针对动力锂离子电池组的热失控监控装置及其方法
技术领域
本发明涉及动力锂离子电池组技术领域,也涉及热失控监控技术领域,具体涉及一种针对动力锂离子电池组的热失控监控装置及其方法。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。
随着动力锂离子电池组在各个领域使用的规模日益扩大,由于动力锂离子电池组中的锂离子电池燃烧、起火、爆炸引起的恶性事故频发,绝大部分起火的原因是由于锂离子电池严重内部短路引发热失控扩散,目前市场上的动力锂电池管理系统缺少对电池热失控的提前预测和预警的方法和功能。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种针对动力锂离子电池组的热失控监控装置及其方法,有效避免了现有技术中动力锂电池管理系统缺少对电池热失控的提前预测和预警的方法和功能的缺陷。
为了克服现有技术中的不足,本发明提供了一种针对动力锂离子电池组的热失控监控装置及其方法的解决方案,具体如下:
一种针对动力锂离子电池组的热失控监控装置,包括依次顺序连接的第一单元1、第二单元2和第三单元3;
所述第一单元用于采集电池组的电压信号、温度信号和电流信号,并将采集到的电池组的电压信号、温度信号和电流信号传送给第二单元;
所述第二单元用于根据第一单元采集的电池组的温度信号,电压信号和电流信号,通过设定的算法,实时监测电池组热失控的状况或风险;
所述第二单元还用于周期性的将电池组的电压信号、温度信号和电流信号通过通讯总线发送给所述第三单元;所述第二单元还用于将热失控预警信号或热失控发生信号发送至所述第三单元;
所述第三单元用于将热失控预警信号或热失控发生信号上传至云端服务器,以此通过云端服务器报警;所述第三单元还用于周期性的将电池组的电压信号、温度信号和电流信号上传至所述云端服务器。
所述针对动力锂离子电池组的热失控监控装置的方法,包括:
在对所述电池组进行恒压恒流充电期间,如果监测到电池组内某节电池电压出现跌落,即dV/dt<0,表示该节电池的内部存在发生内短路情况,其中V表示该节电池的充电电压,t表示充电时刻,所述第二单元就将热失控发生信号发送至所述第三单元。
在对所述电池组进行恒压恒流充电期间,如果监测到电池组的充电电流在一段时间内突然升高,即dI/dt>0,所述第二单元就将热失控预警信号发送至所述第三单元。
所述针对动力锂离子电池组的热失控监控装置的方法,还包括:
如果监测到电池组的某节电池的温度>60℃,亦或者当电池组某节电池的温升速率过大,即dT/dt>3~5时,所述第二单元就将热失控发生信号发送至所述第三单元。
所述针对动力锂离子电池组的热失控监控装置的方法,还包括:
在所述电池组做放电均衡时,进行热失控监控的方法为如下步骤:
步骤1-1:把所述电池组静置来达到设定的时间要求一;
步骤1-2:在开始进行所述电池组静置时,所述第二开关单元就启动计时器进行计时并判断该计时器的计时值是否达到设定的时间要求一,如果该计时器的计时值达到了设定的时间要求一,就执行步骤1-3;
步骤1-3:所述第二开关单元根据所述电池组的每节电池的 SOC-OCV的函数关系,通过查表得出当前所述电池组的每节电池的剩余容量,记录为Qn;
步骤1-4:所述第二开关单元开启所述电池组的每节电池对应的均衡开关进行均衡,同步启动计时器计时并判断该计时器的计时值 T1是否达到设定的时间要求二,还实时计算每节电池的均衡电量Qbn;
步骤1-5:如果该计时器的计时值T1达到了设定的时间要求二,就执行步骤1-6;
步骤1-6:所述第二开关单元切断所有的均衡开关的同时启动计时器计时并判断该计时器的计时值是否达到设定的时间要求三,把所述电池组静置来使所述电池组的各个电池的电压值恢复到OCV的水平;
步骤1-7:如果该计时器的计时值达到了设定的时间要求三,就执行步骤1-8;
步骤1-8:所述第二开关单元根据所述电池组的每节电池的 SOC-OCV的函数关系,通过查表得出当前所述电池组的每节电池的剩余容量,记录为Qn’;
