CN107068959A - 一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统及其控制方法 - Google Patents

一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统及其控制方法，包括待测电芯组、电阻应变片组、电源、电池系统采集模块、整车仪表和车联网平台；所述待测电芯组包括若干个待测电芯，所述电阻应变片组包括若干个电阻应变片，电阻应变片固定在待测电芯的电芯外壳，所述电阻应变片根据所述电芯外壳的形变值对应改变自身电阻值；所述电池系统采集模块包括电阻采集模块；所述电阻采集模块通过硬线采集电阻应变片阻值；所述电阻采集模块将检测后的应变片阻值通过整车CAN通信网络传递给整车仪表；所述整车仪表根据应变片阻值显示对应信息，并发出对应的报警及指令。采用该系统可有效防护动力客车热失控现象的发生。

Description

一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统及其控制 方法
技术领域
本发明涉及动力客车动力电池热失控防护技术领域，尤其涉及一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统及其控制方法。
背景技术
电动车辆作为一种节能环保的交通工具，在本世纪得到了长足的发展。由于电动车辆所采用的动力部分的驱动电压大部分都在36VDC以上，有的高达500VDC，远远超过安全电压的级别，因此，电动车辆的动力系统需要对动力电池的功率和能量的要求也异常苛刻。
而动力电池发生热失控是一个渐进过程，随着电芯的使用年限增加，内部锂金属枝晶逐渐生长，增大电芯内短路的程度，电芯使用不当，如过充、过放、外短路情况下，发热现象将更加明显。特别是个别电芯因为生产工艺问题，电芯存在瑕疵，如电芯生产时，极片吸水、电解液不合格、粉尘不达标、极片不平整等现象，电芯使用前期可能不会出现热失控现象，但是电芯的使用寿命后期，内部锂金属枝晶更容易生长，充放电过程中，电芯发热现象更加强烈，更容易出现电解液汽化，电芯肿胀现象。当电芯无充放电现象发生时，随着电流减小，电芯自发热现象减弱，电解液汽化减弱，电芯肿胀现象将消失或减弱。但是此时电芯安全系数很低，在大电流充放电时，电解液汽化加剧，电芯外壳被撑破、电芯热失控风险将急剧增大。当个别电芯发生热失控时，将引燃附近电芯，进而导致整个电池箱燃烧、爆炸，对乘客的生命、财产安全造成威胁。
由于电芯安装在电池箱里面，用户无法直接观察电芯外观变化，电芯未发生热失控前，电芯电压不会发生急剧降低，电池控制管理系统也无法检测到。因此，本发明提出一种方案，用于预防电池系统发生热失控的方案。
在CN201510808168-一种防爆锂电池箱中，该专利只指出采用了形变探测器，而没有具体到使用何种方式进行探测和适用该探测方式的对象。而本方案主要适用于铝壳包装的电芯，在电芯外壳表面贴电阻应变片，当电芯发生肿胀现象时，电芯外壳将被撑大，电阻应变片随之变形，电阻应变片阻值发生变化，BMS根据采集模块采集到的阻值，判断电芯是否发生胀气，经过多次重复采集，提醒乘客个别电芯已经有失效风险，进而通知整车厂更换电芯，或者对电池进行报废，以保证乘客、整车的安全。
发明内容
为解决上述无法达到热失控的提前预警技术问题，本发明提供了一种判定效果好、可提前预警的一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统机器控制方法：
一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统，包括待测电芯组、电阻应变片组、电源、电池系统采集模块、整车仪表和车联网平台；所述待测电芯组包括若干个待测电芯，所述电阻应变片组包括若干个电阻应变片，每一电阻应变片固定在每一待测电芯的电芯外壳，所述电阻应变片根据所述电芯外壳的形变值对应改变自身电阻值；所述电池系统采集模块包括电阻采集模块；所述电阻采集模块通过硬线采集电阻应变片阻值；所述电阻采集模块将检测后的应变片阻值通过整车CAN通信网络传递给整车仪表；所述整车仪表根据应变片阻值显示对应信息，并发出对应的报警及指令。
作为进一步改进，所述电阻应变片包括柔性基底和电阻应变传感单元；所述电阻应变传感单元包括第一电极、第二电极和电阻应变传感层；所述电阻应变片与所述电阻采集模块之间通过第一电极和第二电极连接；所述电阻应变传感层根据其形变量的大小改变改变自身的电阻值。
作为进一步改进，当所述电阻应变传感层的电阻超过第一阈值或第二阈值时；所述整车仪表显示对应阈值范围的故障信息，发出相应报警及指令，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
作为进一步改进，所述整车仪表通过整车CAN通信网络与所述车联网平台相连接用于通知相关企业对问题车辆进行维修。
作为进一步改进，所述电源与所述电池系统采集模块相连接，其电压值为12V或24V。
一种根据上述任意一项所述的一种动力电池热失控早期探测系统的控制方法，包括以下步骤：
S1，所述电阻采集模块实时采集各个电芯外壳上的电阻应变片的阻值，并对所采集到的电阻应变片的阻值进行解析；
S2，当至少一个电阻应变片的阻值超过第一阈值或第二阈值并持续预定时间时，所述整车仪表显示对应阈值范围的故障信息，发出相应报警及指令，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
