CN114236416A - 一种电池组健康状况监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池组健康状况监测装置，包括电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置和总控单元，相比于现有技术，本发明装置利用霍尔电流传感器构建电流采集装置，并通过电压采集装置、温度采集装置和总控单元，使得用户能够在不拆解电池组结构、不断开电池组接线的情况下实时采集电流、电压、温度等电池组参数，进而获取电池组的健康状况和寿命信息，并能在电池组健康状况异常时主动预警，以提醒用户及时检修或更换电池组，极大地消除了电池组对用户生命财产安全造成的隐患。

Description

一种电池组健康状况监测装置

技术领域

本发明属于电池组检测领域，具体涉及一种电池组健康状况监测装置。

背景技术

随着环保意识的增强与清洁能源的推行，电池组作为电动自行车与电动汽车的动力来源得到广泛使用。然而，由于长期使用或不规范使用，电池组存在自燃、爆炸等风险，为使用者的人身及财产安全带来隐患，因此有必要对使用中电池组的健康状况进行监测，以及时进行风险预警。

现有技术中对电池组的检测主要有两种形式，一种是出厂前或安装完成前在电池组中装入电流、电压等传感器采集相关数据，据此判断电池组的健康状况；另一种则是简单根据电池组充满电时的电压、放电后的电压以及充放电次数判断电池组的健康状况。前者的不足在于用户无法直接获取各传感器的监测数据，若电池厂家不提供电池健康状况监测信息或电池寿命信息，则用户无法得知；若想通过第三方获取相关信息则需要在电池组正负极出线上加装电流电压等传感器，这样却可能影响车辆保修、增加安全隐患。后者的不足在于获取的电池组健康状况或寿命信息并不准确，电池组的寿命确实与充满电时的电压、放电后的电压以及充放电次数相关，但具体关系却无从得知，且这种方法无法实时获取电池组的健康状况。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种电池组健康状况监测装置，用户通过该装置能够在不拆解电池组结构、不断开电池组接线的情况下实时采集电流、电压、温度等电池组参数，进而获取电池组的健康状况和寿命信息。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电池组健康状况监测装置，包括电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置和总控单元，

所述电流采集装置包括霍尔电流传感器、电流采集控制模块和电流通讯模块，电流通讯模块用于从总控单元接收控制指令，电流采集控制模块根据控制指令控制霍尔电流传感器采集电池组出线电流形成的磁场强度，磁场强度经电流采集控制模块换算为电流值并贴上时间标签后通过电流通讯模块发送给总控单元；

所述电压采集装置包括正极接线柱、负极接线柱、熔丝、电压传感器、电压采集控制模块和电压通讯模块，正极接线柱、熔丝、电压传感器和负极接线柱依次串联，正极接线柱、负极接线柱分别通过导线与电池组的正负极连接，电压通讯模块用于从总控单元接收控制指令，电压采集控制模块根据控制指令控制电压传感器采集电池组正负极间的电压值，并将所得电压值贴上时间标签后通过电压通讯模块发送给总控单元；

所述温度采集装置包括温度传感器、温度采集控制模块和温度通讯模块，温度通讯模块用于从总控单元接收控制指令，温度采集控制模块根据控制指令控制温度传感器采集电池组的表面温度，并将所得温度值贴上时间标签后通过温度通讯模块发送给总控单元；

所述总控单元包括通讯模块、存储模块、显示模块、数据分析模块、设置模块和若干控制按钮，通过控制按钮和设置模块设定采集参数并生成控制指令，控制指令通过通讯模块同时发送给电流采集装置、电压采集装置和温度采集装置，存储模块用于存储通讯模块接收到的各时刻的电流值、电压值和温度值以及电池组属性参数，数据分析模块根据采集到的电流值、电压值、温度值以及电池组属性参数获取电池组寿命信息和健康状况信息，通过显示模块显示并在电池组健康状况异常时进行预警。

