一种基于弛豫过程的锂离子电池内短路故障诊断方法技术

本发明专利技术提出一种基于弛豫过程的锂离子电池内短路故障诊断方法，其为一种基于弛豫电压曲线的内短路故障预警方法，该方法探究了内短路电阻与弛豫过程中压降的关联性。通过比较内短路故障电池与正常电池在弛豫过程中的电压，来判断被测电池是否发生内短路故障，并可计算内短路电阻大小以判断故障的严重程度。该方法计算复杂度低，便于在嵌入式电池管理系统中实现，为简单高效的内短路故障预警提供了新思路。路。路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于弛豫过程的锂离子电池内短路故障诊断方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池故障诊断领域，具体涉及一种基于弛豫过程的锂离子电池内短路故障诊断方法。

技术介绍

[0002]由于功率密度高，循环寿命长等优点，锂离子电池现已经被广泛运用于新能源汽车，消费电子产品，电网及用户侧储能等场景。然而，恶劣的使用场景以及复杂的使用工况可能会导致电池出现故障，甚至引发安全问题，例如由电池滥用引发的内短路故障可能会导致电池热失控，进而造成起火爆炸等严重安全事故。因此，为防止电池在使用过程中产生热失控，电池内短路的早期预警是不可或缺的。
[0003]由于内短路故障的机理较为复杂，内短路故障的产生是多因素耦合的结果，难以设计实验对商用电池内短路故障进行分析，为探究内短路的故障机理并实现内短路故障的预警，研究人员建立了锂电池的热电耦合模型，将检测获得的电池电压及温度数据代入模型计算，得到能够反映内短路状态的电化学特征，以此特征实现内短路的早期预警。但是基于模型的方法首先需要确定模型参数，复杂的电化学模型包含大量参数，每次对电池进行内短路故障评估前都需要进行参数辨识。此外，复杂的电化学模型难以实现在线评估，电化学模型由大量偏微分方程组成，难以在嵌入式系统中实现在线计算。为简化计算，另有学者通过比较放电容量与充电容量来评估内短路故障，该方法首先需要评估充放电过程中的电荷状态，并以此计算电池可充入及可放出的最大电量，如发生内短路故障，电池充入的能量会大于可放出的能量，但荷电状态评估依然需要通过建立电路模型，并引入卡尔曼滤波对模型参数进行更新。迄今为止，仍然缺少简单有效的内短路故障评估及早期预警方法。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提出了基于弛豫过程的锂离子电池内短路故障诊断方法，其为一种基于弛豫电压曲线的内短路故障预警方法，该方法探究了内短路电阻与弛豫过程中压降的关联性。通过比较内短路故障电池与正常电池在弛豫过程中的电压，来判断被测电池是否发生内短路故障，并可计算内短路电阻大小以判断故障的严重程度。该方法计算复杂度低，便于在嵌入式电池管理系统中实现，为简单高效的内短路故障预警提供了新思路。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种基于弛豫过程的锂离子电池内短路故障诊断方法，通过比较内短路的故障电池与正常电池在弛豫过程中的电压，来判断被测电池是否发生内短路故障，并计算短路电阻大小以判断故障的严重程度，具体包括如下步骤：
[0007]步骤1、建立极化与弛豫的关联：
[0008]所述极化的大小表示为过电位，过电位随电流强度的增大而增大；所述弛豫是极化的逆过程，即电池结束充放电后，电池回到平衡电位的过程；电池一旦发生内部短路，短
路电流消耗电能，电池荷电状态SOC降低，引起电池电压下降；通过分析电池放电后的电压响应来识别ISC故障；
[0009]步骤2、分析内部短路故障电池的弛豫过程：
[0010]内部短路故障电池的弛豫过程和损耗过程均影响电池停止工作后的电压，弛豫过程和损耗过程的影响是相互独立的；在内部短路故障电池放电后，对内部短路故障电池的弛豫电压V
FR
和损耗电压V
D
求和，得到内部短路故障电池的电压响应V
SC
，如式(1)所示：
[0011]V
SC
＝V
FR
+V
D
ꢀꢀ
(1)
[0012]式(1)中的损耗电压V
D
与短路电阻有关，用于评估电池的内部短路故障水平；短路电阻值减小，短路电流增大，荷电状态进一步减小,使得损耗电压V
D
增加；
[0013]基于式(1)，损耗电压V
D
通过内部短路故障电池的电压响应V
SC
和弛豫电压V
FR
计算得到，其中内部短路故障电池的电压响应V
SC
直接通过测量内部短路故障电池电压得到；将式(1)的弛豫电压V
