CN106252553B - 一种可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱，属于电池管理技术领域。电池箱的顶板和底板上开有上下正对的孔，累叠成组的单体电池装入套管中由带换气窗的上端盖和下端盖两端压紧在顶板和底板上的孔口，在套管内首节单体电池处设置有热胀缩开闭窗，在上端盖和下端盖口分别引出单体电池组的正、负极，正极输出连接有热熔丝，正、负极的电流回路中串联了分压电阻、热敏电阻和led灯珠，热敏电阻处接PNP型场效应管的栅极，单体电池组的正极接PNP型场效应管漏极，所有PNP型场效应管的源极输出端并联。本发明结构简单，可迅速判断由单体电池串联构成的电池温度状，任意更换单体电池，能够根据温度进行独立电流调节，能实现智能独立风冷降温。

Description

一种可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱

所属技术领域

本发明涉及一种可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱，属于电池管理技术领域。

背景技术

电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)，电动汽车电池管理系统(BMS)是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。电池的性能是很复杂的，不同类型的电池特性亦相差很大。电池管理系统(BMS)主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。随着电池管理系统的发展，也会增添其它的功能。

一般而言电动汽车电池管理系统要实现以下几个功能：

准确估测动力电池组的荷电状态；

准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge，即SOC)，即电池剩余电量。

动态监测动力电池组的工作状态；

在电池充放电过程中，实时采集电动汽车蓄(应该为动力电池组)电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池箱总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性，使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外，还要建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。

单体电池间的均衡：即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。

电动汽车电池管理系统系统组成如下：

采集板：采集电压、电流、温度(霍尔)，使用16位单片机；

主控板：与整车系统进行通讯，控制充电机，使用16位单片机；

彩色液晶屏：使用串口液晶屏，带触摸，实现人机交互功能。

系统主要功能：

1)容量预测SOC：在充放电过程中在线实时监测电池容量，随时给出电池系统的剩余容量。

2)过流、过压、温度保护：当电池系统出现过流、过压、匀压和温度超标时，能自动切断电池充放电回路，并通知管理系统发出示警信号。

3)自动充电控制：当电池的荷电量不足45％时，根据当前电压，对充电电流提出要求，当达到或是超过70％的荷电量时停止充电。

4)充电均衡：在充电过程中，通过调整单节电池充电电流方式，保证系统内所有电池的电池端电压在每一时刻有良好的一致性。

5)自检报警：自动检测电池功能是否正常，及时对电池有效性进行判断，若发现系统中有电池失效或是将要失效或是与其它电池不一致性增大时，则通知管理系统发出示警信号。

6)通讯功能：采用CAN总线的方式与整车管理系统进行通讯。

7)参数设置：可以设置系统运行的各种参数。

8)上位机管理系统：电池管理系统设计了相应的上位机机管理系统，可以通过串口读取实时数据，可实现BMS数据的监控、数据转储和电池性能分析等功能，数据可灵活接口监视器、充电机、警报器、变频器、功率开关、继电器开关等，并可与这些设备联动运行。

发展现状以及存在的问题：

电动车未来将以锂电池为主要动力驱动来源，主因在于锂电池有高能量密度优势，所以性能较为稳定。然而锂电池大量生产时品质不易掌握，电池芯出厂时电量即存在些微差异，且随着操作环境、老化等因素，电池间不一致性将愈趋明显，电池效率、寿命也都将变差，再加上过充或过放等情况，严重时可能导致起火燃烧等安全问题。因此，透过电池管理系统(BMS)能准确量测电池组使用状况，保护电池不至于过度充放电，平衡电池组中每一颗电池的电量，以及分析计算电池组的电量并转换为驾驶可理解的续航力信息，确保动力电池可安全运作。[1]

目前存在的问题是电池单元一旦被组装之后，就需要进行封装，被封装的电池箱中如果其中的某个基本单元电池出现故障，就会危害到周围的其他健康电池，使得整个电池箱的健康状况恶化，寿命减短，被封装后的电池到底是哪一个电池，现在的技术还无法准确判断；另外存在的一个问题是就算发现的某一个电池存在问题，也无法对单元电池(cell)进行更换，目前所采用的技术方案是当一组电池出现问题之后会出现大电流，采用熔断丝或者是PNP型场效应管将出现问题的电池组输电端断开，以保护其他电池组，这样的技术方案在电池的长期使用过程中，坏电池组越来越多的时候，其他电池的负荷就会越来越重，这也加剧了整个电池的寿命减短，而提前报废，因此如何及时判别是哪一个单元电池出现问题，并且能及时更换也是现在电池管理亟待解决的问题。

