一种串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法技术

本发明专利技术提供了一种串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法，预先通过混合脉冲功率性能测试(HPPC)建立该电池体系开路电压(OCV)与荷电状态(SOC)关系曲线。电池组由n节电池单体串联而成，电池管理系统实时记录电池组总电流、总电压、电池单体电压和电池单体表面温度。基于改进的双卡尔曼滤波器(DEKF)，估计电池的OCV；通过插值法计算得到电池的SOC，从而计算得到电池间SOC差异；进一步采用线性拟合的方法估计短路电流和短路电阻，若电流约为零，则外短路电阻为无穷大，无短路故障发生；若电流不为零，则根据欧姆定律可计算得到电池的外短路电阻。本发明专利技术可实现串联锂离子电池组微短路故障的定量检测，输出外短路电阻的大小以评估故障的严重程度。

A quantitative detection method for micro short circuit fault of series Li-ion batteries

【技术实现步骤摘要】
一种串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法
本专利技术涉及锂离子电池成组
，具体涉及一种串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法。
技术介绍
在能源危机和环境污染的双重压力下，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命、低污染、低自放电和无记忆效应，已逐渐成为电动汽车动力来源的主要选择之一。同时安全问题也日益突出，引起了行业的高度重视。锂离子电池在滥用条件下极易发生热失控，包括热滥用、机械滥用和电滥用，其中电池外短路是最常见的电滥用形式之一。当电池的正负极直接短接，短路电阻较小时，外短路会引起电池电压骤降，电流和温度的急剧增加，在短时间内会产生大量的热，有引发热失控的可能。当短路电阻较大时，即小规模外短路，称之为微短路。在短时间内，微短路并不会引起电压、电流和温度的显著变化，不易被发现，仅仅表现为自放电率过大。如果微短路长期发展，电池间的差异逐渐增加，再加上热的逐渐积累，就有可能引发安全问题。目前，对电池单体外短路的研究相对较多，对于电池组中的短路研究相对较少，尤其是电池组中微短路故障的实时检测，现有的电池管理技术难以有效识别微短路故障。因此对微短路进行实时监控检测，对于动力电池安全运行和管理系统发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决难以识别串联锂离子电池组中微短路故障的问题，提出了一种基于改进双卡尔曼滤波器(DEKF)的串联电池组微短路故障在线定量检测方法。为此，本专利技术提供一种串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法，电池组由n节电池单体串联而成，具体包括以下步骤：步骤(1)、串联电池组工作时流过每个电池的电流一致，电池管理系统实时记录所述电池组总电流、总电压、n节电池单体电压和电池单体表面温度；步骤(2)、对所述锂离子电池进行混合脉冲功率性能测试(HPPC)，并进行多项式拟合，建立开路电压(OCV)与荷电状态(SOC)关系；步骤(3)、依据监测的所述电池单体的端电压，对所述电池单体按照端电压从小到大进行排序，获取“最小电池”和“中间电池”；步骤(4)、基于等效电路模型，采用改进的DEKF估计所述“最小电池”和“中间电池”的OCV；步骤(5)、基于预先建立的OCV-SOC关系，通过插值法估算所述“最小电池”和“中间电池”的SOC。从小到大依次计算“最小电池”与“中间电池”的SOC差异，每次获取的SOC差异都是剩余电池中“最小电池”与“中间电池”的差，发生微短路的电池往往是“最小电池”；步骤(6)、基于所述锂离子电池的额定容量，采用线性拟合的方法计算所述电池短路电流；步骤(7)、判断短路电流与零的关系，如果所述电池单体的短路电流近似为零，则外短路电阻为无穷大，无外短路故障发生；如果所述电池单体的短路电流不为零，则通过欧姆定律可计算得到所述电池的外短路电阻。其中，所述步骤(1)中，记录所述电池组总电流、总电压、n节电池单体电压和电池单体表面温度的采样周期为1s。其中，所述步骤(2)中，HPPC测试区间间隔为10％SOC。其中，所述步骤(4)中，所述等效电路模型为一阶阻容(RC)模型。