CN117214741A

CN117214741A - 一种电池采集温度异常的诊断方法和电池系统

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Publication number: CN117214741A
Application number: CN202311487541.7A
Authority: CN
Inventors: 杨天山; 王浩; 华思聪; 蒋杨彬
Original assignee: Hangzhou Gold Electronic Equipment Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Gold Electronic Equipment Co Ltd
Priority date: 2023-11-09
Filing date: 2023-11-09
Publication date: 2023-12-12

Abstract

本发明属于电池管理系统技术领域，具体涉及一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法和电池系统。一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，该方法包括以下的步骤：S1，测量电池在不同SOC、不同电流，不同温度，不同老化程度下的参数；所述参数包括欧姆内阻R0和极化内阻Rp；S2，控制电池的热耗散；S3，对电池的实际运行采集电流I _C进行预处理，使电流达到稳态；S4，按照S3步骤，当电流达到稳态时，开始计算电池的产热量Q _i,j；S5，计算电池的内阻变化率K _i,j；S6，计算第i节电池在一段时间内的产热内阻总和SRi； S7，将电池温度采集值记为T，诊断电池采集温度T异常值。

Description

一种电池采集温度异常的诊断方法和电池系统

技术领域

本发明属于电池管理系统技术领域，具体涉及一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法和电池系统。

背景技术

电池温度对电池热管理，电池工作状态监测，电池安全故障诊断等方向具有重要意义。目前电池温度采用的电池的发热功率计算公式如下所示：

C _cell表示电池比热容，M _cell表示电池质量，表示电池温升速率，h表示电池表面换热系数，s表示电池表面换热面积，T _cell表示电池表面采集温度，T _amb表示电池所处环境温度。

通常情况下，电池温度通过温度传感器采集得到，温度的采集误差、误采集，电池表面温度分布不均匀等问题可能导致温度传感器的采集值无效或者采集值无法反应电池真实温度，从而无法正确或者有效的进行电池热管理和安全监测，比如制冷设备误制冷和误加热，电池热失控温度误预判，依托采集温度的电池状态估计计算出现错误等问题。

发明内容

本发明的目的在于为解决上述现有技术中存在的难题，提出了一种恒流下电池采集温度异常诊断的方法，该方法电池在恒流工况下，检测出在某一段时序内的温度采集异常值，可以指导相关人员进行维护或替换，避免温度采集异常所带来的如热管理、空调、电池安全等各种运行问题。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，该方法包括以下的步骤：

S1，测量电池在不同SOC、不同电流，不同温度，不同老化程度下的参数；所述参数包括欧姆内阻R0和极化内阻Rp；

S2，控制电池的热耗散，将电池组放在相同的环境中，保证电池和环境的接触面积相等，保证空气在电池周边的流速相等；

S3，对电池的实际运行采集电流I _C进行预处理，使电流达到稳态；

S4，按照S3步骤，当电流达到稳态时，开始计算电池的产热量Q _i,j；i代表电池节数，j为正整数，表示每次计算的次数，下同；

S5，计算电池的内阻变化率K _i,j；

S6，计算第i节电池在一段时间内的产热内阻总和SRi；

S7，诊断电池采集温度T是否为异常值。

作为优选，所述S1步骤包括以下步骤：

S11，测量电池开路电压OCV；

S12，常温下，利用测量电流IC，按照电池SOC每间隔n%进行欧姆内阻R0、极化内阻Rp测量；

S13，重复步骤S12，将常温改成第一预设温度和第二预设温度条件下进行测试，第二预设温度的温度高于第一预设温度；

S14，重复步骤S12和S13，将测量电流IC变成大于IC倍率和小于IC倍率电流进行测试；

S15，重复步骤S12和S13和S14，测量不同类型和不同老化程度的电池参数。

作为优选，所述S12步骤中测量参数时，在电池开路状态下，利用测量电流IC对电池充电或者放电，充电或者放电的电流持续时间记为tp，将电池SOC每间隔n%的SOC点记为SOC ₁，SOC ₂，…，SOC _m，将电池SOC为SOC ₁，SOC ₂，…，SOC _m下对应的欧姆内阻测量值记为R0 ₁，R0 ₂，…，R0 _m，将电池SOC为SOC ₁，SOC ₂，…，SOC _m下对应的极化内阻测量值记为Rp ₁，Rp ₂，…，Rp _m；n，m为正整数；测量不到的SOC点处的欧姆内阻和极化内阻通过线性插值的方法获取。

