CN113093018A - 一种锂离子电池瞬时内短路检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂离子电池瞬时内短路检测装置和方法。该装置包括：锂离子电池组，包括串联连接的多个并联锂离子电池单元；信号滤波单元，用于过滤掉正常电压信号，保留由于瞬时内短路引起的故障电压信号；信号转换单元，用于将故障信号从模拟信号转换为数字信号；信号检测单元，用于对信号转换单元输出的数字信号进行检测，以判定对应的并联锂离子电池单元是否发生瞬时内短路。本发明的装置通过滤波器电路提升了瞬时内短路故障信号的清晰度；通过电压比较器电路实现了模拟量故障信号向数字量信号的转换，大大降低了故障信号的检测难度，从而可以以低廉的成本精确识别锂离子电池极短时间尺度的内短路。

Description

一种锂离子电池瞬时内短路检测装置和方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池瞬时内短路检测装置和方法。

背景技术

近年来，锂离子电池应用规模迅速增大，但是与此同时由于内短路引起的锂离子电池安全事故频频发生。现有研究表明，锂离子电池内短路呈现明显的阶段化，当内短路演化到末期时，锂离子电池迅速发生热失控，常常由于反应时间不足导致人员、财产受损。因此，进行锂离子电池内短路的初期检测具有重要意义。

锂离子电池初期内短路诱因众多，其中发生可能性最大的是由于锂枝晶或生产环节中混入的金属杂质刺破隔膜导致正负极短路；这种情况下内短路发生后锂枝晶或金属杂质由于自身剧烈产热而快速熔化，短路瞬间结束，但是造成隔膜破孔等不可逆损坏，锂离子电池开始发生持续的微短路并向内短路末期演化。

受现有锂离子电池检测转置，即电池管理系统(Battery management system,BMS)的电压采样精度和采样速度的限制，锂离子电池最初发生瞬时内短路的电压变化信号难以被捕获；而提高BMS的采样精度和速度以至于能够检测到锂离子电池的瞬时内短路信号可行性不佳，因为这种方法的实现存在一定的硬件技术瓶颈，即便可以突破硬件技术瓶颈，也会导致BMS成本大幅增加，还会带来数据冗余度高、数据传输困难等一系列问题。因此，现有锂离子电池内短路识别技术均聚焦于利用现有BMS能够采集到的数据再基于各种模型或算法对锂离子电池发生瞬时短路后的持续微短路过程的识别，包括对锂离子电池自放电率异常、内阻异常、SOC异常、温度异常的识别。然而，BMS的测量噪声、运算能力及锂离子电池模型的精度均难以满足现有方法的可靠实施。

发明内容

本发明的实施例提供了一种锂离子电池瞬时内短路检测装置和方法，以实现有效地对锂离子电池瞬时内短路进行检测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种锂离子电池瞬时内短路检测装置，包括：锂离子电池组、信号滤波单元、信号转换单元和信号检测单元；

所述锂离子电池组，包括串联连接的多个并联锂离子电池单元；

所述信号滤波单元，用于过滤掉并联锂离子电池单元的正常信号，保留并联锂离子电池单元的电压信号中由于瞬时内短路引起的故障信号；

所述信号转换单元，用于对所述信号滤波单元输出的故障信号进行鉴幅比较，并将故障信号从模拟信号转换为数字信号；

所述信号检测单元，用于对所述信号转换单元输出的数字信号进行检测，以判定对应的并联锂离子电池单元是否发生瞬时内短路。

优选地，所述的装置还包括：隔离供电单元和信号隔离单元；

所述的隔离供电单元，用于对所述信号转换单元提供隔离供电电源；

所述的信号隔离单元；用于对所述信号转换单元的输出进行信号隔离。

优选地，所述锂离子电池组串联了多个并联锂离子电池单元，所述并联锂离子电池单元由多个锂离子电池单体并联构成。

优选地，所述的信号滤波单元，用于包括预设数量的滤波电路，所述滤波电路并联于各个并联锂离子电池单元两端，过滤掉并联锂离子电池单元的正常信号、保留并联锂离子电池单元的电压信号中由于瞬时内短路引起的故障信号。

