CN111707958B - 一种基于容量增量曲线特征的电池内短路检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于容量增量曲线特征的电池内短路检测方法，包括以下步骤：1)对串联电池组进行恒流充/放电；2)实时采集串联电池组中每个电池单体的电压和电流；3)根据每个电池单体的电压和电流获取每个电池单体的容量增量曲线；4)提取每个电池单体的容量增量曲线的曲线特征，作为判定电池单体是否发生内短路的判断依据；5)根据每个电池单体的容量增量曲线的曲线特征综合判定电池单体是否发生内短路。与现有技术相比，本发明具有检测准确、灵敏度高等优点。

Description

一种基于容量增量曲线特征的电池内短路检测方法

技术领域

本发明涉及电池故障诊断领域，尤其是涉及一种基于容量增量曲线特征的电池内短路检测方法。

背景技术

随着对电池的要求越来越高，电池种类在不断地迭代更新，当前，锂离子电池以其能量密度高，质量轻等优点被各行各业广泛应用，但是由于存在电池制造缺陷，电池不合理使用等问题，电池安全事故时有发生，在制造过程中，可能是由于混入金属颗粒，电极产生褶皱，极片边缘存有毛刺等问题致使电池内部短路；在使用过程中，复杂恶劣的运行环境，例如高温、碰撞、过充等，导致电池的隔膜受损，电池产生内部短路，由此可见，在电池全生命周期中的任何时候，电池内短路都有可能发生，不确定性内短路的发生很有可能引发电池热失控，造成生命财产的损失，因此，电池内短路的产生以及严重程度必须要被及时检测出来，之后采取相应的处置措施，确保人身和财产安全。

现有的检测技术主要是基于阈值的检测方式，即通过检测电池的参数，如电压、电流、容量和温度，发生异常变化后是否超过设定的阈值，或将电池组中电池单体的参数相互比较，他们之间的差值是否超过设定的阈值，这类内短路的检测方式需要的检测时间较长，检测结果受设定阈值的干扰，并且，电池单体之间本身就存在不一致性的问题，可能存在误检、漏检的情况。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于容量增量曲线特征的电池内短路检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于容量增量曲线特征的电池内短路检测方法，包括以下步骤：

1)对串联电池组进行恒流充/放电；

2)实时采集串联电池组中每个电池单体的电压和电流；

3)根据每个电池单体的电压和电流获取每个电池单体的容量增量曲线；

4)提取每个电池单体的容量增量曲线的曲线特征，作为判定电池单体是否发生内短路的判断依据；

5)根据每个电池单体的容量增量曲线的曲线特征综合判定电池单体是否发生内短路。

所述的步骤3)中，容量增量曲线的获取方法具体为：

针对每一个电池单体，在设定的时间段内，对流过电池单体的电流进行积分，并获取电池单体电压的变化量。

所述的容量增量

的计算式为：

其中，Q为电池单体的容量，V为电池单体的电压，I为电池单体的电流，V_k+1为k+1时刻电池单体的电压，V_k为k时刻电池单体的电压，Δt为k+1时刻与k时刻的时间差。

容量增量曲线的曲线特征包括容量增量曲线上各个峰值的位置、各个峰值的高度、各峰包含的面积以及各峰左右侧倾斜率。

获取正常电池单体的容量增量曲线，并提取4个曲线特征作为初步判断是否发生内短路的依据，并且根据初步判断结果进行综合判断。

通过峰值位置的差值初步判断是否发生内短路的步骤如下：

当第a个和第a+1个电池单体对应的峰值位置的差值Δx_a最大，即Δx_max＝Δx_a，第a′个和第a′+1个电池单体对应的峰值位置的差值Δx_a′最小，即Δx_min＝Δx_a′，且Δx_max≥1.3Δx_min时，若Δx_a-1＞Δx_a+1，则初步判定第a个电池单体发生内短路，若Δx_a-1＜Δx_a+1，则初步判定为第a+1个电池单体发生内短路。

通过峰值高度的差值初步判断是否发生内短路的步骤如下：

当第b个和第b+1个电池单体对应的峰值高度的差值Δh_b最大，即Δh_max＝Δh_b，第b′个和第b′+1个电池单体对应的峰值高度的差值Δh_b′最小，即Δh_min＝Δh_b′，且Δh_max≥1.3Δh_min时，若Δh_b-1＞Δh_b+1，则初步判定第b个电池单体发生内短路，若Δh_b-1＜Δh_b+1，则初步判定为第b+1个电池单体发生内短路。

