CN112924884B - 基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法 - Google Patents

基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法，该方法包括如下步骤：1)离线建立电池在不同老化阶段的增量容量曲线，作为基准增量容量曲线；2)在线获取待测电池的增量容量曲线，并确定其老化阶段；3)将待测电池的增量容量曲线与对应老化阶段下的基准增量容量曲线进行比较，根据增量容量曲线判断电池是否出现内短路；4)利用增量容量曲线中特征峰的峰值面积进行内短路阻值定量计算。与现有技术相比，本发明具有实施简便、诊断时间短、诊断准确度高等优点。

Description

基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法
技术领域
本发明涉及储能电池技术领域，尤其是涉及一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法。
背景技术
热失控是指电池内部出现放热连锁反应引起电池温升速率急剧变化的过热现象，导致电池热失控的原因包括机械滥用、热滥用和电滥用。由正负极部分在电池内部短路所形成的内短路，是三种滥用方式导致电池热失控的共性环节。电池内短路一方面带来了极大的安全隐患，另一方面导致电池性能衰减，影响车辆续航里程。除此之外，由内短路造成的电池单体不一致问题增加了电池的控制和管理的难度。电池内短路的诊断对于避免性能衰减及热失控问题、保证电池寿命和安全具有十分重要的意义。
一种常见的方法是基于直接特征的电池内短路诊断方法，电池内短路会导致电池自放电，其直接特征表现为电压下降、电流增大及温度升高等。因此，可以通过直接分析BMS传感信号的变化，进行内短路的检测。
另一类常用的方法是基于容量衰减的电池内短路诊断方法，通过比较相邻两次充电周期内电池单体的剩余可充容量差值来判断电池是否发生内短路，并根据剩余可充容量差值及充电时间，计算获取电池内短路等效电阻。
还有一种方法是基于交流阻抗的电池内短路诊断方法，在电池发生内短路后，其直流和交流阻抗均发生变化，尤其在低频区。该方法通过测量电池的交流阻抗与正常健康电池的交流阻抗谱进行比对，判断电池是否发生内短路。
但是，以上三种方法在应用中均存在一些问题。第一种电池内短路诊断方法简单可行，但是在电池内短路的早期和中期直接特征并不明显，难以识别，而在直接特征明显的后期，内短路发展迅速，不可阻断，此时进行检测已无意义；第二种电池内短路诊断方法准确度高，并且能对内短路等效电阻进行定量计算，但需要对电池进行两个完整的充电周期，无法在使用过程中进行在线诊断；第三种电池内短路诊断方法需要使用额外电化学设备，成本较高，限制了其广泛应用。
发明内容
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能够在线、准确地判断电池是否发生内短路，并且定量地计算出内短路等效电阻的基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法，该方法包括如下步骤：
1)离线建立电池在不同老化阶段的增量容量曲线，作为基准增量容量曲线；
2)在线获取待测电池的增量容量曲线，并确定其老化阶段；
3)将待测电池的增量容量曲线与对应老化阶段下的基准增量容量曲线进行比较，根据增量容量曲线判断电池是否出现内短路；
4)利用增量容量曲线中特征峰的峰值面积进行内短路阻值定量计算。
优选地，步骤1)和步骤2)中增量容量曲线通过如下方式获得：
a)获取对应电池在标准充电工况下的充电电压曲线，根据充电电压曲线获取初始增量容量曲线；
b)采用滤波算法对原始增量容量曲线进行滤波得到相应的增量容量曲线。
优选地，所述的初始增量容量曲线为电池增量容量dQ/dV与电池端电压V的关系曲线，dQ为电池容量增量，dV为对应地电池端电压增量。
优选地，电池增量容量dQ/dV通过差分法获得，具体通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002923412080000021
其中，ΔQ为电池容量增量，ΔV为电池端电压增量，Qt2和Qt1分别为t2时刻和t1时刻的电池电量，Vt2和Vt1分别为t2时刻和t1时刻的电池端电压。
优选地，所述的滤波算法采用卡尔曼滤波算法。
优选地，步骤3)判断电池是否出现内短路的判断依据包括特征峰或特征谷的高度。
优选地，步骤3)根据特征峰判断电池是否出现内短路的具体方式为：
若待测电池的增量容量曲线中特征峰高于基准增量容量曲线特征峰，则确定待测电池发生内短路，否则认为待测电池为正常的健康电池；
优选地，步骤3)根据特征谷判断电池是否出现内短路的具体方式为：
若待测电池的增量容量曲线中特征谷高于基准增量容量曲线特征谷，则确定待测电池发生内短路，否则认为待测电池为正常的健康电池。
优选地，步骤4)进行内短路阻值定量计算的具体方式为：
首先，根据待测电池的增量容量曲线和基准增量容量曲线特征峰的面积计算内短路电流IISC：
Figure BDA0002923412080000031
其中，SISC为发生内短路时待测电池的增量容量曲线特征峰的峰值面积，SNormal为基准增量容量曲线特征峰的峰值面积，t1、t2分别代表特征峰的起始时间和结束时间；
然后，基于内短路电流IISC计算出内短路阻值RISC：
Figure BDA0002923412080000032
其中，
Figure BDA0002923412080000033
为增量容量曲线特征峰范围内的电池平均端电压。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明利用增量容量曲线电池内短路在线诊断，实施简便，能够在线、准确地判断电池是否发生内短路，并且定量地计算出内短路等效电阻；
(2)本发明方法可以根据电池不同的老化程度进行标定，从而实现不同老化阶段电池内短路定量诊断，算法精度高。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为待测电池增量容量曲线和基准增量容量曲线图。
具体实施方式
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。
实施例
本发明提供一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路在线定量诊断方法，该方法考虑到了实际应用中对内短路诊断的在线性和快速性的要求，基于电池内短路状态与增量容量曲线特征的关系在线进行内短路的诊断，并利用增量容量曲线峰值面积进行内短路阻值的定量计算。
