基於任意形狀電池芯的形變檢測電動車電池壽命衰退及安全狀態的技術的製作方法
2023-04-23 18:57:31
專利名稱：基於任意形狀電池芯的形變檢測電動車電池壽命衰退及安全狀態的技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電池的壽命衰退和安全狀態的檢測技術，尤其涉及一種基於電池芯的形變評估電動車電池的壽命衰退和安全狀態的方法及其系統。
背景技術：
電動車是用電力作為驅動，使電機轉動提供驅動力促使車體向前行駛的機車。其使用電力驅動，不消耗原油，行駛中也不排放有害煙霧，因此具有綠色環保的優點，在石油資源的日益減少、大氣環境的汙染嚴重的今天，日益受到重視。按電力提供的方式的不同，電動車可以分成兩大類，一類連接外部電力線來獲得電力，另一類使是用電池提供電力。對於後一類電動車，由於其以電池作為能量源的電動車，在行駛中不受外部電力線的限制，電池可利用普通220V交流電充電進行反覆使用，具有更高的靈活性，因此是家庭使用電動車的首選。當前，這類電動車通常由電池組作為驅動，使電機轉動提供驅動力促使車體行駛。由於製造時的細微差異，電動車的電池組中的電池芯即便是同一型號，其壽命衰退也不一致。有些電池芯的壽命可長達幾年、重複充電數千次，有些電池芯則壽命較短、重複充電可能只有數百次。在目前的電池管理技術中，對電池芯的壽命衰退與安全狀態相關的變量包括電流、電壓、溫度，這些都是常用變量。事實上，隨著使用次數增多，電池芯的形狀也會隨之發生變化。這種形變一部分是由電池組在充放電時經歷的溫度變化所致,如電池組的內部溫度升高時,其殼體會膨脹,而電池組的內部溫度降低時,其殼體會收縮；另一部分則是由於使用時間的積累，電池芯內部的物質發生轉移從而引起電池組的殼體發生緩慢的但卻不可逆轉的形狀變化。因此可見，電池芯的這種形狀變化是與其使用情況相關的，即從電池芯的形變可以間接推測出電池芯的壽命衰退(或剩餘使用壽命、剩餘可充電次數)以及安全狀態。目前，現有技術中將電池的形變與其使用情況關聯的應用僅限於通過電池的形變量判斷其是否可用，例如專利申請201210083819公開的一種方型動力鋰離子電池及其保護方法，其包括1)在鋼殼電池的殼體上安裝形變感應器；2)在鋼殼電池充滿電後設定初始控制量；3)形變感應器實時檢測殼體的形變；4)當殼體發生的形變大於控制量時，形變感應器發出報警信號給電池管理系統，電池管理系統切斷電池的進一步使用，報警器發出報警聲。但是，對於電動車使用的電池(電池組)，不能簡單地判斷其是否可用並在不可用的情況下切斷對其的使用，而是需要通過檢測該電池(電池組)的狀態來預測、評估其壽命衰退以及安全狀態，以保證在電動車使用該電池(電池組)的過程是可靠的。因此，本領域的技術人員致力於開發一種電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法及其系統，基於對電池芯的形變的檢測來預測、評估其壽命衰退以及安全狀態
發明內容
有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法及其系統，通過結合電動車電池的電池芯的形變信息和該電池的性能信息，評估電動車電池的壽命衰退以及安全狀態。為實現上述目的，本發明提供了一種電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法，其特徵在於，包括設置信息採集模塊，所述信息採集模塊與電動車的電池相連；所述信息採集模塊採集所述電池的電池芯的形變信息並將所述形變信息傳輸到信息分析模塊；所述信息分析模塊根據所述形變信息判斷所述電池芯的形變是否正常，並在所述形變不正常的情況下發送控制信號到所述信息採集模塊，以指令所述信息採集模塊採集所述電池的性能信息；所述信息分析模塊根據所述性能信息評估所述電池的壽命衰退和安全狀態。進一步地，所述信息採集模塊包括溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、形變傳感器和第一通信單元；所述溫度傳感器用以測量所述電池的溫度，所述電流傳感器用以測量所述電池的電流，所述電壓傳感器用以測量所述電池的電壓，所述形變傳感器用以測量所述電池芯的形變量，所述第一通信單元用以發送所述形變信息和所述性能信息；所述電池的所述電流包括所述電池的充電電流和放電電流。