其中，所述步骤(4)中，所述改进的DEKF电池状态空间方程为：式中，U1,k为k时刻极化电容C1两端的电压，即极化电压；Uk+1为k+1时刻电池的端电压；Em,k为k时刻电池的开路电压；C1,k,R1,k,R0,k分别为k时刻电池的极化电容，极化电阻和欧姆内阻；Ik为k时刻通过电池的电流；T为采样周期，T＝1；k为采样时刻；采用改进的DEKF估计OCV的具体步骤如下：a.确定系统的状态量x和参数量θ为：xk＝[Em,kU1,k]T(2)θk＝[C1,kR1,kR0,k]T(3)其中，xk为k时刻系统的状态量；θk为k时刻系统的参数量；Em,k为k时刻电池的开路电压；U1,k为k时刻极化电容C1两端的电压，即极化电压；C1,k,R1,k,R0,k分别为k时刻电池的极化电容，极化电阻和欧姆内阻；k为采样时刻；b.离散化状态空间方程得：式中系数矩阵分别为：Dk＝R0,k(9)其中，xk,分别为k时刻系统的状态量及其估计值；θk,分别为k时刻系统的参数量及其估计值；Em,k为k时刻电池的开路电压；U1,k为k时刻极化电容C1两端的电压，即极化电压；C1,k,R1,k,R0,k分别为k时刻电池的极化电容，极化电阻和欧姆内阻；Ik为k时刻通过电池的电流；yk为k时刻系统的观测量；Ak-1,Bk-1分别为k-1时刻状态方程的系数矩阵，Ck,Dk分别为k时刻观测方程的系数矩阵，分别为k时刻状态量x和参数量θ对应的雅克比矩阵；T为采样周期，T＝1；k为采样时刻；c.初始化状态量、参数量以及相应的误差协方差矩阵：式中，分别为状态量和参数量的初始值；x0,θ0分别为零时刻状态量和参数量的测量值；E(x0),E(θ0)分别为零时刻状态量和参数量的期望值；为零时刻状态量和参数量对应的误差协方差矩阵；d.对于k＝1,2,3…,∞,DEKF算法实现过程如下：①状态量和参数量的时间更新：②误差协方差时间更新：③状态量测量更新④参数量测量更新其中，分别为k时刻状态量和参数量的估计值；分别为k-1时刻状态量和参数量的最优估计值；为k时刻状态量和参数量对应的误差协方差矩阵，分别为k-1时刻状态量和参数量的最优误差协方差矩阵；Ak-1为k-1时刻的系数矩阵，分别为k时刻状态量x和参数量θ对应的雅克比矩阵；分别为k-1时刻状态量和参数量对应的系统噪声，分别为k时刻状态量和参数量对应的测量噪声；分别为k时刻状态量和参数量对应的增益矩阵；Ix,Iθ分别为状态量和参数量相应的单位矩阵；yk为k时刻系统的观测量；k为采样时刻。其中，所述步骤(6)中，线性拟合的区间为电压拐点出现之前，即大于50％SOC。其中，所述步骤(6)中，短路电流与SOC之间的关系为：式中，ISSC为电池微短路电流；Ca为电池额定容量；ΔSOC为“最小电池”与“中间电池”的SOC差。其中，所述步骤(7)中，短路电阻的计算公式为：式中，RSSC为电池微短路电阻；Uave为90％SOC和50％SOC的均值端电压，Uave＝3.9V。本专利技术与现有技术相比的优点：(1)提出“最小电池”和“中间电池”的概念表征电池间的差异，每次只计算剩余电池中“最小电池”和“中间电池”的SOC差，可有效降低电池管理系统运行负担。微短路电池往往出现在“最小电池”中。(2)改进的DEKF用于估算电池的OCV，离线获取的OCV-SOC曲线不作为DEKF算法的输入。只需一次性离线获取该体系电池的OCV-SOC关系曲线，即使随着电池的老化，也无需更新。(3)可实现串联锂离子电池组微短路故障的在线检测，输出外短路电阻的大小以定量评估故障的严重程度，为电池管理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法，其特征在于，电池组由n节电池单体串联而成，包括以下步骤：/n步骤(1)、串联电池组工作时流过每个电池的电流一致，电池管理系统实时记录所述电池组总电流、总电压、n节电池单体电压和电池单体表面温度；/n步骤(2)、对所述锂离子电池进行混合脉冲功率性能测试(HPPC)测试，并进行多项式拟合，建立开路电压(OCV)与荷电状态(SOC)关系；/n步骤(3)、依据监测的所述电池单体的端电压，对所述电池单体按照端电压从小到大进行排序，获取“最小电池”和“中间电池”；/n步骤(4)、基于等效电路模型，采用改进的双卡尔曼滤波器(DEKF)估计所述“最小电池”和“中间电池”的OCV；/n步骤(5)、基于预先建立的OCV-SOC关系，通过插值法估计所述“最小电池”和“中间电池”的SOC；/n步骤(6)、基于所述锂离子电池的额定容量，采用线性拟合的方法计算所述电池短路电流；/n步骤(7)、判断短路电流与零的关系，如果所述电池单体的短路电流近似为零，则外短路电阻为无穷大，无外短路故障发生；如果所述电池单体的短路电流不为零，则通过欧姆定律可计算得到所述电池的外短路电阻。/n...

