用于检测电池单元衰退事件的电路和方法与流程

本申请大体上涉及用于车辆的电池单元放电或消耗检测。

背景技术：

混合动力电动车辆或全电动车辆包括由串联和/或并联的多个电池单元构成的牵引电池。牵引电池提供用于车辆推进和辅助功能的电力。在操作期间，牵引电池基于操作状况被充电或放电。

技术实现要素：

一种用于车辆的电池管理系统包括控制器，所述控制器被配置为：响应于在电池单元放电期间的电压变化率在预定义时间段中超过第一阈值多于预定次数，输出错误信号，并响应于所述电压变化率超过大于所述第一阈值的第二阈值，输出所述错误信号。

一种车辆电池管理系统包括控制器，所述控制器被配置为：响应于在再充电事件期间对电池单元部分放电时电池单元的电压变化率超过第一阈值，或者响应于所述电池变化率超过第二阈值的情况的数量超过计数阈值，输出错误信号，其中，第二阈值低于第一阈值。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：响应于输出所述错误信号，将电池单元旁路。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：响应于输出所述错误信号，将与所述电压变化率相关的电池单元放电。

根据本发明的一个实施例，所述电压变化率与从所述电池单元流出的电流变化率相关联。

根据本发明的一个实施例，所述电压变化率与所述电池单元的荷电状态变化率相关联。

根据本发明的一个实施例，所述电压变化率与时间的变化率相关联。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：响应于电池单元的容量降到所述电池单元的寿命开始时的容量的预定百分比以下，输出所述错误信号。

一种操作用于车辆的电池包的方法包括：当电池单元超过荷电状态阈值时对所述电池单元放电；响应于在预定义放电时间段期间所述电池单元的电压变化率超过第一阈值多于预定次数，或者响应于所述电压变化率超过大于第一阈值的第二阈值，输出故障信号。

根据本发明的一个实施例，其中，对所述电池单元放电是使电荷从所述电池单元流向测试负载，其中，从所述电池单元流向测试负载的所述电荷比所述电池单元的电荷容量的最大状态的1％少。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：响应于输出故障信号，将电荷从所述电池单元排出，使得所述电池单元的电荷比所述电池单元的电荷容量的最大状态的10％少。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：响应于输出故障信号，将所述电池单元旁路。

附图说明

图1是示出典型的动力传动系统和能量储存组件的混合动力车辆的示图。

图2是包括多个电池单元并由电池能量控制模块(becm)监测和控制的可能的电池包布置的示图。

图3a是电池单元的电压相对于时间的图形表示。

图3b是电池单元的电压的变化(dv/dt)相对于时间的图形表示。

图4a是电池单元的电压相对于电池单元的荷电状态(soc)的图形表示。

图4b是电池单元电压的变化相对于电池荷电的变化(dv/dq)的图形表示。

图5是基于电池单元电压的变化相对于时间或者荷电或soc的变化超过阈值的电池单元故障检测的流程图。

图6是基于电池单元电压的变化超过上限阈值或多次超过下限阈值的电池单元故障检测的流程图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的是，参考任一附图示出和描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定应用或实施方式。

牵引电池(诸如锂离子电池)是混合动力车辆、插电式混合动力车辆和电池电动车辆(分别为hev、phev和bev)的组成组件。在通常由多个独立电池单元构成的电池中，电池单元被设计为操作指定的时间框架(通常为多年)或指定的用户使用的英里数。需要对电池包中的电池单元的功能的任何过早故障或损失进行检测来对车主提供警告，使得车辆可在损失任何功能之前被采取服务。功能的故障或丧失可由多种机制引起，包括高电阻内部短路、低电阻内部短路以及电池内的组件上析锂(liplating)。过多的容量损失的另一机制包括电池单元内的加速的化学变化。通过常规方法对即将发生的电池单元故障进行检测已经不可信，并且电池单元故障事件的本质以及相对低的故障率对明确的检测提出了挑战。

这里，提出了对电池单元功能的过早损失或电池单元故障事件的多种机制进行检测的系统和方法。该功能的预测性质警告用户功能即将损失。这些事件可包括由于供应商的电池单元制造缺陷导致的高电阻内部短路、由于供应商的电池单元制造缺陷导致的低电阻内部短路、在车辆处于低环境温度下充电期间的析锂、由于电池单元内的不期望的化学变化导致的容量加速损失。在这些事件期间，在已知状况下或被控制的状况下的电池单元电压的变化更早地反映了提到的相关事件。通过在用户车辆中的电池操作期间检测这种电压变化，我们可预测电池单元功能的损失或电池单元故障。这些系统和方法提供了对功能缺陷的详细的诊断描述，所述诊断描述有助于在用户被搁浅之前或者在需要考虑电池的安全性之前识别有故障的牵引电池。

