CN114325453A - 一种电池包故障检测电路、方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种电池包故障检测电路、方法、系统及设备,涉及电池安全技术领域。该检测电路连接电池包,电池包包括串联连接的k个电池模组,每个电池模组包括一个或多个电芯,k为大于1的整数。该检测电路包括:采样电路和控制器。其中,采样电路用于采样每个电池模组的输出电压,并将采样结果发送至控制器;控制器用于在第j个预设时刻和第j+1个预设时刻,分别利用采样结果确定第i个电池模组的输出电压与k个电池模组的平均输出电压的差值,并利用差值的变化量确定第i个电池模组是否存在故障,j为正整数,i=1,2,…,k。利用该检测电路,降低了对内短路故障出现误判的概率。
Description
技术领域
本申请涉及电池安全技术领域,尤其涉及一种电池包故障检测电路、方法、电动车辆、系统及设备。
背景技术
目前,应用在电子设备、储能系统、电动车辆等领域中的电池包的能量密度不断增加,通过对电池包进行准确及时的故障检测,能够降低发生安全事故的概率。
对电池包进行内短路的检测为故障检测中的重要一环,电池包内包括多个电芯,内短路指电芯的正、负极经过电阻形成无法由电池管理系统断开的连接关系,会造成电池包出现过流,甚至过温,极端情况下导致起火或爆炸。
现有的内短路的检测方法为:利用每个电芯的两端电压以及输出电流确定每个电芯的等效内阻,再确定每个电芯的等效内阻与其它电芯的等效内阻的偏差,根据偏差确定每个电芯是否存在内短路故障。但是随着电芯的老化,各电芯之间的不一致性会增加,因此应用该方法时,容易将因为不一致性导致的偏差误判为由内短路故障引起的偏差,因此该方法的故障误判概率高。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述技术问题,本申请提供了一种电池包故障检测电路、方法、电动车辆、系统及设备,降低了对内短路故障出现误判的概率。
第一方面,本申请提供了一种电池包故障检测电路,用于连接电池包,电池包包括串联连接的k个电池模组,每个电池模组包括一个或多个电芯,k为大于1的整数。该检测电路包括采样电路和控制器。其中,采样电路用于采样每个电池模组的输出电压,并将采样结果发送至控制器。控制器用于在第j个预设时刻和第j+1个预设时刻,分别利用采样结果确定第i个电池模组的输出电压与k个电池模组的平均输出电压的差值,并利用获取到的两个差值的变化量确定第i个电池模组是否存在故障。其中,j为正整数,i=1,2,…,k。
该检测电路每隔预设时刻获取电池模组输出电压与平均输出电压的差值,并利用该差值的变化量确定电池模组是否存在故障,相较于利用电芯等效内阻的方案,本申请的技术方案仅需采集电池模组的输出电压,不需采集电池模组的输出电流,减少了采样的数据的类型,因此简化了采样电路,还降低了受到电芯间的不一致性的影响,因此还降低了对内短路故障出现误判概率。
结合第一方面,在第二种可能的实现方式中,控制器用于累计处于各个预设区间内的变化量的个数,当个数大于或等于所在预设区间对应的预设个数时,确定第i个电池模组存在故障。通过累计个数的方法,避免了偶然测量误差引起的误判。
结合第一方面,在第三种可能的实现方式中,预设区间对应的预设个数与预设区间数值的大小负相关。预设区间数值越大,表征内短路故障越严重,此时对应的预设个数越小,进而能够更加及时确定出较为严重的内短路故障。
结合第一方面,在第四种可能的实现方式中,电池包充电时的相邻两个预设时刻的间隔小于电池包放电时的相邻两个预设时刻的间隔。即在电池包充电时能够提升检测频率,以及时发现内短路故障。
结合第一方面,在第五种可能的实现方式中,控制器具体用于当第i个电池模组对应的变化量大于或等于预设阈值时,确定第i个电池模组存在故障。
结合第一方面,在第六种可能的实现方式中,电池包充电时的预设阈值大于电池包放电时的预设阈值。当电池包处于充电状态时,各电池模组的电压变化较快,因此电池模组内的电芯的不一致性会对电池模组的电压造成明显的影响,增大预设阈值进而能够降低误判。
结合第一方面,在第七种可能的实现方式中,每个电池模组还与一个均衡电路并联,均衡电路用于均衡k个电池模组的电荷量,控制器还用于确定第i个电池模组的均衡电路使第i个电池模组对应的变化量产生的误差值,并利用误差值补偿第i个电池模组对应的变化量。
结合第一方面,在第八种可能的实现方式中,均衡电路包括串联连接的可控开关和电阻,控制器具体用于根据第i个电池模组的均衡电路在所述第j个预设时刻和第j+1个预设时刻之间的工作时间、第i个电池模组的输出电压、电阻的电阻值和第i个电池模组的容量确定误差值,并根据误差值补偿第i个电池模组对应的变化量。
结合第一方面,在第九种可能的实现方式中,控制器为电池管理系统BMS的控制器。
第二方面,本申请还提供了一种电池包故障检测方法,用于对电池包进行故障检测,电池包包括串联连接的k个电池模组,每个电池模组包括一个或多个电芯,k为大于1的整数,该方法包括:
在第j个预设时刻和第j+1个预设时刻,分别利用采样结果确定第i个电池模组的输出电压与k个电池模组的平均输出电压的差值,并利用获取的差值的变化量确定第i个电池模组是否存在故障,j为正整数,i=1,2,…,k。
结合第二方面,在第一种可能的实现方式中,利用获取的差值的变化量确定第i个电池模组是否存在故障,具体包括:
