CN112858932A - 一种电池短路热失控预警装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电池短路热失控预警装置及其方法，预警装置包括微分电路、与微分电路连接的放大器、与放大器连接的比较器以及与比较器连接的处理单元，微分电路用于采集模组的电压值，当电压值超过比较器的特定值时，发送启动信号给处理单元，使处理单元采集模组的电压特征参数。本发明通过微分电路对模组的电压进行监控，当模组的电压出现跌落时，处理单元采集模组的电压特征参数，根据电压的特征参数进行是否为电池的短路，进行预警电池的热失控。

Description

一种电池短路热失控预警装置及其方法

技术领域

本发明涉及电池的技术领域，尤其涉及一种电池短路热失控预警装置及其方法。

背景技术

世界上首个锂离子自20世纪70年代面世以来，现如今锂电池已经发展到具备了清洁无污染、高能量密度比、循环使用寿命长等优点，已经广泛地应用于新能源汽车、太阳能存储、移动通讯设备。但是对锂电池不合理的使用或者是破坏性操作，会造成一定的危害甚至热失控爆炸。

然而，随着锂离子电池在电动汽车上的大规模应用，以热失控为代表的锂离子动力电池安全性事故时有发生，锂离子动力电池事故通常表现为以热失控为核心的温度骤升、冒烟、起火甚至爆炸等现象。热失控事故通常在短时间内释放出大量能量，极易造成人员伤亡与财产损失。因此热失控事故会打击民众接收电动汽车的信心，并阻碍电动汽车的普及。

在造成锂电池热失控的众多原因中，有短路造成的锂电池热失控危害尤其严重。新能源的碰撞、电池箱浸水、锂电池通讯设备的跌落挤压、废旧电池的处理等都有可能造成锂电池发生短路危害，锂电池的短路是指由阻值较小的导体，直接连接在电池的正负极两端造成的强烈放电行为。

人们开发了很多种温度检测、气体检测等众多检测手段，也只能发现已经发生的热失控时间，甚至要电池单体开始泄压了才能够有效发现，目前尚无可以在本地提前发现锂离子电池热失控风险的工程化技术的应用。

发明内容

本发明实施例的目的在于：提供一种电池短路热失控预警装置及其方法，其旨在解决无法做到及时预警电池的热失控。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种电池短路热失控预警装置，所述预警装置包括微分电路、与所述微分电路连接的放大器、与所述放大器连接的比较器以及与所述比较器连接的处理单元，所述微分电路用于采集模组的电压值，当所述电压值超过所述比较器的特定值时，发送启动信号给所述处理单元，使所述处理单元采集所述模组的电压特征参数。

进一步地，所述处理单元包括与所述比较器连接的控制器以及与所述控制器连接的采集单元，所述采集单元用于接收所述控制器的指令后采集模组的电压特征参数。

进一步地，所述采集单元采集模组的电压特征参数包括单体电压增量以及单体电压差增量。

进一步地，所述采集单元采集模组的电压特征参数还包括内阻差异造成的电压差增量。

进一步地，所述控制器包括电池管理系统BMS。

进一步地，所述预警装置采用定期对所述模组进行自检，非自检期间，所述微分电路、所述放大器、所述比较器处于工作状态，所述控制器以及所述采集单元处于休眠状态。

进一步地，所述预警装置挂载于通信总线上。

进一步地，所述通信总线为RS485总线或者CAN总线。

一种电池短路热失控预警方法，包括：

第一预警模式，计算同一时间下的锂电池的单体电压增量以及单体电压差增量，根据所述单体电压增量以及所述单体电压差增量计算单体自放电率偏差值，判断所述单体自放电率偏差值与阈值的大小，依据判断结果进行预警；

第二预警模式，计算同一时间下的锂电池的单体电压增量、单体电压差增量以及内阻差异造成的电压差增量，根据所述单体电压增量、所述单体电压差增量以及所述内阻差异造成的电压差增量计算单体电压异常值，判断所述单体电压异常值与阈值的大小，依据判断结果进行预警。