优选地，所述的信号转换单元包括预设数量的电压比较器电路，电压比较器电路利用预设阈值对滤波电路的输出进行鉴幅比较，并将故障信号从模拟信号转换为数字信号。

优选地，所述隔离供电电路用于给电压比较器电路提供隔离供电电源；

所述信号隔离单元包括预设数量的信号隔离电路，信号隔离电路用于对电压比较器电路的输出进行信号隔离。

根据本发明的另一个方面，提供了一种锂离子电池瞬时内短路检测方法，适用于所述的装置，所述方法包括：

对锂离子电池组的电压信号进行滤波处理，得到锂离子电池的电压信号中由于瞬时内短路引起的故障信号；

将锂离子电池的高速突变的故障信号由模拟信号转换为数字信号；

对数字故障信号的产生进行实时检测，通过对数字故障信号的产生进行实时检测，即可判定锂离子电池是否发生内短路。

优选地，所述方法包括：

将滤波电路并联于各个并联锂离子电池单元两端，通过滤波电路过滤掉并联锂离子电池单元的正常信号、保留并联锂离子电池单元的电压信号中由于瞬时内短路引起的故障信号；

通过电压比较器电路利用预设阈值对滤波电路输出的故障信号进行鉴幅比较，并将故障信号从模拟信号转换为数字信号；

通过信号隔离电路对电压比较器电路的输出进行信号隔离；

通过信号检测单元对信号隔离电路的输出进行实时检测，当检测到某一信号隔离电路的输出反转后，则判定对应的并联锂离子电池单元中的某一个锂离子电池单体发生了瞬时内短路。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例公开的锂离子电池瞬时内短路检测方法及装置通过滤波电路对锂离子电池的电压信号进行过滤筛选，提升了故障信号的清晰度；通过电压比较器电路实现了模拟量故障信号向数字量信号的转换，大大降低了故障信号的检测难度。从而可以以低廉的成本精确识别锂离子电池极短时间尺度的内短路。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一个实施例提供的锂离子电池瞬时内短路检测方法的流程示意图；

图2是本发明某一个实施例提供的锂离子电池瞬时内短路检测装置的结构示意图；

图3是本发明某一个实施例提供的一阶RC无源高通滤波器电路示意图；

图4是本发明某一个实施例提供的具有预设阈值的单限比较器电路示意图。

符号说明：

1-锂离子电池单体；

2-并联锂离子电池单元；

3-锂离子电池组；

4-滤波电路

5-信号滤波单元

6-隔离供电电路

7-隔离供电单元

8-电压比较器电路

9-信号转换单元

10-信号隔离电路

11-信号隔离单元

12-信号检测单元

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

由任意个数的锂离子电池单体通过并联构成并联锂离子电池单元，由任意个数的并联锂离子电池单元通过串联构成锂离子电池组。如图1所示，本发明实施例提供的一种锂离子电池瞬时内短路检测方法，包括以下步骤：

S1.对锂离子电池的电压信号进行滤波，得到锂离子电池的电压信号中由于瞬时内短路引起的故障信号。

锂离子电池的正常电压信号包括开路电压、欧姆极化电压和电化学极化电压等分量，这些信号分量在锂离子电池使用过程中随工作电流变化而变化，但是由于工作电流受负载影响变化速率较缓，这些正常电压信号分量也变化缓慢。而锂离子电池发生瞬时内短路时，其短路电流不受外部负载影响，短路电流的建立、持续和消退均在非常短的时间尺度内；受短路电流影响，锂离子电池电压信号中会出现高速突变的跌落信号，即所谓故障信号。对锂离子电池的电压信号进行滤波，过滤掉锂离子电池的缓慢变化的正常信号，保留锂离子电池的电压信号中由于瞬时内短路引起的高速突变的故障信号，提升故障信号的清晰度，方便检测。

