用于电池组内部短路的早期检测的方法与流程

1.本主题公开涉及一种用于防止电池组中的热失控的系统和方法，特别地，涉及基于充电和放电特性来检测内部短路。


背景技术：

2.电动车辆使用具有多个电池单元(cell)的电池组运行。通常，电池单元包括阳极、阴极和阳极和阴极之间的绝缘材料。材料短路会导致电池单元放电。然后会出现反馈回路，其中短路中的电流会导致电池单元温度升高，从而降低内部短路电阻，从而允许通过短路的电流增加。此反馈回路可能导致加热情况，称为热失控或tra和电池故障。因此，需要定位具有内部短路的电池单元，以便可以在电池故障发生之前采取预防措施。


技术实现要素：

3.在一个示例性实施例中，公开了一种检测车辆的电池组的内部短路的方法。该方法包括使电池组放电以基于第一组电池单元的充电状态识别电池组的第一组电池单元，对电池组充电以基于第二组电池单元的充电状态识别电池组的第二组电池单元，并在第一组电池单元和第二组电池单元的交叉部分(intersection)为非空时产生警报。
4.除了在此描述的一个或多个特征之外，电池单元是当电池单元具有内部短路时第一组电池单元和第二组电池单元的交叉部分的成员(member)。该方法还包括当电池单元的放电速率大于电池组的平均放电速率时，将电池单元识别为第一组电池单元的成员。该方法还包括当电池单元的充电速率小于电池组的平均充电速率时，将电池单元识别为第二组电池单元的成员。该方法还包括报告在第一组电池单元和第二组电池单元的交叉部分中的电池单元的数量。该方法还包括在车辆运行时对电池组放电和对电池组充电。该方法还包括基于来自电池组的电流的符号来确定电池组是在放电还是在充电。
5.在另一个示例性实施例中，公开了一种用于检测车辆的电池组中的内部短路的系统。该系统包括多个传感器和处理器。多个传感器获得电池组的电池单元的充电状态。处理器被配置为使电池组放电以基于第一组电池单元的充电状态来识别第一组电池单元，对电池组充电以基于第二组电池单元的充电状态来识别电池组的第二组电池单元，并在第一组电池单元和第二组电池单元的交叉部分为非空时产生警报。
6.除了在此描述的一个或多个特征之外，电池单元是当电池单元具有内部短路时第一组电池单元和第二组电池单元的交叉部分的成员。处理器还被配置成当电池单元的充电速率小于电池组的平均放电速率时将电池单元识别为第一组电池单元的成员。处理器还被配置成当电池单元的放电速率大于电池组的平均充电速率时将电池单元识别为第二组电池单元的成员。处理器还被配置为报告第一组电池单元和第二组电池单元的交叉部分中的电池单元的数量。处理器还被配置为在车辆运行时对电池组放电和对电池组充电。处理器还被配置为基于来自电池组的电流的符号来确定电池组是在放电还是在充电。
7.在又一个示例性实施例中，公开了一种车辆。车辆包括多个传感器和处理器。多个
传感器获得车辆的电池组的电池单元的充电状态。处理器被配置为使电池组放电以基于第一组电池单元的充电状态识别第一组电池单元，对电池组充电以基于第二组电池单元的充电状态识别第二组电池单元，并在第一组电池单元和第二组电池单元的交叉部分为非空时产生警报。
8.除了本文描述的一个或多个特征之外，电池单元是当电池单元具有内部短路时第一组电池单元和第二组电池单元的交叉部分的成员。处理器还被配置成当电池单元的充电速率小于电池组的平均放电速率时将电池单元识别为第一组电池单元的成员。处理器还被配置成当电池单元的放电速率大于电池组的平均充电速率时将电池单元识别为第二组电池单元的成员。处理器还被配置为报告第一组电池单元和第二组电池单元的交叉部分中的电池单元的数量。处理器还被配置为在车辆运行时对电池组放电和对电池组充电。
9.当结合附图进行以下详细描述时，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
10.其他特征、优点和细节仅以示例的方式出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，在附图中：
11.图1示出了一实施例中的电动车辆；
12.图2示出了电动车辆的电池单元的示意图；
13.图3示出了说明在各种条件下电池单元的放电速率的曲线图；
14.图4示出了说明在各种条件下电池单元的充电速率的曲线图；
15.图5示出了在一实施例中用于识别受损电池单元的方法的流程图；
16.图6示出了用于确定电池组内受损电池单元的存在的方法的流程图；和
17.图7示出了电池单元中的热量产生与内部短路电阻之间的关系。
具体实施方式
18.以下描述本质上仅是示例性的并且不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。
