CN108344948A - 一种电动汽车电池的温度报警方法、装置和电动汽车 - Google Patents

一种电动汽车电池的温度报警方法、装置和电动汽车 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车电池的温度报警方法、装置和电动汽车。确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度，确定构成所述电动汽车电池的单体电池的负极材料与所述电解液发生反应的第二温度，确定所述第一温度和所述第二温度中的较小值，基于所述较小值设置电池保护温度，并将电池保护温度存储到电池管理***中；检测所述电动汽车电池的单体电池处的极耳温度，将所述极耳温度发送到所述电池管理***；当所述电池管理***判定所述极耳温度大于所述电池保护温度时，发出报警提示。本发明实施方式从电池内部反应入手获取准确的电池反应温度，用于电池管理***实时检测并提前预警电池失控温度，保证电池使用安全。

Description

一种电动汽车电池的温度报警方法、装置和电动汽车
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，特别涉及一种电动汽车电池的温度报警方法、装置和电动汽车。
背景技术
国家最新标准《汽车和挂车类型的术语和定义》(GB/T 3730.1-2001)中对汽车有如下定义：由动力驱动，具有4个或4个以上车轮的非轨道承载的车辆，主要用于：载运人员和(或)货物；牵引载运人员和(或)货物的车辆；特殊用途。电动汽车作为一种降低石油消耗、低污染、低噪声的新能源汽车，被认为是解决能源危机和环境恶化的重要途径。混合动力汽车同时兼顾纯电动汽车和传统内燃机汽车的优势，在满足汽车动力性要求和续驶里程要求的前提下，有效地提高了燃油经济性，降低了排放，被认为是当前节能和减排的有效路径之一。
电动汽车的电池安全问题归根结底为电池产热与散热问题，解决电池内部温度的方案从减小电池产热量和增大电池散热量入手，可以分为物理法和化学法。物理法包括使用热面材料和保险丝等设备、优化电池外壳结构等方法；化学法包括对电机材料的改性、电解液改性、寻找新的电极材料。化学法是从电池内部解决问题的方法，但是发明理想的新材料和新的电解液处于试验阶段，离实际应用尚远。
在现有技术中，通过电池温度传感方法设置短路保护，检测电池极耳处的极耳温度，并基于极耳温度与预定电池保护温度的比较结果实现对电池的保护。极耳处温度与电池内部温度为两个概念，电池内部温度通常略高于极耳温度。目前主要基于经验值确定电池保护温度。有可能当电池保护温度还未到达，而电池内部已经过热，从而可能导致电池不安全，降低了电池安全性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种电动汽车电池的温度报警方法、装置和电动汽车，从而提高电池安全性。
一种电动汽车电池的温度报警方法，包括：
确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度，确定构成所述电动汽车电池的单体电池的负极材料与所述电解液发生反应的第二温度，确定所述第一温度和所述第二温度中的较小值，基于所述较小值设置电池保护温度，并将所述电池保护温度存储到电池管理***中；
检测所述电动汽车电池的单体电池处的极耳温度，将所述极耳温度发送到所述电池管理***；
当所述电池管理***判定所述极耳温度大于所述电池保护温度时，发出报警提示。
在一个实施方式中，所述确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度包括：
经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测所述正极材料的平衡电极电势；
基于所述O离子浓度值、R离子浓度值和所述正极材料的平衡电极电势，计算正极材料对称系数；
两次测量所述正极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算正极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将所述常量作为正极材料温度系数；
基于所述正极材料温度系数和所述正极材料对称系数计算所述第一温度。
在一个实施方式中，所述正极材料对称系数包括第一系数和第二系数，其中所述第一系数与所述第二系数的和为1。
在一个实施方式中，所述确定构成电动汽车电池的单体电池的负极材料与电解液发生反应的第二温度包括：
经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测所述负极材料的平衡电极电势；
基于所述O离子浓度值、R离子浓度值和所述负极材料的平衡电极电势，计算负极材料对称系数；
两次测量所述负极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算负极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将所述常量作为负极材料温度系数；
