CN103490108A - 一种新型电动汽车动力电池组安全管理方法及装置 - Google Patents

一种新型电动汽车动力电池组安全管理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型电动汽车动力电池组安全管理方法及装置，通过数据采集系统和充/放电管理系统依次检测动力电池组的单体气压、单体温度、单体电压、动力电池组充/放电电流四个参数，并对这四个参数进行分析、计算，进而控制动力电池组充/放电状态，单体气压、单体温度、单体电压以及动力电池组充/放电流分别通过常闭气压开关传感器、温度传感器、电压传感器以及霍尔传感器实现。本发明在对上述四个参数检测的过程中只要有一项达到充/放电截止条件，立即停止充/放电，若一切正常则持续检测，有效防止所有动力电池单体过充或过放，延长动力动力电池组的使用寿命，提高动力电池组的安全性。

Description

一种新型电动汽车动力电池组安全管理方法及装置
技术领域
本发明属于电动汽车动力电池管理技术领域，具体涉及一种新型电动汽车动力电池组安全管理系统。
背景技术
目前，电动汽车技术还不够成熟，尤其是动力电池及其管理技术不成熟，电动汽车因电池过充或过放而引起的起火和爆炸现象时有发生，这不仅对生命财产安全带来严峻挑战，同时对电动汽车的研发和推广应用也带来严重的负面影响。
目前纯电动汽车动力电池组安全管理主要体现在充/放电管理上，即根据动力电池组的荷电状态、电池单体最高/最低电压以及最高/最低温度进行管理。这种动力电池组安全管理方式存在以下缺点：
第一，由于电池组荷电状态估计值受到电池充放电倍率、电池温度、电池内阻与自放电率、累积误差等多种复杂因素影响，估计精度不高，荷电状态估计值难以准确反映电池组实际荷电状态。另外，由于电池材料、工艺以及内阻、自放电率等方面的差异，往往会导致电池单体出现较大差异。因此，以动力电池组荷电状态作为安全管理依据，往往会导致电量最低电池单体过放而电量最高电池单体过充，从而大大影响电池寿命，严重时会导致电池燃烧或爆炸。
第二，动力电池单体安全充/放电的电池单体最高/最低电压和最高/最低温度值受到充放电电流、环境温度、电池内阻等多种因素影响，难以准确确定电池单体安全充/放电的电池单体最高/最低电压和最高/最低温度。另外，电池单体是否会出现危险主要体现在电池内部压力和温度上，虽然有的系统对电池温度进行了监控，但是目前的电池安全管理系统都未对电池内部压力进行监控，因此对由于电池内部压力升高导致电池漏液短路甚至燃烧爆炸的潜在危险无法监控。
发明内容
为克服上述技术中的不足，本发明的目的在于：提供一种新型电动汽车动力电池组安全管理方法及装置，通过对动力电池组中动力电池单体气压、单体温度、单体电压以及动力电池组充/放电电流等各个参数的综合分析，准确判断动力电池组的安全状态，科学地进行动力电池组充放电安全管理。
本发明为解决其技术问题所采用的一种技术方案为：
所述新型电动汽车动力电池组安全管理方法，该方法为，通过气压检测模块、温度检测模块、电压检测模块和充/放电电流检测模块分别检测动力电池组各个动力电池单体的单体气压、单体温度、单体电压以及动力电池组充/放电电量这四个参数，由数据采集系统采集检测数据后传输给充/放电管理系统，充/放电管理系统对测得的四个参数进行计算、分析，然后控制动力电池组的充/放电状态，具体控制步骤为：
第一步，充/放电管理系统将各动力电池单体内部单体气压与其预先设定的安全值进行比较，只要其中有一块动力电池单体达到，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态；
第二步，充/放电管理系统将各动力电池单体内部单体温度与其预先设定的安全值进行比较，只要其中有一块动力电池单体达到，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态；
第三步，充/放电管理系统将各动力电池单体正、负极两端的单体电压与其预先设定的安全值进行比较，只要其中有一块动力电池单体达到，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态；
第四步，充/放电管理系统根据采集到的充/放电电流和时间计算动力电池组的充/放电量，只要达到所设定的充/放电的电量截止条件，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态。