19.根据示例性实施例，图1示出了电动车辆100。电动车辆100包括电池组102、使用由电池组提供的电力运行的电负载108、以及监控电池组的控制系统110。电池组102包括多个电池单元104a、...、104n。多个传感器106a、...、106n分别从多个电池单元104a、...、104n获得电压和电流测量值，并将电压和电流测量值传输到控制系统110。在各种实施例中，多个传感器106a,
…
,106n是多个电压表和电流表或电流计。电池单元上测得的电压和电流可以转换为电池单元的充电状态(soc)。在各种实施例中，可以在不同时间测量电压和电流以确定第一时间的soc和第二时间的soc。第一时间和第二时间之间充电状态的变化可用于确定电池单元的放电速率或充电速率。放电速率和充电速率均由斜率表示，斜率由第一时间和第二时间的soc测量值的差除以测量值之间的时间间隔给出。
20.电负载108可以包括电动车辆100的电动机和/或其他电气部件，例如仪表板灯、外部灯、娱乐系统等。控制系统110包括处理器112和存储器存储设备114，其具有存储在其中的各种程序或指令116。处理器112可以访问来自存储器存储设备114的程序或指令并运行
程序或指令以执行本文公开的各种计算和操作，以检测具有内部短路的电池单元并产生适当的警报或采取适当的动作。
21.控制系统110与警报通知单元118通信并且可以在检测到具有内部短路的电池单元时通知警报通知单元。在一实施例中，警报通知单元118可以将通知信号发送到远程服务器120，例如远程服务器120可以向车辆经销商、车辆制造商和/或安全和服务人员发送通知信号，以提供早期通知或警告以检查车辆或车型的安全问题。如遇严重缺货问题，可向当地消防部门等应急单位提交报警通知。在其他实施例中，警报通知单元118可以向车辆的驾驶员提供视觉信号或发出警报。在各种实施例中，不是生成警报，而是可以稍后将数据发送到远程服务器120以进行处理和查看。
22.图2示出了电池单元(例如，电池单元104a)的示意图200。电池单元104a包括阴极202、阳极204和将阴极与阳极隔开的绝缘介质206。在正常操作中，绝缘介质206防止电流在阴极202和阳极204之间流动。示意图200还示出了通过绝缘介质206的短路208，该短路208可能由于制造缺陷或绝缘介质的退化或通过过度使用电池单元104a而发生。
23.电池单元104a可以处于任何数量的条件下，例如健康、虚弱或受损。在新电池单元中，绝缘介质206将阴极202与以全容量运行的阳极204完全隔离。在弱电池单元中，绝缘介质206将阴极202与阳极204完全隔离，但是阴极和阳极由于其保持电荷的能力降低而不能以全容量运行。在受损电池单元中，通过绝缘介质206的内部短路导致阴极202和阳极204之间通过绝缘介质放电。电池单元放电和充电的速率取决于其状况。因此，这些放电和充电速率可用于识别受损电池单元，如本文关于图3和4所讨论的。
24.图3示出了曲线图300，其说明了处于各种条件下的电池单元的放电速率。沿横坐标以秒为单位示出时间，沿纵坐标示出充电状态(soc)。充电状态示出为比率。因此，1的soc表示完全充电的电池单元，而0的soc表示完全放电的电池单元。示出了电池单元的三种状态的放电曲线：健康电池单元、弱电池单元和受损电池单元。
25.第一放电曲线302说明健康电池单元的第一放电速率。第二放电曲线304说明弱电池单元的第二放电速率。第三放电曲线306说明受损电池单元的第三放电速率。电池单元在图300中示出为从完全充电开始，在100秒开始放电。在大约900秒时，健康电池单元(第一放电曲线302)放电至完全充电的大约75％，弱电池单元(第二放电曲线304)放电至完全充电的大约69％，而受损电池单元(第三放电曲线306)放电至完全充电的71％。从曲线图300可以明显看出，弱电池单元和受损电池单元的放电速度比新电池单元快。
26.图4示出了说明图3中所示的电池单元的充电速率的曲线图400。沿横坐标以秒为单位示出时间并且沿纵坐标示出充电状态(soc)。第一充电曲线402说明了健康电池单元的第一充电速率。第二充电曲线404说明弱电池单元的第二充电速率。第三充电曲线406说明了具有轻微内部短路的受损电池单元的第三充电速率。每个电池单元从零充电开始，大约100秒开始充电。在大约900秒时，健康电池单元(第一充电曲线402)充电到完全充电的大约25％，弱电池单元(第二充电曲线404)充电到完全充电的大约31％，而受损电池单元(第三充电曲线406)充电至完全充电的大约21％。从图400可以明显看出，弱电池单元比健康电池单元充电更快，而受损电池单元比健康电池单元充电慢。