车辆牵引电池可包括位于电池包内的电池能量控制模块(becm)，所述电池能量控制模块(becm)监测电池单元电压、电池电流以及选择性的电池单元温度或电池单元模块温度。此外，becm直接或间接地控制流入电池的充电电流的量或流出电池的负载电流的量。becm可被配置为运行诊断检查以通过对即将发生的电池单元故障进行检测而评估电池包健康。这种诊断测试可包含以1c的速率或其它低速率执行持续放电或充电测试，随后对电压微分(例如dv/dt、dv/dq、dv/dsoc)或电阻(dv/di)进行分析，同时查看数值的非正常变化的特征或指示。

内部电池单元短路可被分类为微短路、硬短路或软短路。微短路是短暂的内部短路(例如在持续时间内造成短路并破坏短路)，微短路释放足够损坏隔膜的热能量，但能量不足以导致热失控。硬短路是永久性的低电阻内部短路，所述硬短路将根据电池单元的荷电状态导致热失控。软短路是永久性的高电阻内部短路，所述软短路导致高于正常的自身放电率，但不会导致电池单元过热。硬短路事件和软短路事件二者均导致受影响的电池单元的开路电压(ocv)下降，并可能对电池单元操作有害。

电池单元的内部短路可能很少发生，并且通常难以检测。根据短路的发展机制以及哪些内部电池单元组件互相接触，短路可变为相对良性的高电阻内部短路或更危险的低电阻内部短路。高电阻内部短路引起高于正常的自身放电速率；而低电阻内部短路可迅速导致热失控事件。一种理论是低电阻内部短路之前频繁发生多次高电阻内部短路。因此，检测高电阻内部短路有益于预测即将发生的更危险的低电阻内部短路的可能性。

一种方法包括监测dv/di。通常，电池单元电压的变化与电流成比例，具有的比例常数为电阻(v＝ir)。比例常数或电阻是电池单元的荷电状态(soc)和电池单元的温度的函数。根据这些参数的知识，当预期的电压响应的范围在测量公差内时，关于电池单元对动态电流输入(例如充电或放电、脉冲或持续)的电压响应的确定是可能的。例如，针对给定电流方向和幅值的电压响应小于预期可指示提供用于电流通过的并联路径的低电阻内部短路的实时发生。这种事件随后有两种途径，第一是电池单元可能导致快速(在10秒内)热失控，或者第二，低电阻短路可变为开路，留下碳化的隔膜材料，所述碳化的隔膜材料可导致阳极和阴极之间的高电阻短路。

另一种方法包括监测dv/dt以及电池单元平衡速率或频率。跟踪电池电压的变化速率同时没有电流流动允许对具有高于正常的自身放电速率的电池单元进行识别。如果控制电路对电池包的电池单元的soc进行平衡，则平衡活动的数量可指示电池单元具有由高电阻内部短路引起的高于正常的自身放电速率。对高电阻内部短路的每次检测可被存储为针对每个电池单元的使用寿命的函数。为了避免错误的健康状态警报，软件标签可被限制为仅当用于检测高电阻内部短路的滤波趋势线超过预定值时设立，在设立之后，becm可随后输出警告。

在另一实施例中，在内部短路的电压特征(基于电池单元电压中的变化)的初始指示到由于热失控导致的电池排气状况之间存在大约25秒的延时。排气状况可能通常发生在由硬短路引起的电池单元电压信号的大幅下降(如另一负的dv/dt尖峰信号所指示)之后。通过在电池包中可疑的电池单元的放电或充电期间检测电压特征，对电池单元故障事件进行早期检测是可能的。注意，基于|dv/dt|硬短路>|dv/dt|软短路的状况，可区分出高电阻内部短路和低电阻内部短路，其中，|dv/dt|指的是导数的绝对值。

实施思路可包括在电池处于充电模式期间检测这种故障模式。这里，电池控制器和电池包进入充电模式，同时，控制器向电池包提供恒定充电电流。在充电模式期间，可进行电池测量，并且可记录电池的电压。此外，可记录电池电压相对于时间的变化值(dv/dt)。在正充电电流流动时，相对于时间的任何负电压尖峰(-dv/dt)指示瞬时内部短路的发展。

