CN103471735A

CN103471735A - 动力电池组内部温度在线检测方法及系统

Info

Publication number: CN103471735A
Application number: CN2013104130298A
Authority: CN
Inventors: 洪晓斌; 李年智; 黄景晓
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-11
Also published as: CN103471735B

Abstract

本发明公开了一种动力电池组内部温度在线检测方法及系统，所述方法包括确定基于电阻层析成像的动力电池组视电阻率检测系统平台，获取动力电池组内部视电阻率；建立抑制平滑度最小平方法，实时获取电池组内部视电阻率三维反演图像；通过动力电池组视电阻率与内部温度变化关系，获取动力电池组内部温度场分布图，并确定局部高温异变现象，发出预警信号。本发明提供的。本发明突破传统检测局限，通过检测基于电阻层析成像方法的动力电池组内部视电阻率，能够间接准确获取内部温度分布情况；建立的三维图像反演方法，可以全方位掌握动力电池组运行健康状态，有效提高动力汽车在实际运行中的安全性。

Description

动力电池组内部温度在线检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电动汽车动力电池组内部温度安全监测领域，尤其涉及一种基于电阻层析成像（ERT）技术的动力电池组内部温度在线检测方法及系统。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，市场竞争也愈演愈烈，尤其是当今全球各国为解决能源与环境问题，已把加速发展节能与新能源汽车作为全球汽车工业未来实现可持续发展的重要战略。新能源汽车已经成为我国七大战略性新兴产业之一。随着当前电动汽车研发的迅猛开展，电动汽车产品中的有关安全性问题也越发凸显，其性能试验检测受到高度重视，动力电池组是整个新能源汽车技术研发核心中的核心，然而其使用过程中安全性问题制约了电动汽车行业的快速发展，急需加大力度重点研究突破。

动力电池组的安全性因素比较复杂，特别是温度引起的安全性问题既涉及到每一个单体电池自身的产热、散热情况，还要考虑到单体电池间热传导以及个体间质量差异性的影响，实质上是动力电池组内部热的产生和散逸的竞争过程。即当动力电池运行中某个部分发生偏差时，如大电流放电、过充电及内部短路等，就会产生大量的热量，如果释放的热量不能及时地散放出去，一旦电池体系达到较高的温度，就会对电池造成不可逆转的热破坏作用，造成危险。目前，电动汽车均采用串联的方式将动力电池组装使用，各单体动力电池产热及散热情况不同，导致整体电池组的温度场分布存在明显差异，过高的局部温度不但影响电池寿命，而且容易产生燃烧爆炸等安全问题，因此，动力电池组内部温度在线监测与预警对于确保动力电池组安全性具有重要的意义。

电阻层析成像（Electrical Resistance Tomography，ERT）作为一种基于高密度电阻率法的探测方法，已经广泛应用于地质及环境监测、两相管流的监测等领域。鉴于ERT技术的非侵入、无辐射、在线测量以及高可靠性等优点，而动力电池组内部电阻率与温度又存在一定必然联系，因此，本发明阐述了一种基于电阻层析成像技术的动力电池组内部温度在线检测方法及系统。

国内（发明专利）号CN101251424A的“混合动力汽车用动力电池组的温度检测系统”通过温度采集模块、A/D转换模块、数据处理及控制模块和通讯模块开发了一种动力电池组表面温度检测系统。该系统采用传统热电偶作为温度传感器实现了120路的多路温度采集。该专利未涉及混合动力汽车动力电池组内部温度的检测方法。

国内（发明专利）号CN102865942A的“一种动力电池温度测试方法、装置和系统”公开了一种基于温度传感器的动力电池组温度场动态监测方法，该方法依据温度传感器的排布信息构建模拟开关选通矩阵，采集被选通的温度数据，以采集时间点为参量绘制温度曲线并生成温度场分析图，实现对动力电池温度的动态监测。该专利未涉及动力电池组内部温度动态监测方法。

国内（发明专利）号CN201397383Y的“电动汽车磷酸铁锂动力电池检测装置”公开了一种针对磷酸铁锂电池电压与温度的检测装置，该装置包括电压检测模块、温度检测模块和数字信号控制器模块，其中，温度检测模块采用的是热敏电阻温度传感器，每个单体电池表面只布置了一个热敏电阻。该专利未涉及磷酸铁锂动力电池组内部温度检测。

国内（发明专利）号CN102692281A的“组合式锂电池温度检测电路”针对N个锂电池串接而成的模组，将1个热敏电阻和N-1个温度开关串接在一起，其中热敏电阻用于检测1个锂电池温度，N-1个温度开关分别监测剩余N-1个锂电池温度，由于温度开关的动作温度与锂电池工作上限温度一致，当温度超过上限值，温度开关断开进行温度保护。该专利只检测了一个锂电池温度，对其余锂电池仅仅采取了温度门限关断保护措施，未涉及串并联结合的锂电池组内部温度检测。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种动力电池组内部温度在线检测方法及系统。本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