步骤1-9:所述第二开关单元比对所述电池组的每节电池均衡前后的容量差值QΔ,所述容量差值QΔ的计算公式如下所示:
QΔ=(Qn-Qn’)-Qbn;
步骤1-10:所述第二开关单元判断是否QΔ≥n*Qbn,其中n为所述电池组的电池的数量,如果QΔ≥n*Qbn,转步骤1-11中执行,如果QΔ<n*Qbn,认定所述电池组不存在电池内短路的状况;
步骤1-11:认定动力锂离子电池组内部存在电池内短路情况发生,所述第二单元就将热失控发生信号发送至所述第三单元。
所述恒压恒流充电为先进行恒流充电,达到恒压点后,然后转恒压充电,使得充电的电流持续下降,当充电的所述电池组的电流值下降到设定阈值或充电的电池电压值达到设定阈值时,结束充电。
在所述第二单元监测判断出在充放电过程中电池组的电池内短路故障发生后,就进入故障处理模式,所述故障处理模式包括:
步骤A-1:在所述第二单元监测判断出在充放电过程中电池组的电池内短路故障发生后,所述第二单元就关断充放电回路,并设定故障标志位来表示出现了电池组的电池内短路故障;
步骤A-2:所述第二单元把所述热失控发生信号、此时电池组的电压信号、温度信号和电流信号通过所述第三单元上传到云端服务器;
步骤A-3:然后所述云端服务器对电池组的生产厂家或客户进行通知。
所述针对动力锂离子电池组的热失控监控装置的方法,还包括:
充电时间延长的判断法、充电效率低于设定阈值的判断法或者充电容量的判断法;
所述充电时间延长的判断法包括:
需要通过对电池组的充电测试,建立不同温度下所述电池组最大充电时间的关系表,所述第二单元通过查询该关系表直接得出当前温度状态下,所述电池组理论上的最大充电时间;
当对电池组的实际充电时间与理论上的最大充电时间的比值大于设定的阈值时,可提前预测当前锂离子电池组内部存在潜在的内短路的问题;
所述充电效率低于设定阈值的判断法包括:
需要通过测试建立不同温度和充电倍率情况下电池组的最小的充电效率的表格,所述第二单元可通过查该表格确定当前状态下电池组的充电效率,如果监测到电池组的充电效率小于电池组最小的充电效率,可判断电池组内部存在潜在的内短路的情况;
所述充电容量的判断法包括:
所述第二单元判断如果电池的充电容量/[(电池充电起始的SOC- 电池充电结束的SOC)*电池容量]>X,如果实际充电的容量大于理论容量,认为过多的电流消耗在了内阻抗上;其中X≥1.2~1.3,X 为实数。
本发明的有益效果为:
总之,本发明通过对动力锂离子电池组的使用数据(电池电压、充放电电流、电池组荷电状态、电池组容量、电池组温度、电池内短路)进行实时监控,并通过无线通讯技术将数据定时上传至云端服务器,实现数据异地备份,热失控发生后,便于数据分析和原因查找。本发明的方法,可在动力锂离子电池组的充电过程中、电池组均衡时或者电池组静置时,对电池组的内短路进行监控和预测,涵盖的场景较为齐全,防止误报、漏报。本发明的装置具备远程通讯的接口和能力,故障发生前可实现远程预警,远程控制功能,并且具备丰富的可扩展性,例如,通过外接摄像头可实现远程视频监控、接入消防系统,可实现锂电池组安全智能消防的应用等,实现更大的社会价值。
附图说明
图1为本发明的针对动力锂离子电池组的热失控监控装置的结构示意图,其中U1、U2和Un分别表示动力锂离子电池组的第一电池的电压、第二电池的电压和第n电池的电压,T1、T2和Tn分别表示动力锂离子电池组的第一电池的温度、第二电池的温度和第n电池的温度,其中n为动力锂电子电池组的电池的数量。
图2为本发明的故障处理模式的方法的流程图。
图3为本发明的对所述电池组进行恒压恒流充电的趋势变化图,其中IBat表示充电时电池组的充电电流,VBat表示充电时电池组的充电电压。
图4为本发明的电压陡降的趋势变化图,其中IBat表示充电时电池组的充电电流,VBat表示充电时电池组的充电电压。
图5为本发明的电流陡升的趋势变化图,其中IBat表示充电时电池组的充电电流,VBat表示充电时电池组的充电电压。
图6为本发明的根据温度判断电池组热失控的流程图。
图7为本发明的电池组均衡的等效电路图。
具体实施方式
