CN111679201B - 一种动力电池包内短路的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种动力电池包内短路的检测方法，包括以下步骤：将电池包进行前后两次静置，前后两次静置依次分别为第一次静置和第二静置，两次静置之间需间隔预设时间段；基于两次静置时刻的单体剩余可放电电量的变化量，定量估算单体内短路的等效内短路电阻的阻值大小，当检测到任一单体的等效内短路电阻小于预设的短路电阻阈值时，则判定该电池包内短路并进行报警。该内短路检测方法步骤简单，对运行工况无特定要求的动力电池包内短路的检测方法。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车电池管理系统技术领域，尤其涉及一种动力电池包内短路的检测方法。
背景技术
在环境污染和能源危机的双重压力下，纯电动汽车被认为是未来有潜力的解决方案之一。动力电池是纯电动汽车的唯一动力来源，出于对汽车速度、效率、续航里程、使用寿命、安全性和成本的综合考虑，目前大多数纯电动汽车都选用了锂离子电池作为能量来源。然而，锂离子电池存在一定的潜在安全问题，对消费者的人身安全和财产安全造成威胁。内短路是电滥用触发形式的一种，也是锂离子电池热失控事故中常见的诱因之一。广义来说，内短路是指电池内部正负极材料相互导通时，因电势差产生的放电并伴随生热的现象。发生内短路后，电池内短路电流产生的焦耳热会引起电池温升，如果局部热量积累触发了热失控连锁反应，终会发生起火、爆炸等安全性事故，威胁人身财产安全。随着电池体系比能量的升高，锂离子电池电极材料增厚、隔膜变薄，电池发生内短路的概率不断增加。因此，明确锂离子电池内短路触发机理及其危害、开发内短路检测算法，变得更为重要。
中国专利文献CN110780226A公开了一种电池包内短路检测方法、装置和电动汽车，该方法是通过确定电动汽车中的电池包处于车载充电模式下电池包的评价参数来确定电池包是否存在内短路，但该方法需要在特定工况下检测，且算法复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法简单，对运行工况无特定要求的动力电池包内短路的检测方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种动力电池包内短路的检测方法，包括以下步骤：
将电池包进行前后两次静置，前后两次静置依次分别为第一次静置和第二静置，两次静置之间需间隔预设时间段；
在第一次静置后再次上电时，计算单体的第一剩余可放电量和第一剩余可放电量均值，然后将电池包中单体的第一剩余可放电量与第一剩余可放电量均值的差异作为单体的第一差异电量；
在第二次静置后再次上电时，计算单体的第二剩余可放电量和第二剩余可放电量均值，然后将电池包中单体的第二剩余可放电量与第二剩余可放电量均值的差异作为单体的第二差异电量；
根据第一差异电量、第二差异电量和预设时间段内各单体均衡的容量计算得到单体的漏电流；单体的漏电流的计算公式为：I'＝(ΔAh2-ΔAh1+ΔBLCAh)/t，其中，I'为漏电流，ΔAh1为第一差异电量，ΔAh2为第二差异电量，ΔBLCAh为预设时间段内各单体均衡的容量，t为预设时间段。
然后通过额定电压与漏电流的关系估算出单体的等效内短路电阻，当检测到任一单体的等效内短路电阻小于预设的短路电阻阈值时，则判定该电池包内短路并进行报警。
进一步，所述预设时间段的取值范围为15小时-48小时。
进一步，所述预设时间段为20小时。
进一步，计算单体的第一剩余可放电量和第二剩余可放电量的具体步骤为：