累计处于各个预设区间内的变化量的个数,当个数大于或等于所在预设区间对应的预设个数时,确定第i个电池模组存在故障。
结合第二方面,在第二种可能的实现方式中,预设区间对应的预设个数与预设区间数值的大小负相关。
结合第二方面,在第三种可能的实现方式中,电池包充电时预设区间对应的预设个数小于电池包放电时预设区间对应的预设个数。
结合第二方面,在第四种可能的实现方式中,电池包充电时的相邻两个预设时刻的间隔小于电池包放电时的相邻两个预设时刻的间隔。
结合第二方面,在第五种可能的实现方式中,利用获取的差值的变化量确定第i个电池模组是否存在故障,具体包括:
当第i个电池模组对应的变化量大于或等于预设阈值时,确定第i个电池模组存在故障。
结合第二方面,在第六种可能的实现方式中,电池包充电时的预设阈值大于电池包放电时的预设阈值。
结合第二方面,在第七种可能的实现方式中,每个电池模组还与一个均衡电路并联,均衡电路用于均衡k个电池模组的电荷量,方法还包括:
确定第i个电池模组的均衡电路使第i个电池模组对应的变化量产生的误差值,并利用误差值补偿第i个电池模组对应的变化量。
结合第二方面,在第八种可能的实现方式中,均衡电路包括串联连接的可控开关和电阻,确定第i个电池模组的均衡电路使第i个电池模组对应的变化量产生的误差值,具体包括:
利用第i个电池模组的均衡电路在第j个预设时刻和第j+1个预设时刻之间的工作时间、第i个电池模组的输出电压、电阻的电阻值和第i个电池模组的容量确定误差值。
第三方面,本申请还提供了一种供电系统,包括以上实现方式提供的电池包故障检测电路,还包括电池包和电池管理系统。其中,电池包包括串联连接的k个电池模组,每个电池模组包括一个或多个电芯,所述k为大于1的整数;电池管理系统用于对电池包进行监控和管理。
结合第三方面,在第一种可能的实现方式中,电池包故障检测电路与所述电池管理系统集成在一起。
第四方面,本申请还提供了一种电动车辆,包括以上实现方式提供的供电系统,还包括电动机。供电系统用于为电动机供电,电动机用于将电能转换为机械能以驱动所述电动车辆。
第五方面,本申请还提供了一种电子设备,该电子设备包括以上实现方式提供的的供电系统,还包括负载电路。供电系统用于为负载电路供电。
附图说明
图1为现有的一种电动车辆的系统结构图;
图2为本申请实施例提供的一种电池包故障检测电路的示意图;
图3为本申请实施例提供的电压波形示意图;
图4为本申请实施例提供的预设个数与变化量的关系的示意图;
图5为本申请实施例提供的另一种电池包故障检测电路的示意图;
图6为本申请实施例提供的一种电池包故障检测方法的流程图;
图7A为本申请实施例提供的一种供电系统的示意图;
图7B为本申请实施例提供的另一种供电系统的示意图;
图8为本申请实施例提供的一种电动车辆的示意图;
图9为本申请实施例提供的一种电子设备的示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更清楚地理解本申请实施例提供的技术方案,下面首先介绍本申请提供的技术方案的应用场景。
本申请提供的电池包故障检测电路用于检测电池包内串联连接的电池模组是否出现内短路故障。电池包中包括多个电池模组,本申请对电池模组的数量不做具体限定。
每个电池模组可以包括一个电芯,此时电池包内包括串联的多个电芯。该电池组可以应用在电子设备中,本申请实施例对电子设备不做具体限定,例如可以为手机(mobilephone)、平板电脑(pad)、笔记本电脑、虚拟现实(virtual reality,VR)终端设备、增强现实(augmented reality AR)终端设备以及智能家电设备(例如扫地机器人)等。
每个电池模组也可以包括多个电芯,此时的电池包可以应用在功率需求较大的场合,例如电动车辆中。通常会先将多个电芯进行并联连接形成电池模组,在将多个电池模组进行串联连接以增大电池包的输出电压和输出能量。
下面以电动车辆的场景为例进行说明。
参见图1,该图为现有的一种电动车辆的系统结构图。
图示系统包括供电系统10、整车控制器(Vehicle Control Unit,VCU)20、车载充电机30、快充接口40以及高压配电盒50。
其中,供电系统10为电动车辆提供所需的电能以及功率。供电系统10包括电池包和电池管理系统(Battery Management System,BMS)102。
电池包包括串联的多个电池模组101。
电池管理系统102为对电池包进行监控和充放电管理的功能单元,用于保证供电系统处于安全、可控的状态范围内。
图示系统结构包括了高压线回路和控制器局域网(Controller Area Network,CAN)回路。其中,高压线回路为动力回路,以供电系统10为核心。而控制器局域网回路为通讯回路,以整车控制器20为核心。当电动车辆处于行驶状态时,由供电系统10提供能量。当电动车辆处于充电状态时,由外部的充电装置通过车载充电机30或快充接口为供电系统10补充能量。
本申请的技术方案的一个应用场景即电动车辆的供电系统10,通过检测电池包内的电池模组是否存在短路风险,以此评估供电系统的安全性,即可以应用于电池管理系统102中,实现对电池包安全状态的检测。
为了使本领域技术领域的人员更清楚地理解本申请方案,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行描述。