此外，这些技术可被用于检测电池单元内的析锂。析锂通常在电池处于低环境温度(诸如0摄氏度-40摄氏度)下充电期间发生在负电极上。尽管电池控制算法通常限制低温下的充电功率以防止析锂，但该效应是积累的。监测电池单元以确定是否已经超过任何析出阈值的能力可能是有益的。在放电期间的电池单元电压可能由于在负电极上析锂而呈现高soc区域中的平台指示。指示针对dv/dq>阈值的析锂的高soc区域中的宽峰可指示电压微分。类似地，dv/dsoc分析可用于产生类似的结果，并可用于析锂分析。通过控制器使用放电曲线来检测该特征允许检测析锂的潜在存在，允许关于内部短路导致的电池单元故障的可能性的警报，所述内部短路由电池中的锂枝晶的生长引起。

析锂检测和预测的进一步改进可包括采集一系列的测量值。所述一系列的测量值可提供可被用于确定析锂变化的趋势数据。例如，基于在不同时间采集的多个数据集，关于电压特征的趋势信息与更早的数据进行比较可提供关于析锂的信息。

永久析锂确定的另一实施思路包括基于在放电过程期间采集的历史数据进行的估计。随着析锂增加，dv/dq(或dv/dsoc)的峰值的幅值将增大，允许我们识别可能的电池单元故障情况。

随着析锂增加，dv/dq或dv/dsoc峰值将增大。设计思路可包括在电池寿命开始测试期间，上限校准阈值以及对所述上限校准阈值在特定温度、特定电流或特定电池荷电状态下是否被超过进行比较。如果所述阈值被超过，则电池析锂可能已经达到了严重的水平。在另一实施例中，设计思路包括下限校准阈值以及下限校准阈值在特定温度范围(或者在特定电流范围或在特定电池荷电状态范围)内被超过的计数次数。此外，析锂总是伴随着固有电池容量的衰退。在锂加速析出的情况下，我们可预期电池容量更快的下降。

本文中对峰值特征的分析依赖于由控制器使用或测量的电压、时间、电荷和soc的多个数值。有时，这些信号可能是噪声，并且我们将利用滤波技术来提取需要的信息。dv/dt、dv/dq和dv/dsoc的峰值的幅值将相应地不同，并将被得当地用于电池单元故障分析、检测并进一步采取行动。

其它过多的容量损失事件可由于电池单元内的加速的化学变化而发生，这可能是电池单元老化过程的结果。电池单元容量可通过在已知的固定速率(诸如1c)下执行放电测试或充电测试来确定。c-速率是速率的测量值，其中，电池相对于其最大容量以该速率放电。1c速率意味着放电电流将在1小时内将整个电池放完电。例如，对于具有10安培-小时的容量的电池，1c速率是10安培的放电电流持续一小时，0.5c速率是5安培持续放电两小时，2c速率是20安培持续放电半小时。控制器可评估电池单元容量，并可基于检测到低水平的容量而输出信号(诸如警报)。当任何容量值降到预定值(例如0.7*capbol)以下时，控制器可输出信号。这种容量检查可对各个电池单元、电池单元组或电池包执行。电池单元容量还可在获得两个合格的soc读数时由控制器伺机确定，在获得两个合格的soc读数之后，控制器可将两个soc读数之间通过的电荷除以两个soc读数的差。此外，针对每个电池单元在一段时间内的容量数据可被记录，并且可观察并记录其趋势。当绝对容量或容量的变化率超过预定阈值时，可从控制器输出信号。

图1示出了典型的插电式混合动力电动车辆(phev)。典型的插电式混合动力电动车辆112可包括机械地连接至混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置116机械地连接至发动机118。混合动力传动装置116还被机械地连接至驱动轴120，驱动轴120机械地连接至车轮122。电机114能在发动机118启动或关闭时提供推进和减速能力。电机114还用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热损失掉的能量来提供燃料经济效益。电机114还可通过允许发动机118以更有效的转速运转并允许混合动力电动车辆112在特定状况下关闭发动机118而以电动模式运转而减少车辆排放。