记录第一次静置后再次上电时的时间和电池包内各单体的电压，根据记录的电压以及荷电状态SOC与开路电压OCV的OCV-SOC关系表，根据所述记录的电压进行查表获取单体的荷电状态SOC，通过单体容量与荷电状态的关系，计算得出单体的第一剩余可放电量；
记录第二次静置后再次上电时的时间和电池包内各单体的电压，并根据记录的电压以及开路电压OCV与荷电状态SOC的OCV-SOC关系表，根据所述记录的电压进行查表获取单体的荷电状态SOC，通过单体容量与荷电状态的关系，计算得出单体的第二剩余可放电量。
进一步，在预设时间段内通过实时估算所有单体的荷电状态SOC，并计算得到荷电状态SOC变化速率，通过比较同一时刻的单体的荷电状态SOC变化速率与荷电状态SOC变化速率均值的差异是否大于预设阈值，若在该时刻检测到任一单体的荷电状态SOC变化速率与荷电状态SOC变化速率均值大于预设阈值，则判定电池包内短路并进行报警。
进一步，估算所有单体的荷电状态SOC的具体步骤为：建立电池差异端电压模型和电池平均端电压模型，采用带有遗忘因子的最小二乘法对电池差异端电压模型和电池平均端电压模型进行变换，然后进行在线数值计算得到各单体的开路电压OCV；
然后再根据电池包的OCV-SOC关系表，查表获得各单体的荷电状态SOC。
进一步，计算各单体的开路电压OCV的具体步骤为：
建立电池差异端电压模型和电池平均端电压模型；
电池差异端电压模型公式为：ΔUi＝ΔEi+IΔRi (1)；
其中：ΔUi是第i节电池相对于均值的差异端电压，ΔEi是第i节电池相对于均值的差异OCV,ΔRi是第i节单体内阻相对于平均内阻的差异内阻，I是端电流，设定充电时为正，放电时为负；
电池平均端电压公式为：Umean＝Emean+IRmean (2)；
其中；Umean是电池的平均端电压，Emean是第i节电池的平均OCV,Rmean是电池包单体的平均内阻；
采用带有遗忘因子的最小二乘法对公式(1)和公式(2)进行分别变换；变换后的公式的形式为：
最小二乘法递推公式为：
其中，ε为估算误差，Pi为协方差矩阵；Ki为增益矩阵，γ为遗忘因子；
相对于公式(1)，其中，
yi＝ΔUi (3)；
xi＝[1,I]T (5)；
相对于公式(2)，其中，
yi＝Umean (6)；
xi＝[1,I]T (8)；
测得串联电池包中的端电流I和各节单体的端电压Ui后，通过公式：ΔUi＝Ui-Umean，其中，Ui第i节单体的端电压，计算得到单体的平均端电压Umean、差异端电压ΔUi、差异内阻ΔRi和平均内阻Rmean；
将端电流I、差异端电压ΔUi、差异内阻ΔRi以及公式(3)-(5)和(12)代入最小二乘法递推公式(9)-(10)中，计算得到ΔEi；
将端电流I、平均端电压Umean、平均内阻Rmean以及公式(6)-(8)和(12)代入最小二乘法递推公式(9)-(10)中，进而计算得到Emean；
将Emean和ΔEi相加获得Ei，Ei即为第i节单体的开路电压OCV。
进一步，荷电状态SOC变化速率的公式为：
Vi/t＝[(SOCi/t-SOCi/0)×SOHi+BLCAhi/t-BLCAhi/0]/t；
其中，Vi/t为单体i在t时刻的SOC的变化速率；SOCi/t为单体i在t时刻的实时SOC，SOCi/0为单体i在初始时刻的实时SOC，SOHi为单体i的单体测量容量与标称容量的比值，BLCAhi/t是单体i的在任意t时刻的累计均衡容量；BLCAhi/0是单体i的在初始时刻的累计均衡容量；假设初始时刻为0时刻。
本发明与现有技术相比较具有以下优点：
