CN117445757B - 一种基于能量测量技术的锂电池容量管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于能量测量技术的锂电池容量管理系统及方法，系统包括锂电池组BATs、电池管理系统BMS、DCDC 12V电源、主控模块MAIN、双向分流器RS、接触器KM1和KM2、继电器J1、自复位启动开关ST；其在锂电池组的充放电母线上设计双向分流器RS，获取电动车的行驶能耗及充电容量，然后在主控模块MAIN的软件算法下，获得精准的防爆锂电池容量参数，避免锂电池因复杂工况导致电池管理系统的SOC估算误差过大的情况，保障防爆电动车的行驶安全。同时主控模块MAIN还可依据测量值不断修正防爆锂电池SOC值估算，从而实现防爆锂电池的容量校准及容量自学习功能，进而改善防爆锂电池组SOC估算性能高。
Description
技术领域
本发明涉及储能电池技术领域，具体涉及一种基于能量测量技术的锂电池容量管理系统及方法。
背景技术
在各类工商用户储能系统中，因峰谷平用电工况复杂，锂电池组作为储能系统的关键能量存储单元，经常处于充不饱放不净的工作状态，长时间运行，必然使得锂电池组的SOC估算精度难以控制，进而使得锂电池组的容量管理面临较大的困难，影响了储能系统的的正常运行。尤其是对于电动汽车的动力锂电池组，驾驶人员为保证充足的续航能力，经常在防爆锂电池的SOC较高时就不断补电，这种频繁充电的用车行为，使得防爆锂电池的SOC估算得不到低电量校准的机会，从而进一步加大了防爆锂电池的容量估算和管理误差，且不利于防爆生产安全。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于能量测量技术的锂电池容量管理系统及方法，其在锂电池组的充放电母线上设计双向分流器，获取电动车的行驶能耗及充电容量，然后在主控模块的软件算法下，获得精准的防爆锂电池容量参数，避免锂电池因复杂工况导致电池管理系统的SOC估算误差过大的情况。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于能量测量技术的锂电池容量管理系统，系统包括锂电池组BATs、电池管理系统BMS、DCDC 12V电源、主控模块MAIN、双向分流器RS、接触器KM1和KM2、继电器J1、自复位启动开关ST；
其中，所述主控模块MAIN内设有直流电能表，所述锂电池组BATs通过采集导线与电池管理系统BMS相连接，锂电池组BATs总正的充放电母线通过接触器KM1与对外总正端口连接，同时通过接触器KM2与对外充电端口连接，所述DCDC 12V电源输入正端与锂电池组BATs总正连接，DCDC 12V电源输出负端通过自复位启动开关ST与锂电池组BATs总负连接，且DCDC 12V电源为电池管理系统BMS和主控模块MAIN供电，所述继电器J1并联在自复位开关ST两端，所述双向分流器RS设于锂电池组BATs总正的充放电母线上，且双向分流器RS以及接触器KM1和KM2的控制线、继电器J1的控制线均与主控模块MAIN相连接。
进一步改进在于，所述直流电能表采用板载高精度直流电能表。
进一步改进在于，系统还包括安装在电动车上的惯导模块IMU，且惯导模块IMU与主控模块MAIN相连接，用于获取电动车的行驶速度及行驶里程。
进一步改进在于，所述锂电池组BATs采用防爆锂电池组，其包括箱体，以及设于箱体内部的若干个电池单体，以及用于监测箱体内部温度的温度传感器，以及用于对箱体内部进行抽真空的气泵，以及控制器，所述控制器用于在箱体内部温度高于预设值时控制气泵对箱体内部进行抽真空。
进一步改进在于，所述箱体通过压差阀门连接有气压补偿罐，所述气压补偿罐内存储有惰性气体，所述压差阀门用于在箱体内真空度高于设定值时自动打开，以使得气压补偿罐内的惰性气体进入箱体内，补偿箱体内气压。