基于所述负极材料温度系数和所述负极材料对称系数计算所述第二温度。
在一个实施方式中，所述负极材料对称系数包括第三系数和第四系数，其中所述第三系数与所述第四系数的和为1。
在一个实施方式中，该方法还包括下列中的至少一个：
当所述电池管理***判定所述极耳温度小于等于所述电池保护温度时，发出正常提示；
当所述电池管理***判定所述极耳温度大于所述电池保护温度时，发出电池保护装置触发指令；
当所述电池管理***判定所述极耳温度大于所述电池保护温度时，发出电动汽车电池停止工作指令。
一种电动汽车电池的温度报警装置，包括：
存储模块，用于确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度，确定构成所述电动汽车电池的单体电池的负极材料与所述电解液发生反应的第二温度，确定所述第一温度和所述第二温度中的较小值，基于所述较小值设置电池保护温度，并将所述电池保护温度存储到电池管理***中；
检测模块，用于检测所述电动汽车电池的单体电池处的极耳温度，将所述极耳温度发送到所述电池管理***；
报警模块，用于当所述电池管理***判定所述极耳温度大于所述电池保护温度时，发出报警提示。
在一个实施方式中，存储模块，用于经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测所述正极材料的平衡电极电势；基于所述O离子浓度值、R离子浓度值和所述正极材料的平衡电极电势，计算正极材料对称系数；两次测量所述正极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算正极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将所述常量作为正极材料温度系数；基于所述正极材料温度系数和所述正极材料对称系数计算所述第一温度。
在一个实施方式中，存储模块，用于经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测所述负极材料的平衡电极电势；基于所述O离子浓度值、R离子浓度值和所述负极材料的平衡电极电势，计算负极材料对称系数；两次测量所述负极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算负极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将所述常量作为负极材料温度系数；基于所述负极材料温度系数和所述负极材料对称系数计算所述第二温度。
一种电动汽车，包括如上任一项所述的电动汽车电池的保护装置。
从上述技术方案可以看出，本发明实施方式中，确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度，确定构成电动汽车电池的单体电池的负极材料与所述电解液发生反应的第二温度，确定第一温度和第二温度中的较小值，基于较小值设置电池保护温度，并将电池保护温度存储到电池管理***中；检测电动汽车电池的单体电池处的极耳温度，将极耳温度发送到电池管理***；当电池管理***判定极耳温度大于电池保护温度时，发出报警提示。本发明实施方式从电池内部反应入手，得到准确的电池反应温度，用于电池管理***进行实时检测，并提前预警电池失控温度，保证电池使用安全。
附图说明
以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1为根据本发明电动汽车电池的温度报警方法的流程图。
图2为根据本发明确定第一温度的示范性流程图。
图3为根据本发明确定第二温度的示范性流程图。
图4为根据本发明电动汽车电池的温度报警装置的结构图。
具体实施方式
为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。
为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
在本发明实施方式中，基于电池材料与电解液的反应研究，分析不同容量衰减阶段电池内部材料与电解液之间的放热反应来确定电池失控的预警温度，具体过程包括：
(1)、单体电池试验
运用电化学原理，确定不同阶段电池内部温度，确定单体电池的电极材料与电解液发生反应的温度。确定电池内部温度方法包括：使用离子浓度测量仪检测离子浓度通过公式得到温度(需要确定两个参数α、β)。
其中，确定单体电池的电极材料与电解液发生反应温度的试验可分两次进行。在这两次试验中，分别组装模拟电池，以分别模拟单体电池的正极材料与电解液反应及模拟单体电池的负极材料与电解液反应。在模拟环境中，使用上述确定电池内部温度的方法得到电池电极材料与电解液发生反应的温度，即得到单体电池的正极材料与电解液发生反应的温度和单体电池的负极材料与电解液发生反应的温度。而且，将单体电池的正极材料与电解液发生反应的温度和单体电池的负极材料与电解液发生反应的温度中的较小值确定为T0。
(2)、电池组实时温度检测，提前预警
根据T0设置电池保护温度设置为T1(比如，可以设置T1小于等于T0，T1可以略微低于T0)。并且，使用温度传感器检测单体电池极耳处温度，将极耳处温度数据传输到电池管理***，电池管理***再基于极耳处温度与T1的比较结果确定是否需要预警。