本申请说明中的“第一”、“第二”等用词仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,术语“连接”应做广义理解,例如,“连接”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是直接连接,也可以通过中间媒介间接连接。
实施例一:
本申请实施例提供了一种电池包故障检测电路,用于确定电池包内是否出现内短路故障。下面结合附图进行说明。
参见图2,该图为本申请实施例提供的一种电池包故障检测电路的示意图。
其中,图示检测电路连接电池包100,电池包100包括串联连接的多个电池模组101,每个电池模组101包括一个或多个电芯。当电池模组101内包括多个电芯时,多个电芯可以在电池模组101内部并联,或者在电池模组101内部先串联后并联,或者在电池模组101内部先并联后串联,本申请实施例对电池模组101内多个电芯的具体数量以及具体连接方式不做限定。
图示检测电路包括采样电路200和控制器300。
其中,采样电路200用于获取每个电池模组101的输出电压,并将采样结果发送至控制器300。本申请实施例对采样电路的具体实现方式不做限定。在一些实施例中,采样电路200可以利用电压传感器获取采样电池模组101两端的电压,进而获取电池模组101的输出电流。
控制器300用于在j个预设时刻和第j+1个预设时刻,分别利用采样结果确定第i个电池模组的输出电压与k个电池模组的平均输出电压的差值,并利用差值的变化量确定第i个电池模组是否存在故障。其中,j为正整数,i=1,2,…,k。
下面具体说明。
以下说明中以电池包包括串联连接的至少三个电池模组为例进行说明。
参见图3,该图为本申请实施例提供的电压波形示意图。
图中以波形V1表示电池模组1对应的输出电压波形,以V2表示电池模组2对应的输出电压波形,以Vavg表示所有电池模组的平均输出电压波形。
图中任意两个相邻的预设时刻均间隔Δt。在另一些实施例中,相邻的预设时刻之间的间隔也可以不相等,即为预先设置的间隔。
下面选择波形V2进行说明。
当处于第一个预设时刻t1时,电池模组2的输出电压与平均输出电压的差值为:
ΔV1=V2(t1)-Vavg(t1) (1)
当处于第二个预设时刻t2时,电池模组2的输出电压与平均输出电压的差值为:
ΔV2=V2(t2)-Vavg(t2) (2)
则第t1个预设时刻的差值和第t2个预设时刻的差值的变化量为:
ΔdV2=ΔV1-ΔV2 (3)
…
以此类推,当处于第j+1个预设时刻tj+1时,电池模组2的输出电压与平均输出电压的差值为:
ΔVj+1=V2(tj+1)-Vavg(tj+1) (4)
则第tj个预设时刻的差值和第tj+1个预设时刻的差值的变化量为:
ΔdVj+1=ΔVj-ΔVj+1 (5)
利用确定的ΔdV2、ΔdV3、…ΔdVj+1确定电池模组2是否存在内短路故障。
对于其它电池模组进行与以上过程相同的处理,进而确定电池包内的各电池模组是否存在内短路故障。
该控制器300可以为专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit,ASIC)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)、现场可编程逻辑门阵列(Field-programmable Gate Array,FPGA)、通用阵列逻辑(Generic Array Logic,GAL)或其任意组合,本申请实施例不作具体限定。
在一些实施例中,该控制器300可以独立设置;在另一些实施例中,该控制器可以与电池管理系统的控制器集成在一起,即与图1中的电池管理系统102的控制器集成在一起。
综上所述,该检测电路每隔预设时刻获取电池模组输出电压与平均输出电压的差值,并利用该差值的变化量确定电池模组是否存在故障,相较于利用电芯等效内阻的方案,本申请的技术方案仅需采集电池模组的输出电压,不需采集电池模组的输出电流,减少了采样的数据的类型,因此简化了采样电路,还降低了受到电芯间的不一致性的影响,进而还降低了对内短路故障出现误判概率。
实施例二:
下面结合具体的实现方式说明该故障检测电路的工作原理。
继续参见图2,控制器300具体用于累计处于各个预设区间内的变化量的个数,当个数大于或等于所在预设区间对应的预设个数时,确定第i个电池模组存在故障。
在一些实施例中,预先设定m档变化量的预设区间,Np(初始值为0)表征累计处于第P个预设区间内的变化量的个数,其中P=1,2,…,m。当某次获取的差值的变化量大小处于第P个预设区间时,对应的Np加1。
每个预设区间设定对应的预设个数Lp,当该预设区间的Np累计至大于或等于Lp时,确定对应的第i个电池模组存在故障。
下面举例进行说明。
参见图4,该图为本申请实施例提供的预设个数与变化量的关系的示意图。
本申请实施例中的预设区间对应的预设个数Lp与预设区间数值的大小负相关。即预设区间越大,确定出现故障的预设个数Lp越小。
预设区间数值的大小和数量可以根据实际情况进行调整,例如预设区间可以设定为:(-∞,5)mV、[5,10)mV、[10,20)mV、[20,50)mV、[50,100)mV和[100,+∞)mV。
预设个数Lp与预设区间一一对应,可以根据实际情况调整,本申请实施例中的预设个数分别为∞、20、10、5、2、1。
此时由预设个数与预设区间确定的故障表如下:
表1:故障表1