通过峰包含的面积的差值初步判断是否发生内短路的步骤如下：

当第c个和第c+1个电池单体对应的峰包含面积的差值ΔS_c最大，即ΔS_max＝ΔS_c，第c′个和第c′+1个电池单体对应的峰包含面积的差值ΔS_c′最小，即ΔS_min＝ΔS_c′，且ΔS_max≥1.3ΔS_min时，若ΔS_c-1＞ΔS_c+1，则初步判定第c个电池单体发生内短路，若ΔS_c-1＜ΔS_c+1，则初步判定为第c+1个电池单体发生内短路。

通过峰左右侧倾斜率的差值初步判断是否发生内短路的步骤如下：

当第d个和第d+1个电池单体对应的峰左右侧倾斜率的差值ΔL_d最大，即ΔL_max＝ΔL_d，第d′个和第d′+1个电池单体对应的峰左右侧倾斜率的差值ΔL_d′最小，即ΔL_max＝ΔL_d′，且ΔL_max≥1.3ΔL_min时，若ΔL_d-1＞ΔL_d+1，则初步判定第d个电池单体发生内短路，若ΔL_d-1＜Δl_d+1，则初步判定为第d+1个电池单体发生内短路。

当4个曲线特征中任意出现1个特征初步判断该电池单体发生内短路时，则综合判定该电池单体发生内短路的概率为25％；

当4个曲线特征中任意出现2个特征初步判断该电池单体发生内短路时，则综合判定该电池单体发生内短路的概率为50％；

当4个曲线特征中任意出现3个特征初步判断该电池单体发生内短路时，则综合判定该电池单体发生内短路的概率为75％；

当4个曲线特征中出现4个特征初步判断该电池单体发生内短路时，则综合判定该电池单体发生内短路的概率为100％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明基于电池容量增量曲线特征进行内短路的检测，由于电池存在上升/下降缓慢的电压平台，在电池处于电压平台期间，不利于对微小变化的观测，容量增量法能够将电压平台转化为易于观测的dQ/dV峰，进而使得在电压曲线上不易被发现的微小变化可以在容量增量曲线上反映出来。

二、由于容量增量曲线能够对电池内部状态进行灵敏快速的响应，当电池发生内短路后，势必会对电池内部状态造成影响，因此通过容量增量曲线在内短路发生的早期将其检测出来。

三、通过对比处于相同环境的各个电池单体的容量增量曲线的各个特征，并将各个特征融合对内短路进行检测，能够准确地确定是否有电池单体发生内短路。

附图说明

图1为本发明的总体流程框图。

图2为本发明实施例的内短路诊断方法原理图。

图3为实施例中正常电池与内短路电池的容量增量曲线的示意图。

图4为实施例中获取容量增量曲线特征差值的示意图。

图5为实施例的测试得到的容量增量曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明的电池内短路检测方法是基于容量增量方法来检测内短路的一种方法。容量增量方法是基于容量增量曲线来分析电池电化学特性的一种方法，能够反映出电池内部状态的微小变化。通过对容量增量曲线进行分析，能够对电池内部电、热及老化状态进行评估。当电池发生内短路时，电池内部的状态特性必然会发生改变，会对电池的容量、电压等产生影响，在容量增量曲线上表现为曲线特征的发生改变，即，容量增量曲线的特征峰值的高度，位置，峰值包含的面积等特征发生变化，如图3所示。通过对这些特征进行分析，能够对电池是否发生内短路做出准确地判断。

如图1所示，本发明提出一种基于容量增量曲线特征的电池内短路检测方法，具体包括以下步骤：

1)选定一款锂离子电池，并将一个并联特定阻值的电阻器的锂离子电池单体作为发生内短路的锂离子电池单体；

2)将若干个正常的锂离子电池单体与发生内短路的锂离子电池单体串联；

3)对串联电池组进行恒流充电，实时采集串联电池组中每个电池单体的电压及流过的电流；

4)获取串联电池组中每个电池单体的容量增量曲线，容量增量曲线的获取方式为：

针对每个电池单体，在特定的时间段内，对流过电池单体的电流进行积分，并获取电池单体电压的变化量；

容量增量的计算公式为：

其中，Q为电池单体的容量，V为电池单体的电压，I为电池单体的电流，V_k+1为k+1时刻电池单体的电压，V_k为k时刻电池单体的电压，t为k+1时刻与k时刻的时间差，容量增量的计算采用差分的计算方式代替微分的计算方式。

5)提取每个锂离子电池容量增量曲线各个峰值的位置、各个峰值的高度、各峰包含的面积及各峰左右侧倾斜率等特征。

6)对比串联电池组中每个电池单体容量增量曲线的各个特征，进行初步判断，具体有：

在步骤5)中已经获取得到每个锂离子电池的容量增量曲线的特征，通过计算串联电池组中相邻电池单体的特征的差值进行判断，如图4所示，具体方法为：计算相邻电池单体的容量增量曲线的峰值位置的差值，峰值高度的差值，峰包含面积的差值，峰左右侧倾斜率的差值，则有：