牵引电池或电池包124储存可被电机114使用的能量。车辆电池包124通常提供高电压直流(dc)输出。牵引电池124可电连接至一个或更多个电力电子模块。一个或更多个接触器142可在断开时将牵引电池124与其它组件隔离，并且在闭合时将牵引电池124连接到其它组件。电力电子模块126还可电连接至电机114，并在牵引电池124与电机114之间提供双向传输能量的能力。例如，牵引电池124可提供dc电压而电机114可使用三相交流(ac)电压来运转。电力电子模块126可将dc电压转换为三相ac电压来运转电机114。在再生模式下，电力电子模块126可将来自用作发电机的电机114的三相ac电压转换为与牵引电池124兼容的dc电压。这里的描述同样可用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力传动装置116可以是连接至电机114的变速箱，并且发动机118可不存在。

除了提供用于推进的能量之外，牵引电池124还可为其它车辆电力系统提供能量。车辆112可包括dc/dc转换器模块128，dc/dc转换器模块128将牵引电池124的高电压dc输出转换成与低电压车辆负载兼容的低电压dc供应。dc/dc转换器模块128的输出可电连接至辅助电池130(例如，12v电池)。低电压系统可被电连接至辅助电池。其它高电压电负载146(诸如压缩机和电加热器)可被连接至牵引电池124的高电压输出。电负载146可具有相关联的控制器，所述控制器在适当时操作和控制电负载146。

车辆112可以是电动车辆或插电式混合动力车辆，其中牵引电池124可通过外部电源136再充电。外部电源136可以连接到电源插座。外部电源136可电连接至充电器或电动车辆供电设备(evse)138。外部电源136可以是由电力公司提供的配电网络或电网。eves138可提供电路和控制，以调节和管理电源136与车辆112之间的能量传输。外部电源136可向evse138提供dc或ac电力。evse138可具有用于插入到车辆112的充电端口134中的充电连接器140。充电端口134可以是被配置为从evse138向车辆112传输电力的任意类型的端口。充电端口134可被电连接至充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可对从evse138供应的电力进行调节，以向牵引电池124提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块132可与evse138进行接口连接，以协调对车辆112的电力传输。evse连接器140可具有与充电端口134的相应凹槽匹配的插脚。可选地，被描述为被电耦合或电连接的各种组件可使用无线感应耦合传输电力。

可提供一个或更多个车轮制动器144，以使车辆112减速并阻止车辆112运动。车轮制动器144可以是液压致动的、电致动的或者它们的一些组合。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可包括用于操作车轮制动器144的其它组件。为简单起见，附图中示出了制动系统150与其中一个车轮制动器144之间的单一连接。制动系统150和其它车轮制动器144之间的连接被隐含。制动系统连接可以是液压的和/或电气的。制动系统150可包括控制器，以监测和协调车轮制动144的操作。制动系统150可监测制动组件并控制车轮制动器144以使车辆减速。制动系统150可对驾驶员命令做出响应并且还可以自主运转以实现诸如稳定性控制的功能。当被另一控制器或子功能请求时，制动系统150的控制器可实现施加被请求的制动力的方法。

车辆112中的电子模块可经由一个或更多个车辆网络进行通信。车辆网络可包括用于通信的多个信道。车辆网络的一个信道可以是诸如控制器局域网络(can)的串行总线。车辆网络的信道中的一个可包括由电气和电子工程师协会(ieee)802系列标准定义的以太网。车辆网络的额外信道可包括模块之间的离散连接，并可包括来自辅助电池130的电力信号。不同的信号可通过车辆网络的不同信道传输。例如，视频信号可通过高速信道(例如以太网)传输，而控制信号可通过can或离散信号传输。车辆网络可包括协助在模块之间传输信号和数据的任意硬件组件和软件组件。车辆网络没有在图1中示出，但图1可隐含着车辆网络可连接到车辆112中存在的任意电子模块。可存在车辆系统控制器(vcs)148来协调各个组件的操作。

牵引电池124可由各种化学配方构造。典型的电池包化学成分可以是铅酸、镍金属氢化物(nimh)或锂离子。图2示出了n个电池单元202的简单串联结构的典型的牵引电池包124。然而，其它电池包124可由串联连接或并联连接或者它们的一些组合连接的任意数量的单个电池单元组成。同样，电池单元202可由以串联和/或并联形式连接的多个阳极和阴极板构成，其中，术语电池单元是被配置为由传感器模块204直接测量和监测的最小结构。电池管理系统可具有检测并控制牵引电池124的性能的一个或更多个控制器(诸如电池能量控制模块(becm)206)。电池包124可包括用于测量各个电池包水平特征的传感器。电池包124可包括一个或更多个电池包电流测量传感器208、电池包电压测量传感器210和电池包温度测量传感器212。becm206可包括与电池包电流测量传感器208、电池包电压测量传感器210和电池包温度测量传感器212接口连接的电路。becm206可具有非易失性存储器，使得数据可在becm206处于关闭状况时被保留。保留的数据可以在下一钥匙循环时使用。

