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CN105691226A - 一种锂离子动力电池系统的故障处理系统与处理方法 - Google Patents

一种锂离子动力电池系统的故障处理系统与处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子动力电池系统的故障处理系统，主要由动力电池、电机、充电机和DC/DC总成、1号熔断器、电池总成、2号熔断器和电池管理系统组成；还涉及一种故障处理方法，是当动力电池发生故障时，按照动力电池故障对动力电池和车辆的危害程度，将动力电池故障划分为8个等级，从功率控制角度对动力电池充电和放电功率进行有效控制。控制充电机对动力电池的充电功率、车辆能量回收对动力电池的充电功率、动力电池对电机的放电功率、动力电池对DC/DC的放电功率。本发明从新能源汽车最重要的充电和放电功率控制入手，提出了一种动力电池故障处理方法，对提高动力电池安全性、可靠性，对锂离子动力电池在新能源汽车上的推广具有良好的应用价值。

Description

一种锂离子动力电池系统的故障处理系统与处理方法
技术领域
本发明属于新能源汽车动力电池领域，具体涉及一种锂离子动力电池系统的处理系统与处理方法，应用于电池管理系统。
背景技术
近年来，锂离子动力电池已批量用于新能源汽车。受锂离子动力电池单体数量多、可用容量使用范围宽、充电和放电电流大及使用环境复杂等因素影响，设计合理的电池故障处理方法对提高动力电池安全性、可靠性具有重要意义。
锂离子动力电池在实际应用中可能发生单体故障、温度故障、通信故障、电池管理系统(BMS)硬件故障、电流超限值和高压继电器故障等故障情况，虽然已设计加入熔断器等防护措施，但从使用角度来讲，熔断器只是一种被动方式，而利用电池管理系统进行控制则是一种更有效的主动防护方式。
目前，各动力电池生产厂家在电池发生故障时，虽普遍采用电池管理系统对动力电池功率进行限制，但只是从充电和放电两方面进行控制，这种限制功率的方法在有些情况下限制了车辆的一些不该限制的功能。如附图1所示，如果只对动力电池进行充电和放电整体控制，当DC/DC继电器发生故障时，虽无法利用充电机进行充电，但可以利用车辆制动能量回收进行充电，导致车辆功能出现不该有的缺失。
由此，在动力电池发生故障时，如果能从功率控制角度对动力电池充电和放电功率进行有效控制是非常有必要的，这是一种新的尝试。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术不足的情况下，提供一种锂离子动力电池系统的故障处理系统与处理方法，提高了新能源汽车的经济性、动力性及可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下：
一种锂离子动力电池系统的故障处理系统，主要由动力电池101、电机102、充电机和DC/DC总成103、1号熔断器104、电池总成、2号熔断器112和电池管理系统113组成；
所述充电机和DC/DC总成103由与电机102连接的三个主回路高压继电器和与充电机、DC/DC连接的两个充电和DC/DC回路高压继电器组成；
所述三个主回路高压继电器由预充电继电器107、主正继电器108和主负继电器109组成；
所述两个充电和DC/DC回路高压继电器由充电机和DC/DC继电器正110和充电机和DC/DC继电器负111组成；
所述1号熔断器104用于防止主高压电路电流过大；
所述2号熔断器112用于防止充电高压电路电流过大。
所述电池总成由一个以上的电池模块106组成。
还包括电池维修开关105，用于维修时切断动力电池输出、防止触电。
一种锂离子动力电池系统的故障处理方法，包括以下步骤：
a、按照动力电池故障对动力电池101和车辆的危害程度，将动力电池故障划分为8个等级，其中，等级1为动力电池101内部警告；等级2为对整车控制单元的警告，限制充电或放电功率；等级3为不允许对动力电池101充电，包括单体电压高报警；等级4为不允许动力电池101放电，包括单体电压低报警；等级5为充电机和DC/DC继电器故障，包括充电正继电器粘连故障；等级6为主回路继电器故障；等级7和等级8为电池严重故障，不允许对动力电池101进行充电和放电，包括单体电压过高、单体电压过低及温度过高；
b、利用BMS检测动力电池故障是否发生，并判断故障类型；
c、根据故障类型得出等级，按照所属故障等级进行故障处理，再从利用车辆能量回收对动力电池101进行充电、利用充电机对动力电池101进行充电、利用动力电池101给电机供电、利用动力电池101给DC/DC供电四个方面对动力电池101充电、放电功率值进行有效控制，进行故障处理。
