提高锂离子动力电池安全管理的可靠性，从而减少锂离子动力电池安全性事故的发生。
附图说明
图1为本申请一个实施例中所述动力电池内生电流的提取方法的流程示意图；
图2为本申请一个实施例中所述电池模组的结构示意图；
图3为本申请另一个实施例中所述对称环形拓扑电路结构的结构示意图；
图4为本申请一个实施例中所述电池模组的结构示意图；
图5为本申请另一个实施例中所述对称环形拓扑电路结构的结构示意图；
图6为本申请一个实施例中，所述电池模组发生内短路时的等效电路图。
附图标号说明：
动力电池 100
对称环形拓扑电路结构 200
电池模组 300
具体实施方式
请参阅图1，提供一种动力电池内生电流的提取方法。所述方法采用一种电池模组300，所述电池模组300的结构可以如图2或者图4所示。所述电池模组300可以包括N个对称环形拓扑电路结构200。每一个所述对称环形拓扑电路结构200包括多个动力电池100。一个所述对称环形拓扑电路结构200中的每一个所述动力电池100的正极通过导线电连接形成第一环路，多个所述动力电池100的负极通过导线电连接形成第二环路。
对称环形电路拓扑结构简称SLCT，可表示为symmetrical loop circuittopology。在SLCT中，所有并联连接的电池具有同等地位/同等优先级。通过使用并联支路双线连接的方式，在电池组中可以便捷的实现SLCT结构。在充放电和动态工况等电池组的正常工作状态下，电池组的工作电流主要从串联支路流过，并联支路中以均衡电流为主。若电流的一致性高，则均衡电流就会小。因此，在基于SLCT结构的电池组中，并联支路使用的双线可以用横截面积较小的导线制作。
在一个实施例中，所述第一环路由一根直导线连接每一个所述动力电池的正极。所述第二环路由另一根直导线连接每一个所述动力电池的负极，每一根直导线的电阻值相等。本实施例中，每根直导线的电阻值相等可以精确计算发生动力电池内短路和没有发生动力电池内短路时线阻。
所述动力电池100即为工具提供动力来源的电源。所述动力电池100可以是为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。所述动力电池100可以采用阀口密封式铅酸蓄电池、敞口式管式铅酸蓄电池以及磷酸铁锂蓄电池。所述动力电池100可以是铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池铁镍蓄电池、钠氯化镍蓄电池、银锌蓄电池、钠硫蓄电池、锂蓄电池、空气蓄电池、燃料电池、太阳能蓄电池、超容量电容器、飞轮电池或者钠硫电池。本申请以锂电池作为实验对象。
比如，图2或者图4中分别示出了所述电池模组300的一种形式。图2中所述电池模组300包括4组所述对称环形拓扑电路结构200。图3中示出了每一组所述对称环形拓扑电路结构200包括5个并联的所述动力电池100。图4(与图2相似)中所述电池模组300包括2组所述对称环形拓扑电路结构200。图5中示出了每一组所述对称环形拓扑电路结构200包括3个并联的所述动力电池100。图6中示出了图4所示的3并2串的所述电池模组发生内短路时的等效电路图。在一个实施例中，所述电池模组可以包括M个串联的所述对称环形拓扑电路结构。每一个所述对称环形拓扑电路结构中包括m个并联的动力电池。这里的M和m可以根据本领域技术人员的需要进行设计，并不限定为具体的数字。如图6示意了所述动力电池100的电动势分别为E11、E12、E13、E21、E22、E23。如图6同时示意了所述动力电池100的内阻分别为R11、R12、R13、R21、R22、R23。标号为E22的所述动力电池100发生了内短路，内短路的阻值为RISCr。所述并联支路的线阻分别为Rab、Rbc、Rca。在所述电池模组300中设置多个电流检测点，以实现对所述电池模组300电流的检测。比如，可以在所述第一环路或者所述第二环路中设置N+1个电流表，以形成N+1个电流检测点，用于检测所述并联支路的电流。所述电池模组300的总电流为I0。流过R11、R12、R13、R21、R22、R23的电流分别为I11、I12、I13、I21、I22、I23。当然可以理解，所述电池模组300还可以包括其他的结构形式。本申请中基于图4所示的所述电池模组300进行下述的方法和步骤。