进一步地，当所述单体自放电率偏差值大于阈值时，所述第一预警模式启动并进行预警；

当所述单体电压异常值大于阈值时，控制器唤醒且对所述单体电压异常值进行采集诊断，若不是采集异常，则所述锂电池有热失控风险，所述第二预警模式启动并进行预警。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过微分电路对模组的电压进行监控，当模组的电压出现跌落时，处理单元采集模组的电压特征参数，根据电压的特征参数进行是否为电池的短路，进行预警电池的热失控。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明实施例所述电池短路热失控预警装置及其方法的原理示意图。

图2为本发明实施例所述电池短路热失控预警装置及其方法的算法示意图。

图3为本发明实施例所述电池短路热失控预警装置及其方法的另一算法示意图。

图中：

100、微分电路；200、放大器；300、比较器；400、控制器；500、采集单元；600、模组。

本申请目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动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。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

在造成锂电池热失控的众多原因中，有短路造成的锂电池热失控危害尤其严重。新能源的碰撞、电池箱浸水、锂电池通讯设备的跌落挤压、废旧电池的处理等都有可能造成锂电池发生短路危害，锂电池的短路是指由阻值较小的导体，直接连接在电池的正负极两端造成的强烈放电行为。

人们开发了很多种温度检测、气体检测等众多检测手段，也只能发现已经发生的热失控时间，甚至要电池单体开始泄压了才能够有效发现，目前尚无可以在本地提前发现锂离子电池热失控风险的工程化技术的应用。

本发明提供一种电池短路热失控预警装置及其方法，其通过微分电路100对模组600的电压进行监控，当模组600的电压出现跌落时，处理单元采集模组600的电压特征参数，根据电压的特征参数进行是否为电池的短路，进行预警电池的热失控。

在本发明中，图1为所述电池短路热失控预警装置及其方法的原理示意图；图2为所述电池短路热失控预警装置及其方法的算法示意图；图3为所述电池短路热失控预警装置及其方法的另一算法示意图。

如图1所示，本实施例提供一种电池短路热失控预警装置，所述预警装置包括微分电路100、与所述微分电路100连接的放大器200、与所述放大器200连接的比较器300以及与所述比较器300连接的处理单元，所述微分电路100用于采集模组600的电压值，当所述电压值超过所述比较器300的特定值时，发送启动信号给所述处理单元，使所述处理单元采集所述模组600的电压特征参数。

所述微分电路100可把矩形波转换为尖脉冲波，且所述微分电路100的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出；而对于恒定部分则没有输出，输出的尖脉冲波形的宽度与RC有关(即电路的时间常数)，RC越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽；所述微分电路100的RC必须小于输入波形的宽度。

所述放大器200作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接受到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

所述比较器300是通过比较两个输入端的电流或电压的大小，在输出端输出不同电压结果的电子元件，也可以将其当做一个1位模/数转换器(ADC)。

当所述模组600的电压出现跌落时，所述预警装置中的所述微分电路100采集变化的电压，所述放大器200进行放大后，进入所述比较器300，当所述变化的电压超过所述比较器300的特定值时，所述处理单元工作，并快速采集所述模组600的电压特征参数并记录，通过与之前采集的所述模组600的电压特征参数进行比对，当此时采集的所述模组600的电压特征参数超过电压阀值时，则认为是电池出现了短路。

进一步地，所述处理单元包括与所述比较器300连接的控制器400以及与所述控制器400连接的采集单元500，所述采集单元500用于接收所述控制器400的指令后采集模组600的电压特征参数。

具体的，当所述模组600的电压处于正常状态时，所述控制器400以及所述采集单元500均处于休眠状态，即不工作状态，所述微分电路100、所述放大器200以及所述比较器300均处于工作状态；当所述模组600的电压出现跌落时，且所述模组600的电压超过所述特定值时，所述控制器400控制所述采集单元500进行快速采样。

在本发明中，所述采集单元500采集模组600的电压特征参数包括单体电压增量以及单体电压差增量。

可以理解的是，所述采集单元500根据所述单体电压增量以及所述单体电压差增量计算出单体自放电率偏差值，当所述单体自放电偏差值小于电压阀值时，所述预警装置为正常状态；当所述单体自放电偏差值大于电压阀值时，所述预警装置报警并记录。