本发明的内短路检测方法，首先采用了基于静置数据的定量辨识方法来检测，可较早地诊断出轻微内短路情景，对运行工况无特定要求，只需两次静置即可，无需复杂算法；且基于内短路的消耗效应，本方法只需通过两次静置获取的所有单体的剩余可放电量的变化差异，即可定量辨识单体的内短路等效阻值来检测是否发生短路，进而进行内短路报警，可用于BMS在线检测；考虑到两次静置之间的检测空白阶段即预设时间段，该内短路检测方法还采用了带有遗忘因子的最小二乘法实现实时SOC差异估算的方法来检测，在预设时间段内基于“平均+差异”电池模型实时估算所有单体的SOC，比较单体SOC变化速率的差异是否大于设定阈值，进而进行内短路报警；该算法收敛快，精度高，能够实现实时检测；且还考虑到均衡及老化造成的单体容量不一致，对估算的实时SOC差异进行修正。另外，本发明相对于现有实时估算所有单体的SOC进行判断是否发生内短路的方法，只能用于单次短时间放电工况，只能诊断出较为严重的内短路情景而言，本发明能够较早地诊断出轻微内短路情景。
附图说明
图1为本发明动力电池包内短路的检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
参见图1所示，本实施例公开了一种动力电池包内短路的检测方法，包括以下步骤：
将电池包进行前后两次静置，前后两次静置依次分别为第一次静置和第二静置，两次静置之间需间隔预设时间段；
在第一次静置后再次上电时，计算单体的第一剩余可放电量和第一剩余可放电量均值，然后将电池包中单体的第一剩余可放电量与第一剩余可放电量均值的差异作为单体的第一差异电量；
在第二次静置后再次上电时，计算单体的第二剩余可放电量和第二剩余可放电量均值，然后将电池包中单体的第二剩余可放电量与第二剩余可放电量均值的差异作为单体的第二差异电量；
根据第一差异电量、第二差异电量和预设时间段内各单体均衡的容量计算得到单体的漏电流；然后通过额定电压与漏电流的关系估算出单体的等效内短路电阻，当检测到任一单体的等效内短路电阻小于预设的短路电阻阈值时，则判定该电池包内短路并进行报警。在计算得到单体的漏电流时，需考虑当前电池衰减单体容量差异并对单体进行均衡。单体容量差异在计算剩余可放电量Ah＝C*SOC体现，C为单体实际容量。
在本实施例中，第一剩余可放电量均值和第二剩余可放电量均值均是通过在电池包静置后再次上电时电池包总剩余可放电量除以单体数量计算得出的。第一剩余可放电量均值是通过将所有单体第一剩余可放电量之和除以单体数量计算得出的；第二剩余可放电量均值是通过将所有单体第二剩余可放电量之和除以单体数量计算得出的。
在本实施例中，第一差异电量的计算公式为：ΔAh1＝Ah1-Ahmean1；
其中，ΔAh1为第一差异电量，Ah1为第一剩余可放电量，Ahmean1为第一时刻的第一剩余可放电量均值。
第二差异电量的计算公式为：ΔAh2＝Ah2-Ahmean2；
其中，ΔAh2为第二差异电量，Ah2为第二剩余可放电量，Ahmean2为第二时刻的第二剩余可放电量均值。
单体的等效内短路电阻的计算公式为：
其中，Risc为等效内短路电阻，I'为漏电流，U额定为单体的额定电压。
在本实施例中，所述预设时间段的取值范围为15小时-48小时。预设时间段不超过48小时，避免迭代过慢。可选的，所述预设时间段为20小时。
在本实施例中，计算单体的第一剩余可放电量和第二剩余可放电量的具体步骤为：
记录第一次静置后再次上电时的时间和电池包内各单体的电压，根据记录的电压以及荷电状态SOC与开路电压OCV的OCV-SOC关系表，根据所述记录的电压进行查表获取单体的荷电状态SOC，通过单体容量与荷电状态的关系，计算得出单体的第一剩余可放电量；