進一步地，所述形變傳感器為應變片或光纖傳感器。進一步地，所述形變信息是所述電池芯的所述形變量；所述性能信息包括所述電池的所述溫度、所述電流和所述電壓。進一步地，所述信息分析模塊通過將所述電池芯的所述形變量與形變閾值進行比較，在所述形變量不大於所述形變閾值時判斷所述電池芯的形變為正常，在所述形變量大於所述形變閾值時判斷所述電池芯的形變為不正常。進一步地，所述信息分析模塊包括第二通信單元、閾值判定單元、數據存儲單元、評估單元和報警單元；所述第二通信單元用以接收所述形變信息和所述性能信息以及發送所述控制信號；所述閾值判定單元將所述電池芯的所述形變量與所述形變閾值進行比較；所述評估單元評估所述電動車電池的所述壽命衰退和所述安全狀態；當所述安全狀態被評估為不安全時，所述報警單元發出警報。進一步地，所述信息採集模塊通過信號傳輸電路連接到所述信息分析模塊，所述信息採集模塊將所述形變信息和所述性能信息通過所述信號傳輸電路發送到所述信息分析模塊，所述信息分析模塊通過信號傳輸電路將所述控制信號發送到所述信息採集模塊。進一步地，所述評估所述電池的所述壽命衰退是指預測所述電池的剩餘壽命或所述電池的剩餘可充電次數。進一步地，所述評估所述電池的所述安全狀態包括判斷所述電池是否突發故障、是否突發失效、是否高溫熔化和是否發生漏液；當所述評估單元判斷所述電池突發故障、突發失效、高溫熔化和/或發生漏液時，所述安全狀態被評估為不安全。其中，電池突發故障是指電池突然發生升溫、接觸不良、輸出不穩定和/或電解液洩漏等故障。本發明還提供了一種電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估系統，包括信息採集模塊和信息分析模塊；所述信息採集模塊與電動車的電池相連，其採集所述電池的電池芯的形變信息並將所述形變信息傳輸到信息分析模塊；所述信息分析模塊根據所述形變信息判斷所述電池芯的形變是否正常，並在所述形變不正常的情況下發送控制信號到所述信息採集模塊，以指令所述信息採集模塊採集所述電動車電池的性能信息；所述信息分析模塊根據所述性能信息評估所述電池的壽命衰退和安全狀態。在本發明的較佳實施方式中，提供了 一種電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法及其系統，包括信息採集模塊、信息分析模塊和信號傳輸電路，所適用的電動車電池(或電池組)包括鋰電池(或電池組)、鉛蓄電池(或電池組)、燃料電池(或電池組)、磷酸鋰鐵電池(或電池組)，但不限於所列舉的電池(或電池組)種類。其中，信息採集模塊設置在電動車的電池組處，包括溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、形變傳感器和第一通信單元，用於採集電池組的電池芯的形變量以及電池組的溫度、電流和電壓；信息分析模塊包括第二通信單元、閾值判定單元、數據存儲單元、評估單元和報警單元；信息採集模塊通過信號傳輸電路連接到信息分析模塊。在使用本發明評估電動車電池的壽命衰退和安全狀態時，將其中的信息採集模塊與電動車的電池組相連，通過形變傳感器採集電池組的電池芯的形變量並將此電池芯的形變量作為形變信息，由第一通信單元經由信號傳輸電路發送到第二通信單元並繼而傳送到數據存儲單元；數據存儲單元中預先存儲有電池芯的形變閾值，閾值判定單元將此電池芯的形變量與形變閾值進行比較，在形變量不大於形變閾值時判斷電池芯的形變為正常，在形變量大於形變閾值時判斷電池芯的形變為不正常並通過第二通信單元發送控制信號到第一通信單元以指令信息採集模塊採集電池組的性能信息；接受控制指令後，信息採集模塊中的溫度傳感器、電流傳感器和電壓傳感器採集電池組的溫度、電流和電壓作為該電池組的性能信息發送到信息分析模塊並存儲在數據存儲單元中；信息分析模塊的評估單元對接收的電池組的性能信息進行分析，評估該電池組的壽命衰退以及安全狀態並在其安全狀態被評估為不安全時，使報警單元發出警報。