一種動力電池組多故障在線檢測系統及方法與流程

本發明涉及一種動力電池組多故障在線檢測系統及方法。

背景技術：

鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度等特點，因而已在電動汽車中得到廣泛應用，電池管理系統(batterymanagementsystem，bms)是動力電池系統的“大腦”，實時管理著由成百上千個電池單體組成的電池組，但是在系統層面上動力電池系統仍有許多潛在缺陷，首當其沖的是安全問題，而先進的故障診斷技術是保證動力電池系統安全運行、bms可靠工作的核心保障。鋰離子電池的故障類型主要包括：傳感器故障(測量故障)、電池自身故障(內阻異常、過壓、欠壓、過流)、接觸電阻故障(接觸點故障)等，這些故障雖然類型不同，但最終都可能演化為熱失控等嚴重故障。除電池本身出現過充/放、物理結構破壞等因素引發的外(內)短路等故障外，在動力電池組中，由電池單體并聯構成的模塊通常再通過銅片鋁片與其他模塊相連，并利用螺絲擰緊，但在電動汽車復雜的行駛工況下，連接點可能出現老化、松落等現象，具體表現為電池接觸電阻過大，導致連接點故障(接觸故障)。這些故障均可導致局部溫升，使得熱量傳播造成大面積熱失控最終引發火災。大多數安全事故可以通過檢測初期局部故障，及時處理而避免，大面積熱失控可以被提前抑制。另一方面，電池故障多由電壓、電流、溫度信號綜合判定得到，但在運行過程中可能出現傳感器故障，同樣可能導致錯誤診斷結果，造成誤警。總之，先進故障診斷系統不僅必須快速檢測到故障的發生，而且需要準確判斷故障類型及故障點，以便及時、正確診斷和處理。

現有車載的動力電池多為先并聯后串聯的電池組，而故障診斷系統建立在數據采集系統的基礎上，需要同時測量每串聯單體(單體電池并聯之后的模塊)的電壓和主電路電流，并通過電池系統內的分布溫度傳感器測量溫度，電池管理系統中的故障診斷可通過采集得到的電壓電流溫度信號分析得知，但現有bms無法滿足故障類型和故障點的快速準確診斷，具體問題主要表現為：

1)現有電壓測量電路多為每串聯單體連接一個電壓傳感器，但是受制于電壓傳感器的可靠性，可能會發生卡死(卡在某值)故障、恒增益故障(乘性故障)、恒偏差故障等情況，因此，傳感器故障可能引發電池故障誤檢測。

2)解決傳感器故障的方法通常是在每一個測量電壓的地方同時加入兩個傳感器，若出現某一個電壓信號異常且兩個電壓傳感器差值過大，則可判定出現傳感器故障而不是電池出現故障。另外一種解決方法是不僅測量每個串聯單位的電壓，而且通過測量電路總電壓對應各傳感器所得電壓的和，來確定是否出現傳感器故障。但上述兩種方法仍然存在相同技術漏洞，即無法檢測出連接點故障。例如在某節電池出現連接點故障之后，測量點電壓跌落，傳感器同時傳出故障信號，此時真實故障點在電壓測量點至電極的連接處，并不在電池內，仍可能誤判為其它故障，這就無法有效甄別真實故障類型和故障發生位置，發生誤判。

3)解決接觸點故障問題可利用解析冗余方法，即利用香農熵、樣本熵等方法通過區分電池故障和連接點故障時電壓響應能夠辨別出連接點故障，但這些方法需要十分龐大的計算量，現階段只存在于科研研究階段，現有bms的計算能力達不到其要求，所以這些方法工業應用仍然很難。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種動力電池組多故障在線檢測方法，本發明能夠解決電池中存在的不同故障類型和故障點的快速準確診斷問題，其中測量電路通過交叉式電壓測量設計，并利用相應故障診斷方法甄別多種故障(電池自身故障、傳感器故障、接觸點故障)類型和故障點，實現了對電池電壓信號的冗余，保證電壓信號的可靠性，并實現了對接觸點電阻分壓的檢測，可有效甄別連接點故障及傳感器故障，在排除傳感器故障和連接點故障后，可通過所得電池測量參數進一步診斷電池出現的其他自身故障。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種動力電池組多故障在線檢測系統，包括電池主電路和測量電路，其中電池主電路由n節電池串聯成組，測量電路包含2n個電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器，其中，每兩個電壓傳感器與串聯單體交叉并聯，檢測輸出電壓，電流傳感器串聯在主電路上檢測輸出電流，溫度傳感器分布在電池各處測量溫度。