进一步地，所述霍尔电流传感器、电流采集控制模块和电流通讯模块均封装在磁屏蔽盒内，磁屏蔽盒包括扣合在一起的上盖和下盖，扣合时上盖和下盖之间形成一个允许电池组出线电缆通过的通孔，通孔内侧不具备磁屏蔽特性，且霍尔电流传感器与通孔邻近。

进一步地，所述电流采集装置还包括供电模块，该供电模块包括电磁感应线圈、整流器和电池，用于为电流采集装置中的各模块供电；电磁感应线圈缠绕在电池组出线电缆上，通过电磁感应产生感应电流，感应电流经整流器整流后为电池充电。

进一步地，所述温度采集装置还包括供电模块，该供电模块包括贯穿温度采集装置的风道、叶片、微型发电机和电池，温度采集装置通过导热胶固定在电池组表面，并使得风道方向与车辆行驶方向保持一致，车辆移动时，气流通过风道带动风道内的叶片转动，进而带动微型发电机发电为电池充电。

进一步地，所述总控单元将获取到的电池组寿命信息和健康状况信息通过通讯模块上传到移动端APP，并在电池组健康状况异常时通过移动端APP进行预警。

进一步地，所述总控单元的控制指令包括时间同步指令和采集时间间隔，时间同步指令用于同步电流采集装置、电压采集装置和温度采集装置的时钟，各采集装置采集到的不同时刻的监测值通过平滑算法平滑后得到的结果作为对应时刻的监测值。

进一步地，所述总控单元的存储模块中存储的电池组属性参数包括电池组寿命与电池组剩余电量和电池组内阻的关系曲线，总控单元与车辆的电量检测模块通讯以获取电池组剩余电量，数据分析模块根据采集到的电压值、电流值计算电池组内阻，通过获取到的电池组剩余电量、电池组内阻及电池组寿命与电池组剩余电量和电池组内阻的关系曲线，得到电池组的实时寿命值。

进一步地，所述电池组的内阻的通过求解以下方程组得到：

其中，I_t、I_t+Δt分别表示t时刻和t+Δt时刻电池组的电流值，U_t、U_t+Δt分别表示t时刻和t+Δt时刻电池组的电压值，x、r分别作为t时刻电池组的空载电压值和内阻。

进一步地，所述总控单元的数据分析模块通过电池组的寿命变化和温度变化判断其健康状况，具体包括：

计算三个连续时间段的寿命损耗速度Δq₁、Δq₂、Δq₃，寿命损耗速度等于时间段内的寿命减少值与时间段内电池组输出能量的比值，时间段内的寿命减少值等于该时间段结束时刻与起始时刻电池组寿命的差值，时间段内电池组输出能量根据该时间段内各时刻的电压值与电流值计算得到，若

则表示电池组健康状况异常，s为寿命阈值；

计算每个时间段内电池组的单位能量输出温升ΔE，若某时间段内电池组输出能量为w时的ΔE与温升曲线上对应点的单位能量输出温升值的偏差大于温升阈值，则表示电池组健康状况异常；所述温升曲线为通过实验获取或厂家提供的同型号电池组的属性参数，反映了正常电池组某时间段内输出能量与该时间段内单位能量输出温升值的对应关系，温升曲线存储于总控单元的存储模块中；

所述某时间段的单位能量输出温升ΔE的计算公式为：

T₁、T₂分别表示该时间段结束时刻与起始时刻的电池组温度值，t₁、t₂分别表示该时间段结束时刻与起始时刻的车辆外部温度值，外部温度值通过设置在车辆外部的温度传感器获取并实时传送给总控单元。

本发明的有益效果是：本发明装置利用霍尔电流传感器构建电流采集装置，并通过电压采集装置、温度采集装置和总控单元，使得用户能够在不拆解电池组结构、不断开电池组接线的情况下实时采集电流、电压、温度等电池组参数，进而获取电池组的健康状况和寿命信息，并能在电池组健康状况异常时主动预警，以提醒用户及时检修或更换电池组，极大地消除了电池组对用户生命财产安全造成的隐患。

