基于充电电压区间内电量增长的电池内短路定量诊断方法

1.本发明涉及储能电池技术领域，尤其是涉及一种基于充电电压区间内电量增长的电池内短路定量诊断方法。


背景技术：

2.随着新能源汽车保有量的增加，新能源汽车的安全问题日益收到重视。动力电池热失控是引起新能源汽车起火的主要原因之一，具有高危害性，且触发原因多、影响因素复杂等特点，严重威胁着消费者的生命财产安全，制约了新能源汽车产业发展。动力电池的内短路则是电池热失控的主要诱因之一，为了提高新能源汽车的安全性，发展先进的动力电池内短路诊断技术必不可少。
3.由于早期的内短路几乎没有明显可供识别的电特性和热特性，目前的内短路诊断方法主要集中于电池发生严重内短路或者热失控发生前的较短时间内，无法及时预警。如果能在内短路早期快速、准确地识别出特征，及时隔离故障单体，实现故障预警，就能及时防止热失控的发生，避免新能源汽车起火、爆炸，推进新能源汽车产业发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于充电电压区间内电量增长的电池内短路定量诊断方法，能够在线实时地监控电池单体的状态，对于诊断出的内短路循环进行短路阻值的定量计算。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于充电电压区间内电量增长系数的电池内短路诊断方法，该方法包括：
7.s1、采用离线实验法标定待诊断型号的电池的最优充电电压区间；
8.s2、在线获取待诊断电池最优充电电压区间内的电量增长系数，根据电量增长系数确定内短路发生的充电循环；
9.s3、计算电池发生内短路的短路阻值。
10.优选地，步骤s1包括：
11.s11、离线获取电池各个充电循环的电压、电流数据，且在其中第n次充电循环模拟发生内短路；
12.s12、以充电电压区间的上下限电压u
ub
、u
lb
为变量，以发生内短路的第n次充电循环的计算短路阻值r
iscr
(n)与实际短路阻值r(n)的误差er(n)最小为约束条件，计算误差er(n)最小时对应的u
ub
、u
lb
大小作为最优充电电压区间的上下限电压。
13.优选地，u
ub
、u
lb
满足：u
max
》u
ub
》u
lb
》u
min
，u
min
为放电截止电压，u
max
为充电截止电压。
14.优选地，所述的计算短路阻值r
iscr
(n)通过下式计算：
15.δq
iscr
(n)＝δq(n)-δq(n-1)
16.[0017][0018]
其中，δq
iscr
(n)为电池第n次充电循环在充电电压区间内的漏电量，δq(n)和δq(n-1)分别是第n次充电循环和第n-1次充电循环在充电电压区间内的电量，i
iscr
(n)是第n次充电循环的漏电流，δt(n)是第n次充电循环在充电电压区间内的时间，为第n次充电循环在充电电压区间内的平均电压。
[0019]
优选地，充电电压区间内的电量通过下式计算：
[0020][0021][0022]
其中，t
lb
(n)、t
lb
(n-1)对应为第n次、第n-1次充电循环时充电电压区间下限电压u
lb
对应的时间，t
ub
(n)、t
ub
(n-1)对应为第n次、第n-1次充电循环时充电电压区间上限电压u
lb
对应的时间，i为充电电流。
[0023]
优选地，误差er(n)计算方式为：
[0024][0025]
优选地，步骤s2具体为：
[0026]
s21、在线获取待诊断电池第i次充电循环的电压、电流数据，计算出最优充电电压区间内的电量δq(i)；
[0027]
s22、计算第i次充电循环的电量增长系数ε(i)；
[0028]
s23、判断电量增长系数ε(i)是否大于设定的阈值τ，若ε(i)＞τ，则确定该循环i发生内短路；
[0029]
s24、ε(i)≤τ，则确定该循环i并未发生内短路，则重复步骤s21～s23判断第i+1次循环是否发生内短路。
[0030]
优选地，步骤s21中δq(i)通过下式获得：
[0031][0032]
其中，δq(i)表示第i次充电循环在最优充电电压区间内的电量，t
lb
(i)为第i次充电循环时最优充电电压区间下限电压u
lb
对应的时间，t
ub
