基于固定電壓窗口（FVW）的在線定量ISC診斷方法

基于固定電壓窗口內(nèi)充電電量的內(nèi)部短路定量診斷方法

01

研究背景

內(nèi)短路（ISC）是動(dòng)力電池?zé)崾Э兀═R）的主要原因之一。通過電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行早期ISC的診斷和預(yù)警，對(duì)防止ISC向TR發(fā)展，提高動(dòng)力電池系統(tǒng)及電動(dòng)汽車的安全性具有重要意義。然而，不明顯的電熱特性給ISC的早期診斷，尤其是準(zhǔn)確的定量診斷帶來了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的大多數(shù)ISC診斷方法都基于水平比較，具有隱晦的前提，即模塊中每個(gè)電池的衰減速度相同，從而依據(jù)ISC電池與正常電池之間的電壓、電量或SOC等參數(shù)的差異來實(shí)現(xiàn)ISC診斷。但在現(xiàn)實(shí)中，電池的一致性隨著老化逐漸惡化，導(dǎo)致相關(guān)算法失效，甚至出現(xiàn)遺漏或錯(cuò)誤判斷。因此，提出了一種基于固定電壓窗口（FVW）的在線定量ISC診斷方法。該方法使用縱向比較來跟蹤每個(gè)電池在充電過程中的歷史充電電量特性的變化，不僅考慮了電池退化造成的容量衰減，還解決了電池一致性問題，可以快速識(shí)別ISC故障并進(jìn)行進(jìn)一步的定量診斷。

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診斷方法

由于ISC故障發(fā)生在電池內(nèi)部，電池的ISC電阻很難直接測(cè)量。然而，無論電池處于何種工作狀態(tài)，ISC電阻都在不斷消耗電量。對(duì)于正常電池，由于電池的容量衰減，其充電電量總體上呈緩慢下降趨勢(shì)，然而，當(dāng)ISC發(fā)生在某循環(huán)時(shí)，由于漏電流的存在，該循環(huán)的充電電量會(huì)突然增加，該特征為定量估計(jì)提供了機(jī)會(huì)。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶不會(huì)每次都從固定的充電初始電壓或SOC為電池充電。因此，很難獲取整個(gè)充電電壓曲線來診斷ISC，但可以選擇計(jì)算中高SOC下的充電FVW內(nèi)的電量QAB來檢測(cè)ISC。為此，我們提出了如圖1所示的診斷方法：對(duì)于電池組中使用的某種類型的電池，首先進(jìn)行電池的單體循環(huán)實(shí)驗(yàn)來收集電流和電壓數(shù)據(jù)，通過遺傳算法對(duì)FVW進(jìn)行優(yōu)化并確定診斷閾值。然后，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組內(nèi)每個(gè)電池在最優(yōu)FVW中的電量變化，判斷其電量增長(zhǎng)率σAB是否超過設(shè)定的閾值來進(jìn)行在線定性診斷。如果某電池在某次循環(huán)的電量增長(zhǎng)率超過所設(shè)閾值，則可以確定該單體在該循環(huán)中發(fā)生了ISC，隨后通過定量計(jì)算其短路阻值以評(píng)估其ISC程度。

圖1 基于固定電壓窗口內(nèi)充電電量的ISC定量診斷方法

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實(shí)驗(yàn)設(shè)置

單體實(shí)驗(yàn)用于確定最優(yōu)FVW和診斷閾值。采用等效短路電阻（ESR）法模擬早期ISC，將正常電池分別與外部電阻和開關(guān)并聯(lián)連接，放置在恒溫箱中，如圖2(a)。在KIKUSUI-PFX2512電池測(cè)試臺(tái)上，使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室恒流（CC）充電工況和實(shí)車階梯（SC）充電工況來獲得循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的ISC診斷方法在電動(dòng)汽車中的可行性，對(duì)具有六個(gè)電池單元Cell#1~#6的串聯(lián)電池組進(jìn)行了不同的實(shí)驗(yàn)：在CC充電下循環(huán)的電池組Pack 1，及在SC充電下循環(huán)的電池組Pack 2。電阻分別并聯(lián)到Cell#2和Cell#5，如圖2(b)所示，并且在某個(gè)循環(huán)內(nèi)同時(shí)觸發(fā)Cell#2和Cell#5的ISC故障。

圖2 實(shí)驗(yàn)示意圖 (a)ISC單體實(shí)驗(yàn) (b)電池組ISC電阻連接圖

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診斷結(jié)果

圖3(a)顯示了具有不同電阻的三個(gè)單體電池在最優(yōu)FVW中的充電電量QAB的變化趨勢(shì)。每個(gè)循環(huán)的電量增長(zhǎng)率σAB繪制在圖3(b)中，其始終穩(wěn)定在接近零的負(fù)值，偶爾為正，但不超過閾值（橙色虛線）。只有在發(fā)生ISC的循環(huán)31中，σAB超過閾值。使用SC充電工況的三個(gè)單體電池也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。

圖4(a)和圖4(b)展示了模組內(nèi)每個(gè)單體的QAB曲線。對(duì)于Pack 2，在整個(gè)過程中，Cell#2的QAB并不顯著高于其他單體，無法使用水平比較來檢測(cè)Cell#2的ISC故障。但縱向比較可以識(shí)別所有ISC單體，如圖4(c)和圖4(d)，只有ISC單體在ISC觸發(fā)循環(huán)中的σAB超過閾值。結(jié)果表明所提出的診斷方法也可定位電池組中所有的ISC單元。最后，定量估計(jì)已識(shí)別的ISC單體的阻值，其估計(jì)誤差小于6%，說明所提出定量診斷方法的有效性。

圖3 CC充電下的單體ISC診斷結(jié)果 (a)固定電壓區(qū)間內(nèi)充電電量變化 (b)電量增長(zhǎng)率變化

圖4 模組ISC診斷結(jié)果 (a~b)固定電壓區(qū)間內(nèi)充電電量變化，Pack 1(a)，Pack 2(b) (c~d)電量增長(zhǎng)率變化, Pack 1(c)，Pack 2(d)

責(zé)任編輯：彭菁