CN111983496A - 一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，电池组由n节单体电池并联，将并联电池组视为一个电池，记录电池总电流、极耳电压、总电压、表面温度。基于等效电路模型和递归最小二乘在线辨识电池阻抗，若其大于阈值，则存在阻抗增加故障。进一步计算阻抗标准差，若其大于阈值且持续时间大于预设时间，则故障为虚拟连接，相反，则是内阻增加。若存在电池i极耳电压在充电时低于其他电池，放电时高于其他电池，则电池i发生虚拟连接；若电池i不存在，存在电池j温度高于其他电池，则电池j发生内阻增加。当电池间温差大于5℃时，认定为一级故障。本发明可以实现并联电池组虚拟连接与内阻增加故障的辨识、定位与分级。

Description

一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池组技术领域，具体涉及一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法。
背景技术
为满足电动汽车功率输出需求，电动汽车电池组往往需要由数节大容量电池单体串联和并联而成。然而，装备缺陷、行驶工况等一系列因素都可能引起电池间虚拟连接和内阻增加。虚拟连接是指电池间接触不良或连接松动，它使得两个电池单体间的接触电阻增大，连接件上产生的焦耳热增加；内阻增加是指电池本身的内阻变大，它使得电池的电化学产热增加，这两种故障都直接影响电池***的性能和安全性。
并联电池组相对于串联电池组来说，更具危险性和复杂性，并且支路电流的不可测以及共同的总电压，使得并联电池组的故障检测更加困难。虚拟连接与内阻增加故障极为相似，但也存在一定的差异。现有的针对并联电池组故障的检测方法，通过检测整个电池组直流内阻并将其与初始值比较，来判断电池组是否出现故障，该方法简便快捷，但是误差较大，难以做出准确判断，且无法区分虚拟连接与内阻增加故障，以及故障的定位和分级。
发明内容
本发明的目的是为了解决并联电池组中无法区分虚拟连接和内阻增加故障的问题，提出了一种采集电池极耳电压与总电压，基于等效电路模型(ECM)和递归最小二乘法(RLS)实现并联电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识、定位和分级的方法。
为此，本发明提供一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，所述电池组由n节电池单体并联，包括以下步骤：
步骤(1)电池组的总电压一致，实时记录所述电池组总电流、极耳电压、总电压、n节电池单体表面温度；
步骤(2)将所述电池组等效为一个大的电池单体，基于等效电路模型ECM和递归最小二乘法RLS在线辨识电池阻抗；
步骤(3)判断估计的阻抗是否大于预设阈值，若是，则所述电池组存在阻抗增加故障，进一步计算其标准差STD；相反，则所述电池组无故障；
步骤(4)确定故障类型，若所述阻抗标准差大于预设阈值并且持续时间超出预设时间，则故障类型为虚拟连接；相反，则为内阻增加；
步骤(5)确定故障位置，若存在电池单体i的极耳电压在充电时低于其他电池，放电时高于其他电池，则所述电池单体i发生虚拟连接故障；若不存在电池单体i的极耳电压在充电时低于其他电池，放电时高于其他电池，继续判断是否存在电池单体j的温度高于其他电池，若判断结果为是，则所述电池单体j发生内阻增加故障；若判断结果为否，则估计是由于温度的滞后性引起，暂不做处理，进入下一取样时间计算；
步骤(6)划分故障等级，若所述电池单体i或j与其他电池的温度差异大于5℃，则认定当前故障为一级故障；否则为二级故障。
进一步的，所述步骤(1)中，记录所述电池组总电流、极耳电压、总电压、n节电池单体表面温度的采样周期为1s。
进一步的，所述步骤(2)中，所述大的电池单体阻抗包含了电池间的连接电阻。
进一步的，所述步骤(2)中，所述等效电路模型为一阶阻容RC模型。
进一步的，所述步骤(2)中，所述等效电路模型的方程为：
Figure BDA0002624759660000021
方程(1)经离散化表示成如下形式：
Uk+1＝(1-a1)Em,k+1+a1Uk+a2Ik+1+a3Ik (2)
其中，
Figure BDA0002624759660000022
式中，U为等效电路模型中的等效大电池的端电压；U1为极化电容C1两端的电压，即极化电压；Em为等效大电池的开路电压；C1、R1、R0分别为等效大电池的极化电容，极化电阻和欧姆阻抗；I为通过等效大电池的电流；a1、a2、a3为待估计参数C1、R1、R0构成的未知参数；k为采样时刻；t为采样周期，t＝1s。
进一步的，所述步骤(2)中，等效大电池的最小二乘法方程形式为：
Figure BDA0002624759660000031
其中，
