CN116154340A - 一种可重构电池组及电池故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重构电池组及电池故障诊断方法,包括:电池重构电路、电池状态采集电路和控制器;电池重构电路,用于对电池组内的电池单体进行串入或旁路控制,完成电池模组重构;电池状态采集电路,用于在电池组任意重构状态下对任意电池单体的电压和电流进行采集;控制器,用于根据电池状态采集电路的采集数据计算电池的SOC,根据电池的SOC并通过直流脉冲放电测试获取电池的等效直流内阻,根据电池的等效直流判断电池单体是否出现故障。优点:本发明通过检测电池组中各电池单体等效直流内阻判断电池是否故障,发现故障后对电池组进行重构,切除故障电池并接入备用的正常电池,从而实现电池组的性能优化。
Description
技术领域
本发明涉及一种可重构电池组及电池故障诊断方法,属于锂离子电池技术领域。
背景技术
锂离子电池以其高功率密度、高能量密度和无记忆效应等优点被广泛应用于电动汽车、储能电站和移动电子设备。可是电池成组使用后,单体一致性和老化都对电池组的能量利用效率产生了极大的影响,个别单体的故障或性能衰退会引发电池组的安全隐患。固定连接拓扑电池组的电量一致性只能通过均衡的方式调整电池组电量,但对于个别单体的非正常老化甚至故障仍无能为力。目前在电池健康状态的研究中,电池内阻是衡量电池健康状态的重要参数,随电池循环次数的增加,其内阻也会逐渐增加。
为了保证电池组的工作性能,需要通过诊断发现故障电池,并通过电池组重构将发生故障的电池及时从电池组中切除。目前大部分相关研究集中在可重构系统的构建,或仅是研究电池的故障诊断策略,没有将两者结合考虑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,提供一种可重构电池组及电池故障诊断方法,具备电池组重构,故障诊断,被动均衡的功能,能够解决个别电池单体故障影响电池组整体性能和电池组内各单体电量不一致的问题。该可重构电路硬件包括电池重构电路及电池状态采集电路。
为解决上述技术问题,本发明提供一种可重构电池组,包括:电池重构电路、电池状态采集电路和控制器;
所述电池重构电路,用于对电池组内的电池单体进行串入或旁路控制,完成电池模组重构;
所述电池状态采集电路,用于在电池组任意重构状态下对任意电池单体的电压和电流进行采集;
所述控制器,用于根据电池状态采集电路的采集数据计算电池的SOC,根据电池的SOC并通过直流脉冲放电测试获取电池的等效直流内阻,根据电池的等效直流内阻判断电池单体是否出现故障。
进一步的,所述电池重构电路,包括:若干依次连接的电池电路;所述电池电路包括电池单元、旁路单元、测试单元;
所述旁路单元和测试单元并联接入电池单元,所有所述电池单元依次串联,所有所述旁路单元依次串联,所有所述测试单元依次串联。
进一步的,所述电池单元包括串联的电池单体和接入开关;所述旁路单元包括旁路开关;所述测试单元包括串联的测试开关和测试电阻。
进一步的,若干所述电池单元中的一个电池单元为备用电池单元。
进一步的,所述电池状态采集电路包括:电压采样电路和电流采样电路;
所述电压采样电路,用于采集电池单体两端电压;
所述电流采样电路电路,用于采集电池单体充放电电流。
进一步的,所述电压采样电路包括:电压跟随器、反向比例放大器、反向跟随器;
将采集到的电池端电压依次通过电压跟随器、反向比例放大器、反向跟随器三级转换到控制器能够采集的电压范围。
进一步的,所述电流采样电路包括:霍尔电流传感器、电压跟随器;
通过霍尔电流传感器将电池电流转化为电压信号,再经过电压跟随器输入到控制器中。
一种可重构电池组的电池故障诊断方法,包括:
对电池进行电压检测,根据长时间静置的OCV-SOC对应关系曲线计算各电池单体初始SOC;
当电池组中SOC最高的电池单体的SOC处于40%-60%的范围时,闭合电池组中各电池单体的接入开关和测试开关,对电池组内的所有单体电池进行脉冲放电测试;
测量脉冲放电过程中电池组内的所有单体电池的端电压和放电电流;
