CN111060821B - 具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统及方法，包括：主控制器以及与主控制器连接的气体浓度检测模块，所述气体浓度检测模块包括一个或多个内置于电池箱内的气体检测单元，每个气体检测单元包括气体传感器和数据处理子单元，所述数据处理子单元分别通过不同种类的气体传感器采集多种气体浓度数据，并将采集到的数据传送至主控制器，所述主控制器根据接收到的多种气体浓度数据及其在电池产气中的占比综合分析，判断电池故障级别。本发明有益效果：采用多种气体传感器组合的方式对电池故障产生气体进行检测，并对检测气体浓度和成分占比进行分析，综合计算从而准确判断电池故障等级。

Description

具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统及方法

技术领域

本发明属于新能源应用技术领域，具体涉及一种具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着锂离子电池技术的发展，其市场需求正在不断扩大，锂离子电池已经在电动汽车、电化学储能等领域得到了广泛应用，但由于能量密度高及特有的电化学特性，锂离子电池在安全性及稳定性方面存在隐患。电池在使用过程中的过充、过放、内部短路等均可导致电池热失控，一旦进入热失控状态，大量释放的热量会导致电池负极SEI膜分解、正极活性物质分解和电解液的氧化分解，产生大量的气体，导致锂离子电池内部气体压力急剧升高，引起电池发生爆炸，进而危害人身及财产安全。

电池管理系统(BMS)作为电池系统的重要一环，担负着保证电池安全稳定运行的重任。常规的电池管理系统一般只检测电池电压、温度等参数，并通过单体电池电压变化及电池温度判断电池是否存在问题，如检测电池状态异常则根据报警级别进行充放电限流或主动切断电池系统主接触器。

但相对于电池热失控的扩散速度，单体电池电压变化缓慢，表征电池故障时效性差；电池温度监测受限于温度传感器布置数量及位置，也存在电池温度传导慢的问题。因此常规的电池管理系统对电池箱内热失控的早期预警能力仍有待提高。为了提高故障响应速度，目前已有方案在电池管理系统的基础上增加气体检测功能。通过对电池故障机理的研究表明，在电池使用过程中，由于电解液的分解会产生部分气体，尤其在电池过充、过放及内部短路等情况下，会加速电池的产气速度，造成电池失效。电池因受热或内部短路造成热失控情况下，气体的产生要早于电池温度的上升及电压的显著下降。因此，该方案在电池箱内安装气体感测模块，通过感测电池热失控产生气体浓度值，并根据气体浓度值与参考值的比较来确定电池故障级别。

上述气体检测方案一般在电池箱内安装一个或多个气体感测模块，通过检测并分析箱内气体浓度表征电池故障级别。一般情况下，这种方案只对电池产生的单一气体或可燃气体总量进行检测，传感器易受到电池箱内密封材料挥发气体的影响；另外，锂电池的热解气体释放量受电池荷电状态(SOC)、电池温升等因素影响很大，在不同环境下其热解气体的成分及含量变化较大，故采用单一气体作为检测手段，容易造成误报。另外，该方案在电池着火情况下不具备有效的灭火措施，仅将气体浓度值量化为报警级别上传后台系统。

常规模式下电池管理系统在电池出现故障时只能通过切断主接触器隔离电池回路，一旦电池在使用过程中因故障达到热失控状态而起火，电池管理系统缺乏有效的灭火手段；因此，通常在电池系统中单独增加火灾预警及消防防护系统。该系统一般由火灾探测器、消防控制器、灭火装置组成，实时监测电池火灾的相关数据，包括可燃气体、温度等参数，并在火灾发生时，自动启动灭火装置扑灭火灾。

但是，上述消防系统以一氧化碳浓度作为电池起火的主要判定条件，极易受环境或电池容量等因素的影响而造成误报，系统一旦误报并启动灭火装置，由于灭火剂为一次产品，会对灭火功能造成影响；另外，该系统采集参数单一，在电池系统出现故障时不能综合判断系统运行状态，只能用于电池起火后的灭火措施。

同时发明人发现，一氧化碳气体的主要来源是电池释放的可燃气体与氧气的不充分反应，其产生时间明显滞后于电池早期故障释放的烷烃类气体，一旦一氧化碳超标，意味着电池进入热失控后期，所以该系统也不具备故障早期预警的功能。