27.图5示出了在一实施例中用于识别受损电池单元的方法的流程图500。在框502中，电池被放电并且电池的放电速率被测量。在框504中，基于放电速率做出决定。如果放电速
率慢，则在框506中将电池单元识别为健康电池单元。如果放电速率快，则在框508中将电池单元识别为包括弱电池单元或受损电池单元的组中的一个。在框510中，电池被充电。在框512中，基于充电速率做出决定。如果充电速率快，则在框514中将电池单元标识为弱电池单元。如果充电速率较慢，则在框516中将电池单元标识为受损电池单元。在框518中，基于框516中受损电池单元的识别发送警告。
28.在各种实施例中，被测电池单元的放电速率通过将其放电速率与其相邻电池单元的放电速率进行比较来确定。相邻的电池单元总体上被认为是新的或健康的。因此，如果被测电池单元的放电速率与其相邻电池单元的平均放电速率相同，则认为它是健康电池单元。在各种实施例中，可以获得相邻电池单元的平均放电速率，并且可以建立关于平均放电速率的标准或阈值。当被测电池单元在阈值内时，被测电池单元被认为与其相邻电池单元相同。在各种实施例中，阈值可以是关于平均放电速率的标准偏差或标准偏差的选定倍数。如果被测电池单元的放电速率小于其相邻电池单元的平均放电速率，则认为它要么是弱电池单元，要么是受损电池单元。当其斜率值超出相对于平均放电速率定义的阈值时，可以认为放电速率小于其相邻电池单元的放电速率。
29.类似地，被测电池单元的充电速率通过将其充电速率与相邻电池单元的充电速率进行比较来确定。如果被测电池单元的充电速率大于其相邻电池单元的平均充电速率(即大于针对平均充电速率定义的上限阈值)，则认为它是弱电池单元。如果被测电池单元的充电速率低于其相邻电池单元的充电速率(即低于针对平均充电速率定义的下限)，则认为它是受损电池单元。
30.图6示出了用于确定电池组内的受损电池单元的存在的方法的流程图600。该方法开始于框602。在框604中，创建了两个组。第一组电池单元(组a)表示具有的充电速率低于电池组在充电事件期间的平均放电速率的电池单元。第二组电池单元(组b)表示具有的放电速率快于电池组在放电事件期间的平均充电速率的电池单元。在开始时(即在任何测试已经执行之前)，组a和组b都是空集。因此，组a和组b的交叉部分是空集
31.在框606中，测量电池单元的电流和soc。电流指示电池单元是充电还是放电。在框608中，进行检查以确定组a和组b的交叉部分是否仍然是空集。如果交叉部分不是空的，则该方法进行到框616并生成警告信号。警告指示在组a和组b的交叉部分中的电池单元的数量。然后该方法返回到框606并获得电流和soc的附加测量值。回到框608，如果交叉部分是空集，则方法进行到框610。
32.在框610处，检查电流的符号。如果电流小于或等于零(即，电池单元正在放电或处于静止状态)，则该方法进行到框612。如果电流大于零(即，电池单元正在充电)，则该方法进行到框614。在框612中，放电快于电池组的平均放电速率的电池单元被放置到组b中。在框614中，充电慢于电池组的平均充电速率的电池单元被放置到组a中。从框612或框614，该方法进行到框606以进行进一步测量。
33.在通过框612和框614中的任一个进行至少一次之后，框608处的测试能够识别受损电池单元。这些受损电池单元将同时是组a(即慢充电速率)和组b(即快速放电速率)的成员。组a和组b的交叉部分因此包括受损电池单元。当组a和组b的交叉部分不为空时，该方法进行到框616，在框616中生成警报。在框616处，还可以报告受损电池单元的数量。
34.图7示出了电池单元中的热量产生与内部短路电阻之间的关系700。内部短路电阻
沿横坐标以欧姆表示，热量沿纵坐标以瓦特表示。如线702所示，短路或损坏的电池单元产生的热量随着短路电阻的减小而增加。阈值电阻704表示热导致热失控的电阻。当短路电阻大于约一欧姆时，所产生的热量不会导致热失控。然而，当短路电阻小于约1欧姆时，产生的热量会导致热失控。因此，当其中的任何短路电阻仍然大于约1欧姆时，需要检测受损的电池单元。当内部短路电阻高于约1至2欧姆时，本文公开的方法检测短路的存在。
35.本文公开的方法可以在不需要车辆关闭或空转的情况下执行。在各种实施例中，可以在可能发生热失控之前识别和更换受损的电池单元。
36.尽管已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且可以用等效物代替其元件而不背离其范围。此外，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导而不背离本公开的基本范围。因此，旨在本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。