参见表1,对于第一个预设区间[-∞,5)mV,此时位于该预设区间内的变化量数值较低,可以认为变化量处于该预设区间内时电池模组无内短路故障。
随着预设区间的逐渐增大,判定出现故障的预设个数逐渐减小。
参见式(1)-(5)的计算过程,则第tj个预设时刻的差值和第tj+1个预设时刻的差值的变化量为:
ΔdVj+1=(V2(tj)-Vavg(tj))-(V2(tj+1)-Vavg(tj+1)) (6)
下面进行具体分析。
以ΔdVj+1处于较大的预设区间[50,100)mV为例进行说明,不妨假设此时获取到的ΔdVj+1为75mV。
在第一种可能的示例中,V2(tj)-Vavg(tj)为较大的正数,例如为80mV;V2(tj+1)-Vavg(tj+1)为较小的正数,例如为5mV。则电池模组在第j个预设时刻的输出电压大于平均输出电压80mV,下一个预设时刻的输出电压快速下降,仅大于平均输出电压5mV,此时该电池模组有较大概率出现了内短路故障。
在第二种可能的示例中,V2(tj)-Vavg(tj)为较大的正数,例如为60mV;V2(tj+1)-Vavg(tj+1)为负数,例如为-20mV。则电池模组在第j个预设时刻的输出电压大于平均输出电压60mV,下一个预设时刻的输出电压快速下降至小于平均输出电压20mV,此时该电池模组有较大概率出现了内短路故障。
在第三种可能的示例中,V2(tj)-Vavg(tj)为较大的负数,例如为-10mV;V2(tj+1)-Vavg(tj+1)为较小的负数,例如为-85mV。则电池模组在第j个预设时刻的输出电压小于平均输出电压10mV,下一个预设时刻的输出电压快速下降至小于平均输出电压85mV,此时该电池模组有较大概率出现了内短路故障。
结合以上三种可能的示例,还表明了差值的变化量越大,电池模组存在越大的概率出现内短路故障。
对于最后一个预设区间[100,+∞)mV,由于位于该预设区间内的变化量数值最大,可以直接表征此时电池模组出现了内短路故障。
在另一些实施例中,当第i个电池模组对应的变化量大于预设阈值时,确定第i个电池模组存在故障。结合以上所示的故障表,该预设阈值为100mV,当差值的变化量大于或等于100mV,表征此时电池模组的输出电压相对于平均输出电压发生了快速而显著的下降,即该电池模组出现了内短路故障。
本申请实施例提供的检测电路不受电池包工作状态的限制,即在电池包处于充电状态或放电状态时均可以进行故障检测,因此可以对应电池包的工作状态设置不同的预设个数,下面具体说明。
在第一种实现方式中,电池包充电时所述预设区间对应的预设个数小于所述电池包放电时所述预设区间对应的预设个数。实际应用中,电池包处于充电状态时更容易发生故障,因此可以减小设定的预设个数以更及时确定故障是否发生。
在第二种实现方式中,当电池包处于充电状态时,各电池模组的电压变化较快,因此电池模组内的电芯的不一致性会对电池模组的电压造成明显的影响,此时的故障检测的误判概率会增加。本申请当电池包处于充电状态时,将预设区间对应的预设个数增大,以降低误判概率。
下面以第一种实现方式为例进行说明。
当电池包处于放电状态下时,各预设区间对应的预设个数分别为∞、30、20、10、5、2。
此时由预设个数与预设区间确定的故障表如下:
表2:故障表2
以故障表1为电池包处于充电状态下对应的故障表。
故障表2与故障表1可以预先确定并存储在存储器中,当控制器300确定当前电池包的工作状态时,选择对应的故障表。其中,存储器可以为非易失性存储器(英文:non-volatile memory),例如只读存储器(英文:read-only memory,ROM),具体可以为EEROM(electrically erasable programmable read-only memory,带电可擦可编程只读存储器)或EPROM(erasable programmable read-only memory,可擦除可编程只读存储器)。
此外,对应电池包的不同工作状态还可以改变相邻两个预设时刻的间隔,下面具体说明。
在第一种可能的实现方式中,电池包充电时的相邻两个预设时刻的间隔大于电池包放电时的相邻两个预设时刻的间隔。
当电池包处于充电状态时,各电池模组的电压变化较快,因此电池模组内的电芯的不一致性会对电池模组的电压造成明显的影响,此时的故障检测的误判概率会增加。本申请当电池包处于充电状态时,将相邻两个预设时刻的间隔增大,以降低误判概率。
在一些实施例中,继续参见图3,当电池包处于放电状态时,其中的相邻两个预设时刻的间隔为Δt。而当电池包处于充电状态时,相邻两个预设时刻的间隔为Δt’,Δt’>Δt。
在另一些实施例中,当电池包处于放电状态时,依次相邻的两个预设时刻的间隔不相等,且依次相邻的两个预设时刻的间隔Δt1、Δt2、...Δtj预先确定并保存在存储器中。而当电池包处于充电状态时,依次相邻的两个预设时刻的间隔Δt1’、Δt2’、...Δtj’预先确定并保存在存储器中,且Δt1’>Δt1、Δt2’>Δt2、...Δtj’>Δtj。
在第二种可能的实现方式中,电池包充电时的相邻两个预设时刻的间隔小于电池包放电时的相邻两个预设时刻的间隔。实际应用中,电池包处于充电状态时更容易发生故障,因此可以减小相邻两个预设时刻的间隔,即提高检测频率,以更及时确定故障是否发生。
本申请实施例对检测电路的具体应用场景不做限定,例如可以应用于检测电子设备的电池包或者电动车辆的电池包等。在一些实施例中,该检测电路可以随着供电系统的启动而启动进行检测;在另一些实施例中,该检测电路可以响应与用户的操作后启动进行检测,本申请实施例对此不做具体限定。