本发明的主要方法流程如图1所示，具体包括以下步骤：
S1，离线建立电池在不同老化阶段的增量容量曲线，作为基准增量容量曲线；
步骤S1中，本发明的理论基础是电池内短路状态与增量容量曲线特征之间存在相关性，故需要获取电池未老化状态下的容量增量曲线，并将其作为内短路状态在线诊断及阻值定量计算的依据。
本实施例中所使用电池为锂离子电池，充放电截止电压分别为4.2V和2.5V，实际应用中并不限于此。
S11，根据电池标准充电工况下的充电电压曲线，获取电池增量容量曲线。
步骤S11中，标准充电工况为电动汽车实际充电过程的工况，本实施例中充电过程在25摄氏度下进行，充电过程选用标准的恒流-恒压(CC-CV)充电方法，即以0.05C的电流充电至截止电压4.2V后转为恒压充电，直至电流小于0.015C。
充电电压曲线为电池端电压V与充电时间t的关系曲线。
电池增量容量dQ/dV通过差分法获得，具体通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002923412080000041
其中，ΔQ为电池容量增量，ΔV为电池端电压增量，Qt2和Qt1分别为t2时刻和t1时刻的电池电量，Vt2和Vt1分别为t2时刻和t1时刻的电池端电压。
此处差分法包括等时间间隔(Equal time interval,ETI)或者等电压间隔(Equalvoltage interval,EVI)的方式进行计算，如下，其中IC代表容量增量，
Figure BDA0002923412080000042
其中，ΔV为设定的电池端电压增量，ΔQ为在设定的电池端电压增量下的电池容量增量，Q2、Q1分别为设定的电池端电压增量下的电池电量端值。
Δt为设定的时间间隔，ΔQ为在设定的时间间隔内的电池容量增量，ΔV为在设定的时间间隔内的电池端电压间隔，I为电池充电电流，V2、V1分别为设定的时间间隔下的电池端电压端值。
使用ETI或者EVI的方式计算容量增量曲线的问题在于时间(电压)间隔会严重影响容量增量曲线，间隔过小，会因为数值微分引入过多的噪声；间隔过大，会使得容量增量曲线的特征变得不明显，综上，传统的数值微分的方式受间隔的影响很大，通过此种方式获得的曲线特征将会影响电池内短路诊断的准确性。
S12，采用卡尔曼滤波算法对上述增量容量曲线进行滤波。
步骤S12中，k时刻的容量增量值满足以下状态及观测方程：
Figure BDA0002923412080000051
其中，xk和yk分别为k时刻的增量容量dQ/dV和带噪声的xk的观测量，vk为k时刻的观测噪声。
本实施例中通过卡尔曼滤波算法来估计电池的容量增量值，具体步骤如下，
Figure BDA0002923412080000052
Figure BDA0002923412080000053
Figure BDA0002923412080000054
Figure BDA0002923412080000055
Figure BDA0002923412080000056
以电池电压Vk为横坐标，通过卡尔曼滤波估计得到的容量增量值
Figure BDA0002923412080000057
为纵坐标，绘制电池在不同老化阶段下的容量增量曲线，进而形成不同老化阶段的基准增量容量曲线。
S2，在线获取卡尔曼滤波后待测电池的增量容量曲线。
步骤S2中，采用步骤S1中同样的方法，在线获取标准充电工况下的电压曲线，通过卡尔曼滤波算法处理得到增量容量曲线。
本实施例中分别在电池两端并联100Ω、200Ω、500Ω和1000Ω的电阻来模拟电池发生内短路，然后进行该方法的验证。
S3，将待测电池的增量容量曲线与基准增量容量曲线进行比较，根据增量容量曲线判断电池是否出现内短路。
步骤S1和S2所绘制的待测电池增量容量曲线和基准增量容量曲线如图2所示，从中可以看出，随着内短路阻值(外接电阻阻值)的减小，增量容量曲线呈上升的趋势，初步体现出了增量容量曲线与电池内短路存在相关性。
步骤S3中，根据所绘制的待测电池增量容量曲线和基准增量容量曲线图，选取与电池内短路最相关的初步增量容量曲线特征作为主要增量容量曲线特征，初步增量容量曲线特征包括增量容量曲线的特征峰、特征谷的高度以及特征峰的面积，且选择的主要增量容量曲线特征应该在动力电池的正常使用范围内被明显地的识别出。
步骤S3中判断电池是否出现内短路的判断依据包括特征峰或特征谷的高度。
根据特征峰判断电池是否出现内短路的具体方式为：
若待测电池的增量容量曲线中特征峰高于基准增量容量曲线特征峰，则确定待测电池发生内短路，否则认为待测电池为正常的健康电池；
根据特征谷判断电池是否出现内短路的具体方式为：
若待测电池的增量容量曲线中特征谷高于基准增量容量曲线特征谷，则确定待测电池发生内短路，否则认为待测电池为正常的健康电池。
关于选取特征峰还是选取特征谷进行内短路判断，需要根据不同的电池进行选择，本例选用增量容量曲线第一个峰为特征峰，实际应用中并不限于此。判断方法为：若待测电池增量容量曲线的特征峰高于未老化时增量容量曲线的特征峰则确定该电池发生内短路，否则认为该电池为正常的健康电池。
从图2可以看出，当电池发生内短路(外接电阻)时，其增量容量曲线第一个峰的高度明显高于基准容量曲线第一个峰的高度，并且随着内短路阻值(外接电阻阻值)的减小，峰的高度增加。
S4，利用增量容量曲线的特征峰值面积进行内短路阻值定量计算。
步骤S4中，通过待测电池增量容量曲线与未老化时增量容量曲线特征峰的面积差来计算内短路电流IISC，其计算公式为：
Figure BDA0002923412080000061
其中，SISC为发生内短路时增量容量曲线特征峰的面积，SNormal为未老化时电池增量容量曲线特征峰的面积，t1和t2分别代表特征峰的起始时间和结束时间。
通过内短路电流IISC，可以定量地计算出内短路阻值RISC，其计算公式为：
Figure BDA0002923412080000062
其中，
Figure BDA0002923412080000063
为增量容量曲线特征峰范围内的电池平均端电压，IISC为内短路电流。
利用上述方法计算得到的内短路阻值结果如表1所示：
表1内短路阻值计算结果
Figure BDA0002923412080000071
综上所述，本发明的一个实施例是可行的，并且估计结果与实际容量数据误差较小。
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。

