CN112924873A - 电池包微短路的在线诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池包微短路的在线诊断方法及系统，方法包括：统计电池包充电过程中时间、电压的数据；计算其他各单体的相对充电时间；计算可判定各单体相对充电时间变化的变化参数；通过箱型图对各单体的变化参数的一致性进行分析；统计变化参数异常的单体序号；计算各单体的直流内阻，并通过箱型图进行一致性分析；筛选掉直流内阻在异常范围的单体；进行变化参数一致性分析，根据变化参数一致性分析结果，判断是否有单体的变化参数异常且作为异常值重复出现次数最多。诊断过程中仅需充电数据，无需特定工况下的测试即可对电池包进行微短路诊断；不影响电池包的正常工作，简单易操作，所需参数较少，计算量较小，且能够在线应用。

Description

电池包微短路的在线诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及一种电池包的在线诊断方法及系统。

背景技术

锂电池在长期使用过程中逐渐老化，微短路即为老化特性之一。其若不能及时被诊断会导致内短路，而内短路情况的恶化通常伴随着自放电率和热量的增加，进而发生热失控，从而引发安全事故。锂电池内部微短路较易触发，即使不是由于制造的原因，在使用过程中过度充、放电，剧烈震动等滥用也会使得负极表面形成锂枝晶，刺穿隔膜导致锂电池内部发生微短路。因此，锂电池的微短路诊断仍是电池管理中亟待解决的问题。

中国发明专利(专利号：CN108152755A，专利名称：在线定量诊断电池微短路故障的方法)，该专利描述了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。该方法在诊断时必须以各单体的电量和充放电电压关系为参考，才可以对电池包进行微短路诊断。

中国发明专利(专利号：CN110270519A，专利名称：一种筛选微短路锂离子电池电芯的方法)，该专利描述了一种筛选微短路锂离子电池电芯的方法，通过用脉冲电压测试锂离子电池电芯中隔膜的击穿电压，然后取所述隔膜的击穿电压值的30～40％为电压测试值对使用该隔膜的电池电芯进行高压短路测试，筛选出短路电池电芯。但此方法在微短路诊断时需对电芯进行额外测试，且对电芯具有破坏性。

中国发明专利(专利号：CN110729516A，专利名称：锂离子电池的微短路测试方法，该专利描述了锂离子电池的微短路测试方法，锂离子电池的微短路测试方法包括：将已切成小片的正极片，负极片与隔膜叠成单体电芯，对叠片后的单体电芯进行高电压测试，对单体电芯依次进行焊接极耳，第一次封装、浸润、第二次封装和常温老化、将常温老化后的单体电芯置于微电流测试组件内进行微电压测试，根据微电压测试中的单体电芯的漏电流值的大小，判断单体电芯是否存在微短路。但该方法的测试过程较复杂，且测试微电压时需要特定的测试设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中对电池包微短路的诊断需要依赖各单体的电量和充放电电压关系、测试过程复杂、需要特定测试设备、有些测试需要对电芯具有破坏性的缺陷，提供一种。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种电池包微短路的在线诊断方法，其特点在于，包括以下步骤：

S1：统计电池包充电过程中时间、电压的数据；

S2：从充电数据中根据以下步骤进行数据选取：

S21、计算电池包每次充电容量与后一次充电容量差值△C并相互对比，选取△C数值小于第一阈值的对应充电数据，由于正常充放电循环中相邻两次充电容量基本不变，由此选择可以防止每次充电时模组的相对充电时间△t_n,j波动较大；或者，

S22、计算电池包每次充电结束时各模组电压与后一次充电充电结束时各模组电压差值△U并相互对比，选取△U数值小于第二阈值的对应充电数据，由于相邻两次以相同电流充电时各模组在充电结束时的电压基本不变，由此选择可以防止每次充电时模组的相对充电时间△t_n,j波动较大；或者，

S3：以电池包中最先达到充电截止电压的单体的电压曲线为基准，计算其他各单体的相对充电时间Δt_n,j＝t_n,0-t_n,j，n为充电次数，j为单体序号，t_n，0为电池包的充电时间，t_n，j为第n次充电时，基准充电曲线上与j号单体充电结束时电压相同的电压点所对应的充电时间；