优选地，所述气压检测模块连接一报警指示灯，实时显示动力电池组内动力电池单体气压状态，气压检测模块可采用常闭气压开关传感器，每个动力电池单体上的常闭气压开关传感器相互串联，然后与一常闭继电器控制端相连，常闭继电器输出端连接有报警指示灯，实时显示动力电池组内动力电池单体气压状态；温度检测模块可选用温度传感器，实时检测动力电池组充/放电过程中各动力电池单体内部温度值；电压检测模块可选用电压传感器，实时检测动力电池组充/放电过程中各动力电池单体正、负极接线柱两端的电压值，并计算电池组的总电压；充/放电电流检测模块选用霍尔传感器，实时测量动力电池组充/放电过程中的充/放电电流，然后由充/放电管理系统进行分析计算得到动力电池组的充/放电电量。
本发明气压检测方式：
动力电池单体上设有气压阀，当动力电池单体未充/放到预期的荷电状态时，动力电池单体内气压未达到气压阀断开的气压，每个动力电池单体上的常闭气压开关传感器都处于导通状态，串联后送给常闭继电器控制端一个电压信号，使常闭继电器断开，从而控制报警指示灯熄灭。当某个动力电池单体充/放到预期的荷电状态后，其常闭气压开关传感器断开，从而给常闭继电器输入一个断开的控制信号，使常闭继电器满足导通条件，从而输出气压开关报警信号给报警指示灯。
本发明温度控制方式：
数据采集系统实时的采集由温度传感器检测到的动力电池组内部各点的温度信息，传递给充/放电管理系统，充/放电管理系统将传递来的温度信息与预先设定的安全温度信息对比，只要其中某一个动力电池单体的温度高于预先设定的动力电池单体安全工作温度，则停止充/放电过程，当所有温度点的温度均低于安全值时，才允许继续对动力电池组进行充/放电，而且当动力电池单体温度过低时，不允许动力电池组以高倍率的电流进行充/放电，只能以低倍率的电流充/放电。
本发明电压控制方式：
将电池组中的各动力电池单体进行顺次编号，以第一块动力电池单体和第二块动力电池单体为例，由电压传感器采集第一块动力电池单体正、负极电动势，以第一块动力电池单体负极电动势作为电压基准，两者作差得到第一块动力电池单体的电压值。因为第一块动力电池单体正接线柱与第二块动力电池单体的负接线柱相连，所以第一块动力电池单体正极电动势可以作为第二块动力电池单体的负极基准电动势，然后根据第二块动力电池单体的正极电动势的数值减去基准电动势即可得到第二块动力电池单体的电压值。依次类推便可以得到动力电池组中各个动力电池单体的单体电压，以及动力电池组的总电压。充/放电管理系统将各动力电池单体的单体电压信息与预先设定的安全电压信息对比，只要其中某一个动力电池单体的电压高于电池的安全工作电压，则停止充/放电过程。当数据采集系统所采集的所有电压值均低于预先设定的安全电压值时，才允许继续对动力电池组进行充/放电。
本发明电量控制方式：
通过霍尔传感器采集动力电池组实时的充/放电电流信息，传递给充/放电管理系统，充/放电管理系统根据充电电流在时间上的积分，计算出动力电池组的实时充/放电量，当总的充/放电量与预先设定的电量相等时，则由充/放电管理系统停止动力电池组的充/放电状态。
以上的控制方式，单体气压的检测是最重要的，其次是单体温度，然后是单体电压以及充放电量，只有将这些检测方式综合一起使用，才能作为准确判断动力电池组的充/放电截止条件，本实施例能比较准确的判断动力电池组充/放电的截止状态，有效的防止动力电池组过充或过放，有利于延长动力电池组的使用寿命，提高安全性。
本发明为解决其技术问题所采用的另一种技术方案为：
所述新型电动汽车动力电池组安全管理系统，包括动力电池组，动力电池组由多个相互串联的动力电池单体构成，其特征在于，动力电池组输出线上设有霍尔传感器，每个动力电池单体上均设有常闭气压开关传感器、温度传感器和电压传感器，数据采集系统与每个常闭气压开关传感器、温度传感器、电压传感器和霍尔传感器分别相连，充/放电管理系统与数据采集系统相连。
通过常闭气压开关传感器、温度传感器、电压传感器和霍尔传感器实时检测动力电池组的单体气压、单体温度、单体电压和充/放电电流，通过充/放电管理系统分析、计算这四个参数，判断动力电池组是否工作在安全状态，控制动力电池组的充/放电状态，以防止所有动力电池单体出现过充或过放，有助于提高动力电池组的充电安全性和延长电池循环寿命。