本发明声明的装置和方法可在动力锂离子电池组的全生命周期内,对该动力锂离子电池组内短路问题等安全问题进行监控,如果侦测到该动力锂离子电池组内部存在热失控的较高风险,并能通过物联网无线通讯技术,提前告知车主、厂家,提前排除安全隐患,降低安全风险。同时本发明可将动力锂离子电池组的全生命周期的状态,数据均上传,保存在云端服务器,有利于安全事故原因的分析和责任认定。
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
针对动力锂离子电池组的热失控监控装置,如图1所示,包括依次顺序连接的第一单元1、第二单元2和第三单元3;所述第一单元和第二单元通过通讯接口连接;所述第一单元包括电压传感器、温度传感器和电流传感器;所述第二单元能够是处理器、控制器或者PLC;所述第二单元通过通讯总线与第三单元连接。所述第一单元用于采集动力锂离子电池组的电压信号、温度信号和电流信号,并通过通讯接口将采集到的动力锂离子电池组的电压信号、温度信号和电流信号传送给第二单元;所述第二单元用于根据第一单元采集的动力锂离子电池组的温度信号,电压信号和电流信号,通过设定的算法,实时监测动力锂离子电池组热失控的状况或风险;所述第二单元可在动力锂离子电池组的不同场景下,通过监控动力锂离子电池组中电池的电芯内短路状况,预测或判断出动力锂离子电池组热失控的风险或状况,负责对动力锂离子电池组的温度信号,电压信号和电流信号的计算,运行电池组热失控的诊断预测算法,提前发现动力锂离子电池组的电池内短路的风险;所述第二单元还用于周期性的将动力锂离子电池组的电压信号、温度信号和电流信号通过通讯总线发送给所述第三单元;所述第二单元还用于将热失控预警信号或热失控发生信号发送至所述第三单元;所述第三单元是无线通讯模块,该无线通讯模块模块可以是GPRS、3G、4G、5G、NB-IoT等无线通讯模块,用于将热失控预警信号或热失控发生信号上传至云端服务器,以此通过云端服务器报警;所述第三单元还用于周期性的将动力锂离子电池组的电压信号、温度信号和电流信号上传至所述云端服务器,以此实现远程监控的目的。所述热失控预警信号是在监测出动力锂离子电池组热失控的风险时,代表存在动力锂离子电池组热失控的风险的信号,所述热失控发生信号是在监测出动力锂离子电池组热失控发生时,代表出现了动力锂离子电池组热失控的信号。所述第三单元与所述云端服务器通信连接。所述动力锂离子电池组的电压信号包括所述动力锂离子电池组中的各个电池的电压信号。所述动力锂离子电池组的温度信号包括所述动力锂离子电池组中的各个电池的温度信号。
所述针对动力锂离子电池组的热失控监控装置的方法,包括:
在对所述动力锂离子电池组进行恒压恒流充电期间,在正常情况下,在整个充电过程中动力锂离子电池组的电池电压是上升的过程,直至达到充电截止状态时,切断充电回路后,在静置阶段动力锂离子电池组的电池电压开始回落。但是当充电过程中,在恒流恒压充电阶段,正常情况下动力锂离子电池组的充电电流IChg>0,所述第二单元根据从第一单元的电压传感器发送来的动力锂离子电池组的电压信号,如图4所示,如果监测到动力锂离子电池组内某节电池,即某节单体电芯电压出现跌落,即dV/dt<0,表示该节电池的内部存在发生内短路情况,其中V表示该节电池的充电电压,t表示充电时刻,所述第二单元就监测判断出在充放电过程中动力锂离子电池组的电池内短路故障发生,并将热失控发生信号发送至所述第三单元。
在对所述动力锂离子电池组进行恒压恒流充电期间,在正常情况下,所述恒压恒流充电为先进行恒流充电,达到恒压点后,然后转恒压充电,使得充电的电流持续下降,所述第二单元在恒压阶段根据从第一单元的电流传感器发送来的动力锂离子电池组的电流信号,如图 5所示,如果监测到动力锂离子电池组的充电电流在一段时间内突然升高,即dI/dt>0,如图5所示,其中I表示所述动力锂离子电池组的充电电流,t表示充电时刻,所述一段时间可以设定为1s-2s,可认为所述动力锂离子存在有内短路的潜在的风险,所述第二单元就将热失控预警信号发送至所述第三单元。
所述针对动力锂离子电池组的热失控监控装置的方法,还包括:
当动力锂离子电池组内短路的发生后并处于短路的中后期,动力锂离子电池组在充电、放电甚至在静置的过程中,动力锂离子电池组会出现温度过高或动力锂离子电池组短时温升速率过大的情况,这样就根据这一应用特性和现象,可实现对动力锂离子电池内短路的中后期进行提前预测。
根据经验数据和不同电池的特性,所述第二单元根据从第一单元的温度传感器发送来的动力锂离子电池组的温度信号,如图6所示,如果监测到动力锂离子电池组的某节电池的温度>60℃,亦或者当电池组某节电池的短时温升速率过大,即dT/dt>3~5时,可以认定动力锂离子电池组内部存在不可逆的内短路情况发生,此时电池组应立即进入失效安全状态(Fail-Safe),,所述第二单元就将热失控发生信号发送至所述第三单元。
所述针对动力锂离子电池组的热失控监控装置的方法,还包括:
在所述动力锂离子电池组做放电均衡时,进行热失控监控的方法为如下步骤:所述动力锂离子电池组做放电均衡的等效电路模型为图 7所示,所述动力锂离子电池组的每节电池Uoc的等效电阻R4包括表示该电池的接触电阻R1和极化电阻,所述极化电阻能够用并联的第二电阻R2和第一电容C1来等效表示,所述电池的两端连接有串联电路,该串联电路包括串联而成的作为均衡开关的第二电控开关和均衡电阻R5,这样的串联电路等同于与等效电阻R4并联。
步骤1-1:把所述动力锂离子电池组静置来达到设定的时间要求一;这样是把充电后所述动力锂离子电池组的虚高的电压降低到开路电压,即降低到正常的工作电压。通常设定的时间要求一为 30min-40min。
步骤1-2:在开始进行所述动力锂离子电池组静置时,所述第二开关单元就启动计时器进行计时并判断该计时器的计时值是否达到设定的时间要求一,如果该计时器的计时值达到了设定的时间要求一,就执行步骤1-3并复位计时器;
步骤1-3:所述第二开关单元根据所述动力锂离子电池组的每节电池的SOC-OCV的函数关系,通过查表得出当前所述动力锂离子电池组的每节电池的剩余容量,记录为Qn;
步骤1-4:所述第二开关单元开启所述动力锂离子电池组的每节电池对应的均衡开关进行均衡,同步启动计时器计时并判断该计时器的计时值T1是否达到设定的时间要求二,还实时计算每节电池的均衡电量Qbn;通常设定的时间要求二为30min-40min。
步骤1-5:如果该计时器的计时值T1达到了设定的时间要求二,就执行步骤1-6并复位计时器;
步骤1-6:所述第二开关单元切断所有的均衡开关的同时启动计时器计时并判断该计时器的计时值是否达到设定的时间要求三,把所述动力锂离子电池组静置来使所述动力锂离子电池组的各个电池的电压值恢复到OCV的水平;通常设定的时间要求三为30min-40min。
步骤1-7:如果该计时器的计时值达到了设定的时间要求三,就执行步骤1-8并复位计时器;
步骤1-8:所述第二开关单元根据所述动力锂离子电池组的每节电池的SOC-OCV的函数关系,通过查表得出当前所述动力锂离子电池组的每节电池的剩余容量,记录为Qn’;
步骤1-9:所述第二开关单元比对所述动力锂离子电池组的每节电池均衡前后的容量差值QΔ,所述容量差值QΔ的计算公式如下所示:
QΔ=(Qn-Qn’)-Qbn;
步骤1-10:所述第二开关单元判断是否QΔ≥n*Qbn,其中n为所述动力锂离子电池组的电池的数量,如果QΔ≥n*Qbn,转步骤1-11 中执行,如果QΔ<n*Qbn,认定所述动力锂离子电池组不存在电池内短路的状况;
步骤1-11:认定动力锂离子电池组内部存在电池内短路情况发生,所述第二单元就监测判断出在充放电过程中动力锂离子电池组的电池内短路故障发生,并将热失控发生信号发送至所述第三单元。
所述恒压恒流充电为先进行恒流充电,达到恒压点后,然后转恒压充电,使得充电的电流持续下降,当充电的所述动力锂离子电池组的电流值下降到设定阈值或充电的动力锂离子电池组的电池电压值达到设定阈值时,结束充电。所述动力锂离子电池组的电流值或充电的动力锂离子电池组的电池电压值是分别通过所述第一单元的电流传感器和电压传感器来采集的并发送到所述第二单元中,所述第二单元就在充电的所述动力锂离子电池组的电流值下降到设定阈值或充电的动力锂离子电池组的电池电压值达到设定阈值时,结束充电,如图3所示。