S4：计算可判定各单体相对充电时间变化的变化参数

S5：通过箱型图对各单体的变化参数K_n-n-1,j值一致性进行分析；

S6：统计变化参数K_n-n-1,j值异常的单体序号；

S7：计算各单体的直流内阻，并通过箱型图进行一致性分析；

S8：分析变化参数K_n-n-1,j值异常的单体直流内阻的一致性，筛选掉直流内阻在异常范围的单体；

S9：进行变化参数K_n-n-1,j值一致性分析，根据变化参数K_n-n-1,j值一致性分析结果，判断是否有单体的变化参数K_n-n-1,j值异常且作为异常值重复出现次数最多，若是该单体出现微短路；若否，则该单体未出现微短路，且该单体内阻大于第三阈值，即该单体内阻较大。根据诊断结果可判定电池包是否发生微短路，并同时对微短路单体进行定位，实现在线诊断。

优选地，步骤S7中，直流内阻的计算公式为：

其中，k为测试次数；U_1-k,j为j号模组k次测试静置时的电压；U_2-k,j为j号模组k次测试开始充电后10s的电压；I_k为k次测试的充电电流。某个单体的K_n-n-1,j值异常且作为异常值重复出现次数最多，可能是因为该单体的直流内阻较大，直流内阻较大的单体在充电时间变化较小时，其电压会产生较大的波动，从而导致其相对充电时间波动较大，根据直流内阻对单体进行筛选，不影响诊断结果，且可提高诊断结果的准确性。

本发明还公开了一种电池包微短路的在线诊断系统，其特点在于，包括：

测量装置，用于统计电池包充电过程中时间、电压的数据；

数据选择装置：用于从充电数据中根据以下步骤进行数据选取：

计算电池包每次充电容量与后一次充电容量差值△C并相互对比，选取△C数值小于第一阈值的对应充电数据，由于正常充放电循环中相邻两次充电容量基本不变，由此选择可以防止每次充电时模组的相对充电时间△t_n,j波动较大；或者，

计算电池包每次充电结束时各模组电压与后一次充电充电结束时各模组电压差值△U并相互对比，选取△U数值小于第二阈值的对应充电数据，由于相邻两次以相同电流充电时各模组在充电结束时的电压基本不变，由此选择可以防止每次充电时模组的相对充电时间△t_n,j波动较大；

计算装置，用于以电池包中最先达到充电截止电压的单体的电压曲线为基准，计算其他各单体的相对充电时间Δt_n,j＝t_n,0-t_n,j，其中，n为充电次数，j为单体序号，t_n，0为电池包的充电时间，t_n，j为第n次充电时，基准充电曲线上与j号单体充电结束时电压相同的电压点所对应的充电时间；还用于计算可判定各单体相对充电时间变化的变化参数

分析装置，用于通过箱型图对各单体的变化参数K_n-n-1,j值一致性进行分析并统计变化参数K_n-n-1,j值异常的单体序号；以及用于计算各单体的直流内阻，并通过箱型图进行一致性分析；还用于分析变化参数K_n-n-1,j值异常的单体直流内阻的一致性，筛选掉直流内阻在异常范围的单体，以及用于进行变化参数K_n-n-1,j值一致性分析，根据变化参数K_n-n-1,j值一致性分析结果，判断是否有单体的变化参数K_n-n-1,j值异常且作为异常值重复出现次数最多。

优选地，所述分析装置用于根据以下公式计算直流内阻：

其中，k为测试次数；U_1-k,j为j号模组k次测试静置时的电压；U_2-k,j为j号模组k次测试开始充电后10s的电压；I_k为k次测试的充电电流。某个单体的K_n-n-1,j值异常且作为异常值重复出现次数最多，可能是因为该单体的直流内阻较大，直流内阻较大的单体在充电时间变化较小时，其电压会产生较大的波动，从而导致其相对充电时间波动较大，根据直流内阻对单体进行筛选，不影响诊断结果，且可提高诊断结果的准确性。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明根据电池发生微短路后会不断消耗电能，导致电池包中微短路单体的相对充电时间随着充电次数增多的特性，通过电池包的充电数据对各单体的相对充电时间进行分析，由此可以判断电池包是否存在微短路，并对微短路的具体单体进行定位；诊断过程中仅需充电数据，无需特定工况下的测试即可对电池包进行微短路诊断，同时还可筛选出内阻较大的单体；不影响电池包的正常工作，简单易操作，所需参数较少，计算量较小，且能够在线应用。

附图说明

图1为本发明电池包微短路的诊断方法流程图；

图2为第3次测试中各模组的电压曲线图；

图3为电池包充电容量曲线图；

图4为电池包△C曲线图；

图5为充电结束时各模组的电压曲线图；

图6为电池包中各模组△U曲线图；

图7为充电时各模组电压曲线图；

图8为相邻两次充电各模组K_n-n-1,j值箱型图；

图9为各模组直流内阻图；

图10为各模组直流内阻箱型图；

图11为剩余模组相邻两次充电的K_n-n-1,j值箱型图；

图12为第3次测试中2号模组的电压曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参考图1，电池包微短路的在线诊断方法，包括以下步骤：