综上所述,该检测电路每隔预设时刻获取电池模组输出电压与平均输出电压的差值,并利用该差值的变化量确定电池模组是否存在故障,相较于利用电芯等效内阻的方案,本申请的技术方案仅需采集电池模组的输出电压,不需采集电池模组的输出电流,减少了采样的数据的类型,因此简化了采样电路,还降低了受到电芯间的不一致性的影响,进而还降低了对内短路故障出现误判概率。并且由于还设置了多个预设区间,每个预设区间还对应了不同的预设个数,因此还降低了因为偶然测量误差引起故障误报的概率,提升了内短路故障识别的准确性。
此外,该检测电路可以实时确定电池模组的故障状态,快速识别出严重的内短路故障,并且不受限于电池包的工作状态,应用场景更加广泛。该检测电路仅需要确定电池模组的输出电压与平均输出电压的差异随时间的变化量,计算量小,计算占用资源少。
实施例三:
在一些供电系统中还包括均衡电路,均衡电路能够接受电池管理系统的控制信号,对各个电池模组进行能量耗散以均衡各个电池模组的电荷量。由于均衡电路的作用,会导致各电池模组的电压发生变化,进而影响确定的所述差值的变化量,为了降低均衡电路对内短路故障判断的影响,本申请实施例还提供了一种电池包故障检测电路,下面结合附图具体说明。
参见图5,该图为本申请实施例提供的另一种电池包故障检测电路的示意图。
该检测电路与图4所示检测电路的区别在于,还包括均衡电路模块400,该均衡电路模块400包括多个均衡电路,每个电池模组101的两端并联一个均衡电路。
各个均衡电路的工作状态受到电池管理系统的控制器的控制,本申请实施例对均衡电路的具体实现方式不做限定。图中以均衡电路包括串联的可控开关和电阻为例进行说明。
其中,可控开关可以为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor,IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FiledEffect Transistor,MOSFET,以下简称MOS管)、SiC MOSFET(Silicon Carbide MetalOxide Semiconductor,碳化硅场效应管)和继电器等,本申请实施例对此不做具体限定。
电池管理系统的控制器可以向可控开关发送脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation,PWM)信号以控制可控开关的工作状态,当控制器控制可控开关闭合时,均衡电路中的电阻对电池模块101进行能量耗散。电阻的电阻值均为已知的参数。
控制器300还用于确定第i个电池模组的均衡电路对第i个电池模组对应的变化量造成的误差值,并利用误差值补偿第i个电池模组对应的变化量,下面具体说明。
对于第i个电池模组,以Ri表示第i个电池模组的均衡电路中电阻的电阻值。
Ti表示在在第j个预设时刻(即t1时刻)和第j+1个预设时刻(即t2时刻)之间均衡电路的工作时间。在一些实施例中,电池管理系统的控制器向均衡电路的可控开关发送脉冲宽度调制信号,Ti可以利用该脉冲宽度调制信号的持续时间和占空比确定。
以Ui(t)表示第i个电池模组的输出电压,以Ii表示该均衡电路的均衡电流,则存在以下关系:
第i个电池模组的均衡电路的放电量Qi满足:
Qi=Ii×Ti (8)
第i个电池模组的容量我Qc,则第i个电池模组因均衡电路产生的误差值Ve满足:
继续结合式(5)获取的变化量ΔdVj+1。其中,系数β表征了电池模组的开路电压随电池模组的SOC的变化速率,控制器利用式(9)获取的误差值Ve对该变化量进行补偿,得到补偿后的变化量ΔdVj+1’,具体参见下式:
ΔdVj+1’=ΔdVj+1+Ve (10)
此时,控制器累计处于各个预设区间内的补偿后的变化量的个数,当所述个数大于或等于所在预设区间对应的预设个数时,确定所述第i个电池模组存在故障。
综上所述,该检测电路的控制器还能够补偿均衡电路对内短路故障判断的影响,进一步提升了检测内短路故障时的准确性。
实施例四:
基于以上实施例提供的电池包故障检测电路,本申请实施例还提供了一种电池包故障检测方法,下面结附图具体说明。
参见图6,该图为本申请实施例提供的一种电池包故障检测方法的流程图。
该方法包括以下步骤:
S601:在第j个预设时刻和第j+1个预设时刻,分别利用采样结果确定第i个电池模组的输出电压与k个电池模组的平均输出电压的差值,j为正整数,i=1,2,…,k。
S602:利用获取的差值的变化量确定第i个电池模组是否存在故障。
关于以上步骤的说明可以参见图3所示的波形并结合对于式(1)-(5)的说明,本申请实施例在此不再赘述。
该检测方法每隔预设时刻获取电池模组输出电压与平均输出电压的差值,并利用该差值的变化量确定电池模组是否存在故障,相较于利用电芯等效内阻的方案,本申请的方法仅需获取电池模组的输出电压,不需获取电池模组的输出电流,减少了采样的数据的类型,因此简化了采样电路,还降低了受到电芯间的不一致性的影响,因此还降低了对内短路故障出现误判概率。
进一步的,步骤S602具体包括:累计处于各个预设区间内的所述变化量的个数,当个数大于或等于所在预设区间对应的预设个数时,确定第i个电池模组存在故障。
预先设定m档变化量的预设区间,Np(初始值为0)表征累计处于第P个预设区间内的变化量的个数,其中P=1,2,…,m。当某次获取的差值的变化量大小处于第P个预设区间时,对应的Np加1。