(i)为第i次充电循环时最优充电电压区间上限电压u
lb
对应的时间，i为充电电流。
[0033]
优选地，步骤s22电量增长系数ε(i)计算方式为：
[0034]
当i＝1时，ε(i)＝0；
[0035]
当i＞1时，
[0036]
[0037]
优选地，步骤s3计算电池发生内短路的短路阻值具体为：
[0038]
设电池在第n次充电循环发生内短路，则短路阻值通过下式计算：
[0039]
δq
iscr
(n)＝δq(n)-δq(n-1)
[0040][0041][0042]
其中，δq
iscr
(n)为电池第n次充电循环在充电电压区间内的漏电量，δq(n)和δq(n-1)分别是第n次充电循环和第n-1次充电循环在充电电压区间内的电量，i
iscr
(n)是第n次充电循环的漏电流，δt(n)是第n次充电循环在充电电压区间内的时间，为第n次充电循环在充电电压区间内的平均电压，r
iscr
(n)为短路阻值。
[0043]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0044]
(1)本发明利用最优充电电压区间内电量增长进行内短路定量诊断，优化的最优充电电压区间具有普遍性，便于同类型的电池单体在相同的充电区间内进行频繁、快速的计算和诊断；
[0045]
(2)本发明方法能够在线实时地监控电池单体的状态，对于诊断出的内短路循环进行短路阻值的定量计算，简单易行。
附图说明
[0046]
图1为本发明基于充电电压区间内电量增长的电池内短路定量诊断方法的流程框图；
[0047]
图2为单体电池1的充电循环电压-时间曲线图；
[0048]
图3为本发明实施例中单体电池2的充电循环电压-时间曲线图；
[0049]
图4为本发明实施例中单体电池1的电量增长系数-循环次数曲线图；
[0050]
图5为本发明实施例中单体电池2的电量增长系数-循环次数曲线图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
[0052]
实施例
[0053]
如图1所示，本实施例提供一种基于充电电压区间内电量增长系数的电池内短路诊断方法，该方法包括：
[0054]
s1、采用离线实验法标定待诊断型号的电池的最优充电电压区间；
[0055]
s2、在线获取待诊断电池最优充电电压区间内的电量增长系数，根据电量增长系数确定内短路发生的充电循环；
[0056]
s3、计算电池发生内短路的短路阻值。
[0057]
其中，步骤s1包括：
[0058]
s11、离线获取电池各个充电循环的电压、电流数据，且在其中第n次充电循环模拟发生内短路；
[0059]
s12、利用智能优化算法辨识模型参数并确定最优充电电压区间，具体地：以充电电压区间的上下限电压u
ub
、u
lb
为变量，以发生内短路的第n次充电循环的计算短路阻值r
iscr
(n)与实际短路阻值r(n)的误差er(n)最小为约束条件，计算误差er(n)最小时对应的u
ub
、u
lb
大小作为最优充电电压区间的上下限电压，其中，u
ub
、u
lb
满足：u
max
》u
ub
》u
lb
》u
min
，u
min
为放电截止电压，u
max
为充电截止电压。
[0060]
计算短路阻值r
iscr
(n)通过下式计算：
[0061]
δq
iscr
(n)＝δq(n)-δq(n-1)
[0062][0063][0064]
其中，δq
iscr
(n)为电池第n次充电循环在充电电压区间内的漏电量，δq(n)和δq(n-1)分别是第n次充电循环和第n-1次充电循环在充电电压区间内的电量，i
iscr
(n)是第n次充电循环的漏电流，δt(n)是第n次充电循环在充电电压区间内的时间，为第n次充电循环在充电电压区间内的平均电压。
[0065]
充电电压区间内的电量通过下式计算：
[0066][0067][0068]
其中，t
lb
(n)、t
lb
(n-1)对应为第n次、第n-1次充电循环时充电电压区间下限电压u
lb
对应的时间，t
ub
(n)、t
ub
(n-1)对应为第n次、第n-1次充电循环时充电电压区间上限电压u
lb
对应的时间，i为充电电流。
[0069]