根据所测得的脉冲放电过程中电池组内的所有单体电池的端电压和放电电流,计算由于内阻存在而导致放电开始时迅速下降的端电压,与放电电流相除计算出电池的等效直流内阻;
判断该阻值是否处在正常范围,若不处于正常范围,则判断为故障电池;
切除检测出的故障电池,接入正常的备用电池。
进一步的,所述初始SOC由开路电压法与安时积分法结合得出。
进一步的,所述计算出电池的等效直流内阻,包括:
利用采集到的脉冲放电过程中电池的电压和放电电流确定电池端电压电压下降量与放电电流;
将电池端电压电压下降量与放电电流相除得到电池的等效直流内阻。
进一步的,所述判断该阻值是否处在正常范围,若不处于正常范围,则判断为故障电池,包括:
获取电池出厂的内阻R1和寿命终结时的内阻R2,若计算得到的等效直流内阻超出R1-R2范围时,判断为故障电池。
进一步的,所述切除检测出的故障电池,接入正常的备用电池,包括:
断开故障电池的接入开关,闭合其旁路开关将其切除,同时断开备用电池的旁路开关,闭合其接入开关将其接入电池组。
进一步的,在电池组静置时,通过同时闭合电池的接入开关与测试开关,使电池组中电量较高的单体通过测试电阻放电实现被动均衡。
进一步的,所述被动均衡的条件为:
通过开路电压法估算电池组内每节电池的SOC,若电池组内电量最高电池与电量最低电池SOC相差大于3%,则进行被动均衡。
进一步的,所述进行被动均衡,包括:
选择电池组内SOC最高的电池单体进行放电,直至其SOC与电池组内电量最低电池的SOC相差小于3%时停止,放电时间通过安时积分法进行计算,结束一轮均衡过程后,继续对电池组内其他满足被动均衡条件的电池单体进行被动均衡,直至电池组内所有电池的SOC不满足被动均衡条件。
本发明所达到的有益效果:
本发明通过检测电池组中各电池单体等效直流内阻判断电池是否故障,发现故障后对电池组进行重构,切除故障电池并接入备用的正常电池,从而实现电池组的性能优化。同时电池内阻检测电路中的测试电阻可以复用为电池被动均衡的放电电阻,通过控制电路使电量较高的电池通过测试电阻放电,提高电池组的一致性。与无故障检测和重构功能的电路相比,本发明能够提高电池组的整体性能并提高电池组的使用安全性。
附图说明
图1是本发明的电路总体结构图;
图2是电池组自诊断重构电路拓扑图;
图3是电压采样电路工作原理图;
图4是电流采样电路工作原理图;
图5是脉冲放电时电池电流和电压曲线;
图6是被动均衡示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示,一种可重构电池组,具备电池组重构、故障诊断、被动均衡的功能,能够解决个别电池单体故障影响电池组整体性能和电池组内各单体电量不一致的问题,包括:电池重构电路、电池状态采集电路和控制器。
电池重构电路:用于实现对电池组内特定电池单体的串入与旁路控制进而实现电池模组的重构,在发现电池组内有故障电池后,对故障电池进行切除并将备用电池接入电池组,此外可以通过控制开关使电池向测试电阻放电,进行被动均衡。
电池重构电路如图2所示,包括:
电池C1、电池C2、电池C3、电池C4、电池C5、电池C6、电池C7;旁路开关开关S21、旁路开关开关S22、旁路开关开关S23、旁路开关开关S24、旁路开关开关S25、旁路开关开关S26、旁路开关开关S27;接入开关S11、接入开关S12、接入开关S13、接入开关S14、接入开关S15、接入开关S16、接入开关S17;测试开关S31、测试开关S32、测试开关S33、测试开关S34、测试开关S35、测试开关S36、测试开关S37;测试电阻R31、测试电阻R32、测试电阻R33、测试电阻R34、测试电阻R35、测试电阻R36、测试电阻R37组成。
每节单体电池串联接入开关,二者一起并联一个旁路开关,通过开关旁路的方法将故障电池旁路而不影响其他电池充放电。电池测试开关与测试电阻串联后与旁路开关并联,进行电池放电测试和被动均衡时,断开该电池旁路开关,闭合其测试开关和充电开关,使电池向测试电阻放电。电路中共包含七节电池,其中有一节作为备用。