电池的温度状况表征了电池的健康状况。因此电池的热管理极其重要，目前在电池热管理中，目前最新的技术主要有锂电池相变潜热式保温套进行降温，该保温套是一种低成本的高效被动式电池热能管理技术，锂电池相变潜热式保温套对电池起到热稳定和平衡保护的目的。所采用的锂电池降温散热套由42°相变材料和超导热材料混合而成。相变材料是一种蓄能材料，当它从固体状态转换为液体状态的时候会吸收大量的热，从液体状态结晶成固体时则释放大量的热，通过相变材料实现温度调节功能(参见http://www.newmaker.com/news_85283.html)。如果这个电池单体的工作时间过长，保温套吸热达到极限，由于每一个电池单体被集中堆放在一起，与周围环境进行热交换无法实现，因此这一方案只适用于电池处于短期工作的环境。

另外，可通过现有文献记载的电源管理系统进行热管理，实现温度控制，但是这类技术通过程序对电池箱的电源热管理对企业技术要求过高，其计算模式复杂，管理效果并不理想，无法实现单体(cell)电池的精确管理，目前还没有可行的技术，该问题亟待解决。

如果能实现对电池单元的有效降温，将能使电池箱热管理成本大为降低，这也是一个研究的方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱，其结构简单，可迅速判断由单体电池串联构成的电池温度状，可以任意更换某一电池组内的单体电池，能够根据温度进行独立电流调节，实现智能独立风冷降温，可避免单个电池出现问题影响整个电池箱的健康状况。

实现本发明上述目的所采取的技术方案是：电池箱的顶板和底板上开有上下正对的孔，累叠成组的单体电池装入套管中由带换气窗的上端盖和下端盖两端压紧在顶板和底板上的孔口，在套管内首节单体电池处设置有热胀缩开闭窗，在上端盖和下端盖口分别引出单体电池组的正、负极，正极输出连接有热熔丝，正、负极的电流回路中串联了分压电阻、热敏电阻和led灯珠，热敏电阻处接PNP型场效应管的栅极，单体电池组的正极接PNP型场效应管漏极，所有PNP型场效应管的源极输出端并联。

所述热胀缩开闭窗为两层累叠的具有同一中心线的透气窗口错位的环形板，上环形板与下环形板之间连接有热胀缩件以及与热胀缩件张开力矩相反的复位弹簧。

装入单体电池的套管内端口通过套管固定圆台定位，套管固定圆台的大直径端外缘分别压在顶板和底板的孔边缘，套管固定圆台的内壁带螺纹，上端盖和下端盖上的小直径端带有对应的装配外螺纹，分别拧紧于套管固定圆台触压在单体电池组的正、负极上。

上端盖的中部带有正对单体电池正极的内螺纹通孔，所述的分压电阻和PNP型场效应管置于该内螺纹通孔中并由对应的导电螺纹套管一端压紧，螺纹套管位于上端盖之外的台阶面将单体电池组的正极导电垫片压紧在上端盖的顶面，螺纹套管的内螺纹又连接一套管螺丝，套管螺丝的空腔内装入热敏电阻，套管螺丝的顶部安装led灯珠；下端盖为导体，在单体电池负极处放置有弹性导电垫，弹性导电垫由下端盖内侧端面压紧，下端盖的台阶面将负极导电垫片压紧在套管固定圆台的外侧端面上。