峰值位置的差值计算方式为：

Δx_k-1＝|x_k-x_k-1|,k＝2,3,4…

其中，x_k-1为第k-1个电池的峰值位置，x_k为第k个电池的峰值位置，Δx_k-1为x_k与x_k-1的差值量。

峰值高度的差值计算方式为：

Δh_k-1＝|h_k-h_k-1|,k＝2,3,4…

其中，h_k-1为第k-1个电池的峰值高度，h_k为第k个电池的峰值高度，Δh_k-1为h_k与h_k-1的差值量。

峰包含面积的差值计算方式为：

ΔS_k-1＝|S_k-S_k-1|,k＝2,3,4…

其中，S_k-1为第k-1个电池的峰值包含面积，S_k为第k个电池的峰包含的面积，ΔS_k-1为S_k与S_k-1的差值量。

峰左右侧倾斜率的差值计算方式为：

ΔL_k-1＝|L_k-L_k-1|,k＝2,3,4…

其中，L_k-1为第k-1个电池的峰左右侧倾斜率，L_k为第k个电池的峰左右侧倾斜率，ΔL_k-1为L_k与L_k-1的差值量。

通过分析获取峰值位置的差值、峰值高度的差值、峰包含面积的差值、峰左右侧倾斜率的差值的最大值和最小值，即：Δx_max＝Δx_a，Δx_min＝Δx_a′；Δh_max＝Δh_b，Δh_min＝Δh_b′；ΔS_max＝ΔS_c，ΔS_min＝ΔS_c′；ΔL_max＝ΔL_d，ΔL_min＝ΔL_d′。Δx_a为第a个和第a+1个电池单体对应的峰值位置的差值最大，Δx_a′为第a′个和第a′+1个电池单体对应的峰值位置的差值最小；Δh_b为第b个和第b+1个电池单体对应的峰值高度的差值最大，Δh_b′为第b′个和第b′+1个电池单体对应的峰值高度的差值最小；ΔS_c为第c个和第c+1个电池单体对应的峰包含面积的差值最大，ΔS_c′为第c′个和第c′+1个电池单体对应的峰包含面积的差值最小；ΔL_d为第d个和第d+1个电池单体对应的峰左右侧倾斜率的差值最大，ΔL_d′为第d′个和第d′+1个电池单体对应的峰左右侧倾斜率的差值最小。

当Δx_max≥1.3Δx_min时，判断电路中有电池单体发生内短路，进一步地，比较Δx_a-1与Δx_a+1，当Δx_a-1＞Δx_a+1，判定为第a个电池单体发生内短路，当Δx_a-1＜Δx_a+1，判定为第a+1个电池单体发生内短路。

当Δh_max≥1.3Δh_min时，判断电路中有电池单体发生内短路，进一步地，比较Δh_b-1与Δh_b+1，当Δh_b-1＞Δh_b+1，判定为第b个电池单体发生内短路，当Δh_b-1＜Δh_b+1，判定为第b+1个电池单体发生内短路。

当ΔS_max≥1.3ΔS_min时，判断电路中有电池单体发生内短路，进一步地，比较ΔS_c-1与ΔS_c+1，当ΔS_c-1＞ΔS_c+1，判定为第c个电池单体发生内短路，当ΔS_c-1＜ΔS_c+1，判定为第c+1个电池单体发生内短路。

当ΔL_max≥1.3ΔL_min时，判断电路中有电池单体发生内短路，进一步地，比较ΔL_d-1与ΔL_d+1，当ΔL_d-1＞ΔL_d+1，判定为第d个电池单体发生内短路，当ΔL_d-1＜Δl_d+1，判定为第d+1个电池单体发生内短路。

需要指出的是，每个电池单体的容量增量曲线有多个峰值，每个峰的特征差值，即，峰值位置的差值，峰值高度的差值，峰包含面积的差值，峰左右侧倾斜率的差值的计算方式相同。当其中任意一个峰的某一特征差值超过最小特征差值的1.3倍时，电池单体就会被判定为内短路。例如，当相邻的两组特征差值进行比较时，当多个峰的任意一个峰的峰值位置的差值超过最小的峰值差值的1.3倍时，就会判定电路中有电池单体发生内短路。

7)根据各个初步判断结果，综合判断出发生内短路的锂离子电池单体。

在步骤6)中获取了电池单体容量增量曲线的特征差值，将峰值位置的差值，峰值高度的差值，峰包含面积的差值，峰左右侧倾斜率的差值四个特征差值进行融合，综合判断出发生内短路锂离子电池单体。