Figure BDA0002624759660000032
式中，
Figure BDA0002624759660000033
是由输入电流I和输出端电压U构成的矢量；θk+1是由未知参数构成的矢量；a0为a1和电池开路电压Em构成的未知参数，a0＝(1-a1)Em；k表示采样时刻；εk+1为端电压的估计误差。
进一步的，所述步骤(2)中，所述递归最小二乘法RLS的递推公式为：
Figure BDA0002624759660000034
式中，Pk+1为协方差矩阵，其维数取决于未知参数的数量；Kk+1为增益矩阵；εk+1为端电压的估计误差；常数λ是遗忘因子，λ＝1,即为递归最小二乘法RLS；
Figure BDA0002624759660000035
表示未知参数的估计结果；k表示采样时刻；
未知参数a1、a2、a3通过所述递归最小二乘法RLS辨识，因此所述电池的待估计参数R0、R1、C1、Em通过以下方程获得：
Figure BDA0002624759660000036
进一步的，所述步骤(3)中，所述电池阻抗标准差STD的计算公式为：
Figure BDA0002624759660000037
式中，m为样本数据的窗口大小；R0,k为k时刻所述电池的欧姆阻抗；
Figure BDA0002624759660000038
为窗口m内R0的均值。
进一步的，样本数据的窗口m＝180s，应用中可调整窗口，提高电池管理***的性能与效率。
本发明的优点：
(1)本发明记录电池极耳电压和总电压，可以区分并联电池组中虚拟连接引起的接触电阻增加和电池单体本身内阻增加故障；
(2)本发明将估计的电池阻抗、监测的电池电压以及温度作为故障辨识指标，可以实现并联电池组虚拟连接与内阻增加故障的准确辨识和定位；
(3)本发明通过电池单体温度差异辅助分析，进行故障分级，增加了故障辨识的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法流程图；
图2为一阶RC等效电路模型示意图；
图3为本发明实施例连接故障与内阻增加故障示意图。其中，图3(a)为连接故障；图3(b)为内阻增加故障；
图4为本发明实施例估计的欧姆阻抗。其中，图4(a)为估计的欧姆阻抗值；图4(b)为估计欧姆阻抗的STD；图4(c)为图4(b)的放大；
图5为本发明实施例电池的总电压与极耳电压。其中，图5(a)为连接故障条件下的电压；图5(b)为内阻增加故障条件下的电压；
图6为本发明实施例电池表面温度。其中，图6(a)为连接故障条件下的温度；图6(b)为内阻增加故障条件下的温度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明实施例一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法流程图，电池组由n节电池单体并联而成。
(1)并联电池组的总电压一致，实时记录所述电池组总电流、极耳电压与总电压、n节电池单体表面温度。需要说明的是，记录数据的采样周期可灵活设定，若采样周期较长，则可减小数据的存储空间；若采样周期较短，则记录的信息较为全面，几乎可包括可能发生故障的所有时刻。本发明中采样周期为1s。
(2)将所述并联电池组等效为一个大的电池单体，基于等效电路模型(ECM)(如图2所示)和递归最小二乘法(RLS)在线辨识电池阻抗。需要说明的是，等效的大电池的阻抗包含了并联电池组电池间的连接电阻。等效电路模型的方程为：
Figure BDA0002624759660000051
方程(1)经离散化可表示成如下形式：
Uk+1＝(1-a1)Em,k+1+a1Uk+a2Ik+1+a3Ik (2)
其中，
Figure BDA0002624759660000052
式中，U为等效大电池的端电压；U1极化电容C1两端的电压，即极化电压；Em为等效大电池的开路电压；C1、R1、R0分别为等效大电池的极化电容，极化电阻和欧姆阻抗；I为通过等效大电池的电流；a1、a2、a3为待估计参数C1、R1、R0构成的未知参数；k为采样时刻；t为采样周期，t＝1s；
对于单输入单输出***，其最小二乘法方程形式为：
Figure BDA0002624759660000053
式中，
Figure BDA0002624759660000054
式中，
Figure BDA0002624759660000055
是由输入电流I和等效大电池输出端电压U构成的矢量；θk+1是由未知参数构成的矢量；a0为a1和电池开路电压Em构成的未知参数，a0＝(1-a1)Em；k表示采样时刻；
RLS的递推公式为：
Figure BDA0002624759660000061
式中，Pk+1为协方差矩阵，其维数取决于未知参数的数量；Kk+1为增益矩阵；εk+1为端电压的估计误差；常数λ是遗忘因子，本发明中λ＝1,即为递归最小二乘法RLS.
