CN109901004A - 一种车载动力电池内短路检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载动力电池内短路检测方法和系统，该方法以目前车载电池串并联拓扑结构为基础，利用车载动力电池串并联结构主干路上串联的电流传感器并在车载动力电池串并联结构的至少一个支路上串联电流传感器，然后采集支路上的电流传感器测量的支路电流和主干路上的电流传感器测得的总电流，获取两者的比例关系，并检测所述比例关系的变化，将检测到的所述比例关系的变化情况利用基尔霍夫电流定律判断车载动力电池内是否发生短路。该方法可以快速检测到车载电池局部内短路，并根据判定内短路发生的区域，有效防止车载电池因内短路现象而产生的热失控等危险。

Description

一种车载动力电池内短路检测方法和系统

技术领域

本发明涉及动力电池测试领域，具体涉及一种车载动力电池内短路检测方法和系统。

背景技术

电动汽车安全相关技术已经成为制约电动汽车技术发展以及安全性提高的重要因素之一。车载电池包内单体电池的内短路是电池包热失控的重要途径之一。电池包内单体电池内短路的发生有多种可能，如电池缺陷、碰撞、老化等。内短路的发生目前难以预测，只能通过更加快速高效的方法检测。目前，车载锂电池包检测内短路的方法多基于电压、温度等传感器的联合估计方法，检测速度慢，难以满足整车安全性的需要。

发明内容

为了解决现有车载电池内短路检测方法检测速度慢，难以满足安全需要的问题，本发明提供一种车载电池内短路检测方法，该方法在原有的车载动力电池串并联结构的基础上将其主干路以及若干支路上分别串联电流传感器并进行后续处理，可以快速检测到车载电池局部内短路，并根据判定内短路发生的区域，有效防止车载电池因内短路现象而产生的热失控等危险。本发明还涉及一种车载动力电池内短路检测系统。

本发明技术方案如下：

一种车载动力电池内短路检测方法，其特征在于，所述方法利用车载动力电池串并联结构主干路上串联的电流传感器并在车载动力电池串并联结构的至少一个支路上串联电流传感器，然后采集所述支路上的电流传感器测量的支路电流和主干路上的电流传感器测得的总电流，获取两者的比例关系，并检测所述比例关系的变化，将检测到的所述比例关系的变化情况利用基尔霍夫电流定律判断车载动力电池内是否发生短路。

优选地，在车载动力电池处于放电状态时，若支路上电流传感器测量的该支路电流升高且所述支路电流与总电流比值也升高时则发生内短路的电池单体在串联了电流传感器的支路，若支路上电流传感器测量的该支路电流降低且所述支路电流与总电流比值也降低则发生内短路的电池单体未在串联了电流传感器的支路。

优选地，当所述比值落在标定量区间外并达到一定时间时判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新采集电流传感器测得的电流。

优选地，当整车静置时，若支路上电流传感器持续一段时间连续检测到电流值且检测到的电流值超过预设电流时则判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新采集电流传感器测得的电流。

一种车载动力电池内短路检测系统，其特征在于，包括在车载动力电池串并联结构的主干路上设置的电流传感器以及在车载动力电池串并联结构的至少一个支路上串联的电流传感器，还包括相互连接的电流采集模块和数据处理及检测模块；

所述电流采集模块采集所述支路上的电流传感器测量的支路电流和主干路上的电流传感器测得的总电流，所述数据处理及检测模块计算处理得到所述支路电流和总电流的比例关系，并检测所述比例关系的变化，将检测到的所述比例关系的变化情况利用基尔霍夫电流定律判断车载动力电池内是否发生短路。

优选地，在车载动力电池处于放电状态时，所述数据处理及检测模块在检测到支路上电流传感器测量的该支路电流升高且所述支路电流与总电流比值也升高时则判断为发生内短路的电池单体在串联了电流传感器的支路，在检测到支路上电流传感器测量的该支路电流降低且所述支路电流与总电流比值也降低则判断为发生内短路的电池单体未在串联了电流传感器的支路。

优选地，所述数据处理及检测模块在检测到所述比值落在标定量区间外并达到一定时间时判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新返回电流采集模块。

优选地，当整车静置时，所述数据处理及检测模块在检测到支路上电流传感器持续一段时间连续检测到电流值且检测到的电流值超过预设电流时则判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新返回电流采集模块。

