CN111817402B - 一种全状态电池热失控安全管理的方法及装置 - Google Patents

一种全状态电池热失控安全管理的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种全状态电池热失控安全管理的方法及装置涉及电力电子技术领域。本发明由基础数据存储器、回路检测模块、回路状态判定器、阈值设定器、热失控保护器、预警模块和回路切断告警模块组成；热失控保护器由恒流充电保护器、恒压充电保护器、放电状态保护器和静置状态保护器组成；本发明的实现将电池的充电放电周期进行了细分，并且将告警和预警进行区分，热失控预警最早可以在温度达到热失控告警温度的百分之60的时候判断出是否存在热失控的趋势，发出预警，本发明的实现补充了现有技术对电池生命周期各阶段都进行热失控预警的不足，可以在热失控尚未发生时进行热失控的阻断，是电池安全管理技术的进步。

Description

一种全状态电池热失控安全管理的方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域。
背景技术
电池热失控是指蓄电池在恒压充电时电流和电池温度发生一种积累性的增强作用并逐步损坏。电池达一定的温度之后，就不可控了，温度直线上升，然后就会燃烧***。而过热、过充、内短路、碰撞等是引发动力电池热失控的几个关键因素。
短路造成的热失控分为外部短路造成热失控和内部短路造成热失控。波音787客机曾因电池***起火。在查找事故原因时，发现电极和隔膜上有金属物，产生了内短路。虽然专家无法100％确认热失控是由内短路触发的，但它是最可能的原因，因为找不到其他原因。
纯电动大巴起火事件原因就在于“过充电触发的热失控”，具体则是电池管理***本身对过充电的电路安全功能缺失，导致电池的BMS已经失控却还在充电导致的。
目前尚无绝对可靠的方法避免热失控的发生以及热失控在电池***中的蔓延，因此，为了降低热失控的危害，在热失控发生之前做出热失控预警极为必要。
中国发明专利申请号：CN2020101241848，专利名称：一种电动汽车动力蓄电池热失控预警方法、装置及***，该专利通过获取蓄电池包内的气压数据；在气压数据异常时，向电池管理***发送校验请求，以获取蓄电池包内的待检验数据；在确定待校验数据满足预设条件时，向整车发送热失控报警信号。该专利的实施需要预先对使用的蓄电池热失控后释放气体的量做测量，并对电池所处的密封空间承载的气体体积作出测量才能够以气压作为热失控的告警条件。
中国发明专利申请号CN2020100634977，专利名称：一种汽车电池热失控预警控制方法及***，***包括整车控制器和电池包，电池包包括电芯、柔性电路板和防爆阀，柔性电路板设置在防爆阀上，柔性电路板包括第一检测回路和第二检测回路，方法包括：获取电池的状态信息；将状态信息与各预设的判别条件进行比较，获得第一比较结果，并生成第一提示信息或第二提示信息；当电池处于非正常工作状态时，获取第一检测回路的第一电压值和第二检测回路的第二电压值；当第一电压值和第二电压值均不小于第一预设值时，展示第三提示信息，第三提示信息用于提示电池处于热失控状态；该专利通过柔性电路板在电池膨胀阶段被压力挤压导致接通从而发出信号的方式来多级判断电池的热失控状态，是一种检测方法，但是电池已经膨胀代表热失控已经发生，不能够达到事先预警的目的。
中国发明专利申请号CN202010059835X，专利名称：基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护***及方法，该专利实时采集电池内部释放的气体类型及气体浓度信息，输出表征气体浓度信息的电压信号，用释放的气体浓度来进行热失控报警，不仅需要知道各种电池热失控后释放气体的气相组成，而且需要达到一定的浓度同样代表热失控已经发生，无法预警。
