CN114006064A - 一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统，属于电动自行车电池技术领域。该系统设置于电动自行车锂电池的电池箱内，包括FPGA芯片、数据存储器、电池保护开关、四个设置于电动自行车锂电池的电池组内的NTC温度传感器、置于电池箱表面的环境温度传感器、置于电池箱表面的报警器；FPGA芯片包括模式识别模块、存储读取模块、边界设置模块、温度比较模块、温度转换模块、温度采集模块、报警控制模块和电源控制模块。该系统基于FPGA芯片的信息高速传输处理能力，控制多个温度传感器周期性采集环境温度及电动自行车电池内部温度，通过多模块协同信息分析处理，实时监控不同环境下的电池温度变化，并就采集到的异常情况加以断电报警。

Description

一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统

技术领域

本发明涉及一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统，属于电动自行车电池技术领域。

背景技术

进入21世纪，人民生活水平日益提升，电动自行车作为一种便捷而环保的交通工具备受青睐。然而电动自行车领域高速发展为人们生活带来巨大便利的同时也带来了诸多困扰，首当其冲的便是电动自行车的燃爆安全隐患。据相关部门统计，90%以上的电动自行车燃爆源于高温引起的电池性能改变，进而引发火灾，严重影响人民群众的生命财产安全。电池是电动自行车的核心供能单元，一直以来都是相关领域研究的热点。从二十世纪末盛行的铅酸电池、铁镍电池，到今天开发者所大力推崇的高效锂离子电池，电动自行车动能供给领域的研究已取得了巨大成就。但研究者在电动自行车电池研究中往往过于推崇电池的蓄电材料及质量体积，忽略了电池在高温环境中工作时内部温度骤变带来的火灾安全隐患。

驾驶员在驾驶电动自行车时位于驾驶座位置，难以及时发现电池发热等问题。在驾电动自行车驶或充电过程中，电池发生故障或车体碰撞将导致升温发热，而电池密封于电动车狭小的内部空间不利于热量消散，极易引发火灾。

从现有的电池温度监控管理技术来看，动力电池往往依靠BMS（BatteryManagement system，电池管理系统）包含的BTMS（Battery Thermal Management system，电池热管理系统）实现温度采集与实时监控，根据采集温度与最高温度差进行故障报警。然而，BMS系统结构复杂且投运成本高昂，高昂的造价限制了其在动力电池领域的广泛应用，现阶段BMS多用于电动汽车产业，且BMS结构复杂，功耗较大，大部分功能并不是电动自行车所必须的。其次，由于BMS统筹管理动力电池包含的所有全部功能模块，如测量功能、核心算法、应用功能等，对功能全面性的追求使其降低了单一功能的性能，如BTMS温度管理系统温度采集和传输较为滞后，策略时间长，以至于高温报警存在延误，影响风险报警的时效性。此外，BMS系统只能设定单一电池监控温度（各采集点温度上限相同），而动力电池在运行时电池包各层面温度差异明显，进而影响了电池温度监控测量的准确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统，该系统设置于所述电动自行车锂电池的电池箱内，包括FPGA芯片、数据存储器、电池保护开关、四个设置于所述电动自行车锂电池的电池组内的NTC温度传感器、置于电池箱表面的环境温度传感器、置于电池箱表面的温度监控系统报警器；

所述FPGA芯片包括模式识别模块、存储读取模块、边界设置模块、温度比较模块、温度转换模块、温度采集模块、报警控制模块和电源控制模块；

所述模式识别模块读取电动自行车锂电池状态指示器的能量数据；

所述边界设置模块用于处理临界温度数据，并将处理后的数据送至温度比较模块；

所述温度比较模块用于对实时采集温度与临界进行温度比较；

所述温度转换模块用于处理实时温度数据，并将处理后的数据送至温度比较模块；

所述温度采集模块用于读取环境温度传感器的数据和NTC温度传感器的实时数据；

所述报警控制模块用于驱动所述温度监控系统报警器；

所述电源控制模块用于控制电池保护开关，应急情况及时断电。

本发明的有益效果是：该系统基于FPGA芯片的信息高速传输处理能力，控制多个温度传感器周期性采集环境温度及电动自行车电池内部温度，通过多模块协同信息分析处理，实时监控不同环境温度下的电池实时温度变化，并就采集到的异常情况加以断电报警。避免了由电池温度监控缺陷导致的电动自行车驾驶及充电过程温度异常导致的安全隐患，提升安全性。

附图说明

图1是本发明是实施例的一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统的原理框图。

图2是本发明是实施例的一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统的温度传感器测量点位布置图。

图3是本发明是实施例的一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统的运行流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统，如图1所示，该系统装置于所述电动自行车锂电池的电池箱内，包括FPGA芯片、数据存储器、电池保护开关、四个设置于所述电动自行车锂电池的电池组内的NTC温度传感器、置于电池箱表面的环境温度传感器、置于电池箱表面的温度监控系统报警器；