本发明技术效果如下：

本发明提供了一种车载动力电池内短路检测方法，本发明方案以目前车载电池串并联拓扑结构为基础，利用车载电池串并联结构主干路自带的电流传感器和至少一个支路上增置的电流传感器，也就是说，在原有回路基础上串联使用若干电流传感器，并结合主干路电流传感器，获取某一支路电流传感器测量电流与总电流的比例关系。车载动力电池处于放电状态时，在某一个电池单体发生内短路时，该电池单体所在支路电流会增大。根据基尔霍夫电流定律(回路中流入任意节点的电流代数和为零)，流入该串联节点的电流增大将导致该节点流出的电流即流向其他电池单体支路的电流也会相应增大。此时由电流传感器上检测到的电流值会发生变化，支路电流与主干路电流的比例关系会发生变化。检测到的比例的变化情况利用基尔霍夫电流定律判断车载动力电池内是否发生短路，即通过衡量该比例关系的大小进而能够实现车载动力电池内短路的检测，优选若超过设定阈值，即认为电池组发生了内短路。整车静置时，只需支路上电流传感器持续一段时间连续检测到电流值且检测到的电流值超过预设电流一定时间时则判断为车载动力电池内发生内短路。本发明所述方法原理可靠，使用电流传感器作为测量核心组件，灵敏度和快速性优于电压传感器，不改变电池单体原有的拓扑结构，使用传感器数量少，节约成本，能够明确存在内短路故障的电池单体，可以快速检测到车载电池局部内短路，甚至可以直接确定内短路发生的支路，有效防止车载电池因内短路现象而产生的热失控等危险。

本发明还涉及一种车载动力电池内短路检测系统，该系统与上述车载动力电池内短路检测方法相对应，可理解为是实现上述车载动力电池内短路检测方法的系统，该系统包括在车载动力电池串并联结构的主干路上自带的电流传感器和在车载动力电池串并联结构的至少一个支路上设置的电流传感器，还包括相互连接的电流采集模块和数据处理及检测模块。车载动力电池处于放电状态时，数据处理及检测模块计算处理得到所述支路电流和总电流的比例关系，并检测所述比例关系的变化，将检测到的所述比例的变化情况利用基尔霍夫电流定律判断车载动力电池内是否发生短路，优选若超过设定阈值，即认为电池组发生了内短路。该系统结构简单，在原有的车载动力电池串并联结构的基础上将其主干路以及若干支路上分别串联电流传感器并进行后续处理，安装简单方便，各组件协同工作，检测效率高，可以满足整车安全性的需要。

附图说明

图1为车载电池内短路等效电路模型。

图2为车载动力电池串并联结构示意图。

图3—图5为本发明车载动力电池内短路检测的三种情况的拓扑图。

图6为本发明车载动力电池内短路检测方法的优选流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做详细的说明。

本发明涉及一种车载动力电池内短路检测方法，以目前车载动力电池串并联拓扑结构为基础，图1示出了车载电池内短路等效电路模型，图2示出了车载动力电池串并联拓扑结构，对应支路短路等效于在电池C1和等效电阻R1的串联支路上并联一个电阻值极小的电阻R2，所有电流几乎全部从这个电阻值极小的R2上流过，其他支路几乎没有电流流过，即是车载动力电池组内发生了内短路。在简化的电路图中，车载动力电池组电路可以简化为由n×m个电池单体组成，每m个电池单体并联形成一个并联组，n个并联组串联形成电池组，本发明方案在每个并联电池组的至少一个支路上串联使用一个电流传感器。如图2所示的实施例是3×5个电池单体，每5个电池单体并联形成一个并联组，3个并联组串联形成电池组，每个并联电池组的一个支路上串联使用一个电流传感器。

所述方法利用车载动力电池串并联结构主干路上串联的电流传感器并在车载动力电池串并联结构的至少一个支路上串联电流传感器，然后采集所述支路上的电流传感器测量的支路电流I_OUT1和主干路上的电流传感器测得的总电流I_OUT2，获取两者的比例关系，并检测所述比例关系的变化，将检测到的所述比例关系的变化情况利用基尔霍夫电流定律判断车载动力电池内是否发生短路。当某一电池单体发生短路时，该单体电池所在支路电流会增大，基于基尔霍夫电流定律(回路中流入任意节点的电流代数和为零)，流入短路支路这一串联节点的电流增大会导致改短路支路该节点流出的电流也会相应增大，此时支路上的电流传感器上检测到的电流值I_OUT1会发生明显变化，该电流值I_OUT1与电池组总电流I_OUT2之比会发生变化，我们通过衡量该电流值I_OUT1与电池组总电流I_OUT2的比值的变化进而实现车载电池内短路的检测。