动力电池组内部温度在线检测方法，所述方法包括

A确定基于电阻层析成像的动力电池组视电阻率检测系统平台，获取动力电池组内部视电阻率；

B建立抑制平滑度最小平方法，实时获取电池组内部视电阻率三维反演图像；

C通过动力电池组视电阻率与内部温度变化关系，获取动力电池组内部温度场分布图，并确定局部高温异变现象，发出预警信号。

动力电池组内部温度在线检测系统，所述系统包括：

电极片、电极选通模块、电压控制电流源模块、信号处理模块与MCU控制单元；所述

电极片，按照一定间距均匀排布形成电极片阵列，并通过屏蔽电缆与所述电极选通模块连接，实现电极片的实时选通；

电压控制电流源模块，与所述电极选通模块相连，用以施加双极性高频脉冲激励电流信号，实现控制脉冲激励电流的极性转换和激励频率大小；

信号处理模块，与所述电极选通模块相连，实时获取采集到的电压数据，并对数据进行放大滤波；

MCU控制单元，分别与所述电压控制电流源模块和信号处理模块连接，用以控制电压控制电流源模块输出脉冲激励电流的频率、幅值和信号处理模块数据的放大倍数，以及向电极选通模块发出选通命令，用以保证电极片的准确实时选通。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

该技术建立的电阻层析成像技术方法能够对动力电池组内部温度进行直观、准确检测，特别是针对动力电池组局部单体电池短路或者局部区域损伤而产生的异常高温有很好识别效果。集成在车载设备中，可以实时在线监控动力电池组运行过程中的温度分布情况，主动识别高温危险信号并发出预警。同时，结合该方法对动力电池组内部温度的检测优势，还可以为动力电池组寿命预测、负载控制等提供依据。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是动力电池组内部温度在线检测方法流程图；

图2是动力电池组内部温度在线检测方法具体流程图；

图3是动力电池组内部温度检测系统结构示意图；

图4是偶-偶极排列方式下的激励检测原理二维剖视图；

图5是电极片阵列在单排动力电池组表面分布三维示意图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出本发明的多个结构方式和制作方法。因此以下具体实施方式以及附图仅是本发明的技术方案的具体说明，而不应当视为本发明的全部或者视为本发明技术方案的限定或限制。

如图1所示，为本实施例提供了一种动力电池组内部温度在线检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤10确定基于电阻层析成像的动力电池组视电阻率检测系统平台，获取动力电池组内部视电阻率；

步骤20建立抑制平滑度最小平方法，实时获取电池组内部视电阻率三维反演图像；

步骤30通过动力电池组视电阻率与内部温度变化关系，获取动力电池组内部温度场分布图，并确定局部高温异变现象，发出预警信号。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

如图2所示，为动力电池组内部温度在线检测方法具体流程图，具体步骤如下：

步骤101按照电极排列方式布置电极阵列，并连接ERT系统；

电极排列方式为偶-偶极排列，布置在动力电池组表面，通过屏蔽电缆与ERT系统中的选通开关连接。本实施例介绍的是偶-偶极排列方式，但实际中并不局限于此。

步骤102对一组激励电极片施加双极性高频激励电流；

双极限高频激励电流由电压控制电流源产生，经选通开关导通，由屏蔽电缆施加在激励电极片上。

步骤103在对应的测量电极上获取电压数据，完成一次测量。

步骤104程序切换工作电极组，进入下一组激励与测量。

步骤105处理电压数据，计算视电阻率。

步骤106建立抑制平滑度最小平方反演方程，对视电阻率分布图像反演重建。

抑制平滑度最小平方法建立在下面的方程基础上：

(J'J+μF)D＝J'g （1）

F＝f_xf_X'+f_Zf_Z' （2）

其中，f_x为水平平面度滤波器，f_z为垂直平面度滤波器，J为偏导数矩阵，μ为阻尼系数，D为扰动系数，g为差异矢量。

步骤107根据动力电池组视电阻率与内部温度关系，确定电池组温度分布情况。

按照ERT原理进行电场仿真可以获取动力电池组内部不同点在不同内部温度时刻对应的视电阻率值，在动态仿真和实验结束后，可获取视电阻率与内部温度的变化关系，拟合得到对应关系曲线。那么，在实际动力电池组充放电的过程中，就能对其内部温度进行实时动态监测，获取电池组不同区域温度分布情况。

步骤108若某区域电阻率变化异常，说明温度变化出现异常，需要转至步骤109；若无明显变化，则转至步骤110。

步骤109针对出现的局部温度变化异常，发出预警信号。

步骤110用户选择是否继续在线检测，若继续检测，转至步骤102，否则结束。

如图3所示，为动力电池组内部温度检测系统结构，包括：电极片307、电极选通模块305、电压控制电流源模块303、信号处理模块304与MCU控制单元302；所述

电极片，按照一定间距均匀排布形成电极片阵列308，并通过屏蔽电缆306与所述电极选通模块连接，实现电极片的实时选通；

MCU控制单元，分别与所述电压控制电流源模块和信号处理模块连接，用以控制电压控制电流源模块输出脉冲激励电流的频率、幅值和信号处理模块数据的放大倍数等操作，同时获取经过处理的电压数据进行存储；及向电极选通模块发出选通命令，用以保证电极片的准确实时选通。上位机301通过与MCU控制单元串口通讯获取电压数据，实现视电阻率计算、建立抑制平滑度最小平方反演方程、图像反演重建、实时温度分布显示、发出预警信号等功能。