作为优选，所述S3步骤中对电池的实际运行采集温度I _C进行预处理计算公式（1）如下：

(1)；

Beta值为常数，选取和电流传感器的采样频率有关，即Beta=1-0.001×电流采样间隔时间数值；I _Cp,D为电池的采集电流I _C上一时刻的预处理值；I _Cp为电池的采集电流I _C当前时刻的预处理值，初始值为零；I _C为电池的实际运行采集电流；

当I _Cp,D-I _Cp<I _Th时，电流达到稳态值，电流达到稳定的阈值为I _Th。

作为优选，所述S4步骤中电池的产热量计算公式（2）如下所示：

(2)

为当前时刻与上一时刻的时间间隔，Q _i,j为每次计算的电池产热量；R0_i,j为第i节电池第j次计算的欧姆内阻，Rp _i,j为第i节电池第j次计算的极化内阻。

作为优选，所述S5步骤中计算电池的内阻变化率，计算公式（3）如下所示；

(3)

R0_i,j+1，Rp _i,j+1分别为下一时刻欧姆内阻和极化内阻。

作为优选，所述S5步骤中计算第i节电池在一段时间内的产热内阻总和SRi，计算公式（4）如下：

(4)

时间取从t时刻至t+x时刻，时间长度为若干个的总和，x为正整数。

作为优选，所述S7步骤包括以下步骤：

S71，同一节电池采集温度T异常诊断，设置电池内阻变化率阈值KR _th，根据K _i,j和KR _th诊断电池采集温度异常；

S72，不同节电池采集温度T异常诊断，按照S71的步骤和方法完成每一次电池的温度诊断，挑选出温度诊断结果没有异常的电池，并对每一节电池温度求和STi，根据SRi和 STi诊断电池采集温度异常。

作为优选，所述S71步骤中设置电池内阻变化率阈值KR _th，当K _i，j大于KR _th时，表示电池下一时刻产热内阻发热量明显大于当前时刻产热内阻发热量，电池温度升高；如果下一时刻采集到的电池温度比当前时刻采集到的电池温度低，或者，下一时刻采集到的电池温度和前时刻采集到的电池温度相等，说明电池采集温度出现异常；相反，如果下一时刻采集到的电池温度比当前时刻采集到的电池温度高，说明电池采集温度正常。

作为优选，所述S72步骤中从t时刻至t+x时刻这段时间内，利用公式(5)对每一节电池温度求和：

(5)

T _i，j为每次计算时电池的温度采集值；开始计算电池的产热量时，如果任意两节电池温度之差小于电池温度阈值T _th，且当SRi>SR(i-1)且STi<ST(i-1)时，诊断结果为从t时刻至t+x时刻这段时间内，电池C _i或者电池C _i-1存在温度采集故障；反之，电池不存在温度采集故障。

进一步，本发明还公开了一种电池系统，该电池系统采用所述的方法对电池采集温度异常进行诊断。

进一步，本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现所述方法。

进一步，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述方法。

进一步，本发明还公开了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述方法。

本发明由于采用了上述的技术方案，该方法电池在恒流工况下，检测出在某一段时序内的温度采集异常值，可以指导相关人员进行维护或替换，避免温度采集异常所带来的如热管理、空调、电池安全等各种运行问题。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为电池在SOC _m处参数获取过程示意图。

图3为I _C预处理后的值I _Cp效果示例图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清查、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。给予本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，该方法包括以下的步骤：

S1，测量电池在不同SOC、不同电流，不同温度，不同老化程度下的参数。测量参数包括欧姆内阻R0和极化内阻Rp。

S11，测量电池开路电压OCV。将电池调整至不同SOC静置h小时（本实施方案为2小时），取静置h个小时后的电池电压采集值为电池开路电压。测量不到的SOC点处的开路电压通过线性插值的方法获取。

S12，常温下（本实施方案为25℃），利用测量电流IC（本实施方案为1C），按照电池SOC每间隔n%进行欧姆内阻R0、极化内阻Rp测量。测量参数包括欧姆内阻R0和极化内阻Rp。测量参数时，在电池开路状态下，利用测量电流IC对电池充电或者放电，充电或者放电的电流持续时间记为tp（本实施方案为10秒），将电池SOC每间隔n%的SOC点记为SOC ₁，SOC ₂，…，SOC _m，将电池SOC为SOC ₁，SOC ₂，…，SOC _m下对应的欧姆内阻测量值记为R0 ₁，R0 ₂，…，R0 _m，将电池SOC为SOC ₁，SOC ₂，…，SOC _m下对应的极化内阻测量值记为Rp ₁，Rp ₂，…，Rp _m。n，m为正整数。测量不到的SOC点处的欧姆内阻和极化内阻通过线性插值的方法获取。