作为进一步改进，在上述步骤S1中，所述电阻采集模块实时采集各个电芯外壳上的电阻应变片的阻值的步骤包括：所述电池系统采集模块以0.1秒/次～10秒/次的频率采集各个电芯外壳上的电阻应变片的阻值。
作为进一步改进，在上述步骤S2中，所述当至少一个电阻应变片的阻值超过第一阈值或第二阈值并持续一预定时间时，所述整车仪表显示对应阈值范围的故障信息，发出相应报警及指令的步骤包括：当所述至少一个电阻应变片的阻值超过第一阈值并小于第二阈值时并持续一预定时间，所述整车仪表发出电芯轻微鼓胀报警，并发出降低行车功率指令。
作为进一步改进，在上述步骤S2中，所述当至少一个电阻应变片的阻值超过第二阈值并持续一预定时间时，所述整车仪表显示对应阈值范围的故障信息，发出相应报警及指令的步骤包括：当所述至少一个电阻应变片的阻值超过第二阈值时并持续预定时间，所述整车仪表发出热失控前期报警，并发出切断高压输出及停车检查指令。
作为进一步改进，所述预定时间的范围为5s～15s。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1、本发明一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统及其控制方法，在正常使用情况下，电芯发生热失控前期，存在多个周期性的电芯鼓胀现象，采用电阻应变片测量鼓胀现象，可以提前告知乘客，该电芯有失效风险。
2、本发明一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统及其控制方法，在极端使用情况下，如过充、过放、短路，在电芯电压急降前，电芯已经大幅鼓胀，该方案可提前告知乘客，该电芯即将发生热失控，并且通过电池控制管理系统，提前断高压，阻止或者减缓热失控的发生。
附图说明
附图1是本发明一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统及其控制方法的系统示意图；
附图2是本发明一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统及其控制方法的工作流程图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“相连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
请参考图1，实施例中，一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统，包括待测电芯组10、电阻应变片组20、电源30、电池系统采集模块40、整车仪表50和车联网平台60；所述待测电芯组10包括若干个待测电芯11，所述电阻应变片组20包括若干个电阻应变片21，每一电阻应变片21固定在每一待测电芯11的电芯外壳，所述电阻应变片21根据所述电芯外壳的形变值对应改变自身电阻值；所述电池系统采集模块40包括电阻采集模块41，所述电池系统采集模块40还进一步包括电芯温度采集模块、电压采集模块等其他采集模块；所述电阻采集模块41通过硬线采集电阻应变片21阻值；所述电阻采集模块41将检测后的应变片阻值通过整车CAN通信网络传递给整车仪表50；所述整车仪表50根据应变片阻值显示对应信息，并发出对应的报警及指令。采用这样的系统可以有效通过电阻采集模块41和电阻应变片21对待测电芯采取实时的监控，有效提前预警热失控现象的发生。
请参考图1，实施例中，所述电阻应变片21包括柔性基底和电阻应变传感单元；所述电阻应变传感单元包括第一电极、第二电极和电阻应变传感层；所述电阻应变片与所述电阻采集模块之间通过第一电极和第二电极连接；所述电阻应变传感层根据其形变量的大小改变改变自身的电阻值。具体地，定义所述待测电芯表面的原始长度即电阻应变传感单元表面的原始长度为L1，定义所述待测电芯表面鼓胀后的长度即电阻应变传感单元表面鼓胀后的长度为L2，定义所述待测电芯表面的形变值即电阻应变传感单元表面的形变值为△L,其中△L＝L2-L1；所述电阻应变传感层根据△L的大小改变对应的电阻应变片电阻值，具体地，按国标规定，一般电阻应变片阻值R为60、120、200、350、500、1000Ω。所述应变片电阻变化值计算公式：△R/R＝Kε
其中，
R：应变片原电阻值Ω(欧姆)
ΔR：伸长或压缩所引起的电阻变化Ω(欧姆)
K：应变片的灵敏系数(常量，由应变片的生产厂家提供)
ε：应变，一般应变片量程为2万个微应变以内，ε＝△L/L(L为电芯贴应变片表面的长度)
则综上，可通过上述参数计算出最终的电阻变化值ΔR。当所述电阻应变传感层的电阻超过第一阈值或第二阈值时；所述整车仪表50显示对应阈值范围的故障信息，发出相应报警及指令，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。通过上述计算方法和控制方法可精确计算出电阻变化值从而根据电阻变化值发出对应的报警和指令。
请参考图1，所述整车仪表50通过整车CAN通信网络与所述车联网平台60相连接用于通知相关企业对问题车辆进行维修；所述电源30与所述电池系统采集模块40相连接，其电压值为12V或24V，其中，电压值12V针对小型动力客车，电压值24V针对大型动力客车。
请参考图2，实施例中，一种根据上述任意一项所述的一种动力电池热失控早期探测系统的控制方法，包括以下步骤，
S1，所述电阻采集模块实时采集各个电芯外壳上的电阻应变片的阻值，并对所采集到的电阻应变片的阻值进行解析；