参见图4，为偶-偶极排列方式下的激励检测原理二维剖视图。通过集成图3中检测系统各硬件单元及模块，可构成图4中带有反演显示功能的嵌入式ERT检测装置402，然后连接屏蔽电缆306，并选取电极片307阵列中的某一行（列）测线，并以此测线的二维平面剖视图来解释检测原理。

偶-偶极排列方式采用四电极工作模式，即每次测量只有四个电极片被选通工作，电极编号分别用A、B、M、N代表，其中A、B为激励电极片，M、N为测量电极片。偶-偶极排列方式特点是A与B、M与N之间的间距相等，为最小间距a，B与M之间的间距则是变化的，一般按照a的倍数n增加，n同时也代表了视电阻率所在层数，n值越大，探测的深度越深；图中的黑点403分布反映了视电阻率ρ在该剖面纵向深度上的分布情况，视电阻率ρ由测量电阻率R换算得到，具体计算公式如下：

R＝U_MN/I （3）

ρ＝K*R （4）

其中，U_MN为检测电压数据，I为激励电流，K为装置系数，根据电场理论，K主要由最小极间距a和倍数n决定。

K＝π*n(n+1)(n+2)a （5）

此外，便携式ERT检测仪器可完成图2中俄基本检测工作流程，若用户对数据由其他分析、保存等需求，可扩展外接PC机401完成指定功能。

如图5为电极片307阵列在单排动力电池组表面分布三维示意图。图中的动力电池组由m个单体电池组排列组成，在组成的动力电池组表面一侧（无正负极柱）从x、y方向上布置电极片阵列，x-方向的电极片排列为行测线501，y-方向的电极片排列为列测线502。按照图3检测机理中的视电阻率分层原理，可以将整个动力电池组在纵向上划分为n层。图中只是列举了一排单体动力电池503成组的模型，但实际中可以在y-方向继续扩展更多的单排动力电池组，实现完整的动力电池组与电极片阵列模型。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.动力电池组内部温度在线检测方法，其特征在于，所述方法包括

2.根据权利要求1所述的动力电池组内部温度在线检测方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

确定ERT系统电极排列方式，并安装电极片在电池组表面；

激励电极片施加双极性高频激励电流信号，经过屏蔽电缆及激励电极片施加在动力电池组表面；同时

测量电极片实时感测电池组表面电压，循环移位完成全部测量；

处理电压数据，计算获取视电阻率。

3.根据权利要求1所述的动力电池组内部温度在线检测方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

构造偏导数雅克比矩阵及其对应转置矩阵模型；

确定扰动系统与差异矢量；

选取阻尼系数和水平垂直平面度滤波器。

4.根据权利要求2所述的动力电池组内部温度在线检测方法，其特征在于，所述ERT系统电极排列方式包括单-单极、单-偶极、偶-偶极排列方式，电极片网格阵列大于12*12；所述电极片为圆形，且为具有高导电率的紫铜材料，安装时吸附在电池组被测表面。

5.根据权利要求4所述的动力电池组内部温度在线检测方法，其特征在于，所述偶-偶极排列方式进一步改进为温纳排列、施伦贝尔排列、温纳-施伦贝尔排列。

6.根据权利要求2所述的动力电池组内部温度在线检测方法，其特征在于，所述电极片按功能分为激励电极片和测量电极片，偶-偶极排列方式采用两个激励电极片和两个测量电极片的四极组合形式，电极间距由小变大，循环移位完成对不同深度的测量。

7.动力电池组内部温度在线检测系统，其特征在于，所述系统包括电极片、电极选通模块、电压控制电流源模块、信号处理模块与MCU控制单元；所述

MCU控制单元，分别与所述电压控制电流源模块和信号处理模块连接，用以控制电压控制电流源模块输出脉冲激励电流的频率、幅值和信号处理模块数据的放大倍数；

及向电极选通模块发出选通命令，用以保证电极片的准确实时选通。

8.根据权利要求7所述的动力电池组内部温度在线检测系统，其特征在于，所述系统还包括上位机，上位机通过串口与所述MCU控制单元通讯获取电压数据，实现视电阻率计算、建立抑制平滑度最小平方反演方程、图像反演重建、实时温度分布显示以及发出预警信号。

9.根据权利要求7所述的动力电池组内部温度在线检测系统，其特征在于，所述

电极片按功能分为激励电极片和测量电极片；

电压控制电流模块由精密双运放增益补偿电路组成；所述脉冲激励电流频率范围为10K～100KHz，大小范围为1mA～10mA。