CN115308617A - 一种锂离子电池内部短路诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锂离子电池短路诊断技术领域，尤其是一种锂离子电池内部短路诊断方法，其包括以下诊断步骤：S1：给电池组进行充电，记最先达到充电截止电压的单体电池为基准电池，其充电电压曲线为基准充电曲线；S2：对每节单体电池计算其相邻两次充电循环的剩余未充电时间变化速率υ_n值；S3：每次充电结束后，采用核密度估计方法计算电池组中所有电池υ_n值的概率分布；S4：计算υ_n值最大的电池单体的异常因子H_n(υ_n)。本发明通过简单的模型进行计算，可以在电池发生短路时，通过检测自放电电流诊断电池内部是否短路，操作和计算过程简单，评估结果较为准确。

Description

一种锂离子电池内部短路诊断方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池短路诊断技术领域，尤其涉及一种锂离 子电池内部短路诊断方法。

背景技术

随着工业化大规模发展，全球能源危机和环境污染日益严重， 为了保护环境，降低对传统化石能源的依赖，各个国家都大力发展 新能源产业，电动汽车作为节能减排的重要解决对策被积极推广并 迅速发展。其中，锂离子电池由于具备能量密度高、循环寿命长，输出电压高等优异性能，被广泛应用于电动汽车的电源系统，然而， 为了满足电动汽车对电源高功率和高容量的需求，汽车电源往往是 由数千个单体锂离子电池串并联组成，这也给电动汽车埋下了潜在 的安全隐患，一旦电池发生热失控，将会产生巨大的经济损失，严重时还会引发重大的安全事故。因此提升锂离子电池的安全性已成 为当前的研究热点。

电池短路是导致锂离子电池发生安全事故的重要原因之一，电 池短路包括电池外部短路和电池内部短路，电池外部短路往往是人 为操作不当引发的，当电池发生外部短路时，放电电流会增大，导 致电芯产热，从而电池内部温度升高，在高温情况下，电池内部会 引发一连串的化学反应，这些反应会产生大量的热量，最终导致电 池发生热失控。电池内部短路通常是指电池内部的正极和负极直接 接触，主要是在挤压、撞击和过充过放等电池滥用情况下，电池内 部生成的锂枝晶刺穿隔膜，造成内部短路，从而电池内部化学反应速度加快，电流和温度升高，当电池内短路严重时，则会引发热失 控。其中，电池外部短路可以通过安装外部传感器和保护装置对其 进行有效的防控，而电池内部短路在整个电池生命周期都有可能发 生，但是检测内部短路很难在电池内部安装传感器，也无法使用常规手段快速检测到电池内部温度，这使得内部短路有了一个演化周 期，初期现象不明显，但后期会引发冒烟、起火甚至爆炸等重大事 故，因此有必要对电池内部短路进行早期检测，从而保障动力电池 的安全稳定性，为电动汽车的快速发展保驾护航。

目前，对于电池内部短路的检测方法有很多，如构建开关切换 模型对内部短路进行检测，通过该模型对电池短路等效电路模型进 行更新，获取模型的开路电压和SOC值，进而辨识得到电池内部短 路等效电阻，实现电池内部短路的提前预警。

但是该方法需要借助复杂的模型且计算过程比较繁琐。另外， 由于当电池发生内部短路时，此时自放电电流和正常运行状态下的 自放电电流相比明显增大，则可以通过检测自放电电流诊断电池内 部是否短路，但是该方法需要较长的静置时间使电池处于均衡状态， 不利于实际应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的电池短路检测方法需要 借助复杂的模型且计算过程比较繁琐，另外，由于当电池发生内部 短路时，此时自放电电流和正常运行状态下的自放电电流相比明显 增大，则可以通过检测自放电电流诊断电池内部是否短路，但是该 方法需要较长的静置时间使电池处于均衡状态，不利于实际应用的 缺点，而提出的一种锂离子电池内部短路诊断方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种锂离子电池内部短路诊断方法，包括以下诊断步骤：

S1：给电池组进行充电，记最先达到充电截止电压的单体电池 为基准电池，其充电电压曲线为基准充电曲线；计算其他单体电池 达到充电截止电压还需要的剩余充电时间，具体计算公式为： Δt_n,j＝t_n,j-t_n,1，其中，n表示充电次数序号，j表示单体电池的 序号，Δt_n,j表示第j号单体电池的剩余未充电时间，t_n,j表示在基 准充电电压曲线上第j号单体电池充电结束时的电压位置所对应的 充电时间，t_n,1表示基准电压曲线结束充电时所对应的充电时间。

S2：对每节单体电池计算其相邻两次充电循环的剩余未充电时 间变化速率υ_n值，具体计算公式为：

其中n表 示充电次数序号，j表示单体电池的序号，Δt_n,j表示第j号电池第n 次充电时对应的剩余未充电时间，Δt_n-1,j表示第n-1次充电时对应 的剩余未充电时间。