记各并联电池组内流过各个支路电流传感器的电流值为I₁、I₂、...、I_n，同时假设各并联电池组在电池组正常使用过程中，电池组的一致性较好，各电池单体的老化程度相当，因此流过I₁、I₂、...、I_n_各个电流传感器的电流相近，且与总电流I_OUT(总)之间存在比例关系，即近似存在如下关系：

故而支路上和主干路上的两个电流传感器所测量得到的电流值为：

I_out1＝I_i

I_out2＝I_总本发明方案关注的输出量为I_OUT1和I_OUT2，也关注二者电流之比，记为η，且有

主路电流(或称为主干路电路)由外部负载决定，认为主路电流在采样瞬间基本不变；当某个电池单体发生内短路时，由于会有电流从短路电阻上流过，继而各并联支路的电流分配比例将会改变。此时，采样电流I_OUT1会随之改变，且η也会发生改变，进而可以检测到电池内短路现象的发生。

在车载动力电池处于放电状态时，若支路上电流传感器测量的该支路电流I_OUT1升高且所述支路电流I_OUT1与总电流I_OUT2比值η也升高时则发生内短路的电池单体在串联了电流传感器的支路，若支路上电流传感器测量的该支路电流I_OUT1降低且所述支路电流I_OUT1与总电流I_OUT2比值η也降低则发生内短路的电池单体未在串联了电流传感器的支路。

假设其中某一个支路上的单体电池发生内短路现象，则该支路电流值会大于原本支路电流。由于单体电池可能在串联电流传感器支路上或支路外，故而我们假定电池组处于放电状态，采用分类讨论具体说明如何判断内短路的发生。

第一种情况：发生内短路的单体电池在电流传感器所在支路。在该种情况下，由于单体电池内短路的发生，电流传感器所在支路电流明显上升，所测得的电流值I_OUT1明显升高，当电池组处于放电状态时，观测值I_OUT1与总电流I_OUT2的比值η也会上升，故而单体电池内短路可以被成功检测出来。

第二种情况：发生内短路的单体电池不在串联电流传感器所在支路。在该种情况下，内短路单体电池的放电电流会下降，与此同时电流传感器所在支路的输出电流同样会有明显下降，观测值I_OUT1与总电流I_OUT2的比值η也会下降，故而这种情况下的单体电池内短路可以被成功检测出来。

当所述比值η落在标定量区间外并达到一定时间时判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新采集电流传感器测得的电流。实际使用过程中车载电池会由于使用寿命、使用环境等原因使得相应的测量值有所变化，这里需要对本方案关注的比值η即标定量区间的范围进行限制，该限制由整车工作状态及电流传感器误差等因素影响。

整车正常放电过程中，电流传感器的采样值不会保持稳定，因电池放电电流改变及采样精度等因素影响，观测量η会有一些浮动量。故而仍需要设计观测量的不确定度±λ。当观测量落入标定量(η±λ)的区间内时，即认为车载电池未发生内短路。不确定度λ的计算可根据电流传感器的精度综合其他数学原理计算得到。

车辆静置状态时，部分电流传感器因电流精度等关系影响，采样值不为0，但因电池无电流输出，总电流值I_OUT2近似为0，此时不宜使用比值作为内短路的检测方法。此时将检测条件改为一段时间内电流传感器持续存在检测值。例如当电流传感器在设定时间内持续检测到超过预设电流Is时，即认为内短路已经发生。也就是说，在整车正常放电过程中的车载动力电池内短路检测是通过衡量该电流值I_OUT1与电池组总电流I_OUT2的比值的变化的方式，而当整车静置时，进一步采用的车载动力电池内短路检测方法是：若支路上电流传感器持续一段时间连续检测到电流值且检测到的电流值超过预设电流时则判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新采集电流传感器测得的电流。

下面给出一个具体的实施例，如图3—图5所示的本发明车载动力电池内短路检测的三种情况的拓扑图，在该实施例中假设5个电池单体并联为一个并联组，不失一般性，串并联结构的主干路上串联设置有电流电流传感器CS1，并将在支路上增设的电流传感器CS2布置在第一路电池单体上，即图3-5所示的最左侧的支路。此时可能出现三种状态：车载电池无内短路发生，带内部传感器的电池单体发生内短路，不带内部传感器的电池单体发生内短路，分别对应图3、图4、图5所示。在本实施例中设电池单体的内阻为10mΩ，开路电压为3.5V，内短路时的短路电阻为1Ω。