每个预设区间设定对应的预设个数Lp,当该预设区间的Np累计至大于或等于Lp时,确定对应的第i个电池模组存在故障。
其中,预设区间对应的预设个数与预设区间数值的大小负相关。
该方法降低了因为偶然测量误差引起故障误报的概率,提升了内短路故障识别的准确性。
进一步的,步骤S602具体包括:当第i个电池模组对应的变化量大于预设阈值时,确定第i个电池模组存在故障。
实际应用中,预设阈值为较大电压值,当差值的变化量大于或等于100mV,表征此时电池模组的输出电压相对于平均输出电压发生了快速而显著的下降,即该电池模组出现了内短路故障。
在一些实施例中,由于电池包处于充电状态时更容易发生故障,因此电池包充电时预设区间对应的预设个数小于所述电池包放电时预设区间对应的预设个数,进而可以减小设定的预设个数以更及时确定故障是否发生。
进一步的,还可以设定电池包充电时的相邻两个预设时刻的间隔小于电池包放电时的相邻两个预设时刻的间隔。
在另一些实施例中,当电池包处于充电状态时,各电池模组的电压变化较快,因此电池模组内的电芯的不一致性会对电池模组的电压造成明显的影响,因此电池包充电时预设区间对应的预设个数大于电池包放电时所述预设区间对应的预设个数。
进一步的,还可以设定电池包充电时的相邻两个预设时刻的间隔大于电池包放电时的相邻两个预设时刻的间隔。
因此利用该方法,不受限于电池包的工作状态,即在电池包处于充电状态或放电状态时均可以进行故障检测,应用场景更加广泛。
在一些供电系统中还包括均衡电路,均衡电路能够接受电池管理系统的控制信号,对各个电池模组进行能量耗散以均衡各个电池模组的电荷量。由于均衡电路的作用,会导致各电池模组的电压发生变化,进而影响确定的所述差值的变化量,为了降低均衡电路对内短路故障判断的影响,该方法还可以包括以下步骤:
确定第i个电池模组的均衡电路使第i个电池模组对应的变化量产生的误差值,并利用误差值补偿所述第i个电池模组对应的变化量。
在一些实施例中,均衡电路包括串联连接的可控开关和电阻。
此时,利用第i个电池模组的均衡电路在第j个预设时刻和第j+1个预设时刻之间的工作时间、第i个电池模组的输出电压、电阻的电阻值和第i个电池模组的容量确定误差值,然后利用该误差值对变化量进行补偿,得到补偿后的变化量。进一步的,累计处于各个预设区间内的补偿后的变化量的个数,当个数大于或等于所在预设区间对应的预设个数时,确定所述第i个电池模组存在故障。该步骤能够补偿均衡电路对内短路故障判断的影响,进一步提升了检测内短路故障时的准确性。
实施例五:
基于以上实施例提供的电池包故障检测电路,本申请实施例还提供了一种供电系统,下面结合附图具体说明。
参见图7A,该图为本申请实施例提供的一种供电系统的示意图。
图示的供电系统包括电池包100、电池包故障检测电路以及电池管理系统500。
其中,该电池包故障检测电路与电池管理系统500集成在一起。
该电池包故障检测电路包括采样电路200和控制器300,关于该检测电路的工作原理和具体实现方式的说明可以参见以上实施例,本申请实施例在此不再赘述。
控制器300可以与电池管理系统500的控制器独立设置,或者集成在一起,本申请实施例对此不做具体限定。
电池管理系统500用于对电池包进行监控和管理,具体包括状态估计、电池均衡、安全监控、热管理、充放电管理以及信息记录等功能。
其中,状态估计指对电池模组的当前容量、荷电水平(state of charge,SOC)、可使用的功率以及可使用的能量进行估算的功能单元。
电池均衡指通过控制均衡电路400均衡各电池模组的电荷量。
安全监控指对电池模组是否出现过压、过流、欠压、过温以及故障(短路、断路等)情况进行监控。
热管理指控制电池模组温度处于预设的温度范围内,以提高电池模组的充放电效率,延长电池模组的寿命。
充放电管理指确保荷电水平维持在合理的范围内,防止过充电或过放电对电池模组造成损伤。
信息记录指对采集的数据以及故障情况进行记录。
本申请实施例提供的检测电路即是用于电池管理系统的安全监控。该检测电路利用电池模组的输出电压对电池模组进行内短路故障的检测,并将检测结果反馈至电池管理系统的控制器,作为衡量当前电池包100安全状态的重要指标。
参见图7B,该图为本申请实施例提供的另一种供电系统的示意图。
图7B图7A的区别在于:该电池包故障检测电路与电池管理系统500未集成在一起。此时控制器300与电池管理系统的控制器也相互独立设置,控制器300检测出现内短路故障的电池模组并将检测结果告知电池管理系统的控制器。
综上所述,本申请实施例提供的供电系统包括电池包故障检测电路,该检测电路每隔预设时刻获取电池模组输出电压与平均输出电压的差值,并利用该差值的变化量确定电池模组是否存在故障,相较于利用电芯等效内阻的方案,本申请的技术方案仅需采集电池模组的输出电压,不需采集电池模组的输出电流,减少了采样的数据的类型,因此简化了采样电路,还降低了受到电芯间的不一致性的影响,进而还降低了对内短路故障出现误判概率。并且由于还设置了多个预设区间,每个预设区间还对应了不同的预设个数,因此还降低了因为偶然测量误差引起故障误报的概率,提升了内短路故障识别的准确性。
此外,该检测电路可以实时确定电池模组的故障状态,快速识别出严重的内短路故障,并且不受限于电池包的工作状态,应用场景更加广泛。该检测电路仅需要确定电池模组的输出电压与平均输出电压的差异随时间的变化量,计算量小,计算占用资源少。