101：统计电池包充电过程中时间、电压的数据；

102：从充电数据中根据以下步骤进行数据选取：计算电池包每次充电容量与后一次充电容量差值△C并相互对比，选取△C数值小于第一阈值的对应充电数据，由于正常充放电循环中相邻两次充电容量基本不变，由此选择可以防止每次充电时模组的相对充电时间△t_n,j波动较大；或者，计算电池包每次充电结束时各模组电压与后一次充电充电结束时各模组电压差值△U并相互对比，选取△U数值小于第二阈值的对应充电数据，由于相邻两次以相同电流充电时各模组在充电结束时的电压基本不变，由此选择可以防止每次充电时模组的相对充电时间△t_n,j波动较大。

103：以电池包中最先达到充电截止电压的单体的电压曲线为基准，计算其他各单体的相对充电时间Δt_n,j＝t_n,0-t_n,j，n为充电次数，j为单体序号，tn，₀为电池包的充电时间，t_n，j为第n次充电时，基准充电曲线上与j号单体充电结束时电压相同的电压点所对应的充电时间；

104：计算可判定各单体相对充电时间变化的变化参数

105：通过箱型图对各单体的变化参数K_n-n-1,j值一致性进行分析；

106：统计变化参数K_n-n-1,j值异常的单体序号；

107：计算各单体的直流内阻，并通过箱型图进行一致性分析；

108：分析变化参数K_n-n-1,j值异常的单体直流内阻的一致性，筛选掉直流内阻在异常范围(例如直流内阻异常或者较大)的单体；

109：进行变化参数K_n-n-1,j值一致性分析，根据变化参数K_n-n-1,j值一致性分析结果，判断是否有单体的变化参数K_n-n-1,j值异常且作为异常值重复出现次数最多，若是该单体出现微短路；若否，则该单体未出现微短路。根据诊断结果可判定电池包是否发生微短路，并同时对微短路单体进行定位，实现在线诊断。

具体来说，步骤107中，直流内阻的计算公式为：

其中，k为测试次数；U_1-k,j为j号模组k次测试静置时的电压；U_2-k,j为j号模组k次测试开始充电后10s的电压；I_k为k次测试的充电电流。某个单体的K_n-n-1,j值异常且作为异常值重复出现次数最多，可能是因为该单体的直流内阻较大，直流内阻较大的单体在充电时间变化较小时，其电压会产生较大的波动，从而导致其相对充电时间波动较大，根据直流内阻对单体进行筛选，不影响诊断结果，且可提高诊断结果的准确性。

本发明所述的电池包微短路的在线诊断系统，包括：

测量装置，用于统计电池包充电过程中时间、电压的数据；

数据选择装置：用于从充电数据中根据以下步骤进行数据选取：

计算电池包每次充电容量与后一次充电容量差值△C并相互对比，选取△C数值小于第一阈值的对应充电数据，由于正常充放电循环中相邻两次充电容量基本不变，由此选择可以防止每次充电时模组的相对充电时间△t_n,j波动较大；或者，

计算电池包每次充电结束时各模组电压与后一次充电充电结束时各模组电压差值△U并相互对比，选取△U数值小于第二阈值的对应充电数据，由于相邻两次以相同电流充电时各模组在充电结束时的电压基本不变，由此选择可以防止每次充电时模组的相对充电时间△t_n,j波动较大；或者，

统计电池包每次充电过程中最先达到截止电压的模组序号，在所有充电数据中选取模组序号不变的对应充电数据，电池包的充电容量取决于最先达到充电截止电压的模组，最先达到截止充电电压的模组改变，则电池包的充电容量和充电时间随之改变，充电结束时各模组的电压会随之大幅改变，从而导致相对充电时间△t_n,j波动较大；若电池包的充电数据在最先达到截止充电电压的模组改变后仍满足上述数据选取的条件，则选择相对应数据；

计算装置，用于以电池包中最先达到充电截止电压的单体的电压曲线为基准，计算其他各单体的相对充电时间Δt_n,j＝t_n,0-t_n,j，其中，n为充电次数，j为单体序号，t_n，0为电池包的充电时间，t_n，j为第n次充电时，基准充电曲线上与j号单体充电结束时电压相同的电压点所对应的充电时间；还用于计算可判定各单体相对充电时间变化的变化参数