电池状态采集电路:用于实现在电池组任意重构状态下对每一单体电压和电流的采集,以此得出电池等效直流内阻作为判断其是否故障的条件。电池状态采集电路包含电压采样电路、电流采样电路。电压采样电路包含电压跟随器、反向比例放大器、反向跟随器,直接采集电池单体的端电压。其中,差分运算放大器选用采用双电源供电模式下的AD620ARZ-REEL芯片,实现电压的跟随;反向比例放大器与运算放大器选用LM358P两路运放芯片如图3所示,实现电压信号缩小一半,使电压信号符合控制器对应的单片机ADC采集范围。如图4所示,电流采样电路用于采集电池放电电流并传输至单片机,通过ACS712霍尔电流传感器将电池电流转化为电压信号,再经过电压跟随器输入到单片机中。
控制器对应的单片机,用于根据电池状态采集电路的采集数据计算电池的SOC,根据电池的SOC并通过直流脉冲放电测试获取电池的等效直流内阻,根据电池的等效直流内阻判断电池单体是否出现故障。
电池内阻是衡量电池健康状态的重要因素,为提高电池组整体性能,此重构电路通过检测各单体等效直流内阻的方式判断电池是否故障,发现故障电池后将其切除并接入正常的备用电池。
一种基于可重构电池组的电池故障诊断方法,包括:
(1)通过开路电压法与安时积分法结合的方式估计出电池的初始SOC。
(2)当电池组中SOC最高的电池单体的SOC处于40% -60%的范围时,闭合电池组中各电池单体的接入开关和测试开关,对电池进行脉冲放电测试。检测过程中,接通其接入开关和测试开关,使电池向测试电阻放电10s。
(3)测量放电过程中电池的电压和放电电流,电压和电流曲线如图5所示。通过脉冲放电得到的电池电流和电压施加放电电流脉冲后,电池两端电压迅速由Va下降至Vb,后缓慢减小,放电10s后断开测试开关,电压迅速回升并逐渐趋于平稳。检测电路对电压和电流采样的时间为25ms,在放电过程内持续采集电池电压和电流状态。
(4)放电时电池端电压的下降是由于电池内阻产生的,因此通过Va-Vb的电压差与放电电流相除可以得到电池的等效直流内阻。
(5)电池内阻在一定程度上能够反映电池健康状态情况,随着电池的循环次数增加,其内阻会不断增大。据此判断步骤(4)中计算得出的电池阻值是否处在正常范围,假设电池出厂的内阻为R1,寿命终结时的内阻为R2。若检测到电池内阻超出R1-R2范围时,认为该电池故障。
(6)断开故障电池的接入开关,闭合其旁路开关将其切除。同时断开备用电池的旁路开关,闭合其接入开关将其接入电池组。
本方法在电池组静置时可以通过测试电阻进行被动均衡,提高各单体的一致性。被动均衡示意图如图6所示。在通过开路电压法对各电池单体进行SOC估计后,若电池组内电量最高电池与电量最低电池SOC相差大于3%,则闭合其充电开关与测试开关使其对测试电阻放电,直至其SOC与电池组内电量最低电池的SOC相差小于3%时停止,被动均衡过程的放电时间通过安时积分法进行计算。结束此过程后,继续使用此方法对电池组内其他电量较高的电池进行被动均衡,直至电池组内所有电池的SOC趋于一致。
该电路具备电池被动均衡的功能,在电池组静置时,通过同时闭合电池的充电开关与测试开关,使电池组中电量较高的单体通过测试电阻放电从而实现电量均衡,从而提高电池组内各单体电量的一致性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种可重构电池组,其特征在于,包括:电池重构电路、电池状态采集电路和控制器;
所述电池重构电路,用于对电池组内的电池单体进行串入或旁路控制,完成电池模组重构;
所述电池状态采集电路,用于在电池组任意重构状态下对任意电池单体的电压和电流进行采集;
所述控制器,用于根据电池状态采集电路的采集数据计算电池的SOC,根据电池的SOC并通过直流脉冲放电测试获取电池的等效直流内阻,根据电池的等效直流内阻判断电池单体是否出现故障。
2.根据权利要求1所述的可重构电池组,其特征在于,所述电池重构电路,包括:若干依次连接的电池电路;所述电池电路包括电池单元、旁路单元、测试单元;
所述旁路单元和测试单元并联接入电池单元,所有所述电池单元依次串联,所有所述旁路单元依次串联,所有所述测试单元依次串联。