S2.将锂离子电池的高速突变的故障信号由模拟信号转换为数字信号。

对模拟量的检测成本和难度远远高于对数字量的检测。尤其对于对上述高速突变的故障信号的检测，需要很高的采样速率和采样精度，模拟量检测的实施极为困难且代价很高；这种情况下将高速突变的模拟量的故障信号转换为数字量信号，使得对故障信号的检测成本和难度大大降低。

S3.对数字故障信号的产生进行实时检测。

通过对数字故障信号的产生进行实时检测，即可判定锂离子电池是否发生瞬时内短路。

为实现上述锂离子电池瞬时内短路检测方法，本发明提供如图2所示的锂离子电池瞬时内短路检测装置。

如图2中所示，本发明提供的锂离子电池瞬时内短路检测装置包括锂离子电池组3、信号滤波单元5、信号转换单元9、隔离供电单元7、信号隔离单元11和信号检测单元12。

其中，锂离子电池组3是应用于任意场景下的储能单元或能量供给单元。锂离子电池组3串联了任意个数的并联锂离子电池单元2，其中并联锂离子电池单元2由任意数量的锂离子电池单体1并联构成。

另外，信号滤波单元5包括预设数量的滤波电路4。滤波电路4并联于各个并联锂离子电池单元2两端；其具备过滤掉并联锂离子电池单元2的缓慢变化的正常信号、保留并联锂离子电池单元2的电压信号中由于瞬时内短路引起的高速突变的故障信号、提升故障信号的清晰度的功能，滤波电路4的具体实施方式包括但不限于能够实现所述功能的各种形式的高通滤波器电路、带通滤波器电路等；具体地，比如如图3所示的一阶RC无源高通滤波器电路。

此外，信号转换单元9包括预设数量的电压比较器电路8。电压比较器电路8具有预设阈值以提高抗干扰能力，避免由于外界噪声引起误触发；同时，电压比较器电路8利用预设阈值对滤波电路4的输出信号进行鉴幅比较，当滤波电路4的输出信号高于预设阈值时，电压比较器电路8触发输出，从而实现将故障信号从模拟信号转换为数字信号的功能，信号转换单元9的具体实施方式包括能够实现所述功能的各种形式的电压比较器电路；具体地，比如如图4所示的具有预设阈值的单限比较器电路。

此外，隔离供电单元7包括预设数量的隔离供电电路5。隔离供电电路5用于给电压比较器电路8提供隔离供电电源，避免由于锂离子电池组3内部串联引起的共模电压损坏电压比较器电路6，隔离供电电路5的具体实施方式可采用隔离型DC/DC电源模块或隔离型AC/DC电源模块。

此外，信号隔离单元11包括预设数量的信号隔离电路10。信号隔离电路10用于对电压比较器电路8的输出进行信号隔离，以解决电压比较器电路8采用隔离供电后输出不共地的问题，信号隔离电路10的具体实施方式可选用光耦隔离电路或数字信号器隔离电路或变压器隔离电路。

此外，信号检测单元12用于对信号隔离单元11的输出进行检测，根据检测结果判定对应的并联锂离子电池单元2是否发生了瞬时内短路。

信号检测单元12的具体实施方式可选用微控制器等。所述信号检测单元具有预设数量的数字量输入接口。

所涉及的锂离子电池瞬时内短路检测装置的检测原理可概述为：信号检测单元8对信号隔离单元11中的各个信号隔离电路10的输出进行实时检测；锂离子电池组3中的各个并联锂离子电池单元2正常工作时，其电压变化信号由于变化速率较慢被各自对应的滤波器电路4抑制，各个滤波器电路4输出电压为0或接近于0，达不到对应电压比较器电路8的触发阈值，对应的电压比较器电路8及对应的信号隔离电路10的输出始终维持在高电平或低电平(取决于实际电路设计)；当锂离子电池组3中某一个锂离子电池单体1发生瞬时内短路时，其所在的并联锂离子电池单元2电压瞬时跌落，对应的滤波器电路4将该瞬时电压跌落信号输出，该瞬时电压跌落信号超过电压比较器电路8的预设阈值并触发电压比较器电路8，该电压比较器电路8及对应的信号隔离电路10的输出反转。因此，信号检测单元8检测到某一信号隔离电路10的输出反转后，即可判定对应的并联锂离子电池单元2中的某一个锂离子电池单体1发生了瞬时内短路。