分析装置，用于通过箱型图对各单体的变化参数K_n-n-1,j值一致性进行分析并统计变化参数K_n-n-1,j值异常的单体序号；以及用于计算各单体的直流内阻，并通过箱型图进行一致性分析；还用于分析变化参数K_n-n-1,j值异常的单体直流内阻的一致性，筛选掉直流内阻在异常范围的单体，以及用于进行变化参数K_n-n-1,j值一致性分析，根据变化参数K_n-n-1,j值一致性分析结果，判断是否有单体的变化参数K_n-n-1,j值异常且作为异常值重复出现次数最多。

下面参考图2-图12，结合具体实例，进一步阐述本发明的技术方案。

实施例1

以额定容量为300Ah的6并13串的梯次磷酸铁锂电池包为例，先静置5min，以300A的电流对电池包进行放电至任一模组达到截止电压2.7V，然后以300A的电流对电池包进行充电至任一模组达到截止电压3.6V，由此对电池包进行充放电循环。以相同的充放电循环测试步骤共进行3次测试，电池包测试及静置过程中均处于45℃恒温状态。

图2为第3次测试中各模组的电压曲线图，在各模组循环充、放电电压曲线中，第29次充、电后电压曲线出现异常，由于电池包中的模组在短时间内达到充电截止电压和放电截止电压，导致电池包不能正常充、放电。因此，选取电池包前28次的充电数据进行分析，在28次充电数据中选取符合的充电数据。

(1)计算电池包每次充电容量与后一次充电容量差值△C并相互对比，选取△C数值较小的对应充电数据。图3为电池包充电容量曲线图，根据每次充电容量计算每次充电容量与后一次充电容量差值△C。如图4为电池包△C曲线图，纵坐标为相邻两次充电容量差值，横坐标为对应的相邻两次充电次数。在3次测试中，后2次测试过程中充电容量数值变化较小，△C基本保持在±2Ah内。以-2Ah≤△C≤2Ah为充电数据选取条件，并结合图3和图4，选取测试1中的第2、3、6-9次充电数据、测试2中的所有数据、以及测试3中的第19-25、27次充电数据。

(2)计算电池包每次充电结束时各模组电压与后一次充电充电结束时各模组电压差值△U并相互对比，选取△U数值较小的对应充电数据。图5为充电结束时各模组的电压曲线图，可计算得到△U，如图6电池包中各模组△U曲线图所示。电池包的13个模组中，多数模组的△U不超过±10mV，以-10mV≤△U≤10mV为充电数据选取条件，并结合图5和图6，选取测试1中的6-9次充电数据、测试2中的第11-17次充电数据、测试3中的第20-25次充电数据。

综合考虑电池包△C和各模组的△U，选取的具体充电数据如表1所示：

表1 选取的充电数据统计

选取最先达到充电截止电压的模组，以其电压曲线为基准，计算每次充电时各模组的相对充电时间△t_n，j。图7为充电时各模组电压曲线图，充电过程中10号模组最先达到充电截止电压，以10号模组的充电电压曲线为基准，计算其他模组的相对充电时间△t_n，j及K_n-n-1,j值，并通过箱型图分析K_n-n-1,j值的一致性。

如图8相邻两次充电各模组K_n-n-1,j值箱型图所示，图中出现了多个异常值，统计K_n-n-1,j值异常的模组序号如表2所示，K_n-n-1,j值异常的模组为2号和6号模组。导致K_n-n-1,j值异常的原因有两个，分别是微短路和内阻较大，计算各模组内阻，做进一步的分析。

表2 K_n-n-1,j值异常的模组序号统计

通过每次测试前静置的电压与充电电压计算各模组的直流内阻，直流内阻计算公式为：

其中，k为测试次数；U_1-k,j为j号模组k次测试静置时的电压；U_2-k,j为j号模组k次测试开始充电后10s的电压；I_k为k次测试的充电电流。

计算出3次测试中各模组的直流内阻，如图9各模组直流内阻所示，图中6号模组的直流内阻值最大，证明6号模组K_n-n-1,j异常的原因是直流内阻值大。利用箱型图对电池包中模组的直流内阻一致性进行分析。图10为各模组直流内阻箱型图，可知电池包中不存在直流内阻异常的模组。为消除直流内阻对于诊断结果的影响，选取直流内阻值不超过3/4中位数的模组数据，即直流内阻值较大的6、7、10号模组的数据，以确保诊断结果的准确性。

