本發(fā)明涉及電池參數(shù)的測量，具體涉及鋰離子電池管理系統(tǒng)及電芯單體內(nèi)阻在線測量及故障診斷方法。

背景技術(shù)：

目前在新能源汽車上已經(jīng)開始大規(guī)模使用鋰離子動力電池，由于鋰離子電池單體電芯的容量和能量限制，必須采用成組技術(shù)，將多節(jié)電池串聯(lián)使用，以實現(xiàn)鋰離子動力電池組乃至新能源汽車整車的性能指標；而現(xiàn)有技術(shù)對于成組后的電芯單體內(nèi)阻缺乏有效的測量手段，這樣就增加了電池單體的健康狀態(tài)與故障診斷的難度。

鋰離子電池的性能與其健康狀態(tài)密切相關(guān)，其中電池內(nèi)阻是電池健康狀態(tài)的關(guān)鍵指標，通過測量鋰離子電池內(nèi)阻可以評估、預測電池性能，判斷電池的老化狀況，預測電池的使用壽命，為控制策略例如充放電策略和續(xù)駛里程計算的調(diào)整提供依據(jù)，提升其可靠性；而電池內(nèi)阻是指電流流過電池所受的阻力，電池內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻包括電極材料、電解液、隔膜的內(nèi)阻以及各部分零件的接觸內(nèi)阻；而極化內(nèi)阻則是指正極與負極在進行電化學反應時極化所引起的內(nèi)阻，是電化學極化和濃差極化所引起的內(nèi)阻之和；電池電芯內(nèi)阻的急劇變化是電芯故障的重要反映，例如隔膜穿刺或者內(nèi)部短路引起內(nèi)阻急劇減小，或者電解液泄漏、極板腐蝕、集流體接觸不佳引起內(nèi)阻急劇增大，都可以通過測量內(nèi)阻診斷出故障電芯，進行相應的應急處理和電芯更換，避免引起進一步的安全隱患；由于電池內(nèi)阻的重要作用，業(yè)內(nèi)針對鋰離子電池的內(nèi)阻測量開展了大量研究。

但是由于鋰離子電池是成組狀態(tài)，在現(xiàn)有技術(shù)和條件下，實現(xiàn)單體內(nèi)阻的測量十分復雜；而在新能源汽車的應用環(huán)境下，在線測量單體內(nèi)阻更是非常困難。

現(xiàn)在已有的內(nèi)阻測量方法分為直流法和交流法；直流法是對電池接入固定設(shè)備而且電池需要處于靜態(tài)，通過外部負載進行大電流的充放電，同時測量電池的電壓降，通過電池壓降與放電電流的比值；得出電池的內(nèi)阻；但是此種方式因為需要接入固定的測量設(shè)備，往往需要將電池包拆卸以供測量，十分麻煩，若是對于單體電芯進行測量，則需要徹底的拆解，在日常使用中，不具有實際操作性；交流法則適應面較廣，但是測量的結(jié)果與所用信號的波型和頻率以及電流強度有關(guān)，測量結(jié)果誤差較大；其是通過對蓄電池施加一個交流低頻的小電流信號，測量反饋的交流電壓信號，通過交流電壓的幅度和相位，并根據(jù)輸入的交流電流信號，獲得電池的阻抗；但是在交流法中，無法在在線環(huán)境下產(chǎn)生穩(wěn)定的交流電流小信號，也無法高精度地采集交流電壓信號，干擾嚴重；并且交流法還需要增加額外設(shè)備和器件，會加劇系統(tǒng)的復雜性和成本的增加，還無法排除噪音的影響，測量結(jié)果誤差也很大；而且上述方法主要是針對電芯成組后的電池包進行整體測量，若將上述方法應用到單體內(nèi)阻測量上，會進一步加大難度，可行性很低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為提供一種實現(xiàn)新能源汽車車用鋰離子電池電芯單體內(nèi)阻在線測量以及基于內(nèi)阻的電芯故障和老化診斷的鋰離子電池管理系統(tǒng)及電池電芯單體內(nèi)阻在線測量及故障診斷方法。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：鋰離子電池管理系統(tǒng)，用于監(jiān)測管理由若干鋰離子電池電芯單體組成的鋰離子電池組，包括主控單元、電芯傳感監(jiān)控單元和電流傳感器；所述電芯傳感監(jiān)控單元連接至鋰離子電池組中的每個鋰離子電池電芯單體并監(jiān)控測量其端電壓；所述電流傳感器串聯(lián)在鋰離子電池組與電路主回路之間用于測量電路主回路中的母線電流；所述主控單元分別與電流傳感器和電芯傳感監(jiān)控單元連接，并且還連接至整車通信網(wǎng)絡(luò)，控制鋰離子電池組的工作模式，數(shù)據(jù)的處理與儲存，以及電池電芯單體內(nèi)阻的計算、處理與發(fā)送、電芯故障的診斷和警告。