附图说明

图1为电流采集装置的使用示意图；

图2为电流采集装置的结构示意图；

图3为电压采集装置、温度采集装置的使用示意图；

图4为温度采集装置的结构示意图；

图5为电压采集装置的结构示意图；

图6为总控单元的结构示意图；

图7为时间同步示意图；

图8为数据平滑示意图；

图9为获取同时刻监测值的示意图；

图10为电池组寿命与电池组剩余电量和电池组内阻的关系曲线图；

图11为电池组的空载电压与剩余电量的关系曲线图；

图12为温升曲线示意图；

其中，1-电池组出线电缆，2-电流采集装置，3-屏蔽盒外壳剖面，4-电池组出线电缆剖面，5-霍尔电流传感器，6-电流采集控制模块，7-电流采集装置上盖，8-电流采集装置下盖，9-上盖与下盖扣合时形成的通孔，10-电流通讯模块，11-温度采集装置，12-风道，13-微型发电机叶片，14-温度传感器，15-温度采集控制模块，16-温度通讯模块，17-正极出线电缆，18-负极出线电缆，19-进风口，20-出风口，21-电压采集装置，22-熔丝，23-电压传感器，24-电压采集控制模块，25-正极接线柱，26-负极接线柱，27-电压通讯模块，28-总控单元，29-控制按钮A，30-控制按钮B，31-控制按钮C，32-显示器。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明提出一种电池组健康状况监测装置，主要包括电流采集装置2、电压采集装置21、温度采集装置11和总控单元28。

如图1～2所示，电流采集装置2包括霍尔电流传感器5、电流采集控制模块6和电流通讯模块10，电流通讯模块10用于从总控单元28接收控制指令，电流采集控制模块6根据控制指令控制霍尔电流传感器5采集电池组出线电流形成的磁场强度，磁场强度经电流采集控制模块6换算为电流值并贴上时间标签后通过电流通讯模块10发送给总控单元28。

霍尔电流传感器5、电流采集控制模块6和电流通讯模块10均封装在一个磁屏蔽盒内，磁屏蔽盒由扣合在一起的上盖和下盖组成，扣合时上盖和下盖之间形成一个允许电池组出线电缆1通过的通孔，通孔内侧不具备磁屏蔽特性，且霍尔电流传感器5与通孔邻近。

电流采集装置2还包括供电模块，该供电模块包括电磁感应线圈、整流器和电池，电磁感应线圈缠绕在电池组出线电缆1上，通过电磁感应产生感应电流，感应电流经整流器整流后为电池充电。

如图3～5所示，电压采集装置21直接接于电池组正负极上，温度采集装置11则通过导热胶粘贴于电池组表面。具体来说，温度采集装置11主要包括温度传感器14、温度采集控制模块15和温度通讯模块16，温度通讯模块16用于从总控单元28接收控制指令，温度采集控制模块15根据控制指令控制温度传感器14采集电池组的表面温度，并将所得温度值贴上时间标签后通过温度通讯模块16发送给总控单元28。电压采集装置21包括正极接线柱25、负极接线柱26、熔丝22、电压传感器23、电压采集控制模块24和电压通讯模块27，正极接线柱25、熔丝22、电压传感器23和负极接线柱26依次串联，正极接线柱25、负极接线柱26分别通过导线与电池组的正负极连接，电压通讯模块27用于从总控单元28接收控制指令，电压采集控制模块24根据控制指令控制电压传感器23采集电池组正负极间的电压值，并将所得电压值贴上时间标签后通过电压通讯模块27发送给总控单元28。