所述FPGA芯片包括模式识别模块、存储读取模块、边界设置模块、温度比较模块、温度转换模块、温度采集模块、报警控制模块和电源控制模块；

所述模式识别模块读取所述电动自行车锂电池状态指示器的能量数据；

所述边界设置模块用于处理和读取临界温度数据，并将处理后的数据送至温度比较模块；

所述温度比较模块用于将各温度传感器采集的温度与临界温度进行比较；

所述温度转换模块用于处理实时温度数据，并将处理后的数据送至温度比较模块；

所述温度采集模块用于读取环境温度传感器的数据和NTC温度传感器的数据；

所述报警控制模块用于驱动所述温度监控系统报警器；

所述电源控制模块用于打开电池保护开关，应急情况及时断电。

本实施例选取硬件设备如下：选取Altera公司生产的Cyclone4系列FPGA芯片，该芯片频率50MHz，传输波特率设置为9600kb/s；选取四个10K NTC温度传感器作为电池组内部温度采集传感器，选取一个DS18B20温度传感器作为环境温度采集传感器；选取8GB TF内存卡作为温度数据存储器。

本实施例的各温度传感器具体安装点位布置如附图2所示，图中A1,A2,A3,A4为四个NTC温度传感器；B1为环境温度传感器。

该温度监控系统的最高工作频率跟FPGA芯片频率相同，若FPGA芯片工作频率为f，则系统采样最小周期T的数值为1/ f。但在实际工程应用中，需求的采样周期往往较大，则实际采样周期可通过编码设置为最小周期T的n倍（n为正整数）。

本实施例的具体监控流程如附图3所示。

假设当前电动自行车处于正常驾驶过程，FPGA芯片模式识别模块自动从电池状态指示端口读取能量数据，确定该锂电池此刻正处于放电状态，随后模式识别模块将该状态信号发送至存储读取模块；

存储读取信号收到电池放电状态后，从温度采集信号读取DS18B20环境温度传感器采集的环境温度信息，并判断该温度信息所属的温度区间；根据当前环境温度区间序列，在数据存储器对应位置读取该区间对应四个温度采集点位的电池故障临界温度值Tmax1、Tmax2、Tmax3、Tmax4（共包含四个临界温度，分别对应于电池组内的四个温度采集点A1、A2、A3、A4），随后将读取的四组临界温度值依次发送至边界设置模块。

边界设置模块在收到临界温度数据后，需对数据进行处理。将温度数据转换为四组十六位二进制并行数据，并将转换的四组十六位数据依序设定为各温度采集点温度比较边界。随后，四组边界温度数据被发送至温度比较模块的四个FPGA芯片临时寄存器R1、R2、R3、R4，用于后续的温度比较进程。

与存储读取模块读取电池故障临界温度值这一阶段同时进行的，是温度采集模块对温度采集点四个NTC温度传感器的温度数据采集过程，温度采集模块依次读取电动自行车电池组内部嵌入的温度传感器采集的电芯实时温度数据T1、T2、T3、T4，并分别将读取的四组十六位二进制穿行数据依序发送至温度转换模块。

温度转换模块收到实时温度数据后，将采集到的四组十六位二进制温度数据（T1、T2、T3、T4）进行串并转换，并将转换结果即四组十六位二进制并行实时温度数据依次传送至温度比较模块。

温度比较模块在接收到电芯实时温度数据后，依次将四组实时温度数据（T1、T2、T3、T4）与四个临时寄存器R1、R2、R3、R4寄存的温度采集点临界温度数据（Tmax1、Tmax2、Tmax3、Tmax4）进行比较。若T1、T2、T3、T4中所有温度数据值均小于对应临时寄存器中存储的临界温度数据值（Tmax1、Tmax2、Tmax3、Tmax4），则温度比较模块向模式识别模块发送信号，温度监控系统重新开始新一轮温度采集监控流程。

若T1、T2、T3、T4中某个温度数据值大于对应临时寄存器中存储的临界温度数据值（Tmax1、Tmax2、Tmax3、Tmax4），则温度比较模块向温度采集模块发送重新采样信号。重新采集的四个NTC温度传感器温度数据T1、T2、T3、T4需再次依序经过转换处理，并由温度比较模块进行二次比较，若四个传感器重新采集的某个温度数据值依旧高于四个临时寄存器R1、R2、R3、R4寄存的温度采集点临界温度，则温度比较模块即刻向报警控制模块和电源控制模块发送电池故障信号；报警控制模块驱动温度监控系统报警器报警，电源控制模块及时打开电池保护开关，终止该电池一切放电工作，电动自行车断电。