由此可見，使用本發明的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法及其系統評估電動車的電池的壽命衰退和安全狀態時，不需要實時對電池(電池組)的包括溫度、電流和電壓的性能信息進行採樣和分析，而只需要在發現電池(電池組)的電池芯的形變量不正常的情況下進行對電池(電池組)的性能信息的採集和分析。由於相對於對電池芯的形變量的採集和分析而言，對電池(電池組)的性能信息的採集和分析是更複雜、費時更多也耗能更多的過程，因此，採用本發明評估電動車電池的壽命衰退和安全狀態可以更快速、更節能。另外，由於電池芯的形變是受很多因素影響的，完全由電池芯的形變量評估電動車的電池(電池組)的壽命衰退和安全狀態的結果將不夠精確，不能符合電動車行車的需要。因此，本發明將電池(電池組)的電池芯的形變信息和該電池(電池組)的性能信息結合起來對電池(電池組)的壽命衰退和安全狀態進行評估，既能快速、節能地作出評估結果，又能保證評估結果的精度，具有很高的實用性。以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。
圖1是在一個實施例中，本發明的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估系統的結構示意圖，顯示了該系統集成於電動車的電池組中。
圖2是圖1所示的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估系統的信息採集模塊的結構示意圖。圖3是圖1所示的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估系統的信息分析模塊的結構示意圖。圖4是本發明的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法的流程圖。
具體實施例方式本發明的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估系統用於評估電動車電池的壽命衰退和安全狀態，在本實施例中，其用於評估電動車電池組10的壽命衰退和安全狀態，如圖1所示，其集成於電動車的電池組10中。需要說明的是，在本發明的其他實施例中，本發明的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估系統也可以用於評估單個電池的壽命衰退和安全狀態，其也可以設置在電動車的電池組(或電池)之外。其所適用的電動車電池組(或電池)包括鋰電池組(或電池)、鉛蓄電池組(或電池)、燃料電池組(或電池)、磷酸鋰鐵電池組(電池)，但不限於所列舉的電池組(或電池)種類。電池組10由若干個如電池芯11的電池芯以串聯或並聯的方式連接形成,各電池芯其通過電流傳輸電路50向電動車提供電力。本發明的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估系統包括多個如信息採集模塊20的信息採集模塊、信息分析模塊30和信號傳輸電路40。其中，各信息採集模塊設置在各電池芯處，例如信息採集模塊20設置在電池芯11處，用於採集各電池芯的形變信息和電池的性能信息；各信息採集模塊通過信號傳輸電路40連接到信息分析模塊30，並通過信號傳輸電路40將其採集的電池芯的形變信息和電池的性能信息發送到信息分析模塊30 ;信息分析模塊30根據接收的電池芯的形變信息和電池的性能信息評估電池組10的壽命衰退和安全狀態。以信息採集模塊20為例，如圖2所示，其包括第一通信單元21、溫度傳感器22、電流傳感器23、電壓傳感器24和形變傳感器25。其中，形變傳感器25可以是應變片或光纖傳感器，其用於採集電池芯11的形變量作為電池芯的形變信息；溫度傳感器22、電流傳感器23和電壓傳感器24分別用於採集電池芯11的溫度、電流和電壓作為電池的性能信息，其中的電流包括電池芯11的充電電流和放電電流。第一通信單元21用於發送上述的電池芯的形變信息和電池的性能信息，這些信息經過信號傳輸電路40被傳輸出來。