中国发明专利申请号CN2019223747421，专利名称：锂离子电池组内部过热电池预警与定位装置，该专利采用传感器装置对电池内部过热电池进行监控，传感器装置采用特制的柔性薄膜传感器；同样是利用电池热失控后膨胀的原理进行报警，无法完成预警。
中国发明专利申请号CN2019112170133，专利名称：一种动力锂离子电池热失控早期预警方法，该专利基于温度、烟雾以及特征气体探测的三级预警，该专利温度可以作为预警使用，烟雾和特征气体已经属于事后报警范畴，但是温度值预警不如温度的加速度值预警灵敏有效，温度达到预警值说明电池热失控已经成为现状，但是温度预警比压力预警和烟雾预警已经有所进步。
中国发明专利申请号CN201911128270X，专利名称：一种电池热失控预警***及方法，该专利基于温度、烟雾以及特征气体探测的三级预警，该专利使用设置于待监控电池模组两端的压力探测装置和设置于待监控模组充电回路中的充电开关，同样是压力预警技术。
检索现有技术，缺乏对电池充电环节和电池放电环节及电池静置环节的全状态进行有效热失控安全管理的方法和技术，现有技术不区别电池所处的环节的主要原因是对热失控的预警停留在事后预警，要在热失控尚未发生前就发现热失控趋势给出告警信号提前进行热失控的预警需要将电池的使用周期细分为充电周期，放电周期，静置周期，并且将充电周期分为恒压充电周期和恒流充电周期来采取区别化的预警管理。
发明内容
鉴于现有技术的不足，实现本发明的一种全状态电池热失控安全管理的方法及装置由基础数据存储器、回路检测模块、回路状态判定器、阈值设定器、热失控保护器、预警模块和回路切断告警模块组成；热失控保护器由恒流充电保护器、恒压充电保护器、放电状态保护器和静置状态保护器组成；
基础数据存储器用来存储***配置参数，***配置参数包括：恒流充电限流点、恒压充电电压、回路电池单体数；恒流充电限流点就是恒流充电时的最大电流，由电池厂商提供，并同时提供检测精度范围；恒压充电电压就是恒流充电过渡到恒压充电时的稳定的充电电压，由电池厂商提供，并同时提供检测精度范围；回路电池单体数就是整个回路中参与充电和放电的所有电池的数目，由组建***时确定并写入基础数据存储器；
回路检测模块的回路电流采集器采集回路电流值，充电电流为正值，放电电流为负值；回路检测模块的回路电压采集器采集回路电压值；
回路状态判定器负责判定回路所处的状态：当回路电流值为正值，且在恒流充电限流点的检测精度范围内时，回路状态判定器判定此时回路状态为恒流充电阶段，并将恒流充电阶段信号通知热失控保护器；当回路电流为正值，且在恒流充电限流点的检测精度范围外，且回路电压值在恒压充电电压的检测精度范围内时，回路状态判定器判定此时回路状态为恒压充电阶段，并将恒压充电阶段信号通知热失控保护器；当回路电流值为负值时，回路状态判定器判定此时回路状态为放电阶段，并将放电阶段信号通知热失控保护器；当回路电流值为零时，回路状态判定器判定此时回路状态为静置阶段，并将静置阶段信号通知热失控保护器；
由阈值设定器根据电池厂商给出的热失控温度阈值乘以百分之90设定回路切断阈值；由阈值设定器设定第一告警阈值和第二告警阈值及第三告警阈值；第一告警阈值的选取范围为电池厂商给出的热失控温度阈值的百分之80到百分之89；第二告警阈值的选取范围为电池厂商给出的热失控温度阈值的百分之70到百分之79；第三告警阈值的选取范围为电池厂商给出的热失控温度阈值的百分之60到百分之69；由阈值设定器设定单体电池正常充电时的温度上升速率阈值，温度上升速率是温度除以时间的积分；由阈值设定器设定单体电池正常充电时温度加速度阈值，温度加速度是温度上升速率除以时间的积分；
热失控保护器收到恒流充电阶段信号，由恒流充电保护器检测单元检测模块的电池温度采集器采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，恒流充电保护器通知回路切断告警模块发出告警信号，并切断回路；当电池温度达到第一告警阈值，且电池电压采集器采集的电池电压高于回路单体平均电压的百分之五，恒流充电保护器通知预警模块发出预警信号，电池单体平均电压由回路电压采集器采集的回路电压值除以回路电池单体数得到；