当所述电池出现内短路时，即在隔膜孔径过大或者局部杂质等情况下，所述模组600的短路电阻不足以立即导致电池发生热失控，但是因为漏电造成局部热聚集，经过长时间的累积，短路电阻逐渐变小，直到发生热失控。

对于上述情况出现的热失控，可采用如图3所示的算法进行预警，即通过电池管理系统BMS长期监测电池的自放电率，计算单体自放电率偏差值，所述单体自放电率偏差值为所述单体电压增量与所述单体电压差增量计算所得，所述单体电压增量为单体初始电压值与初始平均电压值计算所得，所述单体电压差增量为当前单体电压值与当前平均电压值计算所得；当所述单体自放电率偏差值大于电压阀值，则记录故障；当所述单体自放电率持续高于所述平均自放电率，则发出报警。

进一步地，所述采集单元500采集模组600的电压特征参数还包括内阻差异造成的电压差增量。

具体的，所述采集单元500根据所述单体电压增量、所述单体电压差增量以及所述内阻差异造成的单体电压差增量计算出单体电压异常值，当所述单体电压异常值大于电压阀值时，所述电池管理系统BMS对所述采集单元500采集的数据进行判断。

示例性的，由于电芯存在锂枝晶等导电杂质，平时这些物质没有造成电芯电压的异常，但是当电芯内部应力出现变化时，刺空隔膜导致电芯短路，电压跌落，在某些情况下，短路点烧蚀，短路点消失，电压又恢复；但是在烧蚀点存在下一次更严重的短路可能，电压从跌落到恢复可能在ms级别，而我们的电压采样，一般在百ms级，而且休眠的时候，无法对电池电压进行采样并识别。

另一情况下，短路后电压跌落，短路点热聚集，直接引发电芯热失控，从短路到电芯发生热失控时间可以从几分钟到更长时间，这一情况下，电池电压不会恢复。

对于上述两种情况，本发明采用如图2所示的算法进行检测预警，即通过所述单体电压增量、所述单体电压差增量以及所述内阻差异造成的电压差增量计算所述单体电压异常值，当所述单体电压异常值小于电压阀值时，所述模组600处于正常状态；当所述单体电压异常值大于所述电压阀值时，所述电池管理系统BMS对所述采集单元500进行判断分析，若为所述采集单元500采集异常则提示所述采集单元500采集异常；若不是，则提示电池有热失控风险。

需要说明的是，所述单体电压增量为单体初始电压值与初始平均电压值计算所得；所述单体电压差增量为当前单体电压值与当前平均电压值计算所得；所述内阻差异造成的电压差增量为当前单体电池内阻与当前平均内阻平均值乘以平均电流计算所得。

休眠时，考虑所述预警装置的功耗，所述预警装置采用定期对所述模组600进行自检，非自检期间，所述微分电路100、所述放大器200、所述比较器300处于工作状态，所述微分电路100、所述放大器200以及所述比较器300其功耗几滴，对所述预警装置的功耗没有影响；所述控制器400以及所述采集单元500处于休眠状态，其功耗也极低。

进一步地，所述控制器400包括电池管理系统BMS。

所述电池管理系统是电动汽车动力电池系统的重要组成，它一方面检测手机并初步计算电池实时状态参数，并根据检测值与允许值的比较关系控制供电回路的通断；另一方面，将采集的关键数据上报给整车控制器400，并接收控制器400的指令，与车辆上的其它系统协调工作。

在本发明中，所述预警装置挂载于通信总线上；所述通信总线为RS485总线或者CAN总线。

在本方案中，一种电池短路热失控预警方法，包括：

第一预警模式，计算同一时间下的锂电池的单体电压增量以及单体电压差增量，根据所述单体电压增量以及所述单体电压差增量计算单体自放电率偏差值，判断所述单体自放电率偏差值与阈值的大小，依据判断结果进行预警；

第二预警模式，计算同一时间下的锂电池的单体电压增量、单体电压差增量以及内阻差异造成的电压差增量，根据所述单体电压增量、所述单体电压差增量以及所述内阻差异造成的电压差增量计算单体电压异常值，判断所述单体电压异常值与阈值的大小，依据判断结果进行预警。