Figure BDA0002624759660000062
表示未知参数的估计结果；k表示采样时刻；
未知参数a1、a2、a3可通过应用RLS递推公式辨识，因此所述等效大电池的待估计参数R0、R1、C1、Em可通过以下方程获得：
Figure BDA0002624759660000063
(3)判断估计的阻抗是否大于预设阈值，若是，则所述电池组存在阻抗增加故障，进一步计算其标准差(STD)；相反，则所述电池组无故障。需要说明的是，本发明中阻抗的阈值不作具体设定，可根据实际应用灵活设定。
(4)确定故障类型。若所述阻抗STD大于预设阈值并且持续时间超出预设时间，则故障类型为虚拟连接；相反，故障类型为内阻增加。需要说明的是，本发明中阻抗STD的阈值和持续时间阈值不作具体设定，所述电池阻抗的STD计算公式为：
Figure BDA0002624759660000064
式中，m为样本数据的窗口大小；R0,k为k时刻所述电池的欧姆阻抗；
Figure BDA0002624759660000065
为窗口m内R0的均值。其中，样本数据的窗口m＝180s，应用中可调整窗口，提高电池管理***的性能与效率。
(5)确定故障位置。若存在电池单体i的极耳电压在充电时低于其他电池，放电时高于其他电池，则所述电池单体i发生虚拟连接故障；若不存在电池单体i的极耳电压在充电时低于其他电池，放电时高于其他电池，继续判断是否存在电池单体j的温度高于其他电池，若判断结果为是，则所述电池单体j发生内阻增加故障；若判断结果为否，则估计是由于温度的滞后性引起，暂不做处理，进入下一取样时间计算；
(6)划分故障等级。若所述电池单体i或j与其他电池的温度差异大于5℃，则认定当前故障为一级故障；否则为二级故障。需要说明的是，本发明中根据电池热管理***的要求将温度差异值设为5℃，应用中亦可进行调整。
下面通过小尺度实验实例进行分析。
如图3所示，筛选出一致性较好的新鲜电池cell4、cell5以及老化电池，分别进行两节电池并联的连接故障与内阻增加故障实验。如图3(a)，进行连接故障实验时，将两个新鲜电池cell4、cell5并联，认为cell4、cell5的内阻近似相等，都为R，cell4的连接阻抗Rc4约为cell5的连接阻抗Rc5的2倍，分别在紧固与虚拟连接条件下进行测试；如图3(b)，进行内阻增加故障实验时，将一个老化电池与一个新鲜电池并联，认为连接阻抗近似相等，都为Rc,老化电池的内阻约为新鲜电池的1.8倍。将并联电池组等效为大的电池单体，即电池间的连接电阻也是电池欧姆阻抗的一部分。分别对两种故障条件下的电池组进行动态应力测试(DST)放电测试用于RLS参数辨识，恒流恒压充电、恒流放电测试用于电压及温度特性分析。记录电池的总电流，总电压与极耳电压，电池表面温度。对比分析两种故障条件下与两个新鲜电池正常连接工况下的结果。
基于ECM和RLS的大电池阻抗辨识结果如图4所示。从图4(a)可以看出，老化电池与新鲜电池并联、两节新鲜电池并联连接阻抗增加情况下，估计的大电池阻抗与正常情况下相比都显著增加，可判定电池单元存在阻抗增加故障，但是并不能确定是由于虚拟连接还是电池本身的内阻增加引起的。因此，进一步计算阻抗的STD来探究其变化情况。从图4(b)可以看出，虚拟连接情况下的阻抗STD显著大于其他三种工况，从其放大图4(c)可以发现，其他三种工况的阻抗波动变化很小，STD在0.006以内。而在虚拟连接情况下，阻抗STD达到0.7甚至更大。因此根据阻抗的STD，可以确定故障类型是虚拟连接或内阻增加。
进一步确定故障位置。从图5(a)可以看出，发生连接故障的cell4极耳电压在充电时低于正常连接的cell5，放电时高于cell5。因为并联电池组有着共同的总电压，连接阻抗上的压降与其阻值和支路电流相关，发生连接故障的阻抗增加效应大于支路电流减小的效应。然而，如图5(b)，在内阻增加故障条件下，由于连接阻抗近似相等，由于欧姆定律可知在连接阻抗上的压降随电流的变化而变化。另外如图6(b)，新鲜电池组成的电池组，电池表面温度主要受支路电流的影响，发生连接故障的cell4支路电流小，电池表面温度低。而对于含内阻增加故障的电池组，如图6(b)电化学效应的影响大于支路电流的影响，因此老化电池表面温度反而高。根据极耳电压与温度的特性，可确定电池组中的具体故障电池，并认定当前故障为二级故障。最后，划分故障等级。当电池间的温度差异大于5℃时，认定为二级故障发展为一级故障，用户可根据辨识结果采取相应的安全措施。
综上所述，本发明实施例的并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，基于ECM和RLS在线辨识整个电池组的阻抗，初步确定是否存在阻抗增加故障。进一步计算其STD，若超出预设阈值，则为虚拟连接故障，否则为电池本身内阻增加。再依据极耳电压与电池表面温度，确定电池组中具体的故障电池。当电池间温差大于5℃时，认定为二级故障发展为一级故障。本发明解决了现有技术中无法准确实现并联电池组虚拟连接与内阻增加故障的辨识和定位问题，对电池***安全高效运行具有重要作用。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，其特征在于，电池组由n节电池单体并联，包括以下步骤：