Claims (8)

1.一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)离线建立电池在不同老化阶段的增量容量曲线，作为基准增量容量曲线；
2)在线获取待测电池的增量容量曲线，并确定其老化阶段；
3)将待测电池的增量容量曲线与对应老化阶段下的基准增量容量曲线进行比较，根据增量容量曲线判断电池是否出现内短路；
4)利用增量容量曲线中特征峰的峰值面积进行内短路阻值定量计算；
步骤4)进行内短路阻值定量计算的具体方式为：
首先，根据待测电池的增量容量曲线和基准增量容量曲线特征峰的面积计算内短路电流IISC：
Figure FDA0003319308840000011
其中，SISC为发生内短路时待测电池的增量容量曲线特征峰的峰值面积，SNormal为基准增量容量曲线特征峰的峰值面积，t1、t2分别代表特征峰的起始时间和结束时间；
然后，基于内短路电流IISC计算出内短路阻值RISC：
Figure FDA0003319308840000012
其中，
Figure FDA0003319308840000013
为增量容量曲线特征峰范围内的电池平均端电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中增量容量曲线通过如下方式获得：
a)获取对应电池在标准充电工况下的充电电压曲线，根据充电电压曲线获取初始增量容量曲线；
b)采用滤波算法对原始增量容量曲线进行滤波得到相应的增量容量曲线。
3.根据权利要求2所述的一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法，其特征在于，所述的初始增量容量曲线为电池增量容量dQ/dV与电池端电压V的关系曲线，dQ为电池容量增量，dV为对应地电池端电压增量。
4.根据权利要求3所述的一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法，其特征在于，电池增量容量dQ/dV通过差分法获得，具体通过如下公式计算得到：
Figure FDA0003319308840000021
其中，ΔQ为电池容量增量，ΔV为电池端电压增量，Qt2和Qt1分别为t2时刻和t1时刻的电池电量，Vt2和Vt1分别为t2时刻和t1时刻的电池端电压。
5.根据权利要求2所述的一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法，其特征在于，所述的滤波算法采用卡尔曼滤波算法。
6.根据权利要求1所述的一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法，其特征在于，步骤3)判断电池是否出现内短路的判断依据包括特征峰或特征谷的高度。
7.根据权利要求6所述的一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法，其特征在于，步骤3)根据特征峰判断电池是否出现内短路的具体方式为：
若待测电池的增量容量曲线中特征峰高于基准增量容量曲线特征峰，则确定待测电池发生内短路，否则认为待测电池为正常的健康电池。
8.根据权利要求6所述的一种基于增量容量曲线峰值面积的电池内短路定量诊断方法，其特征在于，步骤3)根据特征谷判断电池是否出现内短路的具体方式为：
若待测电池的增量容量曲线中特征谷高于基准增量容量曲线特征谷，则确定待测电池发生内短路，否则认为待测电池为正常的健康电池。
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