電壓傳感器采用交叉式連接方式。

每個電壓傳感器測量的不僅是某一節電池的電壓，同時均包含此節電池到臨近某節電池的連接點電阻所分擔電壓。

一種動力電池組多故障在線檢測方法，包括以下步驟：

(1)在由n節電池單體或并聯模組串聯而成的電池組中，利用2n個電壓傳感器對電壓交叉測量，獲取采集電壓信號；

(2)對照所有電池對應的兩個電壓傳感器所測值是否相近，計算最大單體電壓差，若i號電池對應的兩個電壓測量值的差值大于電池均衡閾值，且i-1、i+1號電池的測量信號并未出現異常，則判斷i號電池的傳感器出現故障；

(3)診斷是否存在接觸點故障，當第i號電池與i+1號所對應的2i-1號、2i號及2i+1號、2i+2號兩組電壓傳感器電壓測量值均出現差值過大情況，大于設定閾值i·δ，則判定第i號電池與i+1號電池之間接觸電阻過大，出現接觸點故障；

(4)在確定電池系統中并無傳感器故障和接觸點故障后，確定電池本身是否出現短路、過充/放故障。

所述步驟(1)中，兩個電壓傳感器與每個串聯電池單體并聯，檢測輸出電壓，電流傳感器串聯在主電路上檢測輸出電流。

所述步驟(1)中，電池組中電池單體分別命名為1到n號電池，其中1號電壓傳感器分別連接1號電池正極和2號電池正極，2號電壓傳感器分別連接對外正極輸出端和1號電池負極；第2i-1號電壓傳感器分別連接i號電池正極和i+1號電池正極，第2i號電壓傳感器分別連接i-1號電池的負極和i號電池的負極；在末端，第2n-1號電壓傳感器分別連接第n號電池的正極和電池組的負極輸出端，2n號電壓傳感器分別連接n-1號電池的負極和n號電池的負極。

所述步驟(2)中，若兩個傳感器出現測量值差距過大且通過對比兩側傳感器未出現異常情況排除接觸點電阻增大帶來的故障，則判定某節電池出現傳感器故障，并可通過傳感器編號確定故障點。

所述步驟(3)中，當串聯電池之間出現接觸點故障時，在第i號電池與i+1號電池之間出現接觸電阻變大的情況，則對應的2i-1號電壓傳感器和2i+2號電壓傳感器會同時電壓跌落，電壓值低于2i和2i+1傳感器所采集電壓值。

所述步驟(4)中，當電池本身出現短路故障時，當第i號電池出現外短路故障時，則對應的2i-1號電壓傳感器和2i號電壓傳感器會同時電壓跌落，與接觸點故障不同的是出現波動的傳感器序號不同，與傳感器故障不同之處在于測量i號電池的兩個傳感器均檢測到電壓異常。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)可以滿足現有動力電池先并聯后串聯結構的多故障診斷需求，并實現對故障類型和故障點的有效判定。

(2)與每個電池對應一個電壓傳感器的電路結構相比，確保了測量電壓的有效性，并可有效檢測接觸電阻過大位置，增加了診斷電池系統中接觸點故障及傳感器故障的功能；

(3)與普通冗余電壓測量電路相比，可有效檢測測量點與電池電極之間可能出現的接觸電阻變大，導致分壓過多的情況，與解析冗余(樣本熵、香農熵等)方法相比，解析冗余方法判定接觸電阻大大增加了系統的運算負荷，不符合現有bms的實際應用，而通過本發明提到的交叉式測量電路可通過簡單運算檢測接觸故障及傳感器故障；