进一步改进在于，所述气泵的抽气口位置设有气阀片，所述气阀片位于抽气口的闭合位或者开启位，所述压差阀门包括两端贯通的阀管，所述阀管的管壁上设有与箱体连通的补气管，阀管内靠近气压补偿罐一端设有带通孔的第一阀板，阀管内活动设有第二阀板，所述第一阀板和第二阀板上设有位置相对应的强磁体A，所述第二阀板在强磁体A的磁吸力作用下与第一阀板贴合并将其通孔封闭，第二阀板在远离气压补偿罐一侧设有联动杆，所述联动杆伸出阀管外部且与气阀片连接，用于在第二阀板脱离第一阀板时带动气阀片由开启位移动至闭合位。
进一步改进在于，所述抽气口内壁以及气阀片上设有位置相对应的强磁体B，用于在气阀片处于闭合位时对其磁吸固定。
进一步改进在于，所述箱体的箱壁包括外壳层，所述外壳层的每个端面的内侧均开设有若干凹槽，所述凹槽内均设有活动板，所述活动板的边缘与凹槽槽壁滑动接触，且活动板的边缘通过一圈密封带与凹槽槽口口缘柔性密封连接；
当所述箱体内未抽真空时，所述活动板位于凹槽内且与凹槽槽底紧密接触，使箱体的箱壁为导热状态，当所述箱体抽真空后，所述活动板在压差作用下移出凹槽且与凹槽槽底之间形成真空隔层，使箱体的箱壁转为隔热状态，且所述凹槽的槽壁上设有多个弹簧销，用于在活动板移出凹槽后对其位置锁定。
本发明还提供了一种基于能量测量技术的锂电池容量管理方法，所述方法基于上述系统，具体步骤包括：
S1、按下自复位启动开关ST，DCDC 12V电源得电并为电池管理系统BMS和主控模块MAIN供电，电池管理系统BMS和主控模块MAIN上电自检，自检通过后处于待机状态，且控制主动闭合继电器J1，自复位启动开关ST即可释放；
S2、在电动车行驶过程中，主控模块MAIN控制主动闭合接触器KM1，直流电能表通过双向分流器RS获取锂电池组BATs的实时放电容量，同时主控模块MAIN通过CAN总线获取电池管理系统BMS对锂电池组BATs放电容量的估算值，并将实时放电容量与估算值进行比较，判断两者差值是否超过阈值，若是则通过实时放电容量对估算值进行校准，若否则维持估算值不变；
S3、在电动车充电过程中，主控模块MAIN控制主动闭合接触器KM2，直流电能表通过双向分流器RS获取锂电池组BATs的实时充电容量，同时主控模块MAIN通过CAN总线获取电池管理系统BMS对锂电池组BATs充电容量的估算值，并将实时充电容量与估算值进行比较，判断两者差值是否超过阈值，若是则通过实时充电容量对估算值进行校准，若否则维持估算值不变。
进一步改进在于，所述电池管理系统BMS通过估算模型对锂电池组BATs放电容量以及充电容量进行估算，且估算模型通过深度学习算法不断修正优化。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明可保证防爆电动车在行驶和充电过程中防爆锂电池SOC信息的准确，避免防爆锂电池因复杂工况导致BMS的SOC估算误差过大而形成安全运行隐患，保障防爆电动车的行驶安全。同时，优选的还可在主控模块MAIN内置深度学习算法，使得主控模块MAIN依据测量值不断修正防爆锂电池SOC值估算，从而实现防爆锂电池的容量校准及容量自学习功能，进而可以显著改善防爆锂电池组SOC估算性能，使防爆锂电池的容量计量和管理精度显著提高，可改善防爆电动车的动力性能。
(2)本发明采用了特定的防爆锂电池组，其可在发生热失控时立即对电池箱体进行抽真空，避免火灾发生；还可在抽真空后对箱体进行气压补偿，使得在保持无氧环境的同时，避免其长时间受压差力作用而损坏；并且，采用了特制的压差阀门，能在真空度达到一定程度时自动打开进行气压补偿，并同步停止抽真空；还可在发生热失控时，利用抽真空过程，实现箱体由导热状态自动转为隔热状态，由此避免热失控箱体对电动车上电器件造成高温损伤。
附图说明
图1为基于能量测量技术的锂电池容量管理系统的示意图；
图2为防爆锂电池组的结构示意图；
图3为图2中A处在压差阀门关闭时的结构放大图；
图4为图2中A处在压差阀门打开时的结构放大图；
图5为箱体箱壁的结构示意图；