優(yōu)選地，所述電路主回路與鋰離子電池組之間串聯(lián)有繼電器，所述主控單元連接至繼電器并控制繼電器的斷開和閉合，根據(jù)主控單元接收的整車信號以及鋰離子電池組狀態(tài)來判斷是否開啟斷開繼電器。

優(yōu)選地，所述電芯傳感監(jiān)控單元內(nèi)置前端芯片用以采集電池電芯單體的電壓，保證采集的準確度和及時性。

優(yōu)選地，所述主控單元與整車通信網(wǎng)絡(luò)是通過can總線的通訊方式連接，方便數(shù)據(jù)傳輸。

鋰離子電池管理系統(tǒng)的電芯單體內(nèi)阻在線測量診斷方法，步驟如下：

步驟a）主控單元接收到啟動信號并喚醒鋰離子電池管理系統(tǒng)；

步驟b）主控單元控制繼電器閉合；

步驟c）以繼電器閉合為起點，電芯傳感監(jiān)控單元測量規(guī)定時間區(qū)間中的電池電芯兩端的電壓變化，其還內(nèi)置前端芯片用于采集電池電芯單體的電壓變化情況，數(shù)據(jù)輸出至主控單元；

步驟d）以繼電器閉合為起點，電流傳感器測量規(guī)定時間區(qū)間中的母線電流的變化，并輸出至主控單元；

步驟e）主控單元接收電芯傳感監(jiān)控單元和電流傳感器測量得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)繼電器閉合為起點的步驟c和步驟d中規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)測量得到的電池電芯電壓和母線電流，計算得出電池電芯單體的內(nèi)阻；

步驟f）主控單元根據(jù)計算得到的電池電芯單體的內(nèi)阻，計算內(nèi)阻的平均值，并得到電池電芯單體內(nèi)阻的最大值及其序列號，以及電池電芯單體內(nèi)阻的最小值及其序列號；

步驟g）主控單元根據(jù)計算所得的電池電芯單體內(nèi)阻的最大值、最小值與電池電芯單體內(nèi)阻平均值的差值，若電池電芯單體內(nèi)阻的最大值減去電池電芯單體內(nèi)阻平均值的差值大于內(nèi)阻過大故障報警限值，則報警并輸出相應的電芯序列號，建議維護；若電池電芯單體內(nèi)阻平均值減去電池電芯單體內(nèi)阻的最小值的差值小于內(nèi)阻過小故障報警限值，也報警并輸出相應的電芯序列號，建議維護。