除了电池包水平特征之外，还可测量和监测电池单元202的水平特征。例如，可测量每个电池单元202的端电压、电流和温度。系统可使用一个或更多个传感器模块204来测量电池单元202的特征。根据容量，传感器模块204可测量一个或多个电池单元202的特征。电池包124可利用多达nc个传感器模块204来测量所有电池单元202的特征。每个传感器模块204可将测量结果传输至becm206，用以进一步处理和协调。传感器模块204可将信号以模拟形式或数字形式传输至becm206。在一些配置中，传感器模块204的功能可被并入becm206内部。即，传感器模块204的硬件可被集成为becm206中的电路的一部分，并且becm206对原始信号进行处理。becm206还可包括与一个或更多个接触器142连接的电路，以断开或闭合接触器142。

图3a是电池单元的电压302相对于时间304的曲线306的图形表示300。这里，电池单元包括在图2中示出的电池单元202。术语电池单元可以是具有单个阳极和单个阴极的单个电池单元或者具有多个阳极和多个阴极的电池单元，其中，多个阳极和多个阴极可以以并联、串联或其组合的方式连接。这里，电池单元电压曲线306示出了发生在时间308处的陡峭的电压变化。该电压变化可在充电、放电时发生，或者在电池单元空闲时发生。如果电压变化的幅值超过预定阈值则指示内部短路。根据电池单元的能量状态和内部短路的本质，内部短路电流的流动可被中断，并且电池单元电压可回升。再次，根据电池单元的能量状态以及在内部短路事件期间释放的能量的量，热失控事件可在初始内部短路(如时间310指示的)的10秒内发生。因此，瞬时的内部短路可以是热失控事件的前兆。电池单元的电压变化率可相对于多个状况测量，所述多个状况包括时间变化、soc变化或者电池单元的电流的变化率。

在另一实施例中，电池单元电压曲线306示出了在对恒定负载放电期间，在时间308处发生电压下降。在时间308处的电压下降之后，在时间310处发生电池单元故障，此时，电池单元电压快速下降。通常，当电池单元在被充电时，任意车辆组件均不需要电池单元电流，或者需要来自电池单元的电流幅值小于来自充电站或来自电机的可用电流。为了精确检测电池电压的变化(诸如在时间308处示出的)，电池管理系统的控制器(诸如becm206)可在充电事件期间伺机执行部分放电。例如，当hev(诸如bev或phev)与充电站连接来接受充电电流时，控制器可通过选择性地连接到具有已知特性的负载来伺机对电池单元进行充电或放电。在对负载放电期间，电池单元的电压的变化率可被测量。电池单元的电压的变化率可相对于多种状况测量，所述多种状况包括时间变化、soc变化或者电池单元的电流变化率。

图3b是相对于时间304示出的电池单元电压的变化相对于时间的变化(dv/dt)352的曲线354的图形表示350。绘制了电池单元的电压相对于时间的变化率(dv/dt)来生成曲线354。控制器可被用于监测该曲线。所述控制器可被配置为将上限阈值与曲线354进行比较。所述上限阈值可从多个电池特征(包括电池寿命、电池容量、电池荷电状态、电池电流、电池化学成分、电池结构和电池的使用)中获得。例如，针对图3b设置的0.75dv/dt的上限阈值指示在时间点308处，dv/dt的幅值超过了上限阈值，因此这是可能的电池故障或错误的特征或指示。监测图3的电池单元的dv/dt的控制器可在时间点308处输出错误信号。所述错误信号可被用于通知操作者，伴随着通知，控制器可对电池单元安全地放电或将电池单元旁路。