记录第二次静置后再次上电时的时间和电池包内各单体的电压，并根据记录的电压以及开路电压OCV与荷电状态SOC的OCV-SOC关系表，根据所述记录的电压进行查表获取单体的荷电状态SOC，通过单体容量与荷电状态的关系，计算得出单体的第二剩余可放电量。这里的剩余可放电量等于单体完全充电状态的容量乘以当前单体的荷电状态计算得出。其中单体容量由BMS根据充电数据计算得到。
在本实施例中，单体的漏电流的计算公式为：I'＝(ΔAh2-ΔAh1+ΔBLCAh)/t，
其中：I'为漏电流；
ΔAh1为第一差异电量；
ΔAh2为第二差异电量；
ΔBLCAh为预设时间段内各单体均衡的容量；
t为预设时间段。
在本实施例中，在预设时间段内通过实时估算所有单体的荷电状态SOC，并计算得到荷电状态SOC变化速率，通过比较同一时刻的单体的荷电状态SOC变化速率与荷电状态SOC变化速率均值的差异是否大于预设阈值，若在该时刻检测到任一单体的荷电状态SOC变化速率与荷电状态SOC变化速率均值大于预设阈值，则判定电池包内短路并进行报警。
在本实施例中，估算所有单体的荷电状态SOC的具体步骤为：建立电池差异端电压模型和电池平均端电压模型，采用带有遗忘因子的最小二乘法对电池差异端电压模型和电池平均端电压模型进行变换，然后进行在线数值计算得到各单体的开路电压OCV；
然后再根据电池包的OCV-SOC关系表，查表获得各单体的荷电状态SOC。
在本实施例中，计算各单体的开路电压OCV的具体步骤为：
建立电池差异端电压模型和电池平均端电压模型；
电池差异端电压模型公式为：ΔUi＝ΔEi+IΔRi (1)；
其中：ΔUi是第i节电池相对于均值的差异端电压，ΔEi是第i节电池相对于均值的差异OCV,ΔRi是第i节单体内阻相对于平均内阻的差异内阻，I是端电流，设定充电时为正，放电时为负；
电池平均端电压公式为：Umean＝Emean+IRmean； (2)；
其中；Umean是电池的平均端电压，Emean是第i节电池的平均OCV,Rmean是电池包单体的平均内阻；
采用带有遗忘因子的最小二乘法对公式(1)和公式(2)进行分别变换；变换后的公式的形式为：
最小二乘法递推公式为：
其中，ε为估算误差，Pi为协方差矩阵；Ki为增益矩阵，γ为遗忘因子；遗忘因子的设定一定程度上与数据量和新数据权重有关，数据量越大或新数据权重要求越高时遗忘因子需要适当减小。
相对于公式(1)，其中，
yi＝ΔUi (3)；
xi＝[1,I]T (5)；
相对于公式(2)，其中，
yi＝Umean (6)；
xi＝[1,I]T (8)；
测得串联电池包中的端电流I和各节单体的端电压Ui后，通过公式：ΔUi＝Ui-Umean，其中，Ui第i节单体的端电压，计算得到单体的平均端电压Umean、差异端电压ΔUi、差异内阻ΔRi和平均内阻Rmean；
将端电流I、差异端电压ΔUi、差异内阻ΔRi以及公式(3)-(5)和(12)代入最小二乘法递推公式(9)-(10)中，计算得到ΔEi；
将端电流I、平均端电压Umean、平均内阻Rmean以及公式(6)-(8)和(12)代入最小二乘法递推公式(9)-(10)中，进而计算得到Emean；
将Emean和ΔEi相加获得Ei，Ei即为第i节单体的开路电压OCV。
在本实施例中，ΔRi＝Ri-Rmean，其中，Ri是第i节单体内阻，Rmean为单体的平均内阻。Rmean是通过将同一时刻的所有单体内阻总和除以单体数量计算得出。
在本实施例中，荷电状态SOC变化速率的公式为：
Vi/t＝[(SOCi/t-SOCi/0)×SOHi+BLCAhi/t-BLCAhi/0]/t；