图中：1、箱体；101、外壳层；102、凹槽；103、活动板；104、密封带；105、真空隔层；106、弹簧销；2、电池单体；3、温度传感器；4、气泵；5、控制器；6、压差阀门；601、阀管；602、补气管；603、通孔；604、第一阀板；605、第二阀板；606、强磁体A；607、联动杆；608、强磁体B；7、气压补偿罐；8、气阀片。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
如图1所示，一种基于能量测量技术的锂电池容量管理系统，系统包括锂电池组BATs、电池管理系统BMS、DCDC 12V电源、主控模块MAIN、双向分流器RS、接触器KM1和KM2、继电器J1、自复位启动开关ST；
其中，所述主控模块MAIN内设有板载高精度直流电能表，所述锂电池组BATs通过采集导线与电池管理系统BMS相连接，锂电池组BATs总正的充放电母线通过接触器KM1与对外总正端口连接，同时通过接触器KM2与对外充电端口连接，所述DCDC 12V电源输入正端与锂电池组BATs总正连接，DCDC 12V电源输出负端通过自复位启动开关ST与锂电池组BATs总负连接，且DCDC 12V电源为电池管理系统BMS和主控模块MAIN供电，所述继电器J1并联在自复位开关ST两端，所述双向分流器RS设于锂电池组BATs总正的充放电母线上，且双向分流器RS以及接触器KM1和KM2的控制线、继电器J1的控制线均与主控模块MAIN相连接；系统还包括安装在电动车上的惯导模块IMU，且惯导模块IMU与主控模块MAIN相连接，用于获取电动车的行驶速度及行驶里程。
本实施例还提供了一种基于能量测量技术的锂电池容量管理方法，其基于上述系统，具体步骤包括：
S1、按下自复位启动开关ST，DCDC 12V电源得电并为电池管理系统BMS和主控模块MAIN供电，电池管理系统BMS和主控模块MAIN上电自检，自检通过后处于待机状态，且控制主动闭合继电器J1，自复位启动开关ST即可释放；
S2、在电动车行驶过程中，主控模块MAIN控制主动闭合接触器KM1，直流电能表通过双向分流器RS获取锂电池组BATs的实时放电容量，同时主控模块MAIN通过CAN总线获取电池管理系统BMS对锂电池组BATs放电容量的估算值，并将实时放电容量与估算值进行比较，判断两者差值是否超过阈值，若是则通过实时放电容量对估算值进行校准，若否则维持估算值不变；
S3、在电动车充电过程中，主控模块MAIN控制主动闭合接触器KM2，直流电能表通过双向分流器RS获取锂电池组BATs的实时充电容量，同时主控模块MAIN通过CAN总线获取电池管理系统BMS对锂电池组BATs充电容量的估算值，并将实时充电容量与估算值进行比较，判断两者差值是否超过阈值，若是则通过实时充电容量对估算值进行校准，若否则维持估算值不变。由此，可保证防爆电动车在行驶和充电过程中防爆锂电池SOC信息的准确，避免防爆锂电池因复杂工况导致BMS的SOC估算误差过大而形成安全运行隐患，保障防爆电动车的行驶安全。
另外，所述电池管理系统BMS通过估算模型对锂电池组BATs放电容量以及充电容量进行估算，且估算模型通过深度学习算法不断修正优化，具体估算模型和学习算法均可采用现有技术，此处不再赘述。这样使得主控模块MAIN依据测量值不断修正防爆锂电池SOC值估算，从而实现防爆锂电池的容量校准及容量自学习功能，进而可以显著改善防爆锂电池组SOC估算性能，使防爆锂电池的容量计量和管理精度显著提高，可改善防爆电动车的动力性能。
实施例2
再结合图2-5所示，其在实施例1的系统结构基础上，进一步的：所述锂电池组BATs采用防爆锂电池组，其包括箱体1，以及设于箱体1内部的若干个电池单体2，以及用于监测箱体1内部温度的温度传感器3，以及用于对箱体1内部进行抽真空的气泵4，以及控制器5，所述控制器5用于在箱体1内部温度高于预设值时控制气泵4对箱体1内部进行抽真空，这样就能在存在热失控风险时，减少箱体1内的氧含量，避免电池单体2在高温下发生自燃。
优选的，该实施例中所述箱体1通过压差阀门6连接有气压补偿罐7，所述气压补偿罐7内存储有惰性气体，所述压差阀门6用于在箱体1内真空度高于设定值时自动打开，以使得气压补偿罐7内的惰性气体进入箱体1内，补偿箱体1内气压，避免箱体1一直处于高真空状态而损坏，同时保持无氧或缺氧环境。当然气压补偿无需补偿到常压，保持一定的负压也可。