各单体电池组的热敏电阻两端通过导线连接至电源管理硬件系统的温度输入A/D端口。

套装单体电池组的套管内壁上设置有二件以上套管内条，套管内条触压在各单体电池的表面，并保证套管内条与单体电池之间的间隙≤0.1毫米。

电池箱箱体的顶板和底板的规格结构完全相同，所有套管固定圆台与顶板和底板上的预留孔间距小于2毫米，电池箱箱体的顶板和底板与侧板采用螺丝连接固定构成电池箱箱体，顶板与底板上装的套管固定圆台中心线重合保证了位置精确对应，上下两个圆台之间安装单体电池组的套管，套管内装有套管内条，使得单体电池的活动间隙很小，避免了晃动和电器元件接触不良。套管固定圆台内壁设有螺纹，通过螺纹该空心分别与上端盖及下端盖连接，方便了对出问题电池的更换。正极输出的导电垫片连接了热熔丝，可对单体电池组过流进行保护，当熔断丝被熔断之后，与之串联的led灯珠就会熄灭，没有输出电流，直接就可以知道是哪一组电池已损坏。本发明这样的结构使得在生产的过程中，不再使用焊接设备把电池箱的正极和负极进行并联焊接，而是再把电池箱箱体制造完成后，旋开下端盖，通过底部从外部直接把电池单体插入到套管内，最后放入弹性导电垫，旋紧下端盖，整个电池箱箱体便组装完成了。这种套管式的结构对于更换电池极其方便，使得以前无法维修的电池箱现在可以轻松进行维修了，可以更换电池箱体内的任何一个单体电池。当电池发热量较小的时候，电池内部的温度与环境温差较小，但一般而言环境温度要高，单体电池会加热周围的空气，由于单体电池处于套管之中，电池与套管之间又存在间隙，于是就产生了热对流现象，热空气上升，冷空气有底部补充进来，形成气流，及时的把单体电池周围的热量带走，从上端盖的热对流换气窗排出，使得电池箱内的热量及时散发，不会产生热积累效应，使得电池的温度限制在一个合理的范围之内。套管内设置有热胀缩开闭窗，在热胀缩件和复位弹簧作用下，当电池工作温度较低时，复位弹簧弹力大于热胀缩件的力，使热胀缩开闭窗的上下层环形板错位转动关闭，阻断空气流通性，电池单体周围的空气层变成了保温层，具有保温效果，使得电池处于适宜的工作温度；而工作温度较高时，热胀缩件可克服复位弹簧弹力，使热胀缩开闭窗转动开启，实现热对流降温。当该电池单体的温度升高时，半导体热敏电阻的电阻值降低，使得整个电路的电流增大，半导体热敏电阻两端的电压表征了整个电池组的温度，温度越高，相应的串联电压就越低，由于整个电池组的电压是恒定的，热敏电阻的低电位点连接PNP型场效应管的G极(栅极)，所以，温度低的时候输出电流大，温度高的时候，输出电流会受到限制，电流会减小。这样就实现了过高温度条件下，对电流的智能限制功能。

有益效果：本发明能够通过直接观测led管的发光状态迅速判断由单体电池串联构成的电池温度状况即电流输出状态，可以任意更换某一电池组内的单体电池，能够根据温度进行独立电流调节，实现独立智能风冷降温及空气保温，将电池组温度数据传输至电源管理硬件系统中，避免单个电池出现问题影响整个电池箱的健康状况，满足电池组长时间工作的需要，具有广阔的应用前景和市场前景。

附图说明

图1为本发明整体外观结构主视示意图；

图2为本发明热胀缩开闭窗结构示意图；

图3为本发明电池组上端盖剖视结构示意图；

图4为本发明电池组下端盖剖视结构示意图；

图5为本发明电池组温度及电流输出状况led显示电路原理图；

图6为本发明电池组温度电压输出整体电路原理图。

图1～6中：1.箱体，2.顶板，3.透风底座，4.透风孔，5.下端盖，6.底板，7.单体电池，8.套管，9.上端盖，10.换气窗，11.弹性槽，12.套管内条，13.led灯珠，14.套管螺丝，15.温度电压输出线，16.热敏电阻，17.螺纹套管，18.旋紧盖，19.套管固定圆台，20.分压电阻，21.环形板，22.透气窗，23.热胀缩件，24.复位弹簧，25.端盖导电压紧空心塞，26.单体电池正极，27.导电垫片，28.热熔丝，29.正极输出导线,30.弹性导电垫。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