热失控保护器收到恒压充电阶段信号，由恒压充电保护器检测单元检测模块的电池温度采集器采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，由恒压充电保护器通知回路切断告警模块发出告警信号，并切断回路；恒压充电保护器检测回路电流采集器采集的回路电流值，并将回路电流值以时间进行积分，当回路电流值的时间积分值连续变大时，恒压充电保护器通知预警模块发出预警信号，判断连续变大的时间周期设定范围为2分钟到10分钟；恒压充电保护器检测单元检测模块的电池温度采集器采集的电池温度，当电池温度高于第二告警阈值，且电池温度上升速率大于温度上升速率阈值时，恒压充电保护器通知预警模块发出预警信号；当电池温度高于第三告警阈值，且电池温度上升的温度加速度大于温度加速度阈值时，恒压充电保护器通知预警模块发出预警信号；
热失控保护器收到放电阶段信号，由放电状态保护器检测单元检测模块的电池温度采集器采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，放电状态保护器通知回路切断告警模块发出告警信号，并切断回路；当电池温度达到第一告警阈值，且电池电压采集器采集的电池电压高于回路单体平均电压的百分之五，放电状态保护器通知预警模块发出预警信号；
热失控保护器收到静置阶段信号，由静置状态保护器检测单元检测模块的电池温度采集器采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，静置状态保护器通知回路切断告警模块发出告警信号，并切断回路；静置状态保护器采集环境温度，当电池温度采集器采集的电池温度上升速度大于环境温度上升速度，静置状态保护器通知预警模块发出预警信号。
有益效果
本发明的实现将电池的充电放电周期进行了细分，并且将告警和预警进行区分，热失控预警最早可以在温度达到热失控告警温度的百分之60的时候判断出是否存在热失控的趋势，并作出预警，本发明的实现补充了现有技术对电池生命周期各阶段都进行热失控预警的不足，可以在热失控尚未发生时进行热失控的阻断，是电池安全管理技术的进步。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的回路检测模块结构示意图；
图3是本发明的单元检测模块结构示意图。
具体实施方式
参看图1至图3，实现本发明的一种全状态电池热失控安全管理的方法及装置由基础数据存储器1、回路检测模块2、回路状态判定器3、阈值设定器4、热失控保护器5、预警模块6和回路切断告警模块7组成；热失控保护器5由恒流充电保护器50、恒压充电保护器51、放电状态保护器52和静置状态保护器53组成；
基础数据存储器1用来存储***配置参数，***配置参数包括：恒流充电限流点、恒压充电电压、回路电池单体数；恒流充电限流点就是恒流充电时的最大电流，由电池厂商提供，并同时提供检测精度范围；恒压充电电压就是恒流充电过渡到恒压充电时的稳定的充电电压，由电池厂商提供，并同时提供检测精度范围；回路电池单体数就是整个回路中参与充电和放电的所有电池的数目，由组建***时确定并写入基础数据存储器；
回路检测模块2的回路电流采集器20采集回路电流值，充电电流为正值，放电电流为负值；回路检测模块2的回路电压采集器21采集回路电压值；
回路状态判定器3负责判定回路所处的状态：当回路电流值为正值，且在恒流充电限流点的检测精度范围内时，回路状态判定器3判定此时回路状态为恒流充电阶段，并将恒流充电阶段信号通知热失控保护器5；当回路电流为正值，且在恒流充电限流点的检测精度范围外，且回路电压值在恒压充电电压的检测精度范围内时，回路状态判定器3判定此时回路状态为恒压充电阶段，并将恒压充电阶段信号通知热失控保护器5；当回路电流值为负值时，回路状态判定器3判定此时回路状态为放电阶段，并将放电阶段信号通知热失控保护器5；当回路电流值为零时，回路状态判定器3判定此时回路状态为静置阶段，并将静置阶段信号通知热失控保护器5；