S2，当至少一个电阻应变片的阻值超过第一阈值或第二阈值并持续预定时间时，所述整车仪表显示对应阈值范围的故障信息，发出相应报警及指令，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
请参考图2，实施例中，在上述步骤S1中，所述电池系统采集模块以0.1秒/次～10秒/次的频率采集各个电芯外壳上的电阻应变片的阻值，优选的，以5秒/次的频率采集各个电芯外壳上的电阻应变片的阻值；所述整车仪表50最终每次采集到的电阻应变片阻值等于所述电阻采集模块连续若干次采集到的被测电阻应变片阻值的平均值，定义该采集次数为a，其中a的范围为1～10次，优选的，该次数为5次。具体地，若以5秒/次的频率采集各个电芯外壳上的电阻应变片的阻值和采集次数为5次为例，则每5秒为一次测试单位，每25秒为一次判断单位，当连续五次采集到的被测电阻应变片21阻值的平均值超过第一阈值或第二阈值时，所述整车仪表50根据应变片阻值显示对应信息，并发出对应的报警及指令。
请参考图2，实施例中，在上述步骤S2中，当所述至少一个电阻应变片21的阻值超过第一阈值并小于第二阈值时并持续一预定时间，所述整车仪表50发出电芯轻微鼓胀报警，并发出降低行车功率指令。当所述至少一个电阻应变片21的阻值超过第二阈值时并持续预定时间，所述整车仪表50发出热失控前期报警，并发出切断高压输出及停车检查指令。所述预定时间的范围为5s～15s，优选的，预定时间为10s。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统，其特征在于：包括待测电芯组、电阻应变片组、电源、电池系统采集模块、整车仪表和车联网平台；所述待测电芯组包括若干个待测电芯，所述电阻应变片组包括若干个电阻应变片，每一电阻应变片固定在每一待测电芯的电芯外壳，所述电阻应变片根据所述电芯外壳的形变值对应改变自身电阻值；所述电池系统采集模块包括电阻采集模块；所述电阻采集模块通过硬线采集电阻应变片阻值；所述电阻采集模块将检测后的应变片阻值通过整车CAN通信网络传递给整车仪表；所述整车仪表根据应变片阻值显示对应信息，并发出对应的报警及指令。
2.根据权利要求1所述的一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统，其特征在于：所述电阻应变片包括柔性基底和电阻应变传感单元；所述电阻应变传感单元包括第一电极、第二电极和电阻应变传感层；所述电阻应变片与所述电阻采集模块之间通过第一电极和第二电极连接；所述电阻应变传感层根据其形变量的大小改变改变自身的电阻值。
3.根据权利要求2所述的一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统，其特征在于：当所述电阻应变传感层的电阻超过第一阈值或第二阈值时；所述整车仪表显示对应阈值范围的故障信息，发出相应报警及指令，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
4.根据权利要求1所述的一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统，其特征在于：所述整车仪表通过整车CAN通信网络与所述车联网平台相连接用于通知相关企业对问题车辆进行维修。
5.根据权利要求1所述的一种用于动力客车动力电池的热失控早期探测系统，其特征在于：所述电源与所述电池系统采集模块相连接，其电压值为12V或24V。
6.一种根据权利要求1～5任意一项所述的一种动力电池热失控早期探测系统的控制方法，其步骤包括：
S1，所述电阻采集模块实时采集各个电芯外壳上的电阻应变片的阻值，并对所采集到的电阻应变片的阻值进行解析；
S2，当至少一个电阻应变片的阻值超过第一阈值或第二阈值并持续预定时间时，所述整车仪表显示对应阈值范围的故障信息，发出相应报警及指令，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
7.根据权利要求6中所述的一种动力电池热失控早期探测系统的控制方法，其特征在于在步骤S1中，所述电阻采集模块实时采集各个电芯外壳上的电阻应变片的阻值的步骤包括：所述电池系统采集模块以0.1秒/次～10秒/次的频率采集各个电芯外壳上的电阻应变片的阻值。
8.根据权利要求6中所述的一种动力电池热失控早期探测系统的控制方法，其特征在于在步骤S2中，所述当至少一个电阻应变片的阻值超过第一阈值或第二阈值并持续一预定时间时，所述整车仪表显示对应阈值范围的故障信息，发出相应报警及指令的步骤包括：当所述至少一个电阻应变片的阻值超过第一阈值并小于第二阈值时并持续一预定时间，所述整车仪表发出电芯轻微鼓胀报警，并发出降低行车功率指令。
9.根据权利要求6中所述的一种动力电池热失控早期探测系统的控制方法，其特征在于在步骤S2中，所述当至少一个电阻应变片的阻值超过第二阈值并持续一预定时间时，所述整车仪表显示对应阈值范围的故障信息，发出相应报警及指令的步骤包括：当所述至少一个电阻应变片的阻值超过第二阈值时并持续预定时间，所述整车仪表发出热失控前期报警，并发出切断高压输出及停车检查指令。
10.根据权利要求6中所述的一种动力电池热失控早期探测系统的控制方法，其特征在于：所述预定时间的范围为5s～15s。
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