类似地，控制器可被配置为将下限阈值的计数与曲线354进行比较。下限阈值可从多个电池特征(包括电池寿命、电池容量、电池荷电状态、电池电流、电池化学、电池结构和电池的使用)中获得。例如，针对图3b设置的0.25dv/dt的下限阈值指示在时间点308之前，dv/dt的幅值超过了下限阈值5次，因此，这是可能的电池故障或错误的另一特征或指示。监测图3的电池单元的dv/dt的控制器可在电池单元超过下限阈值多于预定次数(例如预定计数为5)时(诸如在时间点308)输出错误信号。错误信号可被用于通知操作者，伴随着通知，控制器可对电池单元安全地放电或将电池单元旁路。伴随着监测和持续地累计计数，控制器可被配置为监测电池单元的dv/dt，并当在预定时间段(例如10秒的窗口)内计数超过预定次数(例如预定计数为5)时输出错误信号、对电池单元安全地放电或将电池单元旁路。

图4a是电池单元的电压402相对于电池单元的荷电状态404的曲线406的图形表示400。这里，在点408处3.5伏特附近，发生了电池单元电压402的下降。曲线406大体是平滑的，因此，曲线406可能难以用于解释潜在故障的任意特征。

图4b是相对于电池单元的荷电状态404示出的电池单元电压的变化相对于电池荷电的变化(dv/dq)或者相对于电池荷电状态(dv/dsoc)412的曲线414的图形表示410。绘制了电池单元的电压相对于荷电的变化率(dv/dq)来生成曲线414。同样，绘制了电池单元的电压相对于荷电状态的变化率(dv/dsoc)来生成曲线414。控制器可被用于监测该曲线414。控制器可被配置为将上限阈值与曲线414进行比较。所述上限阈值可从多个电池特征(包括电池寿命、电池容量、电池荷电状态、电池电流、电池化学成分、电池结构和电池的使用)中获得。例如，针对图4b设置的0.2dv/dq的上限阈值指示在电池单元的荷电状态大约为0.75(略微在点408之后)处，dv/dq(或dv/dsoc)的幅值超过上限阈值，因此这是可能的未来的电池故障或错误的特征或指示。监测图4b的电池单元的dv/dq(或dv/dsoc)的控制器可在与3.4伏特电压相关的时间点处输出错误信号。所述错误信号可被用于通知操作者，伴随着通知，控制器可对电池单元安全地放电或将电池单元旁路。

图3a、3b、4a和4b分别示出了在内部短路或析锂事件的初始阶段的电压微分dv/dt、dv/dq或dv/dsoc的非正常的曲线或特征。此外，在过多容量损失期间，电池单元容量可降到电池单元寿命开始(bol)时的电池单元容量的大约70％的标记以下。因此，我们示出了控制器可对电池单元实施充电或放电测试，并查找针对dv/dt、dv/dq、dv/dsoc或针对电池单元的低容量的特征，并发出指示潜在的电池单元故障的警报。与放电测试类似，可执行充电测试，其中，控制器在电池充电期间监测电池单元的电压相对于时间变化、soc变化或电池单元电流变化的变化率。

控制器可被用于通过监测电池单元的电压变化率而检测电池单元的内部短路。控制器可在没有充电/放电电流流动时或者在恒定的不变电流流动时监测电压的变化率。然而，如果同时进行di/dt测量，则在动态电流流动期间，可应用类似的dv/dt、dv/dq或dv/dsoc阈值测量技术。

微短路(例如临时短路)和硬短路(例如永久短路)之间的差别是微短路通常仅持续大约几微妙或几秒，在微短路之后，电池单元电压返回到微短路事件开始之前观测到的水平。然而，在硬短路或软短路的情况下，电池单元电压无法恢复。这里，示出了经由测量dv而检测硬短路或软短路的方法。所述方法包括确定和检测电池单元的电压变化率(还被称为电压特征)。

电压特征可包括测量的电压相对于时间的变化率(dv/dt)，所述变化率超过通常以伏特每秒(例如0.5v/s)表示的特定阈值。一旦检测到电压特征，控制器还可被配置为测量并记录与电压特征相关的统计数据。例如，针对给定电池单元的电压特征的总数可被记录在电池监测系统的存储器中。此外，电压特征的幅值可通过记录峰值dv(也被描述为事件的幅值)进行表征。如果事件计数过高或者峰值幅值显著，则控制器可输出指示潜在的即将发生的硬短路或软短路的故障信号。

图5是基于超过阈值的电池单元电压变化的电池单元故障检测的流程图500。在操作502中，控制器执行电池单元放电测试或电池单元充电测试。放电测试可包括将负载连接至电池单元，使得电流流入负载。理论上，该负载具有已知的特性，因此电池的电响应应该容易预测。可选地，控制器可执行充电测试，其中，将已知和规定的电源提供至电池单元。