误差er(n)计算方式为：
[0070][0071]
步骤s2具体为：
[0072]
s21、在线获取待诊断电池第i次充电循环的电压、电流数据，计算出最优充电电压区间内的电量δq(i)：
[0073][0074]
其中，δq(i)表示第i次充电循环在最优充电电压区间内的电量，t
lb
(i)为第i次充电循环时最优充电电压区间下限电压u
lb
对应的时间，t
ub
(i)为第i次充电循环时最优充电电压区间上限电压u
lb
对应的时间，i为充电电流；
[0075]
s22、计算第i次充电循环的电量增长系数ε(i)：
[0076]
当i＝1时，ε(i)＝0；
[0077]
当i＞1时，
[0078][0079]
s23、判断电量增长系数ε(i)是否大于设定的阈值τ，若ε(i)＞τ，则确定该循环i发生内短路；
[0080]
s24、ε(i)≤τ，则确定该循环i并未发生内短路，则重复步骤s21～s23判断第i+1次循环是否发生内短路。
[0081]
进而，步骤s3计算电池发生内短路的短路阻值具体为：
[0082]
设电池在第n次充电循环发生内短路，则短路阻值通过下式计算：
[0083]
δq
iscr
(n)＝δq(n)-δq(n-1)
[0084][0085][0086]
其中，δq
iscr
(n)为电池第n次充电循环在充电电压区间内的漏电量，δq(n)和δq(n-1)分别是第n次充电循环和第n-1次充电循环在充电电压区间内的电量，i
iscr
(n)是第n次充电循环的漏电流，δt(n)是第n次充电循环在充电电压区间内的时间，为第n次充电循环在充电电压区间内的平均电压，r
iscr
(n)为短路阻值。
[0087]
本实施例中所用的电池为三元锂离子电池，充放电截止电压分别为4.2v和3v，实际应用中不限于此。实验中对电池单体外接1000ω和510ω电阻来模拟池发生内短路。将单体电池1作为离线实验法标定的电池，将单体电池2作为在线诊断的电池。
[0088]
1、离线获取电池每个充电循环的电压、电流数据。
[0089]
本实施例中的单体电池1的38个充电循环的电压-时间曲线如图2所示，从第31个循环开始外接1000ω电阻模拟电池发生内短路。需要说明的是：38个充电循环的电压-时间曲线基本重合，稍有偏移，图中无法展示。
[0090]
2、以定量计算发生内短路的单体电池的短路阻值的精确度为约束条件，采用智能优化算法确定最优充电电压区间。
[0091]
本实施例中计算得到的最优充电电压区间为3.7659v～4.0726v，此时单体1的计算短路阻值r
iscr
(31)＝1052.7ω，误差er(n)＝5.27％。
[0092]
3、在线获取电池最优充电电压区间内的电量增长系数，确定内短路发生的充电循环。
[0093]
本实施例中的单体电池2的外接电阻的内短路电池的41个充电循环的电压-时间曲线如图3所示。需要说明的是：同图2，图3中41个充电循环的电压-时间曲线基本重合，稍有偏移，图中无法展示。
[0094]
当电池在某一循环发生内短路时，电池内部自放电，相当于单体电池在内部正负极之间连接一个电阻在消耗电量，所以在相同的电压区间内，电池的充电时间会增长，导致
计算出的充电电量比发生内短路之前大。内短路程度越严重，该现象越明显，所以通过比较相邻循环的电量增长情况，可以确定内短路发生的循环。发生内短路时，该循环的电量增长量与上一循环的比值即电量增长系数为正值，且内短路越严重，电量增长系数越大。对电池进行诊断时，当该系数超过一定阈值，即可认为发生了内短路，诊断的具体方法为：
[0095]
本实施例中，根据图4所示的单体1的电量增长系数-循环次数曲线图，设置阈值τ＝0.20％。图5为单体2的电量增长系数-循环次数曲线图，可见在第31次循环的电量增长系数ε(31)＝0.5147％，判断单体2在该循环发生内短路。
[0096]
4、定量计算单体电池发生内短路循环的短路阻值。
[0097]
本实施例中，单体2的计算短路阻值r
iscr
(31)＝490.19ω，误差er(n)＝-3.88％。
[0098]
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。