步骤c进行故障处理的具体步骤为：
c1、当BMS检测到动力电池内部警告(例如动力电池温度低、动力电池电量高、动力电池电量低等)相关故障时，基于故障严重程度确定其故障等级，基于故障等级与功率控制间的关系，控制充电机对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率、车辆能量回收系统对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率、动力电池对电机放电功率等于动力电池放电许用功率、动力电池对DC/DC放电功率等于动力电池放电许用功率；
c2、当BMS检测到动力电池外部警告相关故障时，动力电池外部警告用于提示车辆其动力电池处于非正常工作状态，基于故障严重程度确定其故障等级，基于故障等级与功率控制间的关系，控制充电机对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率的30％～100％范围、车辆能量回收系统对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率的30％～100％范围、动力电池对电机放电功率等于动力电池放电许用功率饿30％～100％范围、动力电池对DC/DC放电功率等于动力电池放电许用功率的30％～100％范围，功率限制比例值与故障项目一一对应；
c3、当BMS检测到充电机和DC/DC继电器故障时，基于其严重程度确定故障等级，基于故障等级与功率控制间的关系，控制充电机对动力电池充电功率为O、车辆能量回收系统对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率、动力电池对电机放电功率等于动力电池放电许用功率、动力电池对DC/DC放电功率为O；
c4、当BMS检测到主正继电器或主负继电器或预充电继电器故障时，基于其严重程度确定故障等级，基于故障等级与功率控制间的关系，控制充电机对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率、车辆能量回收系统对动力电池充电功率为0、动力电池对电机放电功率为0、动力电池对DC/DC放电功率等于动力电池放电许用功率。
本发明的有益效果为：本发明打破了现有技术中将电池故障分为正常、报警和故障级别的限定，将故障级别分为8个等级；相对于现有技术中只是从充电功率和放电功率两个方面进行控制的粗糙处理，本发明将功率分为四个方面：包括充电机对动力电池的充电功率、车辆能量回收的对动力电池的充电功率、动力电池对电机的放电功率和动力电池对DC/DC的放电功率；采用本发明的故障处理措施，能够提高车辆的能量管理效率，降低油耗，同时提高车辆在故障状态下使用的可能性。
附图说明
图1为本发明动力电池相关的高压原理图；
图2为本发明故障处理方法的软件流程图。
图中，101.动力电池102.电机103.充电机和DC/DC总成104.1号熔断器105.电池维修开关106.电池模块107.预充电继电器108.主正继电器109.主负继电器110.充电机和DC/DC继电器正111.充电机和DC/DC继电器负112.2号熔断器113.电池管理系统。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的实施例，但本发明并不局限于此：
如图1所示，为插电混合动力汽车的高压设计原理图。本款插电混合动力汽车具有充电模式和行驶模式。其中，行驶模式又分为制动能量回收模式和电驱动模式。
一种锂离子动力电池系统的故障处理系统，主要由动力电池101、电机102、充电机和DC/DC总成103、1号熔断器104、电池总成106、2号熔断器112和电池管理系统113组成；
所述充电机和DC/DC总成103由与电机102连接的三个主回路高压继电器和与充电机、DC/DC连接的两个充电和DC/DC回路高压继电器组成；
所述三个主回路高压继电器由预充电继电器107、主正继电器108和主负继电器109组成；
所述两个充电和DC/DC回路高压继电器由充电机和DC/DC继电器正110和充电机和DC/DC继电器负111组成；
所述1号熔断器104用于防止主高压电路电流过大；
所述2号熔断器112用于防止充电高压电路电流过大。
所述电池总成由一个以上的电池模块组成。
还包括电池维修开关105，用于维修时切断动力电池输出、防止触电。
在充电模式下，利用充电机通过充电机和DC/DC继电器正110和充电机和DC/DC继电器负111给动力电池101充电；
在制动能量回收模式下，利用电机102通过主正继电器108和主负继电器109给动力电池101充电；
在电驱动模式下，利用动力电池101驱动电机102给车辆提供动力；