具体方式为：

当四个特征差值出现任意一个时，判定该锂离子电池单体有25％的概率发生内短路；

当四个特征差值出现任意两个时，判定该锂离子电池单体有50％的概率发生内短路；

当四个特征差值出现任意三个时，判定该锂离子电池单体有75％的概率发生内短路；

当四个特征差值全部出现时，判定该锂离子电池单体有100％的概率发生内短路；

总结如表1所示：

表1综合判断结果

出现特征差值的个数	一个	两个	三个	四个
					锂离子电池发生内短路的概率	25％	50％	75％	100％

本发明实施例中测试得到的容量增量曲线如图5所示。通过对比容量增量曲线的各个特征，综合判断出了发生内短路的锂离子电池单体。

以上所述仅为本发明的实施例，并不能够对本发明产生限制，凡是在本发明的精神与原则之内，都应在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于容量增量曲线特征的电池内短路检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对串联电池组进行恒流充/放电；

2)实时采集串联电池组中每个电池单体的电压和电流；

3)根据每个电池单体的电压和电流获取每个电池单体的容量增量曲线，容量增量曲线的获取方法具体为：

针对每一个电池单体，在设定的时间段内，对流过电池单体的电流进行积分，并获取电池单体电压的变化量，所述的容量增量

的计算式为：

其中，Q为电池单体的容量，V为电池单体的电压，I为电池单体的电流，V_k+1为k+1时刻电池单体的电压，V_k为k时刻电池单体的电压，Δt为k+1时刻与k时刻的时间差；

4)提取每个电池单体的容量增量曲线的曲线特征，作为判定电池单体是否发生内短路的判断依据，容量增量曲线的曲线特征包括容量增量曲线上各个峰值的位置、各个峰值的高度、各峰包含的面积以及各峰左右侧倾斜率；

5)根据每个电池单体的容量增量曲线的曲线特征综合判定电池单体是否发生内短路，获取正常电池单体的容量增量曲线，并提取4个曲线特征作为初步判断是否发生内短路的依据，并且根据初步判断结果进行综合判断；

通过峰值位置的差值初步判断是否发生内短路的步骤如下：

当第a个和第a+1个电池单体对应的峰值位置的差值Δx_a最大，即Δx_max＝Δx_a，第a′个和第a′+1个电池单体对应的峰值位置的差值Δx_a′最小，即Δx_min＝Δx_a′，且Δx_max≥1.3Δx_min时，若Δx_a-1＞Δx_a+1，则初步判定第a个电池单体发生内短路，若Δx_a-1＜Δx_a+1，则初步判定为第a+1个电池单体发生内短路；

通过峰值高度的差值初步判断是否发生内短路的步骤如下：

当第b个和第b+1个电池单体对应的峰值高度的差值Δh_b最大，即Δh_max＝Δh_b，第b′个和第b′+1个电池单体对应的峰值高度的差值Δh_b′最小，即Δh_min＝Δh_b′，且Δh_max≥1.3Δh_min时，若Δh_b-1＞Δh_b+1，则初步判定第b个电池单体发生内短路，若Δh_b-1＜Δh_b+1，则初步判定为第b+1个电池单体发生内短路；

通过峰包含的面积的差值初步判断是否发生内短路的步骤如下：

当第c个和第c+1个电池单体对应的峰包含面积的差值ΔS_c最大，即ΔS_max＝ΔS_c，第c′个和第c′+1个电池单体对应的峰包含面积的差值ΔS_c′最小，即ΔS_min＝ΔS_c′，且ΔS_max≥1.3ΔS_min时，若ΔS_c-1＞ΔS_c+1，则初步判定第c个电池单体发生内短路，若ΔS_c-1＜ΔS_c+1，则初步判定为第c+1个电池单体发生内短路；

通过峰左右侧倾斜率的差值初步判断是否发生内短路的步骤如下：

当第d个和第d+1个电池单体对应的峰左右侧倾斜率的差值ΔL_d最大，即ΔL_max＝ΔL_d，第d′个和第d′+1个电池单体对应的峰左右侧倾斜率的差值ΔL_d′最小，即ΔL_max＝ΔL_d′，且ΔL_max≥1.3ΔL_min时，若ΔL_d-1＞ΔL_d+1，则初步判定第d个电池单体发生内短路，若ΔL_d-1＜Δl_d+1，则初步判定为第d+1个电池单体发生内短路；

当4个曲线特征中任意出现1个特征初步判断该电池单体发生内短路时，则综合判定该电池单体发生内短路的概率为25％；

当4个曲线特征中任意出现2个特征初步判断该电池单体发生内短路时，则综合判定该电池单体发生内短路的概率为50％；

当4个曲线特征中任意出现3个特征初步判断该电池单体发生内短路时，则综合判定该电池单体发生内短路的概率为75％；

当4个曲线特征中出现4个特征初步判断该电池单体发生内短路时，则综合判定该电池单体发生内短路的概率为100％。

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