優(yōu)選地，所述步驟a中喚醒鋰離子電池管理系統(tǒng)后系統(tǒng)還需要進行上電自檢，用于防止測量條件不滿足導致測量結(jié)果不準確。

優(yōu)選地，所述步驟e中主控單元測量計算得出每節(jié)電池電芯單體的內(nèi)阻，所述步驟f中電池電芯單體內(nèi)阻的最大值和最小值通過主控單元計算所得，并且分辨記錄得到池電芯單體內(nèi)阻最大值的序列號和最小值的序列號；所述步驟g中，如果電池電芯內(nèi)阻的平均值減去內(nèi)阻最小值后大于故障報警限值，那么就發(fā)出報警提醒，電芯存在內(nèi)阻值過小，可能出現(xiàn)內(nèi)短的現(xiàn)象，建議維護，并輸出具有最小內(nèi)阻的電芯序列號；如果電池電芯內(nèi)阻的最大值減去平均值后大于故障報警值，也發(fā)出報警提醒，電芯存在內(nèi)阻值過大，可能出現(xiàn)老化嚴重的現(xiàn)象，建議維護，并輸出具有最大內(nèi)阻的電芯序列號；主控單元通過其網(wǎng)絡(luò)通信模塊輸出電芯單體內(nèi)阻的情況至整車通信網(wǎng)絡(luò)，如果出現(xiàn)電芯老化和故障的情況，會進行報警提醒；進行相應的應急處理和電芯更換，避免引起進一步的安全隱患。

優(yōu)選地，所述步驟c和步驟d中的規(guī)定時間區(qū)間相同并且兩者保持同步，所述規(guī)定時間區(qū)間都為以繼電器閉合為起點的200毫秒的區(qū)間內(nèi)；用于保證測量結(jié)果的準確性。

優(yōu)選地，所述步驟d中的電流傳感器測量的母線電流是通過旁路電阻或者霍爾傳感器測量得到的；用于保證母線電流測量的準確性。

優(yōu)選地，所述步驟e中主控單元計算得出電池電芯單體的內(nèi)阻需要根據(jù)規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)測量得到的電流電壓值繪制曲線，并判斷是否滿足測量條件，選取電流平均值和電壓瞬時值來計算電池電芯單體的內(nèi)阻；所述測量條件為鋰離子電池組在測量啟動前靜置2小時以上，用于保證計算結(jié)果的準確性。

本發(fā)明包括主控單元和電芯傳感監(jiān)控單元以及電流傳感器；采用高低壓分離，與鋰離子電池組每節(jié)電池電芯單體連接的電芯傳感監(jiān)控單元用于監(jiān)控測量鋰離子電池電芯單體的電壓；串聯(lián)在鋰離子電池組與電路主回路之間的電流傳感器用于測量電路主回路中的母線電流；分別與繼電器、電流傳感器和電芯傳感監(jiān)控單元以及整車通信網(wǎng)絡(luò)連接的主控單元則用于控制鋰離子電池組的工作模式，控制繼電器的斷開和閉合，數(shù)據(jù)的處理與儲存，以及電池電芯單體內(nèi)阻的計算、處理與發(fā)送、電芯故障的診斷和警告；實現(xiàn)電池電芯單體內(nèi)阻的在線測量，并在此基礎(chǔ)上，進行電池電芯故障和老化的診斷，能夠更有效的監(jiān)控鋰離子電池組的性能和狀態(tài)，為電池的保證提供有效的依據(jù)，為電池電芯的更換提供可靠的參考，為汽車整車的策略提供重要的信息，保證車輛和駕乘人員的安全。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益之處在于：1）可以直接在線測量電池電芯的內(nèi)阻，無需拆卸，降低測量的條件，節(jié)省成本；2）鋰離子電池組中的每節(jié)電池電芯單體內(nèi)阻都能夠被測量以供分析使用；3）測量得到的內(nèi)阻可以進行電池電芯故障和老化的診斷，及時判斷出故障的電池電芯，進行更換或者修理或者相應的處理措施，保證車輛和駕乘人員的安全；4）對故障的電池電芯有效甄別，精確分辨，實現(xiàn)精準更換，降低更換難度；5）保證精確更換故障電池電芯，而電池的其它部分以及其它所有電池電芯仍舊可以使用，相較于傳統(tǒng)的整個電池包更換，能夠極大降低成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的框示示意圖。

圖2為本發(fā)明中電池電芯電壓跳變的示意圖。

圖3為鋰離子電池化學原理的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式，對本發(fā)明作進一步描述。