图1为根据本发明电动汽车电池的温度报警方法的流程图。
如图1所示，该方法包括：
步骤101：确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度，确定构成电动汽车电池的单体电池的负极材料与电解液发生反应的第二温度，确定第一温度和第二温度中的较小值，基于较小值设置电池保护温度，并将电池保护温度存储到电池管理***中；
步骤102：检测电动汽车电池的单体电池处的极耳温度，将极耳温度发送到电池管理***；
步骤103：当电池管理***判定极耳温度大于电池保护温度时，发出报警提示。
在一个实施方式中，确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度包括：
首先，组装三电极体系的模拟电池。该模拟电池包括正极(即单体电池的正极材料，为本次测量对象)、负极、参比电极和电解液，其中负极为比单体电池的正极材料稳定的电极，比如可以实施为碳素电极。然后，经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测单体电池的正极材料的平衡电极电势；基于O离子浓度值、R离子浓度值和正极材料的平衡电极电势，计算正极材料对称系数；两次测量单体电池的正极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算正极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将常量作为正极材料温度系数；基于正极材料温度系数和正极材料对称系数计算第一温度。
优选的，正极材料对称系数包括第一系数和第二系数，其中第一系数与第二系数的和为1。
在一个实施方式中，确定构成电动汽车电池的单体电池的负极材料与电解液发生反应的第二温度包括：
首先，组装三电极体系的模拟电池，模拟电池包括正极(即单体电池的负极材料，为本次测量对象)、负极、参比电极和电解液，其中负极为比单体电池的负极材料稳定的电极，比如可以实施为碳素电极。然后，经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测负极材料的平衡电极电势；基于O离子浓度值、R离子浓度值和负极材料的平衡电极电势，计算单体电池的负极材料对称系数；两次测量单体电池的负极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算负极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将常量作为负极材料温度系数；基于所述负极材料温度系数和负极材料对称系数计算第二温度。
优选的，负极材料对称系数包括第三系数和第四系数，其中第三系数与第四系数的和为1。
下面以具体数学推导描述本发明实施方式。
对于单电子反应
从动力学角度推导出体现热力学特性的平衡电位公式：
得到
其中：F为法拉第常数，96.478kJ/(V*mol)；k为前因子；R为气体常数，8.31441J/(K*mol)；Co为O离子浓度；CR为R离子浓度；ψ平为平衡电极电势；α、β为传递系数或对称系数；T为温度。
而且，α+β＝1 (3)；
其中Co、CR和ψ平都可以测量得到，而且通过公式(2)和(3)可得到α、β值。
其中，本发明实施方式的试验可分两次进行，分别组装模拟电池，以分别模拟单体电池的正极材料与电解液反应及模拟单体电池的负极材料与电解液反应；根据每次测试得到的α、β值，再由公式(4)即可得到每次试验的温度T：
η＝a+blogi (4)
其中：η为电势；i为电流密度；a、b为常量；通过两次测量单电极的电势和电流，即可得到a、b值。举例，针对模拟单体电池的正极材料与电解液反应试验，两次测量正极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算正极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量(即a和b值)。再举例，针对模拟单体电池的负极材料与电解液反应试验，两次测量负极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算负极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量(即a和b值)。
又由下列公式(5)和公式(6)
得到
正极极化时，
负极极化时，
其中j0为交换电流密度。
由前面得到的a、b、α、β值，根据公式(7)或(8)即可得到温度T。温度T包括单体电池的正极材料与电解液发生反应的温度和单体电池的负极材料与电解液发生反应的温度，然后将单体电池的正极材料与电解液发生反应的温度和单体电池的负极材料与电解液发生反应的温度中的较小值确定为T0。
接着，电池管理***根据T0设置电池保护温度设置为T1，其中T1小于等于T0。
另外，通过温度传感器检测单体电池极耳处温度，将电池的温度数据传输到电池管理***。电池管理***再基于电池极耳处温度与T1的比较结果确定是否需要预警。当电池管理***判定极耳温度大于T1时，发出报警提示。