另外，锂电池在不同SOC(荷电状态)下热分解产生CO的含量相差很大，如30％SOC热解气体中CO占比3.2％，100％SOC占比13.1，加之现有的一氧化碳传感器检测精度较低，只做定性分析，不能有效表征电池故障严重程度，系统存在漏报、误报的可能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统及方法，在传统电池管理系统的基础上，改进气体检测方案，提高气体检测灵敏度及精度，并通过实时监测包括电池电压、电流、温度、气体浓度等多种参数，综合分析各参数的历史数据，提高对电池状态预测的准确性；同时增加灭火装置，将灭火功能集成在电池管理系统中，这样既可完善电池热失控处置方案，对电池故障进行综合处理，提高灭火响应速度及成功率，又可以借助电池管理系统强大的CPU计算、处理能力，提高故障判断准确性，防止灭火装置误动作或不动作；籍此做到对电池故障的早期预警、早期处置，增强电池系统的安全性。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统，包括：主控制器以及与主控制器连接的气体浓度检测模块，所述气体浓度检测模块包括一个或多个内置于电池箱内的气体检测单元，每个气体检测单元包括气体传感器和数据处理子单元，所述数据处理子单元分别通过不同种类的气体传感器采集多种气体浓度数据，并将采集到的数据传送至主控制器，所述主控制器根据接收到的多种气体浓度数据及其在电池产气中的占比综合分析，判断电池故障级别。

通过多种气体传感器组合的方式对电池故障产生气体进行检测，并对检测气体浓度和成分占比进行分析，综合计算从而准确判断电池故障等级。

具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统还包括：与主控制器连接的灭火装置，控制器判断各种气体浓度数据、电池电压、电池温度数据均满足设定要求后，启动灭火装置；

或者，检测到明火后，启动灭火装置；

进一步地，灭火装置启动后，联动停止充放电并关闭电池箱内气体交换设备。

综合多种判断条件确定是否启动灭火装置，提高监测的准确性，减少误启动造成的损失。

在另外一些实施方式中，公开了具备锂电池故障早期预警功能的电池管理方法，包括：检测电池箱内多种气体的浓度，根据各种气体的浓度及其在电池产气中的占比综合分析，判断电池故障级别。

分别判断各种气体浓度数据、电池电压、电池温度数据是否超出设定阈值，上述参数均超出设定阈值时，启动灭火装置；

进一步地，灭火装置启动后，联动停止充放电、关闭电池箱内气体交换设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

以气体传感器组作为采样单元采集电池箱内多种气体浓度数据，解决了单一气体采样时传感器受电池箱内密封材料挥发及环境影响所造成的误报、漏报问题，提高了采样气体表征电池故障的准确性。

系统具备消防灭火功能，通过系统直接控制的灭火装置，及时准确对电池故障做出反应，解决了传统电池管理系统在故障发生时不能灭火的问题，提高了对电池故障的早期处理能力和灭火的及时、有效性。

采用多种气体传感器组合的方式对电池故障产生气体进行检测，并对检测气体浓度和成分占比进行分析，综合计算从而准确判断电池故障等级。

通过将电池箱内多种气体浓度及电池电压、温度等参数进行综合分析，并通过与已建立的电池热失控数学模型的比对，输出电池故障等级并预测电池故障发展趋势；在电池出现问题时，该方法可通过对采样数据的计算、分析，判断电池故障类型并作出诸如停止充放电、关闭电池箱气体交换设备或启动灭火装置等相应处置手段。该方法提高了电池故障判断的准确性及故障处理能力，增强了电池系统的安全性。

采用电池电压、充放电电流、温度及故障产气浓度等多种参数综合判断电池当前状态，并对各参数的历史数据进行分析，通过建立的SOC-温度-气体浓度的数学模型，对电池故障进行预测，并通过滤波算法排除采样噪声干扰，有效解决了传统的阈值法监测方式的漏报、误报、预警滞后问题，实现早期可靠预警；

在电池管理系统热管理、分级报警及控制的基础上增加热熔胶灭火功能，利用电池管理系统对多种参数的检测功能及强大的分析处理能力，综合多种手段，及时准确应对电池热失控状况，提高了电池灭火成功率，减少灭火装置误动作。