综上所述，本发明实施例通过滤波电路对锂离子电池的电压信号进行过滤筛选，提升了故障信号的清晰度；通过电压比较器电路实现了模拟量故障信号向数字量信号的转换，大大降低了故障信号的检测难度。

本发明可以以低成本实现对锂离子电池瞬时内短路的高可靠性检测，可以作为独立装置与现有BMS结合使用或者将本发明实施例的设计思想在现有BMS上实现，提高锂离子电池应用的安全性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种锂离子电池瞬时内短路检测装置，其特征在于，包括：锂离子电池组、信号滤波单元、信号转换单元和信号检测单元；

所述锂离子电池组，包括串联连接的多个并联锂离子电池单元；

所述信号滤波单元，用于过滤掉并联锂离子电池单元的正常信号，保留并联锂离子电池单元的电压信号中由于瞬时内短路引起的故障信号；

所述信号转换单元，用于对所述信号滤波单元输出的故障信号进行鉴幅比较，并将故障信号从模拟信号转换为数字信号；

所述信号检测单元，用于对所述信号转换单元输出的数字信号进行检测，以判定对应的并联锂离子电池单元是否发生瞬时内短路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括：隔离供电单元和信号隔离单元；

所述的隔离供电单元，用于对所述信号转换单元提供隔离供电电源；

所述的信号隔离单元；用于对所述信号转换单元的输出进行信号隔离。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锂离子电池组串联了多个并联锂离子电池单元，所述并联锂离子电池单元由多个锂离子电池单体并联构成。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的信号滤波单元，用于包括预设数量的滤波电路，所述滤波电路并联于各个并联锂离子电池单元两端，过滤掉并联锂离子电池单元的正常信号、保留并联锂离子电池单元的电压信号中由于瞬时内短路引起的故障信号。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的信号转换单元包括预设数量的电压比较器电路，电压比较器电路利用预设阈值对滤波电路的输出进行鉴幅比较，并将故障信号从模拟信号转换为数字信号。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述隔离供电电路用于给电压比较器电路提供隔离供电电源；

所述信号隔离单元包括预设数量的信号隔离电路，信号隔离电路用于对电压比较器电路的输出进行信号隔离。

7.一种锂离子电池瞬时内短路检测方法，其特征在于，适用于权利要求1至6任一项所述的装置，所述方法包括：

对锂离子电池组的电压信号进行滤波处理，得到锂离子电池的电压信号中由于瞬时内短路引起的故障信号；

将锂离子电池的高速突变的故障信号由模拟信号转换为数字信号；

对数字故障信号的产生进行实时检测，通过对数字故障信号的产生进行实时检测，即可判定锂离子电池是否发生内短路。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

将滤波电路并联于各个并联锂离子电池单元两端，通过滤波电路过滤掉并联锂离子电池单元的正常信号、保留并联锂离子电池单元的电压信号中由于瞬时内短路引起的故障信号；

通过电压比较器电路利用预设阈值对滤波电路输出的故障信号进行鉴幅比较，并将故障信号从模拟信号转换为数字信号；

通过信号隔离电路对电压比较器电路的输出进行信号隔离；

通过信号检测单元对信号隔离电路的输出进行实时检测，当检测到某一信号隔离电路的输出反转后，则判定对应的并联锂离子电池单元中的某一个锂离子电池单体发生了瞬时内短路。

Images