S3：每次充电结束后，采用核密度估计方法计算电池组中所有 电池υ_n值的概率分布，具体计算公式为：

其中，N为电池组中电池的总数；

是核密度估计的带宽，具体计 算公式为：

其中，σ_n为第n次充电所有电池υ_n值的标准差，Q_n为第n次充电所 有电池υ_n值的四分位距。

S4：计算υ_n值最大的电池单体的异常因子H_n(υ_n)，具体计算公 式为：

式中，υ_n,max为电池组中υ_n值最大的电池单体的υ_n值，f_n(·)为所有电 池υ_n值的概率密度函数，Ω为电池组中除去υ_n值最大的单体之后的 其他单体的集合,f_n,Ω(·)为电池组中除去υ_n值最大的单体之后的其 他单体υ_n值的概率密度函数。

S5：判断存在内短路风险的异常电池单体。若H_n(υ_n,max)小于预 先设定的阈值λ，则判断该电池组中不存在内短路电池，结束本次 充电循环的计算；若H_n(υ_n,max)大于等于λ，对剩下的单体重复S4， 直至所剩电池中H_n(υ_n,max)小于λ，结束S4，所有H_n(υ_n,max)大于 等于λ的单体判断为存在内短路风险，进入S4。

S6：对存在内短路风险的异常单体计算该单体的剩余未充电容 量和剩余未充电电量，计算公式如下：

其中，n表示充电次数序号，j表示单体电池的序号，C_n,j表示第j 个单体电池的剩余未充电容量，E_n,j表示第j个单体电池的剩余未充 电电量，I_n,k和U_n,k分别为第n次充电循环k时刻的充电电流和充电 电压，Δt_n,j表示该单体电池的剩余未充电时间，t_n,1表示基准电压曲 线结束充电时所对应的充电时间。

S7：对存在内短路风险的异常单体计算该单体的平均漏电流， 具体计算公式如下：

其中n表示充电次数，j表示单体电池的序号,

表示内部短路电 池的漏电流，C_n,j和C_n-1,j分别表示在第n次和第n-1次充电结束时， 内短路电池的剩余未充电容量，T_n是第n次充电循环所用的总时间。

S8：对存在内短路风险的异常单体计算该单体电池的内短路电 阻，计算公式如下：

其中n表示充电次数，j表示单体电池的序号,

表示内部短 路单体电池的漏电流，R_n,j表示内短路电阻，E_n,j和E_n-1,j分别表示 在第n次和第n-1次充电结束时，内短路电池的剩余未充电电量。

优选的，所述S3中，第一，由于内部短路单体电池在每个充放 电循环中都会在内短路电阻上有漏电流进而发生能量损耗，因此内 短路单体的剩余未充电时间会随着充电次数的增加而迅速延长，因 而电池包中发生内部短路的单体v_n值会显著大于其他正常单体；

第二，采用核密度估计的方法计算所有单体v_n值的概率分布， 其采用的核为高斯分布函数，所有单体υ_n值的概率分布可用以识别 υ_n值异常的单体。

优选的，所述S4中，第一，定义了v_n值最大的电池单体的异常 因子H_n，其中分子部分为电池组中除去υ_n值最大的单体之后的其他 单体的集合的概率密度之和，分母为υ_n值最大的电池单体的概率密 度的N-1倍；

第二，根据异常因子H_n的定义，若v_n值最大的电池单体偏离群 体的正常分布，即其对应的v_n概率密度相对其他单体很小，则H_n将 会是一个远大于1的值，以此可作为v_n值异常的判断标准。

优选的，所述S5中，第一，若H_n(υ_n,max)小于预先设定的阈值 λ，则判断该电池组中不存在内短路电池，结束本次充电循环的计 算，对下一次充电循环重新执行步骤1。

第二，若H_n(υ_n,max)大于等于λ，对剩下的单体重复S4，直至 所剩电池中H_n(υ_n,max)小于λ，结束S4。此步骤目的是找出电池组 中所有H_n大于等于λ的异常单体，对这些单体判断为存在内短路风 险，进入S4。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本方案以最先达到充电截止电压的单体电池的充电电压曲线作 为基准曲线，计算出其它单体电池充电结束时的剩余未充电时间并 计算每个单体相邻两次充电的剩余未充电时间的变化速率υ_n值，由 于内部短路单体电池在每个充放电循环中都会在内短路电阻上有漏 电流进而发生能量损耗，因此内短路单体的剩余未充电时间会随着 充电次数的增加而迅速延长，因而电池包中发生内部短路的单体υ_n值会显著大于其他正常单体，定义了异常因子H_n，以此判断υ_n值最 大的单体电池是否相对其他电池有明显异常，据此可判断单体电池 是否存在内短路风险；