温度采集装置11还包括一个贯穿温度采集装置的风道12，风道12中装有叶片，车辆行驶时气流从风道12中流过，带动叶片旋转，进而带动微型发电机发电为装置中的蓄电池充电，从而为整个温度采集装置11供电，需要注意的是，温度采集装置11安装时，需要使风道12方向与车辆行驶的方向保持一致。当然也可以将温度采集装置11通过导线与电压采集装置21连接，以统一供电。

如图6所示，总控单元28包括通讯模块、存储模块、数据分析模块、设置模块和若干控制按钮，通过控制按钮和设置模块设定采集参数并生成控制指令，控制指令通过通讯模块同时发送给电流采集装置2、电压采集装置21和温度采集装置11，存储模块用于存储通讯模块接收到的各时刻的电流值、电压值和温度值以及电池组属性参数，数据分析模块根据采集到的电流值、电压值、温度值以及电池组属性参数获取电池组寿命信息和健康状况信息，并在电池组健康状况异常时进行预警。

由于电流、电压、温度是通过三个相互独立的装置获取的，为采集同一时刻电池组的各种数据，总控单元需要向各个采集装置发出时间同步指令，如图7所示，t0时刻主控单元向各个采集装置发出时间同步指令，开始与各个采集装置对时，t1时刻对时完成的同时，主控装置向各个采集装置指定时间t2，在t2时刻开始每隔Δt时间采集一次数据发送至主控单元，Δt为主控单元指定或设置为固定值，一次同步采集的采集次数亦由主控单元设定或为固定值。以电流为例，发送的数据包含以下内容：

数据类型：电流；

数据值：20A；

数据时间：1639748388876(时间戳，其他时间格式亦可)

如果电池组的负载是逆变装置等pwm设备，电流电压跳变会比较厉害，需要先处理采集的电流电压数据，将离散的数据通过平滑处理可以在时间坐标轴上得到一个平滑的曲线，读取同一时刻的电流电压曲线上的值作为对应时刻的监测值，如图8～9所示。图8是以卡尔曼滤波处理的的电压数据为例的处理结果(以卡尔曼滤波为例，其他处理算法亦可)，离散的数据点位变为一条相对平滑的曲线。

电池寿命的获取：

总控单元的存储模块中存储的电池组属性参数包括电池组寿命与电池组剩余电量和电池组内阻的关系曲线，总控单元与车辆的电量检测模块通讯以获取电池组剩余电量，数据分析模块根据采集到的电压值、电流值计算电池组内阻，通过获取到的电池组剩余电量、电池组内阻及电池组寿命与电池组剩余电量和电池组内阻的关系曲线，得到电池组的实时寿命值。

电池组寿命与电池组剩余电量和电池组内阻的关系曲线由电池组生产厂家提供，或由同型号电池组经实验获得，本实施例中采用实验获取的某型号铅蓄电池的实验数据，图10为该种电池的实验数据曲线，该曲线预存于主控单元中。图10曲线只画出电量100％、80％、60％、40％电量的曲线，其他电量的曲线略去。根据剩余电量及内阻测量数据，代入图10曲线，即可获得当前电池寿命情况。

电池组剩余电量可通过总控单元与车辆的电量检测模块通讯获取，也可利用电池组的空载电压与剩余电量的关系曲线获取，如图11所示，该关系曲线可预存与主控单元的存储模块中。电池组的内阻和空载电压可通过求解以下方程组得到：

其中，I_t、I_t+Δt分别表示t时刻和t+Δt时刻电池组的电流值，U_t、U_t+Δt分别表示t时刻和t+Δt时刻电池组的电压值，x、r分别作为t时刻电池组的空载电压值和内阻。

电池组健康状况的评估：

总控单元的数据分析模块通过电池组的寿命变化和温度变化判断其健康状况，具体为：

计算三个连续时间段的寿命损耗速度Δq₁、Δq₂、Δq₃，寿命损耗速度等于时间段内的寿命减少值与时间段内电池组输出能量的比值，某时间段内的寿命减少值等于该时间段结束时刻与起始时刻电池组寿命的差值，时间段内电池组输出能量根据该时间段内各时刻的电压值与电流值计算得到，若