SOC _m处，电池由开路转放电时，电池的欧姆内阻和极化内阻获取方法如下示例所述。如图2中的(i)中，a，b，c为不同时刻的电压测量值，d为c时刻的开路电压值。

电池欧姆内阻通过以下公式计算：

，

电池极化内阻通过公式计算

；

为a时刻的测量电压和b时刻的测量电压的差值，/>为b时刻的测量电压和c时刻的测量电压的差值，/>为a时刻的开路电压值和c时刻的开路电压值的差值，图2中的(ii)中，IC为电池的测试脉冲电流大小。

S13，重复步骤S12，将常温改成第一预设温度和第二预审温度条件下进行测试（本实施方案为10℃和40℃）。

S14，重复步骤S12和S13，将测量电流1C变成大于1C倍率和小于1C倍率电流进行测试（本实施方案为0.1C和2.0C）。

注：测试的欧姆内阻和极化内阻与电池种类、电池老化程度、电池电流、电池温度、电池SOC等因素相关。

S2，控制电池的热耗散。将电池组放在相同的环境中，保证电池和环境的接触面积相等，保证空气在电池周边的流速相等。此时每节电池C _i与环境的热传导视为相等，即每节电池C _i的热耗散相等。将每一节电池的总热耗散记为Q _i，loss。第一节电池的总热耗散记为，第二节电池的总热耗散记为Q _2，loss，依次类推。i代表电池节数。i为1表示第一节电池，i为2表示第二节电池，依次类推。

S3，对电池的实际运行采集电流I _C进行预处理。对电池的实际运行采集温度I _C进行预处理计算公式如下：

(1)

I _Cp，D为电池的采集电流I _C上一时刻的预处理值，I _Cp为电池的采集电流I _C当前时刻的预处理值，初始值为零，I _C为电池的实际运行采集电流。Beta值的选取和电流传感器的采样频率有关，Beta=1-0.001×电流采样间隔时间数值，即如果电流传感器的采样频率为1Hz，Beta=1-0.001×1=0.999，如果电流传感器的采样频率为10Hz，Beta=1-0.001×0.1=0.9999，依次类推，Beta值也可以结合电池本身特性视情况选取；电流达到稳定的阈值为I _Th，可设置，当I _Cp，D-I _Cp<I _Th时，电流达到稳态值。

取电流I _C等于100(A)，Beta取0.999，I _C的预处理结果如下图3所示。

图3中，从A点开始进行预处理I _C，预处理后的值如图2所示。B点时，预处理结束，即I _Cp，D-I _Cp<I _Th，电流达到稳态值。

S4，按照S3步骤，当电流达到稳态时，开始计算电池的产热量，包括电池的焦耳热和极化热。计算电池的产热量之前，利用大小恒定的电流I _C，对电池进行充电或者放电，当电流达到稳态时，开始计算电池的产热量。电池的产热量计算公式如下所示。

(2)

为当前时刻与上一时刻的时间间隔，Q _i，j为每次计算的电池产热量。第i节电池第一次计算的时间间隔为/>，第一次计算的欧姆内阻为R0_i，1，第一次计算的极化内阻为Rp _i，1，第一次计算的电池产热量为Q _i，1。第i节电池第二次计算的时间间隔为/>，第二次计算的欧姆内阻为R0_i，2，第二次计算的极化内阻为Rp _i，2，第二次计算的电池产热量为Q _i，2，依次类推。j为正整数，表示每次计算的次数，j为1表示第i节电池第一次计算，j为2表示第i节电池第二次计算，依次类推。R0_i，j和Rp _i，j利用电池SOC、电池温度和电池电流通过步骤S1查表得到。

S5，计算电池的内阻变化率。电池内阻变化率为下一时刻欧姆内阻和极化内阻之和减去当前时刻的欧姆内阻和极化内阻，再除以时间间隔，计算公式如下所示。

(3)

S6，计算第i节电池在一段时间内的产热内阻总和SRi。对电池内阻求和，时间取从t时刻至t+x时刻，时间长度为若干个的总和，x为正整数。计算公式如下。

(4)