在操作504中，控制器响应于电池单元操作测试502而监测电池单元的电压变化率(dv)。所述控制器监测、测量并记录电池单元的电压变化率(dv)。电池单元的电压变化率(dv)可相对于相关的时间变化或相关的电池荷电(或soc)的变化而被测量。此外，电池单元的低容量特征可被监测、测量并记录。

在操作506中，控制器将电池单元的电压相对于相关时间的变化率(dv/dt)与预定dv/dt阈值(例如1v/s)进行比较。随后，控制器将电池单元的电压相对于电池单元的相关的荷电或soc的变化率(dv/dq或dv/dsoc)与预定dv/dq阈值或预定dv/dsoc阈值进行比较。而且控制器随后将电池单元容量(capcell)与电池单元寿命开始时电池单元容量(capbol)的预定百分比进行比较。如果(dv/dt)超过预定dv/dt阈值、dv/dq(dv/dsoc)超过预定dv/dq阈值(或预定dv/dsoc阈值)或者(capcell)低于(capbol)的预定百分比，则控制器将前进至操作508。

在操作508中，控制器输出故障信号。故障信号可被输出至车辆操作者视野中的视觉显示器、输出至音频系统以向车辆的操作者提供可听到的警报或者发送至远离车辆的系统以用于进一步诊断。伴随着输出故障信号，控制器可对电池单元进行放电或可将电池单元旁路。

例如，如果电池单元故障被确定为对电池包的安全操作造成了不可接受的风险，则单个电池单元或整个电池包的能量状态可通过相同的泄放电阻器(或电阻器)进行放电来降低，因此缓解热事件的风险，所述泄放电阻器(或电阻器)用于使用已经存在的电路来平衡电池包中的电池单元的soc。

类似地，如果单个电池单元的功能限制了由多个其它可接受地执行的电池单元组成的整个电池包的功能，则单个故障电池单元可与其最近的相邻电池单元断开电连接，并且可插入导电桥来代替该电池单元。这将需要能够处理相关电流的电子或机械开关的存在。

在可选的实施例中，故障信号可被发送至电池诊断模块(bdm)。bdm是诊断电池短期和长期健康状况(包括电池硬件组件(诸如电流传感器、电压传感器、温度传感器、接触器)的健康以及电池单元(包括电池单元容量)的健康)的控制单元。电池诊断模块可处于becm中，或者可以是通过诸如lin、can网络、rs232串行通信的连接方式或者通过无线通信与becm连接的单独ecu。bdm可记录电池的状况。

一旦电压特征被识别，控制器可在记录任意额外的电压特征之前经由延时来等待预定时间(例如等待2秒)。所述延时是由于其中单个事件产生了多个dv尖峰的状况，其中仅有第一个尖峰与指示存在事件或电池单元故障有关。

图6是基于电池单元电压的变化率超过上限阈值或超过下限阈值若干次数的电池单元故障检测的流程图600。

在操作602中，控制器执行电池单元充电测试或电池单元放电测试。充电测试可包括将已知和规定的电源与电池单元连接，使得电流流入电池单元。可选地，放电测试可包括将负载连接至电池单元，使得电流流入负载。理想状况下，负载具有已知的特性，因此电池的电响应应该容易预测。

在操作604中，控制器响应于操作602的电池单元测试监测电池单元的电压变化率(dv)。所述控制器监测、测量并记录电池单元的电压变化率(dv)。电池单元的电压变化率(dv)可相对于相关的时间变化、荷电变化或相关的电池单元的soc的变化进行测量。此外，可监测、测量和记录电池单元的低容量的特征。

在操作606中，在给定的soc范围内电池单元的电压相对于相关的电池单元的荷电(或soc)的峰值变化率dv/dq(或dv/dsoc)被记录。在操作608中，控制器将dv/dq(或dv/dsoc)记录在存储器中。示出的数据被记录为表格；然而，所述记录可使用其它数据结构形式。

在操作610中，控制器确定充电测试或放电测试是否完成，如果测试未完成，则控制器重复操作604、606、608和610。如果测试完成，则控制器前进至操作612。

在操作612中，控制器将基于(与相似于当前soc的soc水平相关的)原始soc的dv/dq(或dv/dsoc)与当前soc下的当前dv/dq(或dv/dsoc)进行比较。在操作614中，控制器检查操作612的比较结果，如果差值小于于预定数量，则控制器在操作628处退出。如果差值大于预定数量，则控制器前进至操作616。