优选的，当电池管理***判定极耳温度小于等于T1时，发出正常提示。当电池管理***判定极耳温度大于T1时，进一步发出电池保护装置触发指令，从而电池保护装置执行断电操作以保护电池安全。当电池管理***判定极耳温度大于T1时，发出电动汽车电池停止工作指令，从而停止电动汽车以保护乘客安全。
可见，在本发明实施方式中，从电池内部反应入手，得到准确的电池反应温度，用于电池管理***进行实时检测，并提前预警电池失控温度，保证电池使用安全。
图2为根据本发明确定第一温度的示范性流程图。
如图2所示，该方法包括：
步骤201：组装三电极体系的模拟电池。该模拟电池包括正极、负极、参比电极和电解液，其中正极由单体电池正极材料构成，负极为比单体电池的正极材料稳定的电极。经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测单体电池正极材料的平衡电极电势。
步骤202：基于O离子浓度值、R离子浓度值和单体电池正极材料的平衡电极电势，计算单体电池正极材料对称系数。
步骤203：两次测量单体电池正极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算单体电池正极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将常量作为单体电池正极材料温度系数。
步骤204：基于单体电池正极材料温度系数和正极材料对称系数计算第一温度。
图3为根据本发明确定第二温度的示范性流程图。
如图3所示，该方法包括：
步骤301：组装三电极体系的模拟电池。该模拟电池包括正极、负极、参比电极和电解液，其中正极由单体电池负极材料构成，负极为比单体电池的负极材料稳定的电极。经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测单体电池负极材料的平衡电极电势。
步骤302：基于O离子浓度值、R离子浓度值和单体电池负极材料的平衡电极电势，计算单体电池负极材料对称系数。
步骤303：两次测量单体电池负极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算负极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将常量作为单体电池负极材料温度系数。
步骤304：基于单体电池负极材料温度系数和单体电池负极材料对称系数计算第二温度。
基于上述描述，本发明实施方式还提出了一种电动汽车电池的温度报警装置。
图4为根据本发明电动汽车电池的保护装置的结构图。
如图4所示，该装置包括：
存储模块401，用于确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度，确定构成电动汽车电池的单体电池的负极材料与电解液发生反应的第二温度，确定第一温度和所述第二温度中的较小值，基于较小值设置电池保护温度，并将电池保护温度存储到电池管理***中；
检测模块402，用于检测电动汽车电池的单体电池处的极耳温度，将极耳温度发送到所述电池管理***；
报警模块403，用于当电池管理***判定极耳温度大于电池保护温度时，发出报警提示。
在一个实施方式中：
存储模块401，用于经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测正极材料的平衡电极电势；基于O离子浓度值、R离子浓度值和正极材料的平衡电极电势，计算正极材料对称系数；两次测量正极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算正极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将常量作为正极材料温度系数；基于正极材料温度系数和所述正极材料对称系数计算所述第一温度。
在一个实施方式中：
存储模块401，用于经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测负极材料的平衡电极电势；基于O离子浓度值、R离子浓度值和负极材料的平衡电极电势，计算负极材料对称系数；两次测量负极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算负极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将常量作为负极材料温度系数；基于负极材料温度系数和负极材料对称系数计算第二温度。
可以将本发明实施方式应用到纯电动汽车(BEV)和混合动力汽车(PHEV)中。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，而并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动汽车电池的温度报警方法，其特征在于，包括：