另外，在以上三种中的任何一种模式下，动力电池101都需要通过DC/DC继电器正110和充电机和DC/DC继电器负111给DC/DC供电，以满足车辆12V低压供电需求。
动力电池故障包括：单体电压过高和过低故障、模块电压过高和过低故障、单体不一致性故障、模块温度过高故障、电池容量过高和过低故障、电流过大故障、传感器故障、通信故障、高压继电器故障和BMS存储器(包括只读存储器、随机存取存储器和电可擦只读存储器)故障等。
一种锂离子动力电池系统的故障处理方法，包括以下步骤：
a、按照其对动力电池101和车辆的危害程度，将动力电池故障划分为8个等级，其中，故障等级1为动力电池内部警告级别，不对动力电池功率进行限制；故障等级2对整车控制单元的警告，需针对具体的故障对动力电池的充电或放电功率进行比例限制；故障等级3为不允许对动力电池101继续充电；故障等级4为不允许动力电池101放电；故障等级5为充电机和DC/DC继电器故障；故障等级6为主回路继电器故障；故障等级7和故障等级8为严重故障，不允许动力电池101进行充电和放电；
在没有发生动力电池故障时，对于制动能量回收的功率、电机102消耗的功率和DC/DC消耗的功率，本发明均采用动力电池101实验测试的充电许用功率和放电许用功率(充电许用功率：是动力电池101经过试验测试，得到的不同电量和温度条件下的10s、2s、1s充电功率值；放电许用功率是动力电池101经过试验测试，得到的不同电量和温度下的10s、2s、1s放电功率值)进行功率控制；对于充电模式时的充电功率值，取充电机额定功率与电池正常情况下的充电许用功率中的较小值；
b、利用BMS检测动力电池故障是否发生，并判断故障类型；
c、根据故障类型得出等级，按照所属故障等级进行故障处理，具体为：
如无故障发生或故障等级为1级，则按1级处理，充电机对动力电池的充电功率＝动力电池充电许用功率×100％；车辆能量回收的对动力电池的充电功率＝动力电池充电的许用功率×100％；动力电池对电机的放电功率＝动力电池的放电许用功率×100％；动力电池101对DC/DC的放电功率＝动力电池放电的许用功率×100％；
如故障等级为2级，则动力电池充电许用功率×30％≤充电机对动力电池的充电功率≤动力电池充电的许用功率×100％；动力电池充电的许用功率×30％≤车辆能量回收的对动力电池的充电功率≤动力电池充电的许用功率×100％；动力电池放电的许用功率×30％≤动力电池对电机的放电功率≤动力电池放电的许用功率×100％；动力电池放电的许用功率×30％≤动力电池对DC/DC的放电功率≤动力电池放电的许用功率×100％；
如故障等级为3级，则不允许对动力电池继续充电，充电机对动力电池的充电功率＝0KW；车辆能量回收的对动力电池的充电功率＝0KW；动力电池对电机的放电功率＝动力电池放电的许用功率×100％；动力电池对DC/DC的放电功率＝动力电池放电的许用功率×100％；
如故障等级为4级，则不允许动力电池继续放电，充电机对动力电池的充电功率＝动力电池充电的许用功率×100％；车辆能量回收的对动力电池的充电功率＝动力电池充电的许用功率×100％；动力电池对电机的放电功率＝0kW；动力电池对DC/DC的放电功率＝0kW；
如故障等级为5级，则充电机和DC/DC继电器正或充电机和DC/DC继电器负发生故障，因此充电机以及DC/DC不能工作，充电机对动力电池的充电功率＝0kW；车辆能量回收的对动力电池的充电功率＝动力电池充电的许用功率×100％；动力电池101对电机的放电功率＝动力电池放电的许用功率×100％；动力电池对DC/DC的放电功率＝0kW；
如故障等级为6级，则主回路主正继电器或者主负继电器或者预充电继电器发生故障，因此能量回收以及电机驱动功能将被禁止使能，充电机对动力电池的充电功率＝动力电池充电许用功率×100％；车辆能量回收的对动力电池的充电功率＝0kW；动力电池对电机的放电功率＝0kW；动力电池对DC/DC的放电功率＝动力电池放电许用功率×100％按照对应的故障等级；
如故障等级为7级或8级，则电池严重故障，由整车控制单元(HCU)或动力电池控制所有高压继电器断开。充电机对动力电池的充电功率＝0kW；车辆能量回收的对动力电池的充电功率＝0kW；动力电池对电机的放电功率＝0kW；动力电池对DC/DC的放电功率＝0kW；
每种等级故障处理方法的软件流程图见图2。
通过在本款插电混合动力汽车上的应用，在动力电池101发生故障情况下，本发明提出的锂离子动力电池故障处理方法能够对动力电池101充电功率和放电功率进行有效控制，满足整车和动力电池101的安全、功能和性能要求。

Claims (5)