实施例六:
基于以上实施例提供的电池包故障检测电路,本申请实施例还提供了一种电动车辆,下面结合附图具体说明。
参见图8,该图为本申请实施例提供的一种电动车辆的示意图。
图示电动车辆80包括以上实施例中提供的供电系统801以及电动机802。
供电系统801用于为电动机802供电。
电动机802用于将获取的电能转换为机械能以驱动电动车辆80。
其中,供电系统801包括电池包、电池包故障检测电路以及电池管理系统。关于供电系统的说明可以参见以上实施例五。
该电池包故障检测电路包括采样电路和控制器,关于该检测电路的工作原理和具体实现方式的说明可以参见以上实施例一至三,本申请实施例在此不再赘述。
综上所述,该电动车辆的供电系统包括电池包故障检测电路,该检测电路每隔预设时刻获取电池模组输出电压与平均输出电压的差值,并利用该差值的变化量确定电池模组是否存在故障,相较于利用电芯等效内阻的方案,本申请的技术方案仅需采集电池模组的输出电压,不需采集电池模组的输出电流,减少了采样的数据的类型,因此简化了采样电路,还降低了受到电芯间的不一致性的影响,进而还降低了对内短路故障出现误判概率。并且由于还设置了多个预设区间,每个预设区间还对应了不同的预设个数,因此还降低了因为偶然测量误差引起故障误报的概率,提升了内短路故障识别的准确性。
此外,该检测电路可以实时确定电池模组的故障状态,快速识别出严重的内短路故障,并且不受限于电池包的工作状态,应用场景更加广泛。该检测电路仅需要确定电池模组的输出电压与平均输出电压的差异随时间的变化量,计算量小,计算占用资源少。
实施例七:
基于以上实施例提供的电池包故障检测电路,本申请实施例还提供了一种电子设备,下面结合附图具体说明。
参见图9,该图为本申请实施例提供的一种电子设备的示意图。
图示电子设备90包括以上实施例中提供的供电系统801以及负载电路901。
供电系统801用于为负载电路901供电。
负载电路901的具体实现方式与电子设备相关,本申请实施例不做具体限定。
本申请实施例对电子设备90的类型不做具体限定,例如可以为手机、平板电脑、笔记本电脑、虚拟现实终端设备、增强现实终端设备以及智能家电设备(例如扫地机器人)等。
以电子设备为手机为例,该电子设备的电池包包括串联连接的电池模组,通常每个电池模组中包括单个电芯。通过将电池模组进行串联以提升电池包的输出电压。在一些实施例中,该手机可以采用折叠架构,即手机包括第一侧面和第二侧面,每个侧面上至少包括一个电池模组,所有电池模组串联形成电池包。
综上所述,该电子设备的供电系统包括电池包故障检测电路,该检测电路每隔预设时刻获取电池模组输出电压与平均输出电压的差值,并利用该差值的变化量确定电池模组是否存在故障,相较于利用电芯等效内阻的方案,本申请的技术方案仅需采集电池模组的输出电压,不需采集电池模组的输出电流,减少了采样的数据的类型,因此简化了采样电路,还降低了受到电芯间的不一致性的影响,进而还降低了对内短路故障出现误判概率。并且由于还设置了多个预设区间,每个预设区间还对应了不同的预设个数,因此还降低了因为偶然测量误差引起故障误报的概率,提升了内短路故障识别的准确性。
此外,该检测电路可以实时确定电池模组的故障状态,快速识别出严重的内短路故障,并且不受限于电池包的工作状态。该检测电路仅需要确定电池模组的输出电压与平均输出电压的差异随时间的变化量,计算量小,计算占用资源少。
应当理解,在本申请中,“至少一个(项)”是指一个或者多个,“多个”是指两个或两个以上。“和/或”,用于描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,“A和/或B”可以表示:只存在A,只存在B以及同时存在A和B三种情况,其中A,B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达,是指这些项中的任意组合,包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如,a,b或c中的至少一项(个),可以表示:a,b,c,“a和b”,“a和c”,“b和c”,或“a和b和c”,其中a,b,c可以是单个,也可以是多个。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。另外,还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。
以上所述仅是本申请的具体实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (23)
1.一种电池包故障检测电路,用于连接电池包,所述电池包包括串联连接的k个电池模组,每个电池模组包括一个或多个电芯,所述k为大于1的整数;其特征在于,所述电池包故障检测电路包括:采样电路和控制器;其中,
所述采样电路,用于采样每个所述电池模组的输出电压,并将采样结果发送至所述控制器;
所述控制器,用于在第j个预设时刻和第j+1个预设时刻,分别利用所述采样结果确定第i个电池模组的输出电压与所述k个电池模组的平均输出电压的差值,并根据所述差值的变化量确定所述第i个电池模组是否存在故障,所述j为正整数,所述i=1,2,…,k。
2.根据权利要求1所述的检测电路,其特征在于,所述控制器用于累计处于各个预设区间内的所述变化量的个数,当所述个数大于或等于所在预设区间对应的预设个数时,确定所述第i个电池模组存在故障。