(4)本發明可與其他電池短路、過充/放等其他故障的診斷方法實現簡便嫁接，本發明可排除電壓測量問題和接觸點電阻問題，保證了輸入量的準確性，能夠增加故障診斷結果的準確性。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。

圖1為本發明一種動力電池組多故障在線檢測方法所需交叉式串聯電池組電壓測量電路的組成示意圖；

圖2為本發明一種交叉式串聯電池組電壓測量電路的局部細節圖；

圖3為本發明在matlab/simulink上搭建的電池組仿真示例模型；

圖4為電池正常工況結果圖；

圖5為5號傳感器故障結果圖；

圖6為2號與3號電池間接觸故障結果圖；

圖7為3號電池短路故障結果圖。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

一種動力電池組多故障在線檢測方法所需硬件部分，包括含有n節串聯電池組、2n個電壓傳感器、電流傳感器、開關、負載等，其中，電池、開關、負載串聯組成主電路，每兩個電壓傳感器與每個串聯電池單體并聯，檢測輸出電壓，電流傳感器串聯在主電路上檢測輸出電流，另外為了有效檢測及診斷電池故障，需要外部溫度傳感器及電池管理系統對數據處理運算配合得到。其中需要說明的是電壓傳感器需要使用交叉式連接，例如電池組中電池單體分別命名為1到n號電池，其中1號電壓傳感器分別連接1號電池正極和2號電池正極，2號電壓傳感器分別連接對外正極輸出端和1號電池負極；第2i-1號電壓傳感器分別連接i號電池正極和i+1號電池正極，第2i號電壓傳感器分別連接i-1號電池的負極和i號電池的負極；在末端，第2n-1號電壓傳感器分別連接第n號電池的正極和電池組的負極輸出端，2n號電壓傳感器分別連接n-1號電池的負極和n號電池的負極。

本發明可有效區分電池傳感器故障、連接點故障及短路、過充/放等電故障，具體工作原理為：

每個電壓傳感器不僅測量的是某一節電池的電壓，同時均包含此節電池到臨近某節電池的連接點電阻所分擔電壓，設主電路電流為i，第i號電壓傳感器的電壓表示為ui，第i號電池實際電壓為uai，第i節電池到第i+1節電池間的接觸電阻為r(i,i+1)，故電路中電壓關系可表示為公式(1)：

需要說明的是接觸電阻r(i,i+1)在電池正常狀態下幾乎為零，所以其分擔電壓可以忽略不計，但在發生接觸故障后，接觸電阻無法被忽略。可以由(1)式看出每個電池電壓分別與兩個傳感器所得電壓相關，且每個接觸電阻也與兩個傳感器所得電壓相關。

在忽略某一節電池接觸點故障和傳感器故障同時發生這一小概率事件基礎上。當電池電壓測量出現傳感器故障時，可通過對比同一個電池兩個測量值，例如對1號電池對應1號和2號電壓傳感器，通過設定合理閾值uα，若兩個傳感器出現測量值差距過大且通過對比兩側傳感器未出現異常情況排除接觸點電阻增大帶來的故障，則可判定某節電池出現傳感器故障，并可通過傳感器編號確定故障點。設傳感器故障矢量為fs(t)，則第2i-1號傳感器出現故障時，可通過(2)式求得：

fs1(t)＝|u2i-1-u2i|＞uα

&fs2(t)＝|u2i+1-u2i+2|＜uα

&fs3(t)＝|u2i-3-u2i-2|＜uα(2)