1.一种锂离子动力电池系统的故障处理系统，其特征在于：主要由动力电池(101)、电机(102)、充电机和DC/DC总成(103)、1号熔断器(104)、电池总成、2号熔断器(112)和电池管理系统(113)组成；
所述充电机和DC/DC总成(103)由与电机(102)连接的三个主回路高压继电器和与充电机、DC/DC连接的两个充电和DC/DC回路高压继电器组成；
所述三个主回路高压继电器由预充电继电器(107)、主正继电器(108)和主负继电器(109)组成；
所述两个充电和DC/DC回路高压继电器由充电机和DC/DC继电器正(110)和充电机和DC/DC继电器负(111)组成；
所述1号熔断器(104)用于防止主高压电路电流过大；
所述2号熔断器(112)用于防止充电高压电路电流过大。
2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池系统的故障处理系统，其特征在于：所述电池总成由一个以上的电池模块(106)组成。
3.根据权利要求1所述的锂离子动力电池系统的故障处理系统，其特征在于：还包括电池维修开关(105)，用于维修时切断动力电池输出、防止触电。
4.如权利要求1所述的一种锂离子动力电池系统的故障处理系统的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、按照动力电池故障对动力电池(101)和车辆的危害程度，将动力电池故障划分为8个等级，其中，等级1为动力电池(101)内部警告；等级2为对整车控制单元的警告，限制充电或放电功率；等级3为不允许对动力电池(101)充电，包括单体电压高报警；等级4为不允许动力电池(101)放电，包括单体电压低报警；等级5为充电机和DC/DC继电器故障，包括充电正继电器粘连故障；等级6为主回路继电器故障；等级7和等级8为电池严重故障，不允许对动力电池(101)进行充电和放电，包括单体电压过高、单体电压过低及温度过高；
b、利用BMS检测动力电池故障是否发生，并判断故障类型；
c、根据故障类型得出等级，按照所属故障等级进行故障处理，再从利用车辆能量回收对动力电池(101)进行充电、利用充电机对动力电池(101)进行充电、利用动力电池(101)给电机供电、利用动力电池(101)给DC/DC供电四个方面对动力电池(101)充电、放电功率值进行有效控制，进行故障处理。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子动力电池系统的故障处理系统的处理方法，其特征在于，所述的步骤c进行故障处理的步骤为：
c1、当BMS检测到动力电池内部警告相关故障时，基于故障严重程度确定其故障等级，基于故障等级与功率控制间的关系，控制充电机对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率、车辆能量回收系统对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率、动力电池对电机放电功率等于动力电池放电许用功率、动力电池对DC/DC放电功率等于动力电池放电许用功率；
c2、当BMS检测到动力电池外部警告相关故障时，动力电池外部警告用于提示车辆其动力电池处于非正常工作状态，基于故障严重程度确定其故障等级，基于故障等级与功率控制间的关系，控制充电机对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率的30％～100％范围、车辆能量回收系统对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率的30％～100％范围、动力电池对电机放电功率等于动力电池放电许用功率饿30％～100％范围、动力电池对DC/DC放电功率等于动力电池放电许用功率的30％～100％范围，功率限制比例值与故障项目一一对应；
c3、当BMS检测到充电机和DC/DC继电器故障时，基于其严重程度确定故障等级，基于故障等级与功率控制间的关系，控制充电机对动力电池充电功率为O、车辆能量回收系统对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率、动力电池对电机放电功率等于动力电池放电许用功率、动力电池对DC/DC放电功率为O；
c4、当BMS检测到主正继电器或主负继电器或预充电继电器故障时，基于其严重程度确定故障等级，基于故障等级与功率控制间的关系，控制充电机对动力电池充电功率等于动力电池充电许用功率、车辆能量回收系统对动力电池充电功率为0、动力电池对电机放电功率为0、动力电池对DC/DC放电功率等于动力电池放电许用功率。
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