附图说明

图1为本发明实施例一中具备锂电池故障早期预警及消防灭火功能的电池管理系统结构示意图；

图2为本发明实施例一中气体浓度检测模块结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

研究表明，电池故障产生气体的主要成分有H2、CO2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C3H8等，故障初期电池SEI膜分解或电解液反应产生H2、烷烃类气体较多，随着温度升高，可燃气体与O2反应产生较多的CO2，但后期O2不足导致CO浓度升高，故单一的气体检测不足以同时作为电池故障早期预警及灭火装置启动的条件。另外，锂电池的热解气体释放量受电池荷电状态(SOC)、电池温升等因素影响很大，在不同环境下其热解气体的成分及含量变化较大，故采用单一气体作为检测手段，也容易造成误报。因此，将多种类型气体传感器集成在一个气体检测单元上，采用气体传感器组的形式，通过分析多种气体的浓度及其在电池热解气体中的占比，同时参照电池SOC、温度等变化情况，可提高电池故障预测的准确性。

在一个或多个实施方式中，公开了一种具备锂电池故障早期预警及消防灭火功能的电池管理系统，如图1所示，包括：主控制器MCU、电池电压检测模块、电池温度检测模块、气体浓度检测模块、灭火装置、热管理模块和通信模块。其中，MCU与电池电压检测模块、电池温度检测模块、气体浓度检测模块、灭火装置、热管理模块和通信模块分别相连。

参照图2，气体浓度检测模块包括一个或多个内置于电池箱内的气体检测单元，该单元可通过485总线将数据传输给安装于电池箱外的BMS控制单元，BMS控制单元内部设置主控制器MCU、电池电压检测模块、电池温度检测模块、热管理模块和通信模块。

气体检测单元与BMS控制单元的分开布置有效解决了电池箱内空间有限，不利于安装控制模块的缺点，同时485总线通信方式可根据实际需求布置检测单元数量。

每个气体检测单元包括多个费加罗气体检测传感器和数据处理子单元，数据处理子单元通过多种检测气体传感器采集气体浓度数据，并通过485通信总线将数据传输给MCU；在一些实施例中，每个气体检测单元包括一个CO传感器、一个H2传感器、一个烷烃类传感器以及数据处理子单元，数据处理子单元采集气体浓度信息后通过485通信总线的方式发送给主控MCU。

传感器选择费加罗电化学气体传感器，该类传感器对气体的检测具有很高的灵敏度和良好的稳定性，预热时间小于30S；同时三种传感器对各自检测气体灵敏度高，对其他气体的敏感性低，可有效区分不同气体浓度。

主控MCU根据气体浓度值及其历史数据计算电池故障级别，并将其与电池电压值、温度值通过通信模块上传至后台系统，供后台系统及时对电池故障进行处理。

灭火装置的选择，通过对锂电池火情进行分析，其主要以可燃气体为主，另外考虑电池是带电装置，因此灭火剂首选气体灭火剂，考虑到气溶胶可常压储存、灭火效率高、灭火剂无毒环保、耐腐蚀，因此本实施例中灭火装置选用S型热气溶胶灭火剂，该灭火装置体积较小，重量较轻，安装于电池箱内部，相较于安装于电池箱外的灭火装置，可在电池热失控引起燃烧时及时扑灭明火。

检测多种可燃气体浓度，分别判断各种气体浓度数据、电池电压、电池温度数据是否超出设定阈值，上述参数均超出设定阈值时，启动灭火装置；或者，检测到明火或者燃烧现象时，启动灭火装置，提高探测准确性防止误报；并在启动灭火装置时同步断开主继电器、关闭风扇等多种措施提高灭火成功率并降低损失。

电池电压检测模块检测电池箱内单体电池电压，并将电压采样值传输给MCU；电池温度检测模块检测电池箱内单体电池温度，并将温度值传输给MCU；MCU根据电池温度值控制热管理模块对电池进行加热或散热处理；MCU根据气体浓度值及其历史数据计算电池故障级别，并将其与电池电压值、温度值通过通信模块上传至后台系统，供后台系统及时对电池故障进行处理。

热管理模块主要用于对电池进行加热或散热处理，保证电池在容许的温度范围内使用。同时，在系统上电启动时，由MCU控制风扇启动三分钟，用于电池箱内换气，确保电池箱内不积存可燃气体，同时对气体传感器进行开机预热，保证传感器校准时箱内无可燃气体，提高气体检测准确性。