其中，Vi/t为单体i在t时刻的SOC的变化速率；SOCi/t为单体i在t时刻的实时SOC，SOCi/0为单体i在初始时刻的实时SOC，SOHi为单体i的单体容量与标称容量的比值，BLCAhi/t是单体i的在任意t时刻的累计均衡容量；BLCAhi/t是单体i的在初始时刻的累计均衡容量；假设初始时刻为0时刻。当单体i开启均衡后，均衡电流累计积分得到，其中均衡电流＝单体电压/均衡电阻。SOC变化率计算时应排除电池衰减及均衡状态的干扰,根据实时计算的累计均衡容量，补偿对应单体的SOC下降速率。电池健康状态(SOH)用来表示电池的老化情况。
本发明的内短路检测方法，首先采用了基于静置数据的定量辨识方法来检测，可较早地诊断出轻微内短路情景，对运行工况无特定要求，只需两次静置即可，无需复杂算法；且基于内短路的消耗效应，本方法只需通过两次静置获取的所有单体的剩余可放电量的变化差异，即可定量辨识单体的内短路等效阻值来检测是否发生短路，进而进行内短路报警，可用于BMS在线检测；考虑到两次静置之间的检测空白阶段即预设时间段，该内短路检测方法还采用了带有遗忘因子的最小二乘法实现实时SOC差异估算的方法来检测，在预设时间段内基于“平均+差异”电池模型实时估算所有单体的SOC，比较单体SOC变化速率的差异是否大于设定阈值，进而进行内短路报警；该算法收敛快，精度高，能够实现实时检测；且还考虑到均衡及老化造成的单体容量不一致，对估算的实时SOC差异进行修正；另外，本发明相对于现有实时估算所有单体的SOC进行判断是否发生内短路的方法，只能用于单次短时间放电工况，只能诊断出较为严重的内短路情景而言，本发明能够较早地诊断出轻微内短路情景。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种动力电池包内短路的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电池包进行前后两次静置，前后两次静置依次分别为第一次静置和第二静置，两次静置之间需间隔预设时间段；
在第一次静置后再次上电时，计算单体的第一剩余可放电量和第一剩余可放电量均值，然后将电池包中单体的第一剩余可放电量与第一剩余可放电量均值的差异作为单体的第一差异电量；
在第二次静置后再次上电时，计算单体的第二剩余可放电量和第二剩余可放电量均值，然后将电池包中单体的第二剩余可放电量与第二剩余可放电量均值的差异作为单体的第二差异电量；
根据第一差异电量、第二差异电量和预设时间段内各单体均衡的容量计算得到单体的漏电流；单体的漏电流的计算公式为：I'＝(ΔAh2-ΔAh1+ΔBLCAh)/t，其中，I'为漏电流，ΔAh1为第一差异电量，ΔAh2为第二差异电量，ΔBLCAh为预设时间段内各单体均衡的容量，t为预设时间段；
然后通过额定电压与漏电流的关系估算出单体的等效内短路电阻，当检测到任一单体的等效内短路电阻小于预设的短路电阻阈值时，则判定该电池包内短路并进行报警。
2.根据权利要求1所述的动力电池包内短路的检测方法，其特征在于，计算单体的第一剩余可放电量和第二剩余可放电量的具体步骤为：
记录第一次静置后再次上电时的时间和电池包内各单体的电压，根据记录的电压以及荷电状态SOC与开路电压OCV的OCV-SOC关系表，根据所述记录的电压进行查表获取单体的荷电状态SOC，通过单体容量与荷电状态的关系，计算得出单体的第一剩余可放电量；
记录第二次静置后再次上电时的时间和电池包内各单体的电压，并根据记录的电压以及开路电压OCV与荷电状态SOC的OCV-SOC关系表，根据所述记录的电压进行查表获取单体的荷电状态SOC，通过单体容量与荷电状态的关系，计算得出单体的第二剩余可放电量。