當串聯電池之間出現接觸點故障時，例如在第i號電池與i+1號電池之間出現接觸電阻變大的情況，則對應的2i-1號電壓傳感器和2i+2號電壓傳感器會同時電壓跌落，電壓值低于2i和2i+1傳感器所采集電壓值。設接觸點故障矢量為fc(t)，故障觸發閾值為i·δ，則第2i-1號傳感器出現故障時，可得：

當電池本身出現短路等故障時，例如當第i號電池出現外短路故障時，則對應的2i-1號電壓傳感器和2i號電壓傳感器會同時電壓跌落，與接觸點故障不同的是出現波動的傳感器序號不同，與傳感器故障不同之處在于測量i號電池的兩個傳感器均檢測到電壓異常。故可通過求取2i-1和2i號的電壓差是否小于閾值uσ(取大于測量噪聲的值)，其中電壓測量誤差表示為uδ，同時判定電壓是否出現異常，例如在短路故障中利用電壓變化率是否大于閾值uη′，來最終確定短路故障的發生(文中只列舉此一種簡單短路判定方法，本發明電路同樣適合使用其他方法來判定電池本身的故障)。設電池短路故障矢量為fs(t)，則第i號電池出現短路故障時，可得：

通過上述原理，可利用本發明所提出電壓測量電路拓撲有效區分動力電池組中出現的接觸點故障、傳感器故障及電池本身短路過充等故障，并可準確判斷故障點位置，包括確定出現異常的傳感器編號，確定出現接觸點故障位置及出現異常工況的電池編號。

一種動力電池組多故障在線檢測方法的實現，包括以下步驟：

獲取采集電壓信號：在由n節電池單體(或并聯模組)串聯而成的電池組中，利用2n個電壓傳感器對電壓交叉測量；

診斷是否存在傳感器故障：對照所有電池對應的兩個電壓傳感器所測值是否相近，計算最大單體電壓差，若i號電池對應的兩個電壓測量值的差值大于電池均衡閾值，且i-1、i+1電池的測量信號并未出現異常，則判斷i號電池的傳感器出現故障；

診斷是否存在接觸點故障：當第i號電池與i+1號所對應的2i-1號、2i號及2i+1號、2i+2號兩組電壓傳感器電壓測量值均出現差值過大情況，大于設定閾值i·δ，則判定第i號電池與i+1號電池之間接觸電阻過大，已出現接觸點故障；

診斷是否存在電池短路等其他故障：在確定電池系統中并無傳感器故障和接觸點故障后，可通過其他方法確定電池本身是否出現短路、過充/放等故障，其中第i號電池所對應的2i-1號、2i號電壓傳感器均為有效采集。

本申請的一種典型的實施方式中，如圖1、圖2所示，一種動力電池組多故障在線檢測方法的硬件部分，包括含有n節串聯電池組、2n個電壓傳感器、電流傳感器、開關、負載等，其中，電池、開關、負載串聯組成主電路，電壓傳感器與每個串聯單位并聯，檢測輸出電壓，電流傳感器串聯在主電路上檢測輸出電流，另外為了有效檢測及診斷電池故障，需要外部溫度傳感器及電池管理系統對數據處理運算配合得到。如圖1中所示，電壓傳感器需要使用交叉式連接，其實物細節圖如圖2所示，電池組的串聯單體分別命名為1到n號電池，其中1號電壓傳感器分別連接1號電池正極和2號電池正極，2號電壓傳感器分別連接對外正極輸出端和1號電池負極；第2i-1號電壓傳感器分別連接i號電池正極和i+1號電池正極，第2i號電壓傳感器分別連接i-1號電池的負極和i號電池的負極；在末端，第2n-1號電壓傳感器分別連接第n號電池的正極和電池組的負極輸出端，2n號電壓傳感器分別連接n-1號電池的負極和n號電池的負極。