在操作616中，控制器将电池单元的电压相对于相关的电池单元的荷电(或soc)的变化率dv/dq(或dv/dsoc)与预定的下限dv/dq(或dv/dsoc)阈值进行比较。可选地，控制器可将电池单元的电压相对于相关的时间的变化率(dv/dt)与预定的下限dv/dt阈值进行比较。如果dv/dq(或dv/dsoc)不超过预定的下限dv/dq(或dv/dsoc)阈值，或可选地，dv/dt不超过预定的下限dv/dt阈值，则控制器将前进至操作628处退出。如果dv/dq(或dv/dsoc)超过预定的下限dv/dq(或dv/dsoc)阈值，或可选地，dv/dt超过预定的下限dv/dt阈值，则控制器将前进至操作618。

在操作618中，控制器将电池单元的电压相对于相关的电池单元的荷电(或soc)的变化率dv/dq(或dv/dsoc)与预定的上限dv/dq(或dv/dsoc)阈值进行比较。可选地，控制器可将电池单元的电压相对于相关的时间的变化率(或dv/dt)与预定的上限dv/dt阈值进行比较。如果dv/dq(或dv/dsoc)超过预定的上限dv/dq(或dv/dsoc)阈值，或可选地，dv/dt超过预定的上限dv/dt阈值，则控制器将前进至操作620。如果dv/dq(或dv/dsoc)不超过预定的上限dv/dq(或dv/dsoc)阈值，或可选地，dv/dt不超过预定的上限dv/dt阈值，则控制器将前进至操作622。

在操作622中，控制器使计数器增加增量，并前进至操作624。在操作624中，控制器将计数器与计数阈值进行比较(例如dv/dq(或dv/dsoc)超过预定下限dv/dq(或dv/dsoc)阈值的情况发生5次)。如果计数少于或等于计数阈值，则控制器将前进至操作628处退出。如果计数大于计数阈值，则控制器将前进至操作626。计数阈值是重要的，是因为如果在特定电池单元中存在很多次电压特征事件，则该特定电池单元可能最终表现为硬短路或软短路，导致电池单元故障。

在操作620以及操作626中，控制器输出故障信号。所述故障信号可被输出至车辆的操作者视野中的视觉显示器、输出至音频系统以向车辆的操作者提供可听到的警报或者发送至远离车辆的系统。伴随着输出故障信号，控制器可对电池单元放电或可使电池单元旁路。

过多的电池单元容量损失检测和预测的进一步提升可通过采集图6中概述的一系列测量值来实现，其中，根据过多的容量损失是否增加来确定趋势。例如，可以使用图6中示出的标准而使用多个数据集(在不同的数据中采集的)，并且针对相同的电池单元电压或soc，我们比较dv/dt和/或dv/dq(或dv/dsoc)并查看与更早的数据相比特征是否明显增加。预测可基于该观测来实现。

在(通过电网或在车辆操作期间)充电事件期间使用部分放电进行伺机测试的示例包括当电池单元soc大于50％(诸如车辆处于90％soc)时。车辆操作包括当车辆行驶在道路上由内燃发动机、电机或它们的组合来推进时的时间，或者当车辆处于点火开关接通状况时。通常，对于具有3.7v标称电压的锂离子电池单元，大于3v(例如80％的标称电池单元电压)的电池单元电压的变化率指示故障，因此，上限阈值可设置为3v。1-2v(25％至50％的标称电池单元电压)之间的电池单元电压的变化率指示警告状态或下限阈值。如果电池单元超过下限阈值多于预定次数(例如10次)，则这种情况可指示故障。

在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机，或者通过所述处理装置、控制器或计算机实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可被存储为通过控制器或计算机以多种形式执行的数据或指令，其中，所述形式包括但不限于永久存储在不可写的存储介质(诸如，rom装置)中的信息以及可变地存储在可写的存储介质(诸如，软盘、磁带、cd、ram装置以及其它磁介质和光学介质)中的信息。所述处理、方法或算法也可在软件可执行对象中实施。可选地，可使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合来全部或部分地实现所述处理、方法或算法。

虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各个实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各个实施例已经被描述为提供优点或优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，根据特定应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，针对一个或更多个特性，被描述为不如其它实施例或现有技术实施方式合意的实施例并非在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。