3.根据权利要求2所述的可重构电池组,其特征在于,所述电池单元包括串联的电池单体和接入开关;所述旁路单元包括旁路开关;所述测试单元包括串联的测试开关和测试电阻。
4.根据权利要求3所述的可重构电池组,其特征在于,若干所述电池单元中的一个电池单元为备用电池单元。
5.根据权利要求1所述的可重构电池组,其特征在于,所述电池状态采集电路包括:电压采样电路和电流采样电路;
所述电压采样电路,用于采集电池单体两端电压;
所述电流采样电路电路,用于采集电池单体充放电电流。
6.根据权利要求5所述的可重构电池组,其特征在于,所述电压采样电路包括:电压跟随器、反向比例放大器、反向跟随器;
将采集到的电池端电压依次通过电压跟随器、反向比例放大器、反向跟随器三级转换到控制器能够采集的电压范围。
7.根据权利要求5所述的可重构电池组,其特征在于,所述电流采样电路包括:霍尔电流传感器、电压跟随器;
通过霍尔电流传感器将电池电流转化为电压信号,再经过电压跟随器输入到控制器中。
8.一种基于权利要求4所述的可重构电池组的电池故障诊断方法,其特征在于,包括:
对电池进行电压检测,根据长时间静置的OCV-SOC对应关系曲线计算各电池单体初始SOC;
当电池组中SOC最高的电池单体的SOC处于40%-60%的范围时,闭合电池组中各电池单体的接入开关和测试开关,对电池组内的所有单体电池进行脉冲放电测试;
测量脉冲放电过程中电池组内的所有单体电池的端电压和放电电流;
根据所测得的脉冲放电过程中电池组内的所有单体电池的端电压和放电电流,计算由于内阻存在而导致放电开始时迅速下降的端电压,与放电电流相除计算出电池的等效直流内阻;
判断该阻值是否处在正常范围,若不处于正常范围,则判断为故障电池;
切除检测出的故障电池,接入正常的备用电池。
9.根据权利要求8所述的电池故障诊断方法,其特征在于,所述初始SOC由开路电压法与安时积分法结合得出。
10.根据权利要求8所述的电池故障诊断方法,其特征在于,所述计算出电池的等效直流内阻,包括:
利用采集到的脉冲放电过程中电池的电压和放电电流确定电池端电压电压下降量与放电电流;
将电池端电压电压下降量与放电电流相除得到电池的等效直流内阻。
11.根据权利要求8所述的电池故障诊断方法,其特征在于,所述判断该阻值是否处在正常范围,若不处于正常范围,则判断为故障电池,包括:
获取电池出厂的内阻R1和寿命终结时的内阻R2,若计算得到的等效直流内阻超出R1-R2范围时,判断为故障电池。
12.根据权利要求8所述的电池故障诊断方法,其特征在于,所述切除检测出的故障电池,接入正常的备用电池,包括:
断开故障电池的接入开关,闭合其旁路开关将其切除,同时断开备用电池的旁路开关,闭合其接入开关将其接入电池组。
13.根据权利要求8所述的电池故障诊断方法,其特征在于,在电池组静置时,通过同时闭合电池的接入开关与测试开关,使电池组中电量较高的单体通过测试电阻放电实现被动均衡。
14.根据权利要求13所述的电池故障诊断方法,其特征在于,所述被动均衡的条件为:
通过开路电压法估算电池组内每节电池的SOC,若电池组内电量最高电池与电量最低电池SOC相差大于3%,则进行被动均衡。
15.根据权利要求14所述的电池故障诊断方法,其特征在于,所述进行被动均衡,包括:
选择电池组内SOC最高的电池单体进行放电,直至其SOC与电池组内电量最低电池的SOC相差小于3%时停止,放电时间通过安时积分法进行计算,结束一轮均衡过程后,继续对电池组内其他满足被动均衡条件的电池单体进行被动均衡,直至电池组内所有电池的SOC不满足被动均衡条件。
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CN117741456A (zh) * | 2024-02-20 | 2024-03-22 | 云储新能源科技有限公司 | 一种动态可重构电池网络故障诊断方法、系统及电子设备 |
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