所述電流傳感器、開關、負載根據該電池的應用場合不同而改變，本發明不要求特定型號，故并未在圖中顯示；

所述電壓傳感器僅是對各類測量電壓的設備統稱，可隨著系統的要求改變，但該2n個電壓傳感器需使用同一型號，保證電壓信號之間對比的有效性；

所述串聯單位電池是指在動力電池等大型電池系統中，所需要的最小電壓測量單位，例如在許多商用電動汽車中，電池由若干18650電池首先并聯起來成為模塊，再以并聯模塊為單位串聯起來，bms通常采用僅測量每個并聯模塊電壓的方法，所以在此時電池串聯單體應指并聯模塊。

動力電池組多故障在線檢測的實現方法，包括以下步驟：

獲取采集電壓信號：在由n節電池單體(或并聯模組)串聯而成的電池組中，利用2n個電壓傳感器對電壓交叉測量；

診斷是否存在傳感器故障：對照所有電池對應的兩個電壓傳感器所測值是否相近，計算最大單體電壓差，若i號電池對應的兩個電壓測量值的差值大于電池均衡閾值，且通過對比兩邊電池的測量差值是否出現異常排除出現接觸點故障，則判斷i號電池的傳感器出現故障；

診斷是否存在接觸點故障：當第i號電池與i+1號所對應的2i-1號、2i號及2i+1號、2i+2號兩組電壓傳感器電壓測量值均出現差值過大情況，大于設定閾值i·δ，則判定第i號電池與i+1號電池之間接觸電阻過大，已出現接觸點故障；

診斷是否存在電池短路等其他故障：在確定電池系統中并無傳感器故障和接觸點故障后，可通過其他方法確定電池本身是否出現短路、過充/放等故障，其中第i號電池所對應的2i-1號、2i號電壓傳感器均為有效測量。

實施例一：

如圖3，以在matlab/simulink上搭建的5節電池單體串聯電路仿真示例模型為例，電池模型使用鋰離子電池模型，設定平均電壓7.2v，并將串聯電池分別設定為soc初值差最大8％，以模擬串聯組電池間的不一致性。在串聯電池之間均串聯電阻，代表各電池連接的接觸電阻，電壓測量使用本發明中交叉式接法，但在電壓輸出端加入幅值為0.02v的隨機噪聲用于模擬實際電壓測量中的測量誤差，在主電路并入串聯rlc模塊模擬負載，另主電路中串聯電流傳感器測量主電路電壓。圖3中僅展示仿真模型主電路部分，采集電路并未顯示。在仿真中，將各串聯電池初始狀態設置相同，并將各接觸電阻初值設置為0.001ω，此時為正常狀態，模擬在實際應用中電池之間的電阻。

正常放電工況：電池組恒負載放電，過程中并未出現故障情況，得到結果如圖4。所有電壓數據相近，并未采集到故障信號。

傳感器故障：令5號電壓傳感器的值在t＝1s時減去2v，用于模擬傳感器出現差值故障，對比圖4、圖5可以看出，在t＝1s時，5號傳感器數據出現電壓突降，且其余傳感器正常，通過上述故障判定原理可判定為5號傳感器出現故障。

接觸點故障：在運行過程中，令2號電池、3號電池間接觸電阻在1s時突然變為0.5ω，模擬電池接觸點故障，電池接觸電阻突然增大的情況。由圖6，可知在t＝1s時，4號、5號電壓傳感器出現電壓跌落情況，但其分別屬于測量2號、3號電池的電壓，由上述判定原理可知，當第i號電池與i+1號所對應的2i-1號、2i號及2i+1號、2i+2號兩組電壓傳感器電壓測量值均出現差值過大情況，則判定第i號電池與i+1號電池之間接觸電阻過大，已出現接觸點故障。故此時判定2號、3號電池之間接觸電阻過大。

短路故障：對3號電池突加0.5ω并聯電阻持續1s，用于模擬電池短路故障，結果如圖7。在t＝0.67s時，5號、6號電壓傳感器出現電壓跌落情況，其同時測量3號電池的電壓，由判定原理可知，第i號電池所對應的2i-1號、2i號電壓傳感器均出現短路類似情況，則判定此時3號電池出現短路故障。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。