优选的，该实施例中所述气泵4的抽气口位置设有气阀片8，气阀片8位于抽气口的闭合位或者开启位，抽真空过程时处于开启位；压差阀门6包括两端贯通的阀管601，阀管601的管壁上设有与箱体1连通的补气管602，阀管601内靠近气压补偿罐7一端设有带通孔603的第一阀板604，阀管601内活动设有第二阀板605，第一阀板604和第二阀板605上设有位置相对应的强磁体A606，第二阀板605在强磁体A606的磁吸力作用下与第一阀板604贴合并将其通孔603封闭，此时压差阀门6关闭，当箱体1内真空度高于设定值(该值由强磁体A606的磁吸力大小决定，即在箱体1内气压与气压补偿罐7内气压形成的压差力刚好克服磁吸力时，箱体1内的真空度)时，在压差力作用下，使得第二阀板605瞬间脱离第一阀板604，第一阀板604上的通孔603打开，且第二阀板605会朝远离气压补偿罐7一端移动，使补气管602与通孔603连通，此时气压补偿罐7内的惰性气体即可自动输送至箱体1内。另外，第二阀板605在远离气压补偿罐7一侧设有联动杆607，联动杆607伸出阀管601外部且与气阀片8连接，用于在第二阀板605脱离第一阀板604时带动气阀片8由开启位移动至闭合位，此时气泵4就不再继续对箱体1进行抽真空，气泵4可以停机，让箱体1完全处于封闭状态。因此，该压差阀门6的设置可在真空度达到一定程度时自动打开，自动补偿气压，并使气泵4同步停止对箱体1的抽真空。
为了提高气阀片8的闭合稳定性，可以在抽气口内壁以及气阀片8上设有位置相对应的强磁体B608，用于在气阀片8处于闭合位时对其磁吸固定。
优选的，本实施例中箱体1的箱壁包括外壳层101，外壳层101的每个端面的内侧均开设有若干凹槽102，凹槽102可以是矩形、六边形或者圆形等，其在箱体1箱壁上的面积占比尽可能大，凹槽102内均设有活动板103，活动板103的边缘与凹槽102槽壁滑动接触，且活动板103的边缘通过一圈密封带104与凹槽102槽口口缘柔性密封连接；
当箱体1内未抽真空时，活动板103位于凹槽102内且与凹槽102槽底紧密接触，使箱体1的箱壁为导热状态，当箱体1抽真空后，活动板103在压差作用下会移出凹槽102，因为活动板103内侧底面与凹槽102槽底之间不可避免的残留有微量空气，当箱体1转为真空状态时，会使得活动板103朝外移动，促使活动板103内侧的气压与箱体1内的气压趋于一致，这样会使活动板103与凹槽102槽底之间形成一个接近真空的真空隔层105，而真空具有绝热效果，使箱体1的箱壁转为隔热状态，这样可尽可能减少箱体1对外的热传递，避免对电动车其他电器件造成高温损伤。另外，凹槽102的槽壁上设有多个弹簧销106，用于在活动板103移出凹槽102后对其位置锁定，使得活动板103在箱体1气压补偿后，不会重新移入凹槽102内。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于能量测量技术的锂电池容量管理系统，其特征在于，系统包括锂电池组BATs、电池管理系统BMS、DCDC 12V电源、主控模块MAIN、双向分流器RS、接触器KM1和KM2、继电器J1、自复位启动开关ST；
其中，所述主控模块MAIN内设有直流电能表，所述锂电池组BATs通过采集导线与电池管理系统BMS相连接，锂电池组BATs总正的充放电母线通过接触器KM1与对外总正端口连接，同时通过接触器KM2与对外充电端口连接，所述DCDC 12V电源输入正端与锂电池组BATs总正连接，DCDC 12V电源输出负端通过自复位启动开关ST与锂电池组BATs总负连接，且DCDC 12V电源为电池管理系统BMS和主控模块MAIN供电，所述继电器J1并联在自复位开关ST两端，所述双向分流器RS设于锂电池组BATs总正的充放电母线上，且双向分流器RS以及接触器KM1和KM2的控制线、继电器J1的控制线均与主控模块MAIN相连接；