由阈值设定器4根据电池厂商给出的热失控温度阈值乘以百分之90设定回路切断阈值；由阈值设定器4设定第一告警阈值和第二告警阈值及第三告警阈值；第一告警阈值的选取范围为电池厂商给出的热失控温度阈值的百分之80到百分之89；第二告警阈值的选取范围为电池厂商给出的热失控温度阈值的百分之70到百分之79；第三告警阈值的选取范围为电池厂商给出的热失控温度阈值的百分之60到百分之69；由阈值设定器4设定单体电池正常充电时的温度上升速率阈值，温度上升速率是温度除以时间的积分；由阈值设定器4设定单体电池正常充电时温度加速度阈值，温度加速度是温度上升速率除以时间的积分；
热失控保护器5收到恒流充电阶段信号，由恒流充电保护器50检测单元检测模块8的电池温度采集器82采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，恒流充电保护器50通知回路切断告警模块7发出告警信号，并切断回路；当电池温度达到第一告警阈值，且电池电压采集器80采集的电池电压高于回路单体平均电压的百分之五，恒流充电保护器50通知预警模块6发出预警信号，电池单体平均电压由回路电压采集器20采集的回路电压值除以回路电池单体数得到；
热失控保护器5收到恒压充电阶段信号，由恒压充电保护器51检测单元检测模块8的电池温度采集器82采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，由恒压充电保护器51通知回路切断告警模块7发出告警信号，并切断回路；恒压充电保护器51检测回路电流采集器21采集的回路电流值，并将回路电流值以时间进行积分，当回路电流值的时间积分值连续变大时，恒压充电保护器51通知预警模块6发出预警信号，判断连续变大的时间周期设定范围为2分钟到10分钟；恒压充电保护器51检测单元检测模块8的电池温度采集器82采集的电池温度，当电池温度高于第二告警阈值，且电池温度上升速率大于温度上升速率阈值时，恒压充电保护器51通知预警模块6发出预警信号；当电池温度高于第三告警阈值，且电池温度上升的温度加速度大于温度加速度阈值时，恒压充电保护器51通知预警模块6发出预警信号；热失控保护器5收到放电阶段信号，由放电状态保护器52检测单元检测模块8的电池温度采集器82采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，放电状态保护器52通知回路切断告警模块7发出告警信号，并切断回路；当电池温度达到第一告警阈值，且电池电压采集器80采集的电池电压高于回路单体平均电压的百分之五，放电状态保护器52通知预警模块6发出预警信号；
热失控保护器5收到静置阶段信号，由静置状态保护器53检测单元检测模块8的电池温度采集器82采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，静置状态保护器53通知回路切断告警模块7发出告警信号，并切断回路；静置状态保护器53采集环境温度，当电池温度采集器82采集的电池温度上升速度大于环境温度上升速度，静置状态保护器53通知预警模块6发出预警信号。

Claims (2)

1.一种全状态电池热失控安全管理的装置，其特征在于由基础数据存储器、回路检测模块、回路状态判定器、阈值设定器、热失控保护器、预警模块和回路切断告警模块组成；热失控保护器由恒流充电保护器、恒压充电保护器、放电状态保护器和静置状态保护器组成；
基础数据存储器用来存储***配置参数，***配置参数包括：恒流充电限流点、恒压充电电压、回路电池单体数；恒流充电限流点就是恒流充电时的最大电流，由电池厂商提供，并同时提供检测精度范围；恒压充电电压就是恒流充电过渡到恒压充电时的稳定的充电电压，由电池厂商提供，并同时提供检测精度范围；回路电池单体数就是整个回路中参与充电和放电的所有电池的数目，由组建***时确定并写入基础数据存储器；