在具体实施例中，整车可能在静置状态与工作状态切换，故而两种情况需要分开讨论。

静置状态：在该情况下，此时车载电池未工作，主干路电流上的电流传感器CS1的检测值为0A。将分为正常状态与内短路状态进行考虑。

车载电池正常情况下如图3所示，电流传感器CS1、CS2的检测值均为0A。

当如图4所示，电流传感器CS2对应电池单体发生内短路时，此时由于内短路电阻R6，流过CS2的电流为-2.792A(负号代表电流方向与正方向相反)，而流过CS1的电流仍为0A，明显超出由于电池不一致性以及采样误差所造成的偏差值，流过CS2的电流值超过了预设电流，由CS1与CS2的关系可知，CS2所在支路的电池单体发生内短路。

当如图5所示，电流传感器CS2对应外的其它单体发生内短路时，此时由于内短路电阻R6，流过CS2的电流为0.698A，而流过CS1的电流仍为0A，明显超出由于电池不一致性以及采样误差所造成的偏差值，流过CS2的电流值超过了预设电流，由CS1与CS2的关系可知，CS2所在支路外的电池单体发生内短路。

工作状态：在该情况下，假定电池组处于放电状态，且放电电流为10A，即CS1的检测值为10A，也需要按照正常状态与内短路状态进行考虑。

正常情况下如图3所示，电流传感器CS1的检测值为10A，CS2的检测值为2A，CS2与CS1的比值存在确定的比例关系。

当如图4所示，电流传感器CS2对应电池单体发生内短路时，此时由于内短路电阻R6，流过CS2的电流为-0.777A(负号代表电流方向与正方向相反)，而流过CS1的电流仍为10A，CS2的读数明显偏离2A，且偏差值超出由于电池不一致性以及采样误差所造成的偏差值，该比值达到了标量区间外，由CS1与CS2的关系可知，CS2所在支路的电池单体发生内短路。

当如图5所示，电流传感器CS2对应外的其它单体发生内短路时，此时由于内短路电阻R6，流过CS2的电流为2.692A，而流过CS1的电流仍为10A，CS2的读数明显偏离2A，且偏差值超出由于电池不一致性以及采样误差所造成的偏差值，该比值达到了标量区间外，由CS1与CS2的关系可知，CS2所在支路外的电池单体发生内短路。

在两种情况下电池的内短路现象均易被检测出，可以有效完成检测出单体电池内短路现象的目标，在图4对应情况下，还能够明确存在内短路故障的电池单体对应的回路。在特定情况下，还能够明确存在内短路故障的电池单体。

上述实施例假设的是电池组处于放电状态的检测方法，同理可得充电过程检测方法。而且，上述实施例可以推广至m并n串车载电池中。并且特别说明的是，上述实施例是在车载动力电池串并联结构的一个支路上串联电流传感器，此时增设的电流传感器数量最少，成本最低。当然，也可以在车载动力电池串并联结构的两个支路上、三个支路上、四个支路上或全部支路上均串联电流传感器，在越多支路上串联电流传感器则能够更加准确的确定发生内短路故障的电池单体所对应的支路位置，即能够明确存在内短路故障的电池单体。图6示出了车载动力电池内短路检测方法的优选流程示意图。可以首先确定整车的状态，即确定是整车静置状态还是整车工作状态，在整车静置时，先看电流传感器能否检测到持续电流，如果没有检测到持续电流，则证明车载电池无内短路发生，并重新进行检测，如果电流传感器检测到了持续电流，由于电池组本身性质和电流传感器可能发生的误差等原因，设置一个电流阈值，若检测到的持续电流小于预设电流，则认为车载电池无内短路发生，并重新进行检测，当电流传感器检测到了持续电流且大于预设电流时，也就是持续一段时间连续检测侧到高电流时，即认为整车静置时电池组发生了内短路；

在整车处于工作状态时，电流传感器会检测到电池单体支路对应的电流值，将检测的该支路上的电流值与主干路电流值相比，由于电池组本身性质和电流传感器可能发生的误差等原因，可能短时间内比值超过阈值，这时尚不认为车载电池已经发生了内短路，当比值超过阈值一定时间，则证明车载电池发生了内短路。

本发明公开的车载动力电池内短路检测方法，不改变电池单体原有的拓扑结构，使用的电流传感器数量少，节约成本，并且利用电流传感器作为测量部件和检测基础，灵敏度和快速性优于电压传感器和温度传感器，在特定情况下还能够明确存在内短路故障的电池单体。