则表示电池组健康状况异常，s为寿命阈值，铅蓄电池取10％，实际中根据电池种类参数有变化；

计算每个时间段内电池组的单位能量输出温升ΔE，若某时间段内电池组输出能量为w时的ΔE与温升曲线上对应点的单位能量输出温升值的偏差大于温升阈值(铅蓄电池取5％，取决于电池组类型)，则表示电池组健康状况异常；所述温升曲线为通过实验获取或厂家提供的同型号电池组的属性参数，反映了正常电池组某时间段内输出能量与该时间段内单位能量输出温升值的对应关系，如图12所示，温升曲线存储于总控单元的存储模块中；

所述某时间段的单位能量输出温升ΔE的计算公式为：

T₁、T₂分别表示该时间段结束时刻与起始时刻的电池组温度值，t₁、t₂分别表示该时间段结束时刻与起始时刻的车辆外部温度值，外部温度值通过设置在车辆外部的温度传感器获取并实时传送给总控单元。

主控单元上可以带有显示器，显示实时数据、历史数据、统计数据等，并展示计算出的使用寿命、内阻、空载电压等数据，当电池健康监测发现异常时显示告警，并可以发出告警音。主控单元还可以通过通讯模块连接手机蓝牙或wifi，或直接通过无线网卡等设备接入移动网络，用户通过APP查看实时数据、历史数据、统计数据等，并展示计算出的使用寿命、内阻、电压等数据；当电池健康监测发现异常时，手机发出告警通知。通过无线网卡接入网络的情况下，用户可以在任意位置查看以上监测数据。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电池组健康状况监测装置，其特征在于，包括电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置和总控单元，

所述电流采集装置包括霍尔电流传感器、电流采集控制模块和电流通讯模块，电流通讯模块用于从总控单元接收控制指令，电流采集控制模块根据控制指令控制霍尔电流传感器采集电池组出线电流形成的磁场强度，磁场强度经电流采集控制模块换算为电流值并贴上时间标签后通过电流通讯模块发送给总控单元；

所述电压采集装置包括正极接线柱、负极接线柱、熔丝、电压传感器、电压采集控制模块和电压通讯模块，正极接线柱、熔丝、电压传感器和负极接线柱依次串联，正极接线柱、负极接线柱分别通过导线与电池组的正负极连接，电压通讯模块用于从总控单元接收控制指令，电压采集控制模块根据控制指令控制电压传感器采集电池组正负极间的电压值，并将所得电压值贴上时间标签后通过电压通讯模块发送给总控单元；

所述温度采集装置包括温度传感器、温度采集控制模块和温度通讯模块，温度通讯模块用于从总控单元接收控制指令，温度采集控制模块根据控制指令控制温度传感器采集电池组的表面温度，并将所得温度值贴上时间标签后通过温度通讯模块发送给总控单元；

所述总控单元包括通讯模块、存储模块、显示模块、数据分析模块、设置模块和若干控制按钮，通过控制按钮和设置模块设定采集参数并生成控制指令，控制指令通过通讯模块同时发送给电流采集装置、电压采集装置和温度采集装置，存储模块用于存储通讯模块接收到的各时刻的电流值、电压值和温度值以及电池组属性参数，数据分析模块根据采集到的电流值、电压值、温度值以及电池组属性参数获取电池组寿命信息和健康状况信息，通过显示模块显示并在电池组健康状况异常时进行预警。

2.如权利要求1所述的一种电池组健康状况监测装置，其特征在于，所述霍尔电流传感器、电流采集控制模块和电流通讯模块均封装在磁屏蔽盒内，磁屏蔽盒包括扣合在一起的上盖和下盖，扣合时上盖和下盖之间形成一个允许电池组出线电缆通过的通孔，通孔内侧不具备磁屏蔽特性，且霍尔电流传感器与通孔邻近。