电池电压/温度采集模块包括凌特LTC6811电池管理芯片及多个布置于电池单体上的温度传感器，每个电池管理芯片可监测多达12节串联电压及5路温度信息，芯片可串联使用，可堆叠式架构能支持几百个电池的监测。在一些实施例中，采用一个LTC6811芯片采集电池箱内12节电池电压及5路温度，并通过芯片内置SPI接口将电池电压、温度信息传输给MCU，MCU可根据温度信息控制热管理模块输出。

MCU采集并存储电池单体电压、充放电电流、温度及上述三类气体浓度等参数信息，采用改进的安时积分法计算电池SOC，并根据多种采样数据综合判定当前电池运行状态，在采样参数数据异常时根据模型识别算法进行特征识别，输出电池故障类型及位置。

如充放电时电池极柱处温度过高，其他位置电池电压、温度正常，则应该是极柱端子连接松动导致阻抗过大，极柱处发热所致，此时如温度超过60℃，可输出极柱温度一级报警，开启风扇并将充放电倍率限定在0.5C，如温度进一步升高到70℃以上，则输出温度二级报警，开启风扇同时禁止充放电并延时切断接触器。

另外，通过三类气体历史数据拟合出每种气体的浓度变化曲线及其在产气总量中的占比情况，并根据电池SOC及温度变化情况，采用滤波算法排除干扰，通过已建立的电池SOC-温度-气体浓度的数学模型，输出电池故障级别并预测发展趋势，由此解决单一气体阈值法所造成的漏报、误报及预警滞后问题。

电池SOC-温度-气体浓度的数学模型的建立方法具体如下：

采用离线参数辨识法对某一类型的电池进行热失控产气测试，测试其在不同SOC及温度环境下产生多种气体的浓度数据和产气占比数据，分别得出SOC-多气体曲线和温度-多气体曲线，利用matlab仿真软件的多项式拟合功能将上述曲线拟合为多阶函数，得到电池SOC-温度-气体浓度的数学模型，并完成模型的参数辨识；

根据测试实际情况对模型参数对应故障程度进行标定，如故障初期、发展期、严重期及起火状态等。将拟合出的多阶函数以程序方式植入主控制器，在运行过程中将SOC、温度、气体浓度的采样值及气体占比数据代入拟合函数进行计算，计算值与模型标定值进行对比，确定故障等级。

MCU根据上述电池故障级别采取不同的应对措施，如遇到紧急情况，气体浓度变化剧烈，温度急剧升高，箱内出现燃烧现象，则立即关闭风扇，开启灭火装置，同时上送报警信息，通知后台系统紧急断开继电器，切除电池回路。此方案还可避免灭火装置释放灭火剂同时电池管理系统开启风扇散热，由此导致灭火效果降低的问题。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种具备锂电池故障早期预警功能的电池管理方法，包括：采集并存储电池单体电压、充放电电流、温度及上述三类气体浓度等参数信息，采用改进的安时积分法计算电池SOC，并根据多种采样数据综合判定当前电池运行状态，在采样参数数据异常时根据模型识别算法进行特征识别，输出电池故障类型并对其进行定位。

如充放电时电池极柱处温度过高，其他位置电池电压、温度正常，则应该是极柱端子连接松动导致阻抗过大，极柱处发热所致，此时如温度超过60℃，可输出极柱温度一级报警，开启风扇并将充放电倍率限定在0.5C，如温度进一步升高到70℃以上，则输出温度二级报警，开启风扇同时禁止充放电并延时切断接触器。另外，通过三类气体历史数据拟合出每种气体的浓度变化曲线及其在气体总量中的占比情况，并根据电池SOC及温度变化情况，采用滤波算法排除干扰，通过已建立的电池SOC-温度-气体浓度的数学模型，输出电池故障级别及发展趋势，由此解决单一气体阈值法所造成的漏报、误报及预警滞后问题。

电池SOC-温度-气体浓度的数学模型的建立方法参照实施例一中所述的方法。

根据上述电池故障级别采取不同的应对措施，如遇到紧急情况，气体浓度变化剧烈，温度急剧升高，箱内出现燃烧现象，则立即关闭风扇，开启灭火装置，同时上送报警信息，通知后台系统紧急断开继电器，切除电池回路。此方案还可避免灭火装置释放灭火剂同时电池管理系统开启风扇散热，由此导致灭火效果降低的问题。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (11)