FR
替换为正常电池的弛豫电压V
NR
以评估内部短路故障水平，如式(2)所示：
[0014]V
SC
＝V
NR
+V
D
ꢀꢀ
(2)
[0015]步骤3、获得正常电池的弛豫电压V
NR
：
[0016]在一定的电流区间内，电池的过电位与电流线性相关，即弛豫电压大小与电流线性相关；
[0017]步骤4、计算短路电阻：
[0018]在损耗过程中，用式(3)计算短路电阻损耗的电量：
[0019]W＝UIt
ꢀꢀ
(3)
[0020]其中，W是损耗的电能，U和I分别是电池电压和流经短路电阻的电流，t是电池停止工作后的静置时间；为了评估电池ISC程度，将电池停止工作前的放电截止电压设为恒定值，即电池电压U是定值；设定电池停止工作后的静置时间t为定值，通过式(3)计算在电池停止工作后相同时间内损耗的电能；
[0021]对于不同内部短路程度的短路电阻r1,r2，流经短路电阻回路的电流和损耗电能按如下表达：
[0022][0023]其中，r2＝kr1，下标1和2代表不同的内部短路程度，k是常数，用来表示不同ISC程度下内短路电阻的数值关系，I1和I2分别表示不同ISC程度下流经短路内阻的电流，W1和W2分别表示不同ISC程度短路内阻消耗的电量；
[0024]从式(4)中得出损耗电能与短路电阻的乘积是一个定值，在此处被定义为C0，即：
[0025]W2r2＝W1r1＝C0ꢀꢀ
(5)
[0026]基于式(5),电池短路电阻按照式(6)计算：
[0027][0028]其中W为短路电阻损耗的电能，由于损耗电压与损耗电能的关系是恒定的，式(6)中的W用损耗电压V
D
来替代；式(7)中的常数C表示损耗电压与短路电阻的乘积：
[0029][0030]最后，基于式(7)和损耗过程的电压响应算出短路电阻，通过短路电阻大小判断内部短路故障的严重程度。
[0031]有益效果：
[0032](1)本专利技术无需额外硬件设备：现有的内短路故障检测技术较多的依赖电池的温度以及阻抗值，温度及阻抗的检测需要额外的硬件设备，例如热电偶和额外的电路板。这提高了电池管理系统的成本也需要更多的空间。本专利技术提出的方法仅通过分析电信号即电池电压变化，便可对内短路故障进行诊断。
[0033](2)本专利技术的计算复杂度低：目前仅依赖电信号的检测方法通常依赖于电池模型，如等效电路模型，基于模型的算法会引入复杂度较高的算法例，如卡尔曼滤波等。本专利技术提出的方法仅需要拟合出标定得到内短路电阻与损耗电压反比例函数中的唯一系数，即可实现内短路故障诊断，有利于在嵌入式电池管理系统中实现。
[0034](3)本专利技术的预测精度高：本专利技术提出的方法经过实验验证后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于弛豫过程的锂离子电池内短路故障诊断方法，其特征在于：通过比较内短路的故障电池与正常电池在弛豫过程中的电压，来判断被测电池是否发生内短路故障，并计算短路电阻大小以判断故障的严重程度，具体包括如下步骤：步骤1、建立极化与弛豫的关联：所述极化的大小表示为过电位，过电位随电流强度的增大而增大；所述弛豫是极化的逆过程，即电池结束充放电后，电池回到平衡电位的过程；电池一旦发生内部短路，短路电流消耗电能，电池荷电状态SOC降低，引起电池电压下降；通过分析电池放电后的电压响应来识别ISC故障；步骤2、分析内部短路故障电池的弛豫过程：内部短路故障电池的弛豫过程和损耗过程均影响电池停止工作后的电压，弛豫过程和损耗过程的影响是相互独立的；在内部短路故障电池放电后，对内部短路故障电池的弛豫电压V
FR
和损耗电压V
D
求和，得到内部短路故障电池的电压响应V
SC
，如式(1)所示：V
SC
＝V
FR
+V
D
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中的损耗电压V
D
与短路电阻有关，用于评估电池的内部短路故障水平；短路电阻值减小，短路电流增大，荷电状态进一步减小，使得损耗电压V
D
增加；基于式(1)，损耗电压V
D
通过内部短路故障电池的电压响应V
SC
和弛豫电压V
FR
计算得到，其中内部短路故障电池的电压响应V
SC
直接通过测量内部短路故障电池电压得到；将式(1)的弛豫电压V
FR
替换为正常电池的弛豫电压V
NR

【专利技术属性】
技术研发人员：毛磊，余昆，章恒，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：