本方案对存在内短路风险的单体电池计算剩余未充电容量和剩 余未充电电量，根据前后两次剩余未充电容量的差值计算通过内短 路电阻的漏电流，最后根据前后两次剩余未充电电量的差值和漏电 流计算内短路电阻，在本技术中无需对电池进行特殊的测试，只需 要电池的充电数据即可，操作和计算过程简单，评估结果较为准确；

本发明操作方便，通过简单的模型进行计算，可以在电池发生 短路时，通过检测自放电电流诊断电池内部是否短路，操作和计算 过程简单，评估结果较为准确。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的 实施例。

一种锂离子电池内部短路诊断方法，包括以下步骤：

S1：给电池组进行充电，记最先达到充电截止电压的单体电池 为基准电池，其充电电压曲线为基准充电曲线。计算其他单体电池 达到充电截止电压还需要的剩余充电时间，具体计算公式为： Δt_n,j＝t_n,j-t_n,1，其中，n表示充电次数序号，j表示单体电池的 序号，Δt_n,j表示第j号单体电池的剩余未充电时间，t_n,j表示在基 准充电电压曲线上第j号单体电池充电结束时的电压位置所对应的 充电时间，t_n,1表示基准电压曲线结束充电时所对应的充电时间。

S2：对每节单体电池计算其相邻两次充电循环的剩余未充电时 间变化速率v_n值，具体计算公式为：

其中n表 示充电次数序号，j表示单体电池的序号，Δt_n,j表示第j号电池第n 次充电时对应的剩余未充电时间，Δt_n-1,j表示第n-1次充电时对应 的剩余未充电时间。

S3：每次充电结束后，采用核密度估计方法计算电池组中所有 电池υ_n值的概率分布，具体计算公式为：

其中，N为电池组中电池的总数；

是核密度估计的带宽，具体计 算公式为：

其中，σ_n为第n次充电所有电池υ_n值的标准差，Q_n为第n次充电所 有电池υ_n值的四分位距。

S3中具体步骤包括：

S3-1、由于内部短路单体电池在每个充放电循环中都会在内短 路电阻上有漏电流进而发生能量损耗，因此内短路单体的剩余未充 电时间会随着充电次数的增加而迅速延长，因而电池包中发生内部 短路的单体v_n值会显著大于其他正常单体。

S3-2、采用核密度估计的方法计算所有单体v_n值的概率分布， 其采用的核为高斯分布函数。所有单体v_n值的概率分布可用以识别 υ_n值异常的单体。

S4、计算v_n值最大的电池单体的异常因子H_n(v_n)，具体计算公 式为：

式中，v_n,max为电池组中v_n值最大的电池单体的v_n值，f_n(·)为所有电 池v_n值的概率密度函数，Ω为电池组中除去v_n值最大的单体之后的 其他单体的集合,f_n,Ω(·)为电池组中除去v_n值最大的单体之后的其 他单体v_n值的概率密度函数。

S4具体步骤包括：

S4-1、定义了v_n值最大的电池单体的异常因子H_n，其中分子部 分为电池组中除去v_n值最大的单体之后的其他单体的集合的概率密 度之和，分母为v_n值最大的电池单体的概率密度的N-1倍。

S4-2、根据异常因子H_n的定义，若υ_n值最大的电池单体偏离群 体的正常分布，即其对应的υ_n概率密度相对其他单体很小，则H_n将 会是一个远大于1的值，以此可作为υ_n值异常的判断标准。

S5：判断存在内短路风险的异常电池单体。若H_n(υ_n,max)小于预 先设定的阈值λ，则判断该电池组中不存在内短路电池，结束本次 充电循环的计算；若H_n(υ_n,max)大于等于λ，对剩下的单体重复S4， 直至所剩电池中H_n(υ_n,max)小于λ，结束S4，所有H_n(υ_n,max)大于 等于λ的单体判断为存在内短路风险，进入S4。

S5具体步骤包括：

S5-1、若H_n(υ_n,max)小于预先设定的阈值λ，则判断该电池组中 不存在内短路电池，结束本次充电循环的计算，对下一次充电循环 重新执行步骤1。

S5-2、若H_n(υ_n,mas)大于等于λ，对剩下的单体重复S4，直至 所剩电池中H_n(υ_n,max)小于λ，结束S4。此步骤目的是找出电池组 中所有H_n大于等于λ的异常单体，对这些单体判断为存在内短路风 险，进入S4。

S6：对存在内短路风险的异常单体计算该单体的剩余未充电容 量和剩余未充电电量，计算公式如下：

其中，n表示充电次数序号，j表示单体电池的序号，C_n,j表示第j 个单体电池的剩余未充电容量，E_n,j表示第j个单体电池的剩余未充 电电量，I_n,k和U_n,k分别为第n次充电循环k时刻的充电电流和充电 电压，Δt_n,j表示该单体电池的剩余未充电时间，t_n,1表示基准电压曲 线结束充电时所对应的充电时间。