请再参阅图1，所述动力电池内生电流的提取方法包括以下步骤：
S100，提供电池模组，所述电池模组包括多个等效的并联支路。
本步骤中，所述电池模组300可以采用如图2所示的3并2串的电池模组。具体连接组成所述电池模组300的方法和步骤并不作限定。
S200，对所述电池模组施加外部负载电流I0，测量其中一个并联支路ab在外部负载电流I0作用下的并联支路电流Iab，所述并联支路电流Iab等于内生电流Iab内与外生电流Iab外之和。
本步骤中，可以设置电流检测点对所述并联支路的电流进行检测。对所述并联支路施加外部负载电流I0，测量其中一个所述并联支路ab在外部负载电流I0作用下的并联支路电流Iab。本步骤中，通过电流检测点检测到在外部负载电流I0的作用下并联支路电流可以提高电流检测的效率和精度。
S300，对所述外部负载电流I0施加电流扰动ΔI0，测量所述并联支路ab在所述电流扰动ΔI0的作用下的电流变化量ΔIab。
本步骤中，施加所述电流扰动ΔI0的大小要合适。如果施加的所述电流扰动ΔI0大于或者等于所述外部负载电流I0，就相当于施加了另一个外部负载电流，会对电池组的负载产生影响，进而影响动力电池内生电流的检测和提取。因此，一般的所述电流扰动ΔI0小于所述外部负载电流I0。所述电流扰动ΔI0也不宜过小。如果所述电流扰动ΔI0较小，所述并联支路电流Iab在这个扰动下的所述电流变化量ΔIab就会很小，不但所需的测量精度太高而难以达到，而且所述电流变化量ΔIab容易被其他的噪声所干扰或者掩盖，使得内生电流的检测结果不准确。
S400，根据所述内生电流Iab内和所述外部负载电流I0的关系模型，计算动力电池内生电流的大小。本步骤中，所述内生电流Iab内等于所述并联支路电流Iab与外生电流Iab外之差。进一步，可以通过所述外部负载电流I0表示所述外生电流Iab外的大小。
比如，在一个实施例中，所述步骤S400中，所述内生电流Iab内和所述负载电流I0的关系模型为：
本实施例中，提供一种动力电池内生电流的提取方法，通过负载扰动分离内生电流和外生电流。所述方法通过对电池组外部负载电流I0施加一个较小的扰动ΔI0，测量并联支路电流在扰动ΔI0作用下的变化量ΔI，进而根据内生电流与负载电流I0的关系模型，将内生电流与外生电流区分开，即将动力电池发生内短路时的内生电流的提取出来。本方法有效的解决了内短路检测面临的问题，使得内短路检测方法能够更加准确地将动力电池的内短路电流检测出来。本方法有助于提高锂离子动力电池安全管理的可靠性，从而减少锂离子动力电池安全性事故的发生。
在一个实施例中，在所述步骤S200之前还包括：
S110，在对所述电池模组施加外部负载电流I0时，对所述电池模组中所述并联支路的电流组成进行分析，以得出任意一个所述并联支路在外部负载电流I0作用下的实际电流I有负载，所述并联支路在外部负载电流10作用下的实际电流I有负载等于在动力电池电动势作用下产生的内生电流I1、在动力电池电动势作用下产生的均衡电流I2、在电池外部负载作用下产生的内生电流I3和在电池外部负载作用下产生的均衡电流I4之和。
本实施例中，由于所述并联支路电流Iab等于内生电流Iab内与外生电流Iab外之和，所述实际电流I有负载＝所述并联支路在外部负载电流I0作用下的内生电流+所述并联支路在外部负载电流I0作用下的外生电流。另外，所述实际电流I有负载＝I1+I2+Is+I4。
在一个实施例中，所述步骤S110，包括：
S111，对所述电池模组进行等效，对所述电池模组根据节点电流定律列出方程式组。具体可以根据节点电压定律和/或节点电流定律建立方程组。
S112，将所述方程式组进行联立求解，选取一个所述并联支路ab，计算得出所述并联支路ab的并联支路电流Iab，满足以下公式：
其中，Iab为所述并联支路中其中一个发生内短路的并联支路电流，A1，A2，B1，B2，B3，B4为常数；I0为外部负载电流；RIsCr为内短路阻值；
S113，对所述步骤S112中的公式进行因式分解，得到：
Figure GDA0002175823220000082
Figure GDA0002175823220000084
其中，Iab1为在动力电池电动势作用下产生的内生电流，Iab2为在动力电池电动势作用下产生的均衡电流，Iab3为在电池外部负载作用下产生的内生电流，Iab4为在电池外部负载作用下产生的均衡电流。