优选地，所述常闭气压开关传感器相互串联后与常闭继电器控制端相连，常闭继电器输出端连接一个报警指示灯，动力电池单体未充满时，动力电池单体内气压未达到使常闭开关断开的气压，每个动力电池单体上的常闭气压开关传感器都处于导通状态，串联后送给常闭继电器控制端一个电压信号，使常闭继电器断开，从而控制报警指示灯熄灭，当某个动力电池单体出现过充或过放时，其常闭气压开关断开，从而给常闭继电器输入一个断开的控制信号，使常闭继电器满足导通条件，从而输出气压开关报警信号给充/放电管理系统及报警指示灯，实时监控各个动力电池单体的内部气压是否正常。
优选地，所述数据采集系统为数据采集器，能够实时采集动力电池组中各个动力电池单体的单体气压、单体温度、单体电压以及动力电池组的充/放电电流，并将这些数据传输给充/放电管理系统。
优选地，所述充/放电管理系统为单片机或PLC控制器，可以实时分析、计算由数据采集系统传输的动力电池组充/放电过程中的实时信息，并根据数据处理的结果控制动力电池组的充放电状态。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述的新型电动汽车动力电池组安全管理系统会依次按照单体气压、单体温度、单体电压、动力电池组充/放电量的顺序对动力电池组中的动力电池单体进行检测，检测过程中只要任一个动力电池单体的任一项达到充/放电截止条件，则立即停止充/放电过程，若一切正常则持续循环检测，能有效的防止动力电池组过充或过放，延长了动力电池组的使用寿命，提高了动力电池组的使用安全性。
附图说明
图1是本发明的电池装配及线路连接图。
图2是本发明的气压开关传感器检测电路图。
图3是本发明的电池安全状态判断流程图。
图中：1、报警指示灯  2、常闭继电器  3、常闭气压开关传感器  4、第一块动力电池单体正接线柱  5、电压传感器  6、第二块动力电池单体负接线柱  7、霍尔传感器  8、第一块动力电池单体  9、第二块动力电池单体  10、温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明实施例进行进一步描述。
实施例1：
所述新型电动汽车动力电池组安全管理方法，该方法为，通过气压检测模块、温度检测模块、电压检测模块和充/放电电流检测模块分别检测动力电池组各个动力电池单体的单体气压、单体温度、单体电压以及动力电池组充/放电电量这四个参数，由数据采集系统采集检测数据后传输给充/放电管理系统，充/放电管理系统对测得的四个参数进行计算、分析，然后控制动力电池组的充/放电状态，如图3，具体控制步骤为：
第一步，充/放电管理系统将各动力电池单体内部单体气压与其预先设定的安全值进行比较，只要其中有一块动力电池单体达到，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态；
第二步，充/放电管理系统将各动力电池单体内部单体温度与其预先设定的安全值进行比较，只要其中有一块动力电池单体达到，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态；
第三步，充/放电管理系统将各动力电池单体正、负极两端的单体电压与其预先设定的安全值进行比较，只要其中有一块动力电池单体达到，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态；
第四步，充/放电管理系统根据采集到的充/放电电流和时间计算动力电池组的充/放电量，只要达到所设定的充/放电的电量截止条件，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态。
优选地，所述气压检测模块连接一报警指示1，实时显示动力电池组内动力电池单体气压状态，气压检测模块采用常闭气压开关传感器3，每个动力电池单体上的常闭气压开关传感器3相互串联，然后与一常闭继电器2控制端相连，常闭继电器2输出端连接有报警指示灯1，实时显示动力电池组内动力电池单体气压状态；温度检测模块选用温度传感器10，实时检测动力电池组充/放电过程中各动力电池单体内部温度值；电压检测模块选用电压传感器5，实时检测动力电池组充/放电过程中各动力电池单体正、负极接线柱两端的电压值，并计算动力电池组的总电压；充/放电电流检测模块选用霍尔传感器7，实时测量动力电池组充/放电过程中的充/放电电流，然后由充/放电管理系统进行分析计算得到动力电池组的充/放电电量。
本发明气压检测方式：