1.具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统，其特征在于，包括：主控制器以及与主控制器连接的气体浓度检测模块；

所述气体浓度检测模块包括一个或多个内置于电池箱内的气体检测单元，每个气体检测单元包括气体传感器和数据处理子单元，所述数据处理子单元分别通过不同种类的气体传感器采集多种气体浓度数据，并将采集到的数据传送至主控制器，所述主控制器根据接收到的多种气体浓度数据及其在电池产气中的占比综合分析，判断电池故障级别；

所述主控制器根据接收到的不同气体的浓度及其在电池产气中的占比综合分析，判断电池故障级别，具体为：

对电池进行热失控产气测试，测试其在不同SOC及温度环境下产生多种气体的浓度数据和产气占比数据，分别得出SOC-多气体曲线和温度-多气体曲线；

将上述得到的SOC-多气体曲线和温度-多气体曲线拟合为多阶函数，得到电池SOC-温度-气体浓度数学模型；

采用离线参数辨识法完成电池SOC-温度-气体浓度数学模型的参数辨识；

根据实际情况对不同的模型参数对应的故障程度结果进行故障级别的标定；

将实际采集到的SOC、温度、多种气体浓度及其在电池产气中的占比数据带入电池SOC-温度-气体浓度数学模型进行计算；

将计算结果与标定的结果进行匹配，确定故障级别。

2.如权利要求1所述的具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统，其特征在于，还包括：与主控制器连接的灭火装置，主控制器判断各种气体浓度数据、电池电压、电池温度数据均满足设定要求后，启动灭火装置。

3.如权利要求2所述的具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统，其特征在于，检测到明火后，启动灭火装置。

4.如权利要求3所述的具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统，其特征在于，灭火装置启动后，联动停止充放电并关闭电池箱内气体交换设备。

5.如权利要求1所述的具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统，其特征在于，还包括：与主控制器连接的电池电压检测模块，所述电池电压检测模块检测电池箱内单体电池的电压，并将电压采样值传输给主控制器。

6.如权利要求1所述的具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统，其特征在于，还包括：分别与主控制器连接的电池温度检测模块和热管理模块，所述电池温度检测模块检测电池箱内单体电池的温度，并将温度值传输给主控制器，主控制器根据电池温度值控制所述热管理模块对电池进行加热或散热处理。

7.如权利要求1所述的具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统，其特征在于，还包括：与主控制器连接的通信模块，所述主控制器通过通信模块与后台监控系统通信。

8.具备锂电池故障早期预警功能的电池管理方法，其特征在于，包括：检测电池箱内多种气体的浓度，根据各种气体的浓度及其在电池产气中的占比综合分析，判断电池故障级别；

其中，对电池进行热失控产气测试，测试其在不同SOC及温度环境下产生多种气体的浓度数据和产气占比数据，分别得出SOC-多气体曲线和温度-多气体曲线；

将上述得到的SOC-多气体曲线和温度-多气体曲线拟合为多阶函数，得到电池SOC-温度-气体浓度数学模型；

采用离线参数辨识法完成电池SOC-温度-气体浓度数学模型的参数辨识；

根据实际情况对不同的模型参数对应的故障程度结果进行故障级别的标定；

将实际采集到的SOC、温度、多种气体浓度及其在电池产气中的占比数据带入电池SOC-温度-气体浓度数学模型进行计算；

将计算结果与标定的结果进行匹配，确定故障级别。

9.如权利要求8所述的具备锂电池故障早期预警功能的电池管理方法，其特征在于，根据实际情况对不同的模型参数对应的故障程度结果进行故障级别的标定，包括：故障初期、故障发展期、故障严重期及起火状态。

10.如权利要求8所述的具备锂电池故障早期预警功能的电池管理方法，其特征在于，分别判断各种气体浓度数据、电池电压、电池温度数据是否超出设定阈值，上述参数均超出设定阈值时，启动灭火装置。

11.如权利要求8所述的具备锂电池故障早期预警功能的电池管理方法，其特征在于，灭火装置启动后，联动停止充放电、关闭电池箱内气体交换设备。

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