【技术特征摘要】
1.一种串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法，其特征在于，电池组由n节电池单体串联而成，包括以下步骤：
步骤(1)、串联电池组工作时流过每个电池的电流一致，电池管理系统实时记录所述电池组总电流、总电压、n节电池单体电压和电池单体表面温度；
步骤(2)、对所述锂离子电池进行混合脉冲功率性能测试(HPPC)测试，并进行多项式拟合，建立开路电压(OCV)与荷电状态(SOC)关系；
步骤(3)、依据监测的所述电池单体的端电压，对所述电池单体按照端电压从小到大进行排序，获取“最小电池”和“中间电池”；
步骤(4)、基于等效电路模型，采用改进的双卡尔曼滤波器(DEKF)估计所述“最小电池”和“中间电池”的OCV；
步骤(5)、基于预先建立的OCV-SOC关系，通过插值法估计所述“最小电池”和“中间电池”的SOC；
步骤(6)、基于所述锂离子电池的额定容量，采用线性拟合的方法计算所述电池短路电流；
步骤(7)、判断短路电流与零的关系，如果所述电池单体的短路电流近似为零，则外短路电阻为无穷大，无外短路故障发生；如果所述电池单体的短路电流不为零，则通过欧姆定律可计算得到所述电池的外短路电阻。


2.根据权利要求1所述的串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，记录所述电池组总电流、总电压、n节电池单体电压和电池单体表面温度的采样周期为1s。


3.根据权利要求1所述的串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，HPPC测试区间间隔为10％SOC。


4.根据权利要求1所述的串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述等效电路模型为一阶阻容(RC)模型。


5.根据权利要求1所述的串联锂离子电池组微短路故障定量检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述改进的DEKF电池状态空间方程为：



式中，U1,k为k时刻极化电容C1两端的电压，即极化电压；Uk+1为k+1时刻电池的端电压；Em,k为k时刻电池的开路电压；C1,k,R1,k,R0,k分别为k时刻电池的极化电容，极化电阻和欧姆内阻；Ik为k时刻通过电池的电流；T为采样周期，T＝1；k为采样时刻；
采用改进的DEKF估计电池OCV的具体步骤如下：
a.确定系统的状态量x和参数量θ为：
xk＝[Em,kU1,k]T(2)
θk＝[C1,kR1,kR0,k]T(3)
其中，xk为k时刻系统的状态量；θk为k时刻系统的参数量；Em,k为k时刻电池的开路电压；U1,k为k时刻极化电容C1两端的电压，即极化电压；C1,k,R1,k,R0,k分别为k时刻电池的极化电容，极化...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青松，马迷娜，段强领，孙金华，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34