需要说明的是，本发明中可针对不同的情况，对所述锂电池进行不同模式下的预警，示例性的，当隔膜孔径过大，局部杂质等情况下，短路电阻不足以立即导致锂电池放生热失控，但是因为漏电早层局部热聚集，经过长时间的累积，短路电阻逐渐变小，直到发生热失控，此情形下，如图3所示，本发明采用所述第一预警模式进行预警判断，根据判断结果进行预警。

在另一实施例中，由于电芯存在锂枝晶等导电杂质，平时这些物质没有造成电芯电压的异常，但是当电芯内部应力出现变化时，刺空隔膜导致电芯短路，电压跌落，在某些情况下，短路点烧蚀，短路点消失，电压又恢复；但是在烧蚀点存在下一次更严重的短路可能，电压从跌落到恢复可能在ms级别，而我们的电压采样，一般在百ms级，而且休眠的时候，无法对电池电压进行采样并识别。

或者，短路后电压跌落，短路点热聚集，直接引发电芯热失控，从短路到电芯发生热失控时间可以从几分钟到更长时间，这一情况下，电池电压不会恢复；此两种情形下，本发明采用所述第二预警模式，如图2所示，根据判断结果进行预警。

进一步地，当所述单体自放电率偏差值大于阈值时，所述第一预警模式启动并进行预警；

当所述单体电压异常值大于阈值时，控制器唤醒且对所述单体电压异常值进行采集诊断，若不是采集异常，则所述锂电池有热失控风险，所述第二预警模式启动并进行预警。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池短路热失控预警装置，其特征在于，所述预警装置包括微分电路、与所述微分电路连接的放大器、与所述放大器连接的比较器以及与所述比较器连接的处理单元，所述微分电路用于采集模组的电压值，当所述电压值超过所述比较器的特定值时，发送启动信号给所述处理单元，使所述处理单元采集所述模组的电压特征参数。

2.根据权利要求1所述的电池短路热失控预警装置，其特征在于，所述处理单元包括与所述比较器连接的控制器以及与所述控制器连接的采集单元，所述采集单元用于接收所述控制器的指令后采集模组的电压特征参数。

3.根据权利要求2所述的电池短路热失控预警装置，其特征在于，所述采集单元采集模组的电压特征参数包括单体电压增量以及单体电压差增量。

4.根据权利要求3所述的电池短路热失控预警装置，其特征在于，所述采集单元采集模组的电压特征参数还包括内阻差异造成的电压差增量。

5.根据权利要求2所述的电池短路热失控预警装置，其特征在于，所述控制器包括电池管理系统BMS。

6.根据权利要求1所述的电池短路热失控预警装置，其特征在于，所述预警装置采用定期对所述模组进行自检，非自检期间，所述微分电路、所述放大器、所述比较器处于工作状态，所述控制器以及所述采集单元处于休眠状态。

7.根据权利要求1所述的电池短路热失控预警装置，其特征在于，所述预警装置挂载于通信总线上。

8.根据权利要求7所述的电池短路热失控预警装置，其特征在于，所述通信总线为RS485总线或者CAN总线。

9.一种电池短路热失控预警方法，其特征在于，包括：

第一预警模式，计算同一时间下的锂电池的单体电压增量以及单体电压差增量，根据所述单体电压增量以及所述单体电压差增量计算单体自放电率偏差值，判断所述单体自放电率偏差值与阈值的大小，依据判断结果进行预警；

第二预警模式，计算同一时间下的锂电池的单体电压增量、单体电压差增量以及内阻差异造成的电压差增量，根据所述单体电压增量、所述单体电压差增量以及所述内阻差异造成的电压差增量计算单体电压异常值，判断所述单体电压异常值与阈值的大小，依据判断结果进行预警。

10.根据权利要求9所述的电池短路热失控预警方法，其特征在于，

当所述单体自放电率偏差值大于阈值时，所述第一预警模式启动并进行预警；

当所述单体电压异常值大于阈值时，控制器唤醒且对所述单体电压异常值进行采集诊断，若不是采集异常，则所述锂电池有热失控风险，所述第二预警模式启动并进行预警。

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