見圖1至圖3，鋰離子電池管理系統(tǒng)，用于監(jiān)測管理由若干鋰離子電池電芯單體組成的鋰離子電池組，包括主控單元、電芯傳感監(jiān)控單元和電流傳感器；所述電芯傳感監(jiān)控單元連接至鋰離子電池組的每個鋰離子電池電芯單體并監(jiān)控測量其端電壓；所述電流傳感器串聯(lián)在鋰離子電池組與電路主回路之間用于測量電路主回路中的母線電流；所述主控單元分別與電流傳感器和電芯傳感監(jiān)控單元連接，并且還連接至整車通信網(wǎng)絡(luò)，控制鋰離子電池組的工作模式，數(shù)據(jù)的處理與儲存，以及電池電芯單體內(nèi)阻的計算、處理與發(fā)送、電芯故障的診斷和警告；所述電路主回路與鋰離子電池組之間串聯(lián)有繼電器，所述主控單元連接至繼電器并控制繼電器的斷開和閉合，根據(jù)主控單元接收的整車信號以及鋰離子電池組狀態(tài)來判斷是否開啟繼電器；所述電芯傳感監(jiān)控單元內(nèi)置前端芯片用以采集電池電芯單體的電壓；所述主控單元與整車通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選通過can總線的通訊方式連接。

鋰離子電池管理系統(tǒng)的電芯單體內(nèi)阻在線測量診斷方法，步驟如下：

步驟a）主控單元接收到啟動信號并喚醒鋰離子電池管理系統(tǒng)；

步驟b）主控單元控制繼電器閉合；

步驟c）以繼電器閉合為起點，電芯傳感監(jiān)控單元測量規(guī)定時間區(qū)間中的電池電芯兩端的電壓變化，其還內(nèi)置前端芯片用于采集電池電芯單體的電壓變化情況，數(shù)據(jù)輸出至主控單元；

步驟d）以繼電器閉合為起點，電流傳感器測量規(guī)定時間區(qū)間中的母線電流的變化，并輸出至主控單元；

步驟e）主控單元接收電芯傳感監(jiān)控單元和電流傳感器測量得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)繼電器閉合為起點的步驟c和步驟d中規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)測量得到的電池電芯電壓和母線電流，計算得出電池電芯單體的內(nèi)阻；

步驟f）主控單元根據(jù)計算得到的電池電芯單體的內(nèi)阻，計算內(nèi)阻的平均值，并得到電池電芯單體內(nèi)阻的最大值及其序列號，以及電池電芯單體內(nèi)阻的最小值及其序列號；

步驟g）主控單元根據(jù)計算所得的電池電芯單體內(nèi)阻的最大值、最小值與電池電芯單體內(nèi)阻平均值的差值，若電池電芯單體內(nèi)阻的最大值減去電池電芯單體內(nèi)阻平均值的差值大于內(nèi)阻過大故障報警限值，則報警并輸出相應的電芯序列號，建議維護；若電池電芯單體內(nèi)阻平均值減去電池電芯單體內(nèi)阻的最小值的差值小于內(nèi)阻過小故障報警限值，也報警并輸出相應的電芯序列號，建議維護。

本實施方式中，所述步驟a中喚醒鋰離子電池管理系統(tǒng)后系統(tǒng)還需要進行上電自檢；所述步驟e中主控單元測量計算得出每節(jié)電池電芯單體的內(nèi)阻，所述步驟f中電池電芯單體內(nèi)阻的最大值和最小值通過主控單元分辨所得，并且分辨記錄得到池電芯單體內(nèi)阻最大值的序列號和最小值的序列號，根據(jù)電池電芯單體內(nèi)阻的情況來判斷電池電芯老化和故障的情況，并輸出電池電芯單體內(nèi)阻的情況至整車通信網(wǎng)絡(luò)，如果出現(xiàn)電芯老化和故障的情況，會進行報警提醒并輸出故障電池電芯單體的序列號；所述步驟c和步驟d中的規(guī)定時間區(qū)間相同并且兩者保持同步，所述規(guī)定時間區(qū)間都為以繼電器閉合為起點的200毫秒的區(qū)間內(nèi)；所述步驟d中的電流傳感器測量的母線電流是通過旁路電阻或者霍爾傳感器測量得到的；所述步驟e中主控單元計算得出電池電芯單體的內(nèi)阻需要根據(jù)規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)測量得到的電流電壓值繪制曲線，并判斷是否滿足測量條件，選取電流平均值和電壓瞬間值來計算電池電芯單體的內(nèi)阻；所述測量條件為鋰離子電池組靜置2小時以上。