假设当前电动自行车处于充电过程，FPGA芯片模式识别模块自动从电池状态指示端读取能量数据，确定该锂电池此刻正处于充电状态，随后模式识别模块将该状态信号发送至存储读取模块；

存储读取信号收到电池充电状态后，无需接收DS18B20环境温度传感器采集的环境温度，直接从数据存储器相应位置读取该区间对应的电池故障临界温度值Tmax1、Tmax2、Tmax3、Tmax4（共包含四个临界温度，分别对应于电池组内的四个温度采集点A1、A2、A3、A4），随后将读取的四组临界温度值依次发送至边界设置模块。

边界设置模块在收到临界温度数据后，分别将临界温度数据转换为四组十六位二进制并行数据，并将转换的四组十六位数据依序设定为各温度采集点温度比较边界。随后，四组边界温度数据被发送至温度比较模块的四个临时寄存器（R1、R2、R3、R4），用于后续的温度比较进程。

与存储读取模块读取电池故障临界温度值这一进程同时进行的，是温度采集模块对温度采集点四个NTC温度传感器的温度数据采集过程，温度采集模块依次读取电动自行车电池组内部嵌入的温度传感器采集的电芯实时温度数据T1、T2、T3、T4，并分别将读取的四组十六位二进制串行数据依序发送至温度转换模块。

温度转换模块收到实时温度数据后，将采集到的四组十六位二进制温度数据（T1、T2、T3、T4）进行串并转换，并将转换结果（即四组并行实时温度数据）依次传送至温度比较模块。

随后，温度比较模块依次将接收收到的四组实时温度数据（T1、T2、T3、T4）与四个临时寄存器（R1、R2、R3、R4）寄存的温度采集点临界温度数据进行比较。若T1、T2、T3、T4中所有温度数据值均小于对应临时寄存器中存储的临界温度数据值（Tmax1、Tmax2、Tmax3、Tmax4），则温度比较模块向模式识别模块发送信号，温度监控系统重新开始新一轮温度采集监控流程。

若T1、T2、T3、T4中某个温度数据值大于对应临时寄存器中存储的临界温度数据值（Tmax1、Tmax2、Tmax3、Tmax4），则温度比较模块向温度采集模块发送重新采样信号。重新采集的四个NTC温度传感器温度数据T1、T2、T3、T4需再次依序经过转换处理，并由温度比较模块进行二次比较，若四个传感器重新采集的某个温度数据值依旧高于四个临时寄存器（R1、R2、R3、R4）寄存的温度采集点临界温度，则温度比较模块随即刻向报警控制模块和电源控制模块发送信号；报警控制模块驱动温度监控系统报警器报警，电源控制模块及时打开电池保护开关，终止一切电动自行车电池充电进程。

本发明采用的FPGA芯片信号采集和传输速率更高，信号采集和传输时延仅为传统嵌入式方式的十分之一，采样周期低至微秒级别，该温度监控系统能够及时监控并上报风险，保证温度监控的时效性。值得注意的是，在不同的环境温度下，电池组内部各温度采集点位故障临界温度亦不相同；本发明温度监控系统根据实时环境温度数据的高低来选取各温度采集点位故障临界温度，并根据实际温度情况设置最精确的温度上限，摒弃了传统温度监控方式单一数值温度上限监控方式，监控效果更为准确。此外，该温度监控系统结构也更为简单实用，无需与其他电池管理单元联合运行，运行功耗低，通用性强，适用于现阶段市场所有型号电动自行车锂电池。现阶段动力电池管理系统KMS成本高昂，多用于电动汽车电池管理。而本系统设计的温度监控系统应用的电子元器件简单，价格低廉，经济性更优，更适用于当前电动自行车行业。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控系统，该系统设置于所述电动自行车锂电池的电池箱内，其特征在于：包括FPGA芯片、数据存储器、电池保护开关、四个设置于所述电动自行车锂电池的电池组内的NTC温度传感器、置于电池箱表面的环境温度传感器、置于电池箱表面的温度监控系统报警器；

所述FPGA芯片包括模式识别模块、存储读取模块、边界设置模块、温度比较模块、温度转换模块、温度采集模块、报警控制模块和电源控制模块；

所述模式识别模块读取所述电动自行车锂电池的电池状态指示器的能量数据；

所述边界设置模块用于处理临界温度数据，并将处理后的数据送至温度比较模块；

所述温度比较模块用于对实时采集温度与临界温度进行比较；

所述温度转换模块用于处理实时温度数据，并将处理转换后的数据送至温度比较模块；

所述温度采集模块用于读取环境温度传感器的数据和NTC温度传感器的实时数据；

所述报警控制模块用于驱动所述温度监控系统报警器；

所述电源控制模块用于打开/闭合电池保护开关。

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