对剩余模组进行K_n-n-1,j值一致性分析，如图11剩余模组相邻两次充电的K_n-n-1,j值箱型图所示。统计K_n-n-1,j值异常的模组序号，如表3所示，1、2号模组出现异常，对比1、2号模组的直流内阻可知，1号模组的直流内阻较大，其K_n-n-1,j值异常是受到了直流内阻的影响，且2号模组重复出现的次数最多，证明2号出现微短路。

表3 剩余模组中K_n-n-1,j值异常的模组序号统计

图12为第3次测试中2号模组的电压曲线图，对比图2第3次测试中各模组的电压曲线图，可知在测试末期，电池包不能正常充、放电是由于2号模组出现异常。2号模组在充、放电循环中可在短时间内达到充、放电的截止电压，证明2号模组的容量在快速衰减，测试前期2号模组的微短路随着时间已演变成了测试末期的内短路。基于此方法检测出能够检测出电池包发生了微短路，且可对发生微短路的单体进行定位，同时还可以筛选出直流内阻较大的单体。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电池包微短路的在线诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：统计电池包充电过程中时间、电压的数据；

S2：从充电数据中根据以下步骤进行数据选取：

S21、计算电池包每次充电容量与后一次充电容量差值△C并相互对比，选取△C数值小于第一阈值的对应充电数据；或者，

S22、计算电池包每次充电结束时各模组电压与后一次充电充电结束时各模组电压差值△U并相互对比，选取△U数值小于第二阈值的对应充电数据；

S3：以电池包中最先达到充电截止电压的单体的电压曲线为基准，计算其他各单体的相对充电时间Δt_n,j＝t_n,0-t_n,j，n为充电次数，j为单体序号，t_n，0为电池包的充电时间，t_n，j为第n次充电时，基准充电曲线上与j号单体充电结束时电压相同的电压点所对应的充电时间；

S4：计算可判定各单体相对充电时间变化的变化参数

S5：通过箱型图对各单体的变化参数K_n-n-1,j值一致性进行分析；

S6：统计变化参数K_n-n-1,j值异常的单体序号；

S7：计算各单体的直流内阻，并通过箱型图进行一致性分析；

S8：分析变化参数K_n-n-1,j值异常的单体直流内阻的一致性，筛选掉直流内阻在异常范围的单体；

S9：进行变化参数K_n-n-1,j值一致性分析，根据变化参数K_n-n-1,j值一致性分析结果，判断是否有单体的变化参数K_n-n-1,j值异常且作为异常值重复出现次数最多，若是该单体出现微短路；若否，则该单体未出现微短路，且该单体的内阻大于第三阈值。

2.如权利要求1所述的在线诊断方法，其特征在于，步骤S7中，直流内阻的计算公式为：

其中，k为测试次数；U_1-k,j为j号模组k次测试静置时的电压；U_2-k,j为j号模组k次测试开始充电后10s的电压；I_k为k次测试的充电电流。

3.一种电池包微短路的在线诊断系统，其特征在于，包括：

测量装置，用于统计电池包充电过程中时间、电压的数据；

数据选择装置：用于从充电数据中根据以下步骤进行数据选取：

计算电池包每次充电容量与后一次充电容量差值△C并相互对比，选取△C数值小于第一阈值的对应充电数据；或者，

计算电池包每次充电结束时各模组电压与后一次充电充电结束时各模组电压差值△U并相互对比，选取△U数值小于第二阈值的对应充电数据；

计算装置，用于以电池包中最先达到充电截止电压的单体的电压曲线为基准，计算其他各单体的相对充电时间Δt_n,j＝t_n,0-t_n,j，其中，n为充电次数，j为单体序号，t_n，0为电池包的充电时间，t_n，j为第n次充电时，基准充电曲线上与j号单体充电结束时电压相同的电压点所对应的充电时间；还用于计算可判定各单体相对充电时间变化的变化参数

分析装置，用于通过箱型图对各单体的变化参数K_n-n-1,j值一致性进行分析并统计变化参数K_n-n-1,j值异常的单体序号；以及用于计算各单体的直流内阻，并通过箱型图进行一致性分析；还用于分析变化参数K_n-n-1,j值异常的单体直流内阻的一致性，筛选掉直流内阻在异常范围的单体，以及用于进行变化参数K_n-n-1,j值一致性分析，根据变化参数K_n-n-1,j值一致性分析结果，判断是否有单体的变化参数K_n-n-1,j值异常且作为异常值重复出现次数最多。

4.如权利要求3所述的在线诊断系统，其特征在于，所述分析装置用于根据以下公式计算直流内阻：

其中，k为测试次数；U_1-k,j为j号模组k次测试静置时的电压；U_2-k,j为j号模组k次测试开始充电后10s的电压；I_k为k次测试的充电电流。

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