如圖3所示，鋰離子電池電化學原理為在電流突躍瞬間，流過電極的電量會極小，不足以改變界面的荷電狀態(tài)，因此界面電勢差來不及發(fā)生改變，因而電極/溶液界面的雙電層電容對突變信號短路，而歐姆內(nèi)阻具有電路跟隨特性，在200ms，即可完成壓降；隨后，當電極/溶液界面上通過電流后，電化學反應開始發(fā)生，由于電荷傳遞過程的遲緩性，引起雙電層充電，電極電勢反生變化，隨著電化學反應的進行，電極表面上的反應物粒子不斷消耗，產(chǎn)物粒子不斷生成，由于液相擴散傳質(zhì)過程的遲緩性更為明顯，電極表面反應物粒子的濃度開始下降，產(chǎn)物粒子濃度開始上升，濃差極化開始出現(xiàn)，并且這種濃差極化狀態(tài)隨著時間由電極表面向溶液本體深處不斷發(fā)展，電極表面上粒子濃度持續(xù)變化，進一步造成電池電勢的持續(xù)下降；由于極化反應的影響相對于歐姆內(nèi)阻的響應遲緩，在放電開始后的較短時間內(nèi)，例如200ms可認為歐姆內(nèi)阻占主導作用；而現(xiàn)階段的主要的變化在于歐姆內(nèi)阻；同時，極化內(nèi)阻與電流密度有很大的關(guān)系，不同的電流密度帶來極化內(nèi)阻的區(qū)別，所以其并不是一個絕對值，在實際測量中存在很大的困難，并不具有實用性；而在這200ms內(nèi)，即使電池以安全范圍的最大電流放電，例如10c電流放電，所消耗的電量不到電池總電量的萬分之六，對于電池電動勢/開路電壓的影響微乎其微；可以認為，在這一階段的壓降主要由歐姆內(nèi)阻引起。

本實施方式中，在步驟b中，繼電器接收到主控單元控制信號將吸合，鋰離子電池組開始放電，會造成電池電芯電壓的跳變，如果電流足夠大，例如開始啟動或者急加速，會導致電池電芯電壓的跳變更加明顯；在瞬間作用下，也就是小于200ms的時間內(nèi)，跳變主要是由歐姆內(nèi)阻上的壓降引起，而極化作用并不會明顯，可以排除極化作用的影響。

本實施方式中，所述步驟e中主控單元計算得出電池電芯單體的內(nèi)阻需要根據(jù)規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)測量得到的電流電壓值繪制曲線，并判斷是否滿足測量條件；此滿足測量條件為是否靜置2小時以上。

本實施方式中，所述步驟c和步驟d的計算中，12v電池給電池管理系統(tǒng)供電，而主控單元收到啟動信號后，電池管理系統(tǒng)被喚醒，同時判斷啟動前是否已經(jīng)靜置足夠長的時間，保證高壓電池在放電之前的去極化，消除極化作用的影響；電芯傳感監(jiān)控單元進行鋰離子電池電芯電壓的檢測；而在步驟b之前，繼電器處于斷開狀態(tài)，鋰離子電池幾乎不會有放電電流；之后主控單元控制繼電器閉合，鋰離子電池開始大電流放電，造成電池電芯電壓的瞬間降低；在200ms內(nèi)的壓降主要由歐姆內(nèi)阻引起；并且鋰離子電池的歐姆內(nèi)阻在鋰離子電池使用過程中發(fā)生變化的情況更為顯著，可作為鋰離子電池老化的重要依據(jù)。