3.根据权利要求1或2所述的动力电池包内短路的检测方法，其特征在于，所述预设时间段的取值范围为15小时-48小时。
4.根据权利要求3所述的动力电池包内短路的检测方法，其特征在于，所述预设时间段为20小时。
5.根据权利要求1或2或4所述的动力电池包内短路的检测方法，其特征在于，在预设时间段内通过实时估算所有单体的荷电状态SOC，并计算得到荷电状态SOC变化速率，通过比较同一时刻的单体的荷电状态SOC变化速率与荷电状态SOC变化速率均值的差异是否大于预设阈值，若在该时刻检测到任一单体的荷电状态SOC变化速率与荷电状态SOC变化速率均值大于预设阈值，则判定电池包内短路并进行报警。
6.根据权利要求5所述的动力电池包内短路的检测方法，其特征在于，估算所有单体的荷电状态SOC的具体步骤为：建立电池差异端电压模型和电池平均端电压模型，采用带有遗忘因子的最小二乘法对电池差异端电压模型和电池平均端电压模型进行变换，然后进行在线数值计算得到各单体的开路电压OCV；
然后再根据电池包的OCV-SOC关系表，查表获得各单体的荷电状态SOC。
7.根据权利要求6所述的动力电池包内短路的检测方法，其特征在于，计算各单体的开路电压OCV的具体步骤为：
建立电池差异端电压模型和电池平均端电压模型；
电池差异端电压模型公式为：ΔUi＝ΔEi+IΔRi (1)；
其中：ΔUi是第i节电池相对于均值的差异端电压，ΔEi是第i节电池相对于均值的差异OCV,ΔRi是第i节单体内阻相对于平均内阻的差异内阻，I是端电流，设定充电时为正，放电时为负；
电池平均端电压公式为：Umean＝Emean+IRmean； (2)；
其中；Umean是电池的平均端电压，Emean是第i节电池的平均OCV,Rmean是电池包单体的平均内阻；
采用带有遗忘因子的最小二乘法对公式(1)和公式(2)进行分别变换；变换后的公式的形式为：
最小二乘法递推公式为：
其中，ε为估算误差，Pi为协方差矩阵；Ki为增益矩阵，γ为遗忘因子；
相对于公式(1)，其中，
yi＝ΔUi (3)；
xi＝[1,I]T (5)；
相对于公式(2)，其中，
yi＝Umean (6)；
xi＝[1,I]T (8)；
测得串联电池包中的端电流I和各节单体的端电压Ui后，通过公式：ΔUi＝Ui-Umean，其中，Ui第i节单体的端电压，计算得到单体的平均端电压Umean、差异端电压ΔUi、差异内阻ΔRi和平均内阻Rmean；
将端电流I、差异端电压ΔUi、差异内阻ΔRi以及公式(3)-(5)和(12)代入最小二乘法递推公式(9)-(10)中，计算得到ΔEi；
将端电流I、平均端电压Umean、平均内阻Rmean以及公式(6)-(8)和(12)代入最小二乘法递推公式(9)-(10)中，进而计算得到Emean；
将Emean和ΔEi相加获得Ei，Ei即为第i节单体的开路电压OCV。
8.根据权利要求5所述的动力电池包内短路的检测方法，其特征在于，
荷电状态SOC变化速率的公式为：
Vi/t＝[(SOCi/t-SOCi/0)×SOHi+BLCAhi/t-BLCAhi/0]/t；
其中，Vi/t为单体i在t时刻的SOC的变化速率；SOCi/t为单体i在t时刻的实时SOC，SOCi/0为单体i在初始时刻的实时SOC，SOHi为单体i的单体测量容量与标称容量的比值，BLCAhi/t是单体i的在任意t时刻的累计均衡容量；BLCAhi/0是单体i的在初始时刻的累计均衡容量；假设初始时刻为0时刻。
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