3.根据权利要求2所述的检测电路,其特征在于,所述预设区间对应的预设个数与所述预设区间数值的大小负相关。
4.根据权利要求2所述的检测电路,其特征在于,所述电池包充电时所述预设区间对应的预设个数小于所述电池包放电时所述预设区间对应的预设个数。
5.根据权利要求1所述的检测电路,其特征在于,所述电池包充电时的相邻两个预设时刻的间隔,小于所述电池包放电时的相邻两个预设时刻的间隔。
6.根据权利要求1所述的检测电路,其特征在于,所述控制器具体用于当所述第i个电池模组对应的变化量大于或等于预设阈值时,确定所述第i个电池模组存在故障。
7.根据权利要求6所述的检测电路,其特征在于,所述电池包充电时的预设阈值大于所述电池包放电时的预设阈值。
8.根据权利要求1所述的检测电路,其特征在于,每个所述电池模组还与一个均衡电路并联,所述均衡电路用于均衡所述k个电池模组的电荷量,所述控制器还用于确定所述第i个电池模组的均衡电路使所述第i个电池模组对应的变化量产生的误差值,并利用所述误差值补偿所述第i个电池模组对应的变化量。
9.根据权利要求8所述的检测电路,其特征在于,所述均衡电路包括串联连接的可控开关和电阻,所述控制器具体用于根据所述第i个电池模组的均衡电路在所述第j个预设时刻和第j+1个预设时刻之间的工作时间、所述第i个电池模组的输出电压、电阻的电阻值和所述第i个电池模组的容量确定所述误差值,并根据所述误差值补偿所述第i个电池模组对应的变化量。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的检测电路,其特征在于,所述控制器为电池管理系统BMS的控制器。
11.一种电池包故障检测方法,用于对电池包进行故障检测,所述电池包包括串联连接的k个电池模组,每个电池模组包括一个或多个电芯,所述k为大于1的整数;其特征在于,所述电池包故障检测方法包括:
在第j个预设时刻和第j+1个预设时刻,分别利用所述采样结果确定第i个电池模组的输出电压与所述k个电池模组的平均输出电压的差值,并利用获取的差值的变化量确定所述第i个电池模组是否存在故障,所述j为正整数,所述i=1,2,…,k。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述利用获取的差值的变化量确定所述第i个电池模组是否存在故障,具体包括:
累计处于各个预设区间内的所述变化量的个数,当所述个数大于或等于所在预设区间对应的预设个数时,确定所述第i个电池模组存在故障。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,所述预设区间对应的预设个数与所述预设区间数值的大小负相关。
14.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述电池包充电时所述预设区间对应的预设个数小于所述电池包放电时所述预设区间对应的预设个数。
15.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述电池包充电时的相邻两个预设时刻的间隔小于所述电池包放电时的相邻两个预设时刻的间隔。
16.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述利用获取的差值的变化量确定所述第i个电池模组是否存在故障,具体包括:
当所述第i个电池模组对应的变化量大于或等于预设阈值时,确定所述第i个电池模组存在故障。
17.根据权利要求16所述的方法,其特征在于,所述电池包充电时的预设阈值大于所述电池包放电时的预设阈值。
18.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,每个所述电池模组还与一个均衡电路并联,所述均衡电路用于均衡所述k个电池模组的电荷量,所述方法还包括:
确定所述第i个电池模组的均衡电路使所述第i个电池模组对应的变化量产生的误差值,并利用所述误差值补偿所述第i个电池模组对应的变化量。
19.根据权利要求18所述的方法,其特征在于,所述均衡电路包括串联连接的可控开关和电阻,所述确定所述第i个电池模组的均衡电路使所述第i个电池模组对应的变化量产生的误差值,具体包括:
利用所述第i个电池模组的均衡电路在所述第j个预设时刻和第j+1个预设时刻之间的工作时间、所述第i个电池模组的输出电压、电阻的电阻值和所述第i个电池模组的容量确定所述误差值。
20.一种供电系统,其特征在于,包括权利要求1-10中任意一项所述的电池包故障检测电路,还包括电池包和电池管理系统;
所述电池包包括串联连接的k个电池模组,每个电池模组包括一个或多个电芯,所述k为大于1的整数;
所述电池管理系统用于对所述电池包进行监控和管理。
21.根据权利要求20所述的供电系统,其特征在于,所述电池包故障检测电路与所述电池管理系统集成在一起。
22.一种电动车辆,其特征在于,所述电动车辆包括权利要求20所述的供电系统,还包括电机;
所述供电系统用于为所述电机供电;
所述电机用于将电能转换为机械能以驱动所述电动车辆。
23.一种电子设备,其特征在于,所述电子设备包括权利要求20所述的供电系统,还包括负载电路;
所述供电系统用于为所述负载电路供电。
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