本发明的电池箱箱体1的顶板2和底板6的规格结构完全相同，均设置有密集的套管固定圆台19，所有套管固定圆台19与顶板2和底板6上的安装孔间距小于2毫米，顶板2和底板6的面积根据电池组的数量来确定，该电池箱箱体的顶板和底板与侧板采用螺丝连接固定构成电池箱箱体，顶板2和底板6的装配的套管固定圆台19位置精确对应，两个圆台之间套装电池组的套管8，套管内装有单体电池7，电池组套管8内壁通过弹性槽11安装套管内条12，使得单体电池7在电池组套管8中存在的间隙≤0.1毫米，保证单体电池7的稳定。套管固定圆台19内壁设有螺纹，该圆台的内壁直径大于单体电池7的直径，先将单体电池7从箱体外部装入套管8内，再分别把电池组下端盖5和电池组上端盖9置入套管固定圆台19，内旋紧构成一个独立的电池组，电池组上端盖9具有空心螺纹，可以旋入套管固定圆台19内，在上端盖9的上端旋紧盖18上设置有热对流换气窗10，旋紧盖18的中心部分设置有端盖导电压紧空心塞25，该空心塞的空腔为圆柱形空腔，空腔内安放有分压电阻20和PNP型场效应管，端盖导电压紧空心塞25的空腔内壁设有螺纹，用于套管螺丝14固定压紧正极输出的导电垫片27。该导电垫片27串接有热熔丝28和电池组正极输出导线29。电池组上端盖9上一体的端盖导电压紧空心塞25压紧单体电池7的正极，在电池组中首节单体电池7的上端面与套管固定圆台19之间设置有热胀缩开闭窗的热对流环形板21，单体电池7串联之后的底端为电池组的负极，电池组下端盖5旋紧之后，压紧负极输出的导电垫片27，与此同时，电池组下端盖5的端盖导电压紧空心塞25通过弹性导电垫30压紧电池组的负极。由单体电池7串联构成的电池组中串联着热熔丝28、分压电阻20、半导体热敏电阻16、led灯珠13、以及分压电阻Ra，串联构成一个封闭电路，半导体热敏电阻Rt和分压电阻R之间的A点连接PNP型场效应管的G极(栅极)，电池组的正极连接PNP型场效应管的D极(漏极)，所有PNP型场效应管的S极(源极)输出端口全部并联起来，构成电池箱的正极输出端，所有电池的负极端通过负极输出导电垫片(27)并联起来，构成电池箱的负极输出端。热胀缩开闭窗的热对流环形板21为上下两层转动中心重合的带有透气窗22的板，上下两层镂空的透气窗22错位或正对着，上下两层发生相互同轴转动的时候，可以关闭或者打开窗口(如图2所示)。上下两层环形板21之间设有一对腔室，一个腔室安装热胀缩件23(可采用弹性空气珠或高膨胀系数的金属体)，弹性空气珠可制备为条形，它的一端抵住上层环形板21，另一端接触下层环形板21，另一个腔室安装换复位弹簧24，复位弹簧的一端连接上层环形板21，另一端连接下层环形板21，且复位弹簧24的转动力矩与弹性空气珠的相反。为了降低PNP型场效应管的使用成本，可以把两个电池组或者n个电池组的A点进行并联，然后再连接到连接PNP型场效应管的G极(栅极)，如图6所示，这样PNP型场效应管的用量是原来的n分之一，可以大幅降低成本。电池组的正极连接PNP型场效应管的D极(漏极)，所有PNP型场效应管的S极(源极)输出端口全部并联起来，构成电池箱的正极输出端，通过效应管的G极检测到的热敏电阻16的电位，就可实现过高温度条件下，对单体电池7电流的智能限制功能。所有电池的负极端通过负极输出导电垫片27并联起来，构成电池箱的负极输出端，热敏电阻16的两端电压通过信号线输入到电源管理硬件系统的温度输入A/D端口，采用现有常用的电源管理硬件系统进一步对电池箱进行管理。

Claims (6)

1.一种可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱，其特征是：电池箱的顶板和底板上开有上下正对的孔，累叠成组的单体电池装入套管中由带换气窗的上端盖和下端盖两端压紧在顶板和底板上的孔口，在套管内首节单体电池处设置有热胀缩开闭窗，在上端盖和下端盖口分别引出单体电池组的正、负极，正极输出连接有热熔丝，正、负极的电流回路中串联了分压电阻、热敏电阻和led灯珠，热敏电阻处接PNP型场效应管的栅极，单体电池组的正极接PNP型场效应管漏极，所有PNP型场效应管的源极输出端并联。

2.按权利要求1所述的可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱，其特征是：所述热胀缩开闭窗为两层累叠的具有同一中心线的透气窗口错位的环形板，上环形板与下环形板之间连接有热胀缩件以及与热胀缩件张开力矩相反的复位弹簧。

3.按权利要求2所述的可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱，其特征是：装入单体电池的套管内端口通过套管固定圆台定位，套管固定圆台的大直径端外缘分别压在顶板和底板的孔边缘，套管固定圆台的内壁带螺纹，上端盖和下端盖上的小直径端带有对应的装配外螺纹，分别拧紧于套管固定圆台触压在单体电池组的正、负极上。

4.按权利要求2所述的可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱，其特征是：上端盖的中部带有正对单体电池正极的内螺纹通孔，所述的分压电阻和PNP型场效应管置于该内螺纹通孔中并由对应的导电螺纹套管一端压紧，螺纹套管位于上端盖之外的台阶面将单体电池组的正极导电垫片压紧在上端盖的顶面，螺纹套管的内螺纹又连接一套管螺丝，套管螺丝的空腔内装入热敏电阻，套管螺丝的顶部安装led灯珠；下端盖为导体，在单体电池负极处放置有弹性导电垫，弹性导电垫由下端盖内侧端面压紧，下端盖的台阶面将负极导电垫片压紧在套管固定圆台的外侧端面上。

5.按权利要求2所述的可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱，其特征是：各单体电池组的热敏电阻两端通过导线连接至电源管理硬件系统的温度输入A/D端口。

6.按权利要求2所述的可更换电池单元的热数据采集智能电流调节电池箱，其特征是：套装单体电池组的套管内壁上设置有二件以上套管内条，套管内条触压在各单体电池的表面，并保证套管内条与单体电池之间的间隙≤0.1毫米。