每个动力电池单体上设有气压阀，当动力电池单体未充/放到预期的荷电状态时，动力电池单体内气压未达到气压阀断开的气压，每个动力电池单体上的常闭气压开关传感器3都处于导通状态，串联后送给常闭继电器2控制端一个电压信号，使常闭继电器2断开，从而控制报警指示灯1熄灭，当某个动力电池单体充/放到预期的荷电状态后，其常闭气压开关传感器3断开，从而给常闭继电器2输入一个断开的控制信号，使常闭继电器2满足导通条件，从而输出气压开关报警信号给报警指示灯1。
本发明温度控制方式：
数据采集系统实时的采集由温度传感10检测到的动力电池组内部各点的温度信息，传递给充/放电管理系统，充/放电管理系统将传递来的温度信息与预先设定的安全温度信息对比，只要其中某一个动力电池单体的温度高于预先设定的动力电池单体的安全工作温度，则停止充/放电过程，当所有温度点的温度均低于安全值时，才允许继续对动力电池组进行充/放电，而且当动力电池单体温度过低时，不允许动力电池组以高倍率的电流进行充/放电，只能以低倍率的电流充/放电。
本发明电压控制方式：
将动力电池组中的各动力电池单体进行顺次编号，以第一块动力电池单体8和第二块动力电池单体9为例，由电压传感器5采集第一块动力电池单体8正、负极电动势，以第一块动力电池单体8负极电动势作为电压基准，两者作差得到第一块动力电池单体8的电压值。因为第一块动力电池单体正接线柱4与第二块动力电池单体的负接线柱6相连，所以第一块动力电池单体8正极电动势可以作为第二块动力电池单体9的负极基准电动势，然后根据第二块动力电池单体9的正极电动势的数值减去基准电动势即可得到第二块动力电池单体9的电压值。依次类推便可以得到动力电池组中各个动力电池单体的单体电压，以及动力电池组的总电压。充/放电管理系统将各动力电池单体的单体电压信息与预先设定的安全电压信息对比，只要其中某一个动力电池单体的电压高于电池的安全工作电压，则停止充/放电过程。当数据采集系统所采集的所有电压值均低于预先设定的安全电压值时，才允许继续对动力电池组进行充/放电。
本发明电量控制方式：
通过霍尔传感器7采集动力电池组实时的充/放电电流信息，传递给充/放电管理系统，充/放电管理系统根据充电电流在时间上的积分，计算出动力电池组的实时充/放电量。当总的充/放电量与预先设定的电量相等时，则由充/放电管理系统停止动力电池组的充/放电状态。
以上的控制方式中，单体气压的检测是最重要的，其次是单体温度，然后是单体电压以及动力电池组充/放电量，只有将这些检测方式综合一起使用，才能作为准确判断动力电池组的充/放电截止条件，本实施例能比较准确的判断动力电池组充/放电的截止状态，有效的防止所有动力电池单体过充或过放，有利于延长动力电池组的使用寿命，提高安全性。
实施例2：
如图1、2所示，本实施例所述新型电动汽车动力电池组安全管理系统，包括动力电池组，动力电池组由多个相互串联的动力电池单体构成，其特征在于，动力电池组输出线上设有霍尔传感器7，每个动力电池单体上均设有常闭气压开关传感器3、温度传感器10和电压传感器5，数据采集系统与每个常闭气压开关传感器3、温度传感器10、电压传感器5和霍尔传感器7分别相连，充/放电管理系统与数据采集系统相连。
通过常闭气压开关传感器3、温度传感器10、电压传感器5和霍尔传感器7实时检测动力电池组的单体气压、单体温度、单体电压和充/放电电流这四个参数，并通过数据采集系统采集检测到的实时参数，然后将这些参数传输给充/放电管理系统进行分析、计算，判断动力电池组是否工作在安全状态，控制动力电池组的充/放电状态，以防止所有动力电池单体出现过充或过放，有助于提高电池充电安全性和延长动力电池组循环寿命。
其中，所述常闭气压开关传感器3相互串联后与常闭继电器2控制端相连，常闭继电器2输出端连接一个报警指示灯1，用于实时监控各个动力电池单体的内部气压是否，动力电池单体未充满时，动力电池单体内气压未达到使常闭开关断开的气压，每个电池上的常闭气压开关传感器3都处于导通状态，串联后送给常闭继电器2控制端一个电压信号，使常闭继电器2断开，从而控制报警指示灯1熄灭，当某个动力电池单体出现过充或过放时，其常闭气压开关传感器3断开，从而给常闭继电器2输入一个断开的控制信号，使常闭继电器2满足导通条件，从而输出气压开关报警信号给充/放电管理系统及报警指示灯1；所述数据采集系统为数据采集器，能够实时采集动力电池组中各个动力电池单体的单体气压、单体温度、单体电压以及动力电池组的充/放电电流，并将这些数据传输给充/放电管理系统；所述充/放电管理系统为单片机或PLC控制器，可以实时分析、计算由数据采集系统传输的动力电池组充/放电过程中的实时信息，并根据数据处理的结果控制动力电池组的充放电状态，以防止所有动力电池单体出现过充或过放，有助于提高动力电池组充电安全性和延长动力电池组循环寿命。