S7，将电池温度采集值记为T，诊断电池采集温度T异常值。

S71，同一节电池采集温度T异常诊断。考虑到电池电化学反应热的产热量不方便计算且在总产热量里面的百分比占比较小，设置电池内阻变化率阈值KR _th，KR _th可设置，一节电池中，如果Q _i，loss，1 Q _i，loss，2…Q _i，loss，j，Q _i，loss，j表示第i节电池在第j次计算时的热损耗，当K _i，j大于KR _th时，说明Q _i，j明显大于Q _i，j-1，即有电池热量Q _i，j-Q _i，loss，j明显大于Q _i，j-1-Q _{i，loss，j-1}，表示电池下一时刻产热内阻发热量明显大于当前时刻产热内阻发热量，电池温度升高，如果下一时刻采集到的电池温度比当前时刻采集到的电池温度低，或者下一时刻采集到的电池温度和前时刻采集到的电池温度相等，说明电池采集温度出现异常。相反，如果下一时刻采集到的电池温度比当前时刻采集到的电池温度高，说明电池采集温度正常。

注：电池每次产热对应的内阻变化率为K _i，j，K _i，j大于零时，表示电池下一时刻产热内阻发热量大于当前时刻产热内阻发热量。K _i，j等于零时，表示电池下一时刻产热内阻发热量等于当前时刻产热内阻发热量。K _i，j小于零时，表示电池下一时刻产热内阻发热量小于当前时刻产热内阻发热量。

取50Ah磷酸铁锂电池组（一并15串）低压产品为例（i最大值为15），取电流I _C等于50(A)，Beta取0.92，通过S1至S71步骤方法，判断出第一节电池，第五节电池，第七节电池，第八节电池，第十节电池存在温度采集故障，以第一节电池（i值为1）为例，第一节电池采集温度T异常诊断方法如表1。

表1单节电池采集温度T异常诊断示例表

Q _i，loss，j即为Q _1，loss，j，表示第一节电池每次计算的热损耗值大小，从第一次计算至第j次计算，每次计算值都为15焦耳。即为/>，每次计算时的/>值等于1秒，I _Cp的值按照公式(2)实时计算，第一次计算的I _Cp值等于I _C初始值50A。设置电池内阻变化率阈值KR _th等于0.005，在第1次至99计算的时候，处理后的电流I _Cp未达到稳态，在第100次计算的时候，处理后的电流I _Cp达到稳态，在第1次至100次计算的时候，K _i，j和Q _i，j不计算。在101次、102次、103次、104次计算的Q _i，j逐渐增大，同时K _i，j每次计算值都大于KR _th，电池每一次计算时的热损耗相等，即有第101次计算产热量为(828.9063-15)焦耳，第102次计算产热量为(833.5938-15)焦耳，第103次计算产热量为(838.6719-15)焦耳，第104次计算产热量为(843.7500-15)焦耳。温度诊断结果为，在101次、102次、103次、104次计算时，电池采集温度应该逐渐增加。

根据第一节电池每次实际采集温度值，可以诊断出第101次、102次、103次采集温度值正常，第104次采集温度值出现故障。

S72，不同节电池采集温度异常诊断。按照S71的步骤和方法完成每一次电池的温度诊断，挑选出温度诊断结果没有异常的电池，利用公式(4)对每一节电池从t时刻至t+x时刻这段时间内的发热内阻求和，第一节电池发热内阻求和值记为SR1，第二节电池发热内阻求和值记为SR2，以此类推，第i节电池发热内阻求和值记为SRi。i为正整数。从t时刻至t+x时刻这段时间内，利用公式(5)对每一节电池温度求和。

(5)

第一节电池采集温度求和值记为ST1，第二节电池采集温度求和值记为ST2，以此类推，第i节电池采集温度求和值记为STi。T _i，j为每次计算时电池的温度采集值。开始计算电池的产热量时，如果任意两节电池温度之差小于电池温度阈值T _th，且当SRi>SR(i-1)且STi<ST(i-1)时，诊断结果为从t时刻至t+x时刻这段时间内，电池C _i或者电池C _i-1存在温度采集故障。反之，电池不存在温度采集故障。

按照步骤S71示例，取第二节电池、第十五节电池作为不同节电池之间采集温度异常诊断的电池示例样品，两节电池的健康状态存在差异。第二节电池、第十五节电池采集温度异常诊断方法如表2。