在所述第二单元监测判断出在充放电过程中动力锂离子电池组的电池内短路故障发生后,就进入故障处理模式,如图2所示,所述故障处理模式包括:
步骤A-1:在所述第二单元监测判断出在充放电过程中动力锂离子电池组的电池内短路故障发生后,所述第二单元就关断充放电回路,并设定故障标志位来表示出现了动力锂离子电池组的电池内短路故障;在充放电过程中,所述动力锂离子电池组就通过闭合的第一电控开关与充放电回路连接,而该第一电控开关和所述第二单元连接,在所述第二单元控制所述第一电控开关断开时,就能关断充放电回路。
步骤A-2:所述第二单元把作为故障报警信息的所述热失控发生信号、此时动力锂离子电池组的电压信号、温度信号和电流信号通过所述第三单元上传到云端服务器;
步骤A-3:然后所述云端服务器对动力锂离子电池组的生产厂家或客户进行通知。所述云端服务器对动力锂离子电池组的生产厂家或客户进行通知的方式为:所述云端服务器与动力锂离子电池组的生产厂家或客户的智能终端通信连接,智能终端能够是PDA、平板电脑或者智能手机,这样所述云端服务器就能对该智能终端发送作为故障报警信息的所述热失控发生信号、此时动力锂离子电池组的电压信号、温度信号和电流信号来起到通知的作用。
本发明的装置和方法在动力锂离子电池组全生命周期安全监控的解决方案具备以下优点:
本发明的装置对动力锂离子电池组的使用数据(电池电压、充放电电流、电池组荷电状态、电池组容量、电池组温度、电池内短路) 进行实时监控,并通过无线通讯技术将数据定时上传至云端服务器,实现数据异地备份,热失控发生后,便于数据分析和原因查找。
本发明的方法,可在动力锂离子电池组的充电过程中、电池组均衡时或者电池组静置时,对电池组的内短路进行监控和预测,涵盖的场景较为齐全,防止误报、漏报。
本发明的装置具备远程通讯的接口和能力,故障发生前可实现远程预警,远程控制功能,并且具备丰富的可扩展性,例如,通过外接摄像头可实现远程视频监控、接入消防系统,可实现锂电池组安全智能消防的应用等,实现更大的社会价值。
所述针对动力锂离子电池组的热失控监控装置的方法,还包括:
充电时间延长的判断法、充电效率低于设定阈值的判断法或者充电容量的判断法;
所述充电时间延长的判断法包括:
需要通过对动力锂离子电池组的充电测试,建立不同温度下所述动力锂离子电池组最大充电时间的关系表,所述第二单元通过查询该关系表直接得出当前温度状态下,所述动力锂离子电池组理论上的最大充电时间;
当对动力锂离子电池组的实际充电时间与理论上的最大充电时间的比值大于设定的阈值时,可提前预测当前锂离子电池组内部存在潜在的内短路的问题;该设定的阈值能设定为1.5.
所述充电效率低于设定阈值的判断法包括:
本方法基于当动力锂离子电池组发生内部短路时,在动力锂离子电池组的电池充电和放电过程中,电池内阻会消耗较大的能量,因此会导致电池充电时,计算的充电容量大于电池组实际的充电容量,同样放电时,电池组计算的放电容量会大于实际的放电容量,因此通过监测充电效率(充电效率=放电容量/充电容量),同样可以预测电池内部存在短路的情况。本方法需要通过测试建立不同温度和充电倍率情况下电池组的最小的充电效率的表格,所述第二单元可通过查该表格确定当前状态下电池组的充电效率,如果监测到电池组的充电效率小于电池组最小的充电效率,可判断电池组内部存在潜在的内短路的情况;
所述充电容量的判断法包括:
同样,电池组内部存在内短路情况时,由于多于电流消耗在内短路电阻上,因此电池组的充电容量会大于电池组实际的容量。所述第二单元判断如果电池组的电池的充电容量/[(电池充电起始的SOC-电池充电结束的SOC)*电池容量]>X,如果实际充电的容量大于理论容量,认为过多的电流消耗在了内阻抗上;根据理论和经验数据,通常数值X≥1.2~1.3,X为实数。
以上以用实施例说明的方式对本发明作了描述,本领域的技术人员应当理解,本公开不限于以上描述的实施例,在不偏离本发明的范围的情况下,可以做出各种变化、改变和替换。