3.如权利要求1所述的一种电池组健康状况监测装置，其特征在于，所述电流采集装置还包括供电模块，该供电模块包括电磁感应线圈、整流器和电池，用于为电流采集装置中的各模块供电；电磁感应线圈缠绕在电池组出线电缆上，通过电磁感应产生感应电流，感应电流经整流器整流后为电池充电。

4.如权利要求1所述的一种电池组健康状况监测装置，其特征在于，所述温度采集装置还包括供电模块，该供电模块包括贯穿温度采集装置的风道、叶片、微型发电机和电池，温度采集装置通过导热胶固定在电池组表面，并使得风道方向与车辆行驶方向保持一致，车辆移动时，气流通过风道带动风道内的叶片转动，进而带动微型发电机发电为电池充电。

5.如权利要求1所述的一种电池组健康状况监测装置，其特征在于，所述总控单元将获取到的电池组寿命信息和健康状况信息通过通讯模块上传到移动端APP，并在电池组健康状况异常时通过移动端APP进行预警。

6.如权利要求1所述的一种电池组健康状况监测装置，其特征在于，所述总控单元的控制指令包括时间同步指令和采集时间间隔，时间同步指令用于同步电流采集装置、电压采集装置和温度采集装置的时钟，各采集装置采集到的不同时刻的监测值通过平滑算法平滑后得到的结果作为对应时刻的监测值。

7.如权利要求1所述的一种电池组健康状况监测装置，其特征在于，所述总控单元的存储模块中存储的电池组属性参数包括电池组寿命与电池组剩余电量和电池组内阻的关系曲线，总控单元与车辆的电量检测模块通讯以获取电池组剩余电量，数据分析模块根据采集到的电压值、电流值计算电池组内阻，通过获取到的电池组剩余电量、电池组内阻及电池组寿命与电池组剩余电量和电池组内阻的关系曲线，得到电池组的实时寿命值。

8.如权利要求7所述的一种电池组健康状况监测装置，其特征在于，所述电池组的内阻的通过求解以下方程组得到：

其中，I_t、I_t+Δt分别表示t时刻和t+Δt时刻电池组的电流值，U_t、U_t+Δt分别表示t时刻和t+Δt时刻电池组的电压值，x、r分别作为t时刻电池组的空载电压值和内阻。

9.如权利要求7所述的一种电池组健康状况监测装置，其特征在于，所述总控单元的数据分析模块通过电池组的寿命变化和温度变化判断其健康状况，具体包括：

计算三个连续时间段的寿命损耗速度Δq₁、Δq₂、Δq₃，寿命损耗速度等于时间段内的寿命减少值与时间段内电池组输出能量的比值，时间段内的寿命减少值等于该时间段结束时刻与起始时刻电池组寿命的差值，时间段内电池组输出能量根据该时间段内各时刻的电压值与电流值计算得到，若

则表示电池组健康状况异常，s为寿命阈值；

计算每个时间段内电池组的单位能量输出温升ΔE，若某时间段内电池组输出能量为w时的ΔE与温升曲线上对应点的单位能量输出温升值的偏差大于温升阈值，则表示电池组健康状况异常；所述温升曲线为通过实验获取或厂家提供的同型号电池组的属性参数，反映了正常电池组某时间段内输出能量与该时间段内单位能量输出温升值的对应关系，温升曲线存储于总控单元的存储模块中；

所述某时间段的单位能量输出温升ΔE的计算公式为：

T₁、T₂分别表示该时间段结束时刻与起始时刻的电池组温度值，t₁、t₂分别表示该时间段结束时刻与起始时刻的车辆外部温度值，外部温度值通过设置在车辆外部的温度传感器获取并实时传送给总控单元。

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