表2多节电池采集温度T异常诊断示例表

t时刻为时间为100秒对应的时刻，t时刻电流达到稳态，两节电池温度在100秒时，T _j之差小于T _th，即电池起始温度接近或者相等，从t时刻至t+x时刻这段时间内，即100秒至1100秒这段时间内，每次计算电池的散热量相等，每次计算Q _i，j由极化热和欧姆热产生，从t时刻至t+x时刻这段时间内，第二节电池的SQ _2，j明显大于第十五节电池SQ _15，j，诊断结果为从100秒至1100秒这段时间内，电池C ₂采集温度偏小或者电池C ₁₅采集温度偏大。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，该方法包括以下的步骤：

S4，按照S3步骤，当电流达到稳态时，开始计算电池的产热量Q _i,j；i代表电池节数，j为正整数，表示每次计算的次数；

S5，计算电池的内阻变化率K _i,j；

S6，计算第i节电池在一段时间内的产热内阻总和SRi；

S7，诊断电池采集温度T是否为异常值。

2.根据权利要求1所述的一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，其特征在于，所述S1步骤包括以下步骤：

S11，测量电池开路电压OCV；

S12，常温下，利用测量电流IC，按照电池SOC每间隔n %进行欧姆内阻R0、极化内阻Rp测量；

3.根据权利要求2所述的一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，其特征在于，所述S12步骤中测量参数时，在电池开路状态下，利用测量电流IC对电池充电或者放电，充电或者放电的电流持续时间记为tp，将电池SOC每间隔n%的SOC点记为SOC ₁，SOC ₂，…，SOC _m，将电池SOC为SOC ₁，SOC ₂，…，SOC _m下对应的欧姆内阻测量值记为R0 ₁， R0 ₂，…，R0 _m，将电池SOC为SOC ₁，SOC ₂，…，SOC _m下对应的极化内阻测量值记为Rp ₁， Rp ₂，…，Rp _m；n，m为正整数；测量不到的SOC点处的欧姆内阻和极化内阻通过线性插值的方法获取。

4.根据权利要求1所述的一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，其特征在于，所述S3步骤中对电池的实际运行采集温度I _C进行预处理计算公式如下：

(1)；

5.根据权利要求4所述的一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，其特征在于，所述S4步骤中电池的产热量计算公式如下所示：

(2)

6.根据权利要求5所述的一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，其特征在于，所述S5步骤中计算电池的内阻变化率，计算公式如下所示；

(3)

R0_i,j+1，Rp _i,j+1分别为下一时刻欧姆内阻和极化内阻。

7.根据权利要求6所述的一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，其特征在于，所述S5步骤中计算第i节电池在一段时间内的产热内阻总和SRi，计算公式如下：

(4)

8.根据权利要求1所述的一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，其特征在于，所述S7步骤包括以下步骤：

S72，不同节电池采集温度T异常诊断，按照S71的步骤和方法完成每一次电池的温度诊断，挑选出温度诊断结果没有异常的电池，并对每一节电池温度求和STi，根据SRi和STi诊断电池采集温度异常。

9.根据权利要求8所述的一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，其特征在于，所述S71步骤中设置电池内阻变化率阈值KR _th，当K _i，j大于KR _th时，表示电池下一时刻产热内阻发热量明显大于当前时刻产热内阻发热量，电池温度升高；如果下一时刻采集到的电池温度比当前时刻采集到的电池温度低，或者，下一时刻采集到的电池温度和前时刻采集到的电池温度相等，说明电池采集温度出现异常；相反，如果下一时刻采集到的电池温度比当前时刻采集到的电池温度高，说明电池采集温度正常。

10.根据权利要求8所述的一种恒流下电池采集温度异常的诊断方法，其特征在于，所述S72步骤中从t时刻至t+x时刻这段时间内，利用公式(5)对每一节电池温度求和：

(5)

T _i，j为每次计算时电池的温度采集值；开始计算电池的产热量时，如果任意两节电池温度之差小于电池温度阈值T _th，且当SRi>SR(i-1)且STi<ST(i-1)时，诊断结果为从t时刻至t+ x时刻这段时间内，电池C _i或者电池C _i-1存在温度采集故障；反之，电池不存在温度采集故障。

11.一种电池系统，该电池系统采用权利要求1-10任意一项权利要求所述的方法对电池采集温度异常进行诊断。