确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度，确定构成所述电动汽车电池的单体电池的负极材料与所述电解液发生反应的第二温度，确定所述第一温度和所述第二温度中的较小值，基于所述较小值设置电池保护温度，并将所述电池保护温度存储到电池管理***中；
检测所述电动汽车电池的单体电池处的极耳温度，将所述极耳温度发送到所述电池管理***；
当所述电池管理***判定所述极耳温度大于所述电池保护温度时，发出报警提示。
2.根据权利要求1所述的电动汽车电池的温度报警方法，其特征在于，所述确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度包括：
经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测所述正极材料的平衡电极电势；
基于所述O离子浓度值、R离子浓度值和所述正极材料的平衡电极电势，计算正极材料对称系数；
两次测量所述正极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算正极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将所述常量作为正极材料温度系数；
基于所述正极材料温度系数和所述正极材料对称系数计算所述第一温度。
3.根据权利要求2所述的电动汽车电池的温度报警方法，其特征在于，所述正极材料对称系数包括第一系数和第二系数，其中所述第一系数与所述第二系数的和为1。
4.根据权利要求1所述的电动汽车电池的温度报警方法，其特征在于，所述确定构成电动汽车电池的单体电池的负极材料与电解液发生反应的第二温度包括：
经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测所述负极材料的平衡电极电势；
基于所述O离子浓度值、R离子浓度值和所述负极材料的平衡电极电势，计算负极材料对称系数；
两次测量所述负极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算负极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将所述常量作为负极材料温度系数；
基于所述负极材料温度系数和所述负极材料对称系数计算所述第二温度。
5.根据权利要求4所述的电动汽车电池的温度报警方法，其特征在于，所述负极材料对称系数包括第三系数和第四系数，其中所述第三系数与所述第四系数的和为1。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电动汽车电池的温度报警方法，其特征在于，该方法还包括下列中的至少一个：
当所述电池管理***判定所述极耳温度小于等于所述电池保护温度时，发出正常提示；
当所述电池管理***判定所述极耳温度大于所述电池保护温度时，发出电池保护装置触发指令；
当所述电池管理***判定所述极耳温度大于所述电池保护温度时，发出电动汽车电池停止工作指令。
7.一种电动汽车电池的温度报警装置，其特征在于，包括：
存储模块，用于确定构成电动汽车电池的单体电池的正极材料与电解液发生反应的第一温度，确定构成所述电动汽车电池的单体电池的负极材料与所述电解液发生反应的第二温度，确定所述第一温度和所述第二温度中的较小值，基于所述较小值设置电池保护温度，并将所述电池保护温度存储到电池管理***中；
检测模块，用于检测所述电动汽车电池的单体电池处的极耳温度，将所述极耳温度发送到所述电池管理***；
报警模块，用于当所述电池管理***判定所述极耳温度大于所述电池保护温度时，发出报警提示。
8.根据权利要求7所述的电动汽车电池的温度报警装置，其特征在于，
存储模块，用于经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测所述正极材料的平衡电极电势；基于所述O离子浓度值、R离子浓度值和所述正极材料的平衡电极电势，计算正极材料对称系数；两次测量所述正极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算正极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将所述常量作为正极材料温度系数；基于所述正极材料温度系数和所述正极材料对称系数计算所述第一温度。
9.根据权利要求7所述的电动汽车电池的温度报警装置，其特征在于，
存储模块，用于经由离子浓度测量仪检测O离子浓度值和R离子浓度值，并经由电势检测器检测所述负极材料的平衡电极电势；基于所述O离子浓度值、R离子浓度值和所述负极材料的平衡电极电势，计算负极材料对称系数；两次测量所述负极材料的电势和电流密度，并基于两次测量值计算负极材料的电势与电流密度的关系函数中的常量，将所述常量作为负极材料温度系数；基于所述负极材料温度系数和所述负极材料对称系数计算所述第二温度。
10.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求7-9中任一项所述的电动汽车电池的温度报警装置。
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