所述锂电池组BATs采用防爆锂电池组，其包括箱体，以及设于箱体内部的若干个电池单体，以及用于监测箱体内部温度的温度传感器，以及用于对箱体内部进行抽真空的气泵，以及控制器，所述控制器用于在箱体内部温度高于预设值时控制气泵对箱体内部进行抽真空；
所述箱体通过压差阀门连接有气压补偿罐，所述气压补偿罐内存储有惰性气体，所述压差阀门用于在箱体内真空度高于设定值时自动打开，以使得气压补偿罐内的惰性气体进入箱体内，补偿箱体内气压；
所述气泵的抽气口位置设有气阀片，所述气阀片位于抽气口的闭合位或者开启位，所述压差阀门包括两端贯通的阀管，所述阀管的管壁上设有与箱体连通的补气管，阀管内靠近气压补偿罐一端设有带通孔的第一阀板，阀管内活动设有第二阀板，所述第一阀板和第二阀板上设有位置相对应的强磁体A，所述第二阀板在强磁体A的磁吸力作用下与第一阀板贴合并将其通孔封闭，第二阀板在远离气压补偿罐一侧设有联动杆，所述联动杆伸出阀管外部且与气阀片连接，用于在第二阀板脱离第一阀板时带动气阀片由开启位移动至闭合位；
所述抽气口内壁以及气阀片上设有位置相对应的强磁体B，用于在气阀片处于闭合位时对其磁吸固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量测量技术的锂电池容量管理系统，其特征在于，所述直流电能表采用板载高精度直流电能表。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量测量技术的锂电池容量管理系统，其特征在于，系统还包括安装在电动车上的惯导模块IMU，且惯导模块IMU与主控模块MAIN相连接，用于获取电动车的行驶速度及行驶里程。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量测量技术的锂电池容量管理系统，其特征在于，所述箱体的箱壁包括外壳层，所述外壳层的每个端面的内侧均开设有若干凹槽，所述凹槽内均设有活动板，所述活动板的边缘与凹槽槽壁滑动接触，且活动板的边缘通过一圈密封带与凹槽槽口口缘柔性密封连接；
当所述箱体内未抽真空时，所述活动板位于凹槽内且与凹槽槽底紧密接触，使箱体的箱壁为导热状态，当所述箱体抽真空后，所述活动板在压差作用下移出凹槽且与凹槽槽底之间形成真空隔层，使箱体的箱壁转为隔热状态，且所述凹槽的槽壁上设有多个弹簧销，用于在活动板移出凹槽后对其位置锁定。
5.一种基于能量测量技术的锂电池容量管理方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-4任一项所述系统，具体步骤包括：
S1、按下自复位启动开关ST，DCDC 12V电源得电并为电池管理系统BMS和主控模块MAIN供电，电池管理系统BMS和主控模块MAIN上电自检，自检通过后处于待机状态，且控制主动闭合继电器J1，自复位启动开关ST即可释放；
S2、在电动车行驶过程中，主控模块MAIN控制主动闭合接触器KM1，直流电能表通过双向分流器RS获取锂电池组BATs的实时放电容量，同时主控模块MAIN通过CAN总线获取电池管理系统BMS对锂电池组BATs放电容量的估算值，并将实时放电容量与估算值进行比较，判断两者差值是否超过阈值，若是则通过实时放电容量对估算值进行校准，若否则维持估算值不变；
S3、在电动车充电过程中，主控模块MAIN控制主动闭合接触器KM2，直流电能表通过双向分流器RS获取锂电池组BATs的实时充电容量，同时主控模块MAIN通过CAN总线获取电池管理系统BMS对锂电池组BATs充电容量的估算值，并将实时充电容量与估算值进行比较，判断两者差值是否超过阈值，若是则通过实时充电容量对估算值进行校准，若否则维持估算值不变。
6.根据权利要求5所述的一种基于能量测量技术的锂电池容量管理方法，其特征在于，所述电池管理系统BMS通过估算模型对锂电池组BATs放电容量以及充电容量进行估算，且估算模型通过深度学习算法不断修正优化。
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