本實施方式中，所述步驟e中電池電芯單體的內(nèi)阻的計算是指，設(shè)電池組中共有m節(jié)串聯(lián)電芯，對于第m號電芯單體（m=1,2,……m），由電芯傳感監(jiān)控單元獲取的繼電器閉合前的電壓u1m，繼電器閉合后規(guī)定時間△t（優(yōu)選的，△t≤200ms）后的電壓u2m；上述數(shù)據(jù)由電芯傳感監(jiān)控單元獲取，傳輸至主控單元處理計算。由電流傳感器測量得到的繼電器閉合后規(guī)定時間區(qū)間△t內(nèi)的電流采樣值值in，上述數(shù)據(jù)由電流傳感器獲取，傳輸至主控單元處理計算。電流采樣周期頻率為fsample（優(yōu)選的，fsample≥50hz）；繼電器閉合后△t內(nèi)的采樣總數(shù)；規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)的平均電流；那么電池組中第m號電芯單體的內(nèi)阻rm=（u2m-u1m）/iavg；重復上述計算，可得到每節(jié)電芯單體的內(nèi)阻。

本實施方式中，所述步驟f中，主控單元可根據(jù)電池單體電芯的內(nèi)阻，求出電池電芯內(nèi)阻的平均值，并得出最大值和最小值及其電芯序列號；具體方法如下：

得到每節(jié)電芯單體內(nèi)阻后，可計算電芯內(nèi)阻的平均值ravg；

計算單體電芯的最大值的步驟：

第一步，取rmax=r1，電芯序列號serialno=1；

第二步，若r2>rmax,則rmax=r2,serialno=2;若r2≤rmax，則rmax，serialno不變；

第三步，若r3>rmax,則rmax=r3,serialno=3;若r3≤rmax，則rmax，serialno不變；

重復上述步驟，直到最后一節(jié)電芯rm；

獲得電芯內(nèi)阻最大值rmax及其序列號serialno。

本實施方式中，主所述步驟g中，主控單元可根據(jù)電池電芯單體內(nèi)阻的情況包括平均值，最大值和最小值等來判斷電芯老化和故障的情況；根據(jù)電池類型設(shè)定故障報警限值，如果電池電芯內(nèi)阻的平均值減去內(nèi)阻最小值后大于故障報警限值，發(fā)出報警提醒，電芯存在內(nèi)阻值過小，可能出現(xiàn)內(nèi)短的現(xiàn)象，建議維護，并輸出具有最小內(nèi)阻的電芯序列號；如果電池電芯內(nèi)阻的最大值減去平均值后大于故障報警值，也發(fā)出報警提醒，電芯存在內(nèi)阻值過大，可能出現(xiàn)老化嚴重的現(xiàn)象，建議維護，并輸出具有最大內(nèi)阻的電芯序列號；具體方法如下：若rmax–ravg>ru_limit，ru_limit為內(nèi)阻過大故障報警限值，可根據(jù)電池類型標定定義，發(fā)出報警提醒，電芯存在內(nèi)阻值過大，可能出現(xiàn)老化嚴重的現(xiàn)象，建議維護，并輸出具有最大內(nèi)阻的電芯序列號serialno；

計算單體電芯的最小值的步驟：

第一步，取rmin=r1，電芯序列號serialno=1;

第二步，若r2<rmin,則rmin=r2,serialno=2;若r2≥rmin，則rmin，serialno不變；

第三步，若r3<rmin,則rmin=r3,serialno=3;若r3≥rmin，則rmin，serialno不變；

重復上述步驟，直到最后一節(jié)電芯rm；

獲得電芯內(nèi)阻小值rmin及其序列號serialno。

若ravg–rmin>rl_limit，rl_limit為內(nèi)阻過小故障報警限值，可根據(jù)電池類型標定定義，發(fā)出報警提醒，電芯存在內(nèi)阻值過小，可能出現(xiàn)內(nèi)短的現(xiàn)象，建議維護，并輸出具有最小內(nèi)阻的電芯序列號serialno；。

本發(fā)明的保護范圍包括但不限于以上實施方式，本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準，任何對本技術(shù)做出的本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的替換、變形、改進均落入本發(fā)明的保護范圍。