本实施例中充/放电管理系统具体控制流程图如图3所示，充/放电管理系统首先检测各个动力电池单体内部气压是否已经达到设定的安全值，只要其中有一块动力电池单体达到，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态，继续下一项检测。在气压正常的情况下，充/放电管理系统会继续检测各个动力电池单体的温度，只要其中有一块动力电池单体温度超过安全值，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态，继续下一项检测。在温度正常的情况下，充/放电管理系统会检测动力电池组中各个动力电池单体的电压，只要其中有一块动力电池单体的电压超过安全值，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态，继续下一项检测。在电压正常的情况下，充/放电管理系统会根据电流和时间计算动力电池组的充/放电量，只要达到所设定的充/放电的电量截止条件，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态。如此按照单体气压、单体温度、单体电压、充/放电量的顺序对动力电池组进行循环检测，保证动力电池组充/放电过程的安全。
以上的控制方式，单体气压的检测是最重要的，其次是单体温度，然后是单体电压以及动力电池组充/放电量，本实施例能比较准确的判断动力电池组充/放电的截止状态，有效的防止动力电池组过充或过放，有利于延长动力电池组的使用寿命，提高安全性。

Claims (6)

1.一种新型电动汽车动力电池组安全管理方法，其特征在于，该方法为，通过气压检测模块、温度检测模块、电压检测模块和电流检测模块分别检测动力电池组各个动力电池单体的单体气压、单体温度、单体电压以及动力电池组充/放电电量这四个参数，由数据采集系统采集检测数据后传输给充/放电管理系统，充/放电管理系统对测得的四个参数进行计算、分析，然后控制动力电池组的充/放电状态，具体控制步骤为：
第一步，充/放电管理系统将各动力电池单体内部单体气压与其预先设定的安全值进行比较，只要其中有一块动力电池单体达到，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态；
第二步，充/放电管理系统将各动力电池单体内部单体温度与其预先设定的安全值进行比较，只要其中有一块动力电池单体达到，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态；
第三步，充/放电管理系统将各动力电池单体正、负极两端的单体电压与其预先设定的安全值进行比较，只要其中有一块动力电池单体达到，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态；
第四步，充/放电管理系统根据采集到的充/放电电流和时间计算动力电池组的充/放电量，只要达到所设定的充/放电的电量截止条件，则停止充/放电过程，若没有则维持原先的充/放电状态。
2.根据权利要求1所述的新型电动汽车动力电池组安全管理方法，其特征在于，所述气压检测模块连接一报警指示灯，实时显示动力电池组内动力电池单体气压状态。
3.实现权力要求1所述方法的动力电池组安全管理系统，包括动力电池组，动力电池组由多个相互串联的动力电池单体构成，其特征在于，动力电池组输出线上设有霍尔传感器（7），每个动力电池单体上均设有常闭气压开关传感器（3）、温度传感器（10）和电压传感器（5），数据采集系统与每个常闭气压开关传感器（3）、温度传感器（10）、电压传感器（5）和霍尔传感器（7）分别相连，充/放电管理系统与数据采集系统相连。
4.根据权利要求3所述的新型电动汽车动力电池组安全管理系统，其特征在于，所常闭气压传感器（3）相互串联后与常闭继电器（2）控制端相连，常闭继电器（2）输出端连接一个报警指示灯（1）。
5.根据权利要求3或4所述的新型电动汽车动力电池组安全管理系统，其特征在于，所述数据采集系统为数据采集器。
6.根据权利要求3或4所述的新型电动汽车动力电池组安全管理系统，其特征在于，所述充/放电管理系统为单片机或PLC控制器。
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