回路检测模块的回路电流采集器采集回路电流值，充电电流为正值，放电电流为负值；回路检测模块的回路电压采集器采集回路电压值；
回路状态判定器负责判定回路所处的状态：当回路电流值为正值，且在恒流充电限流点的检测精度范围内时，回路状态判定器判定此时回路状态为恒流充电阶段，并将恒流充电阶段信号通知热失控保护器；当回路电流为正值，且在恒流充电限流点的检测精度范围外，且回路电压值在恒压充电电压的检测精度范围内时，回路状态判定器判定此时回路状态为恒压充电阶段，并将恒压充电阶段信号通知热失控保护器；当回路电流值为负值时，回路状态判定器判定此时回路状态为放电阶段，并将放电阶段信号通知热失控保护器；当回路电流值为零时，回路状态判定器判定此时回路状态为静置阶段，并将静置阶段信号通知热失控保护器；
由阈值设定器设定回路切断阈值、第一告警阈值、第二告警阈值和第三告警阈值；由阈值设定器设定单体电池正常充电时的温度上升速率阈值，温度上升速率是温度除以时间的积分；由阈值设定器设定单体电池正常充电时温度加速度阈值，温度加速度是温度上升速率除以时间的积分；
热失控保护器收到恒流充电阶段信号，由恒流充电保护器检测单元检测模块的电池温度采集器采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，恒流充电保护器通知回路切断告警模块发出告警信号，并切断回路；当电池温度达到第一告警阈值，且电池电压采集器采集的电池电压高于回路单体平均电压的百分之五，恒流充电保护器通知预警模块发出预警信号，电池单体平均电压由回路电压采集器采集的回路电压值除以回路电池单体数得到；
热失控保护器收到恒压充电阶段信号，由恒压充电保护器检测单元检测模块的电池温度采集器采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，由恒压充电保护器通知回路切断告警模块发出告警信号，并切断回路；恒压充电保护器检测回路电流采集器采集的回路电流值，并将回路电流值以时间进行积分，当回路电流值的时间积分值连续变大时，恒压充电保护器通知预警模块发出预警信号，判断连续变大的时间周期设定范围为2分钟到10分钟；恒压充电保护器检测单元检测模块的电池温度采集器采集的电池温度，当电池温度高于第二告警阈值，且电池温度上升速率大于温度上升速率阈值时，恒压充电保护器通知预警模块发出预警信号；当电池温度高于第三告警阈值，且电池温度上升的温度加速度大于温度加速度阈值时，恒压充电保护器通知预警模块发出预警信号；
热失控保护器收到放电阶段信号，由放电状态保护器检测单元检测模块的电池温度采集器采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，放电状态保护器通知回路切断告警模块发出告警信号，并切断回路；当电池温度达到第一告警阈值，且电池电压采集器采集的电池电压高于回路单体平均电压的百分之五，放电状态保护器通知预警模块发出预警信号；
热失控保护器收到静置阶段信号，由静置状态保护器检测单元检测模块的电池温度采集器采集的电池温度，当电池温度达到回路切断阈值时，静置状态保护器通知回路切断告警模块发出告警信号，并切断回路；静置状态保护器采集环境温度，当电池温度采集器采集的电池温度上升速度大于环境温度上升速度，静置状态保护器通知预警模块发出预警信号。
2.根据权利要求1所述的一种全状态电池热失控安全管理的装置，其特征在于由阈值设定器根据电池厂商给出的热失控温度阈值乘以百分之90设定回路切断阈值；由阈值设定器设定第一告警阈值和第二告警阈值及第三告警阈值；第一告警阈值的选取范围为电池厂商给出的热失控温度阈值的百分之80到百分之89；第二告警阈值的选取范围为电池厂商给出的热失控温度阈值的百分之70到百分之79；第三告警阈值的选取范围为电池厂商给出的热失控温度阈值的百分之60到百分之69。
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