步骤(1)电池组的总电压一致，实时记录所述电池组总电流、极耳电压、总电压、n节电池单体表面温度；
步骤(2)将所述电池组等效为一个大的电池单体，基于等效电路模型ECM和递归最小二乘法RLS在线辨识电池阻抗；
步骤(3)判断估计的阻抗是否大于预设阈值，若是，则所述电池组存在阻抗增加故障，进一步计算其标准差STD；相反，则所述电池组无故障；
步骤(4)确定故障类型，若所述阻抗标准差大于预设阈值并且持续时间超出预设时间，则故障类型为虚拟连接；相反，则为内阻增加；
步骤(5)确定故障位置，若存在电池单体i的极耳电压在充电时低于其他电池，放电时高于其他电池，则所述电池单体i发生虚拟连接故障；若不存在电池单体i的极耳电压在充电时低于其他电池，放电时高于其他电池，继续判断是否存在电池单体j的温度高于其他电池，若判断结果为是，则所述电池单体j发生内阻增加故障；若判断结果为否，则估计是由于温度的滞后性引起，暂不做处理，进入下一取样时间计算；
步骤(6)划分故障等级，若所述电池单体i或j与其他电池的温度差异大于5℃，则认定当前故障为一级故障；否则为二级故障。
2.根据权利要求1所述的一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，其特征在于，所述步骤(1)中，记录所述电池组总电流、极耳电压、总电压、n节电池单体表面温度的采样周期为1s。
3.根据权利要求1所述的一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述大的电池单体阻抗包含了电池间的连接电阻。
4.根据权利要求1所述的一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)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所述的一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述等效电路模型的方程为：
Figure FDA0002624759650000011
方程(1)经离散化表示成如下形式：
Uk+1＝(1-a1)Em,k+1+a1Uk+a2Ik+1+a3Ik (2)
其中，
Figure FDA0002624759650000021
式中，U为等效电路模型中的等效大电池的端电压；U1为极化电容C1两端的电压，即极化电压；Em为等效大电池的开路电压；C1、R1、R0分别为等效大电池的极化电容，极化电阻和欧姆阻抗；I为通过等效大电池的电流；a1、a2、a3为待估计参数C1、R1、R0构成的未知参数；k为采样时刻；t为采样周期，t＝1s。
6.根据权利要求1所述的一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)中，等效大电池的最小二乘法方程形式为：
Figure FDA0002624759650000022
其中，
Figure FDA0002624759650000023
式中，
Figure FDA0002624759650000024
是由输入电流I和输出端电压U构成的矢量；θk+1是由未知参数构成的矢量；a0为a1和电池开路电压Em构成的未知参数，a0＝(1-a1)Em；k表示采样时刻；εk+1为端电压的估计误差。
7.根据权利要求1所述的一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述递归最小二乘法RLS的递推公式为：
Figure FDA0002624759650000025
式中，Pk+1为协方差矩阵，其维数取决于未知参数的数量；Kk+1为增益矩阵；εk+1为端电压的估计误差；常数λ是遗忘因子，λ＝1,即为递归最小二乘法RLS；
Figure FDA0002624759650000026
表示未知参数的估计结果；k表示采样时刻；
未知参数a1、a2、a3通过所述递归最小二乘法RLS辨识，因此所述电池的待估计参数R0、R1、C1、Em通过以下方程获得：
Figure FDA0002624759650000031
8.根据权利要求1所述的一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述电池阻抗标准差STD的计算公式为：
Figure FDA0002624759650000032
式中，m为样本数据的窗口大小；R0,k为k时刻所述电池的欧姆阻抗；
Figure FDA0002624759650000033
为窗口m内R0的均值。
9.根据权利要求8所述的一种并联锂离子电池组虚拟连接与内阻增加故障辨识方法，其特征在于，样本数据的窗口m＝180s。
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