本发明还涉及一种车载动力电池内短路检测系统，该系统与上述车载动力电池内短路检测方法相对应，可理解为是实现上述车载动力电池内短路检测方法的系统，该系统包括在车载动力电池串并联结构的主干路上设置的电流传感器以及在车载动力电池串并联结构的至少一个支路上串联的电流传感器，还包括相互连接的电流采集模块和数据处理及检测模块，所述电流采集模块采集所述支路上的电流传感器测量的支路电流和主干路上的电流传感器测得的总电流，所述数据处理及检测模块计算处理得到所述支路电流和总电流的比例关系，并检测所述比例关系的变化，将检测到的所述比例关系的变化情况利用基尔霍夫电流定律判断车载动力电池内是否发生短路。

当某一电池单体发生短路时，该单体电池所在支路电流会增大，基于基尔霍夫电流定律(回路中流入任意节点的电流代数和为零)，流入短路支路的电流增大会导致改短路支路流出的电流也会相应增大，此时支路上的电流传感器上检测到的电流值会发生明显变化，我们通过衡量该电流值与电池组总电流比值的变化进而实现车载电池内短路的检测。

整车工作时，比如在车载动力电池处于放电状态时，所述数据处理及检测模块在检测到支路上电流传感器测量的该支路电流升高且所述支路电流与总电流比值也升高时则判断为发生内短路的电池单体在串联了电流传感器的支路，在检测到支路上电流传感器测量的该支路电流降低且所述支路电流与总电流比值也降低则判断为发生内短路的电池单体在未串联电流传感器的支路。车载动力电池处于充电状态时，所述数据处理及检测模块的工作原理相同。参考图6，也可以理解为是本发明车载动力电池内短路检测系统的工作原理图，也就是说，整车工作时，各电流传感器检测电流，数据处理及检测模块在检测到支路电流和总电流之间的所述比值落在标定量区间η外并达到一定时间时判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新返回电流采集模块重新对电流传感器进行电流检测采集。

当整车静置时，所述数据处理及检测模块在检测到支路上电流传感器持续一段时间连续检测到电流值且检测到的电流值超过预设电流时则判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新返回电流采集模块重新对电流传感器进行电流检测采集。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种车载动力电池内短路检测方法，其特征在于，所述方法利用车载动力电池串并联结构主干路上串联的电流传感器并在车载动力电池串并联结构的至少一个支路上串联电流传感器，然后采集所述支路上的电流传感器测量的支路电流和主干路上的电流传感器测得的总电流，获取两者的比例关系，并检测所述比例关系的变化，将检测到的所述比例关系的变化情况利用基尔霍夫电流定律判断车载动力电池内是否发生短路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在车载动力电池处于放电状态时，若支路上电流传感器测量的该支路电流升高且所述支路电流与总电流比值也升高时则发生内短路的电池单体在串联了电流传感器的支路，若支路上电流传感器测量的该支路电流降低且所述支路电流与总电流比值也降低则发生内短路的电池单体未在串联了电流传感器的支路。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述比值落在标定量区间外并达到一定时间时判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新采集电流传感器测得的电流。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，当整车静置时，若支路上电流传感器持续一段时间连续检测到电流值且检测到的电流值超过预设电流时则判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新采集电流传感器测得的电流。

5.一种车载动力电池内短路检测系统，，其特征在于，包括在车载动力电池串并联结构的主干路上设置的电流传感器以及在车载动力电池串并联结构的至少一个支路上串联的电流传感器，还包括相互连接的电流采集模块和数据处理及检测模块；

所述电流采集模块采集所述支路上的电流传感器测量的支路电流和主干路上的电流传感器测得的总电流，所述数据处理及检测模块计算处理得到所述支路电流和总电流的比例关系，并检测所述比例关系的变化，将检测到的所述比例关系的变化情况利用基尔霍夫电流定律判断车载动力电池内是否发生短路。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在车载动力电池处于放电状态时，所述数据处理及检测模块在检测到支路上电流传感器测量的该支路电流升高且所述支路电流与总电流比值也升高时则判断为发生内短路的电池单体在串联了电流传感器的支路，在检测到支路上电流传感器测量的该支路电流降低且所述支路电流与总电流比值也降低则判断为发生内短路的电池单体未在串联了电流传感器的支路。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数据处理及检测模块在检测到所述比值落在标定量区间外并达到一定时间时判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新返回电流采集模块。

8.根据权利要求5至7之一所述的系统，其特征在于，当整车静置时，所述数据处理及检测模块在检测到支路上电流传感器持续一段时间连续检测到电流值且检测到的电流值超过预设电流时则判断为车载动力电池内发生内短路，否则重新返回电流采集模块。