S7：对存在内短路风险的异常单体计算该单体的平均漏电流， 具体计算公式如下：

其中n表示充电次数，j表示单体电池的序号,

表示内部短路电 池的漏电流，C_n,j和C_n-1,j分别表示在第n次和第n-1次充电结束时， 内短路电池的剩余未充电容量，T_n是第n次充电循环所用的总时间。

S8：对存在内短路风险的异常单体计算该单体电池的内短路电 阻，计算公式如下：

其中n表示充电次数，j表示单体电池的序号,

表示内部短 路单体电池的漏电流，R_n,j表示内短路电阻，E_n,j和E_n-1,j分别表示 在第n次和第n-1次充电结束时，内短路电池的剩余未充电电量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护 范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露 的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换 或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锂离子电池内部短路诊断方法，其特征在于，包括以下诊断步骤：

S1：给电池组进行充电，记最先达到充电截止电压的单体电池为基准电池，其充电电压曲线为基准充电曲线；

S2：对每节单体电池计算其相邻两次充电循环的剩余未充电时间变化速率υ_n值；

S3：每次充电结束后，采用核密度估计方法计算电池组中所有电池υ_n值的概率分布；

S4：计算υ_n值最大的电池单体的异常因子H_n(υ_n)；

S5：判断存在内短路风险的异常电池单体；

S6：对存在内短路风险的异常单体计算该单体的剩余未充电容量和剩余未充电电量；

S7：对存在内短路风险的异常单体计算该单体的平均漏电流；

S8：对存在内短路风险的异常单体计算该单体电池的内短路电阻。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部短路诊断方法，其特征在于，所述S1中，计算其他单体电池达到充电截止电压还需要的剩余充电时间，具体计算公式为：Δt_n，j＝t_n，j-t_n，1，其中，n表示充电次数序号，j表示单体电池的序号，Δt_n，j表示第j号单体电池的剩余未充电时间，t_n，j表示在基准充电电压曲线上第j号单体电池充电结束时的电压位置所对应的充电时间，t_n，1表示基准电压曲线结束充电时所对应的充电时间。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部短路诊断方法，其特征在于，所述S2中，具体计算公式为：

其中n表示充电次数序号，j表示单体电池的序号，Δt_n，j表示第j号电池第n次充电时对应的剩余未充电时间，Δt_n-1，j表示第n-1次充电时对应的剩余未充电时间。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部短路诊断方法，其特征在于，所述S3中，具体计算公式为：

其中，N为电池组中电池的总数；

是核密度估计的带宽，具体计算公式为：

其中，σ_n为第n次充电所有电池υ_n值的标准差，Q_n为第n次充电所有电池υ_n值的四分位距。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部短路诊断方法，其特征在于，所述S4中，具体计算公式为：

式中，υ_n，max为电池组中υ_n值最大的电池单体的υ_n值，f_n(·)为所有电池υ_n值的概率密度函数，Ω为电池组中除去υ_n值最大的单体之后的其他单体的集合，f_n，Ω(·)为电池组中除去υ_n值最大的单体之后的其他单体υ_n值的概率密度函数。

6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部短路诊断方法，其特征在于，所述S5中，H_n(υ_n，max)小于预先设定的阈值λ，则判断该电池组中不存在内短路电池，结束本次充电循环的计算；H_n(υ_n，max)大于等于λ，对剩下的单体重复S4，直至所剩电池中H_n(υ_n，max)小于λ，结束S4，所有H_n(υ_n，max)大于等于λ的单体判断为存在内短路风险，进入S6。

7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部短路诊断方法，其特征在于，所述S6中，计算公式如下：

其中，n表示充电次数序号，j表示单体电池的序号，C_n，j表示第j个单体电池的剩余未充电容量，E_n，j表示第j个单体电池的剩余未充电电量，I_n，k和U_n，k分别为第n次充电循环k时刻的充电电流和充电电压，Δt_n，j表示该单体电池的剩余未充电时间，t_n，1表示基准电压曲线结束充电时所对应的充电时间。

8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部短路诊断方法，其特征在于，所述S7中，具体计算公式如下：

其中n表示充电次数，j表示单体电池的序号，

表示内部短路电池的漏电流，C_n，j和C_n-1，j分别表示在第n次和第n-1次充电结束时，内短路电池的剩余未充电容量，T_n是第n次充电循环所用的总时间。

9.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部短路诊断方法，其特征在于，所述S8中，计算公式如下：

其中n表示充电次数，j表示单体电池的序号，

表示内部短路单体电池的漏电流，R_n，j表示内短路电阻，E_n，j和E_n-1，j分别表示在第n次和第n-1次充电结束时，内短路电池的剩余未充电电量。