在一个实施例中，在所述步骤S112中，当外部负载电流I0为0时，
进行因式分解后，得到：
Figure GDA0002175823220000092
为在动力电池电动势作用下产生的内生电流；
Figure GDA0002175823220000093
为在动力电池电动势作用下产生的均衡电流。
即，所述并联支路在外部负载电流I0为0时，所述并联支路电流I等于在动力电池电动势作用下产生的内生电流I1和在动力电池电动势作用下产生的均衡电流I2之和。
在一个实施例中，根据所述并联支路电流Iab满足的公式
Figure GDA0002175823220000094
对所述外部负载电流进行求导，得到：
Figure GDA0002175823220000095
进而可以得出，
Figure GDA0002175823220000096
其中，Iab内为所述并联支路ab的内生电流。ΔIab和ΔI0分别为及其微小的变化量。本实施例中，采用微分求导及公式变化得出所述并联支路ab的内生电流Iab内与所述外部负载电流I0之间的关系式。
在一个实施例中，所述步骤S300中，所述电流扰动ΔI0小于所述外部负载电流I0。
本实施例中，所述电流扰动ΔI0一般会小于所述外部负载电流I0。具体的，所述电流扰动ΔI0可以是所述外部负载电流I0的20％到80％。可以理解，如果施加的所述电流扰动ΔI0大于或者等于所述外部负载电流I0，就相当于施加了另一个外部负载电流，会对电池组的负载产生影响，进而影响动力电池内生电流的检测和提取，使得内生电流的检测结果不准确。所述电流扰动ΔI0也不宜过小。如果所述电流扰动ΔI0较小，所述并联支路电流Iab在这个扰动下的所述电流变化量ΔIab就会很小，不但所需的测量精度太高而难以达到，而且所述电流变化量ΔIab容易被其他的噪声所干扰或者掩盖，使得内生电流的检测结果不准确。
在一个具体的实施例中，选取一款锂离子动力电池，用等效电路模型描述此款电池，其开路电压为Eij，内阻为Rij。将选定的锂离子动力电池组成满足对称环形拓扑电路构型的3并2串的电池模组，并联支路ab，bc和ca的导线线阻分别为Rab，Rbc和Rca，内短路等效电阻为RIsCr，如附图6所示。
在本实施例中，对组成的电池模组施加外部负载电流I0，测量流过并联支路ab的并联支路电流Iab，并联支路电流Iab由内生电流Iab内和外生电流Iab外两部分组成。对外部负载电流I0施加一个较小的扰动ΔI0，测量并联支路电流在扰动作用下的变化量ΔI。
根据ab支路内生电流Iab内和负载电流的关系方程
Figure GDA0002175823220000101
Figure GDA0002175823220000102
将ab支路的内生电流与外生电流区分开。
本实施例中提出了一种通过负载扰动分离内生电流和外生电流的方法，即动力电池内生电流的提取方法。所述动力电池内生电流的提取方法通过对电池组外部负载电流I0施加一个较小的扰动ΔI0，并测量并联支路电流I在这个扰动作用下的变化量ΔI0，进而根据内生电流与负载电流I0的关系方程，将内生电流与外生电流区分开。本发明提出的通过负载扰动分离内生电流和外生电流的方法可以使内短路检测方法能够更加准确地将锂离子动力电池的内短路检测出来，该发明有助于提高锂离子动力电池安全管理的可靠性，从而减少锂离子动力电池安全性事故的发生。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种动力电池内生电流的提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100，提供电池模组，所述电池模组包括多个等效的并联支路；
S200，对所述电池模组施加外部负载电流I0，测量其中一个并联支路ab在外部负载电流I0作用下的并联支路电流Iab，所述并联支路电流Iab等于内生电流Iab内与外生电流Iab外之和；
S300，对所述外部负载电流I0施加电流扰动ΔI0，测量所述并联支路ab在所述电流扰动ΔI0的作用下的电流变化量ΔIab；
S400，根据所述内生电流Iab内和所述外部负载电流I0的关系模型，计算动力电池内生电流的大小，其中，所述内生电流Iab内和所述负载电流I0的关系模型为：
Figure FDA0002175823210000011
2.如权利要求1所述的动力电池内生电流的提取方法，其特征在于，在所述步骤S200之前还包括：
S110，在对所述电池模组施加外部负载电流I0时，对所述电池模组中所述并联支路的电流组成进行分析，以得出任意一个所述并联支路在外部负载电流I0作用下的实际电流I有负载，所述并联支路在外部负载电流I0作用下的实际电流I有负载等于在动力电池电动势作用下产生的内生电流I1、在动力电池电动势作用下产生的均衡电流I2、在电池外部负载作用下产生的内生电流I3和在电池外部负载作用下产生的均衡电流I4之和。
3.如权利要求2所述的动力电池内生电流的提取方法，其特征在于，所述步骤S110，包括：
S111，对所述电池模组进行等效，对所述电池模组根据节点电流定律列出方程式组；
S112，将所述方程式组进行联立求解，选取一个所述并联支路ab，计算得出所述并联支路ab的并联支路电流Iab，满足以下公式：
其中，Iab为所述并联支路中其中一个发生内短路的并联支路电流，A1，A2，B1，B2，B3，B4为常数；I0为外部负载电流；RISCr为内短路阻值；
S113，对所述步骤S112中的公式进行因式分解，得到：
Figure FDA0002175823210000021
Figure FDA0002175823210000022
Figure FDA0002175823210000023
Figure FDA0002175823210000024
其中，Iab1为在动力电池电动势作用下产生的内生电流，Iab2为在动力电池电动势作用下产生的均衡电流，Iab3为在电池外部负载作用下产生的内生电流，Iab4为在电池外部负载作用下产生的均衡电流。
4.如权利要求3所述的动力电池内生电流的提取方法，其特征在于，在所述步骤S112中，当外部负载电流I0为0时，
Figure FDA0002175823210000025
进行因式分解后，得到：
Figure FDA0002175823210000026
为在动力电池电动势作用下产生的内生电流；
Figure FDA0002175823210000027
为在动力电池电动势作用下产生的均衡电流。
5.如权利要求3所述的动力电池内生电流的提取方法，其特征在于，根据所述并联支路电流Iab满足的公式
Figure FDA0002175823210000028
对所述外部负载电流进行求导，得到：
Figure FDA0002175823210000029
得出：
Figure FDA00021758232100000210
其中，Iab内为所述并联支路ab的内生电流。
6.如权利要求1所述的动力电池内生电流的提取方法，其特征在于，所述步骤S300中，所述电流扰动ΔI0小于所述外部负载电流I0。
7.如权利要求1所述的动力电池内生电流的提取方法，其特征在于，所述步骤S100中：
所述电池模组包括N个对称环形拓扑电路构型，每一个所述对称环形拓扑电路构型包括多个动力电池，一个所述对称环形拓扑电路构型中的每一个所述动力电池的正极通过导线电连接形成第一环路，多个所述动力电池的负极通过导线电连接形成第二环路。
8.如权利要求7所述的动力电池内生电流的提取方法，其特征在于，所述步骤S100中，所述电池模组包括两个串联的所述对称环形拓扑电路构型，每一个所述对称环形拓扑电路构型中包括三个并联的动力电池。
9.如权利要求7所述的动力电池内生电流的提取方法，其特征在于，所述第一环路由一根直导线连接每一个所述动力电池的正极，所述第二环路由另一根直导线连接每一个所述动力电池的负极，每一根直导线的电阻值相等。
10.如权利要求1-9中任一项所述的动力电池内生电流的提取方法，其特征在于，每一次所述动力电池内生电流的提取方法中，采用铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、铁镍蓄电池、钠氯化镍蓄电池、银锌蓄电池、钠硫蓄电池、锂蓄电池、空气蓄电池、燃料电池、太阳能蓄电池、超容量电容器、飞轮电池或者钠硫电池中的任意一种。
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