如圖3所示，信息分析模塊30包括第二通信單元31、閾值判定單元32、數據存儲單元33、評估單元34、報警單元35和趨勢預測單元36。第二通信單元31用以接收通過信號傳輸電路10的信息採集模塊20採集的電池芯的形變信息和電池的性能信息，並將它們傳送到數據存儲單元33。數據存儲單元33中預先存儲有電池芯的形變閾值；閾值判定單元32將電池芯的形變量與形變閾值進行比較，在形變量不大於形變閾值時判斷電池芯的形變為正常，在形變量大於形變閾值時判斷電池芯的形變為不正常並通過第二通信單元31發送控制信號到信息採集模塊20以指令信息採集模塊20採集電池的性能信息。評估單元34用於對接收的電池的性能信息進行分析，評估電池組10的壽命衰退以及安全狀態，並將評估結果發送到存儲單元33以存儲該評估結果；當安全狀態被評估為不安全時，評估單元34將觸發報警單元35以發出預警警報。本實施例中，信息分析模塊30包括趨勢預測單元36，評估單元34將上述的評估結果同時發送到趨勢預測單元36，趨勢預測單元36根據該評估結果對電池組10的壽命衰退的趨勢進行短期預測；若在短期內電池性能下降趨勢很快，表明電池組10即將在未來短期內發生不安全的狀態，趨勢預測單元36將觸發報警單元35以發出預警警報。觸發報警單元35用於在安全狀態被評估為不安全時或者電池組10即將在未來短期內發生不安全的狀態時發出預警警報。圖4給出了本發明的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法的流程圖，從圖中可見，使用本發明的評估電動車電池的壽命衰退和安全狀態的具體步驟包括步驟101，檢測電池芯的形變。在此步驟中，信息採集模塊檢測電池芯的形變。以電池芯11和信息採集模塊20為例，信息採集模塊20的形變傳感器25檢測電池芯11的形變。此步驟是實時進行的，即無論電動車的電池組處於工作狀態還是閒置狀態，信息採集模塊均按設定的頻率進行檢測，例如每分鐘檢測5次或10次。步驟102，採集形變量。信息採集模塊在步驟101中檢測電池芯的形變後，採集該電池芯的形變量，並將該形變量發送到信息分析模塊30。以電池芯11和信息採集模塊20為例，信息採集模塊20的形變傳感器25檢測電池芯11的形變後，得到電池芯11發生的形變量，並將此形變量發送到第一通信單元21。第一通信單元20將電池芯11的形變量經由信號傳輸電路40傳送到信息分析模塊30的第二通信單元31並繼而存儲在數據存儲單元33中。步驟103，判斷形變量是否超過形變閾值。信息分析模塊30判斷其在步驟102中接收到的電池芯的形變量是否超過形變閾值。具體地，第二通信單元31將在步驟102中接收的電池芯的形變信息傳送到數據存儲單元33，數據存儲單元33中預先存儲有電池芯的形變閾值，閾值判定單元32將電池芯的形變量與形變閾值進行比較，在形變量不大於形變閾值時判斷電池芯的形變為正常，進入步驟101 ;在形變量大於形變閾值時判斷電池芯的形變為不正常，進入步驟104。步驟104，檢測電池的電流、電壓、溫度。當閾值判定單元32判斷電池芯的形變為不正常時，信息分析模塊30通過第二通信單元31發送控制信號到信息採集模塊以指令信息採集模塊採集電池的性能信息。信息採集模塊採集完成電池的性能信息後，將此電池的性能信息發送到信息分析模塊30。電池的性能信息包括電池的電流、電壓和溫度，還可以包括已經過的電池充放電循環次數。以電池芯11和信息採集模塊20為例，信息採集模塊20接收到信息分析模塊30發出的控制信號後，其中的溫度傳感器22、電流傳感器23和電壓傳感器24分別對電池芯11檢測、採集電池的溫度、電流和電壓，並將這些電池的性能信息發送到第一通信單元21。第一通信單元21將這些電池的性能信息經由信號傳輸電路40傳送到信息分析模塊30的第二通信單元31並繼而存儲在數據存儲單元33中。步驟105，評估電池性能是否正常。信息分析模塊30根據其在步驟104中接收到的電池的性能信息評估電池性能是否正常。具體地，信息分析模塊30的評估單元34根據接收到的電池的性能信息評估電池健康狀態置信度，這可以通過使用現有的評估軟體實現。其中，電池健康狀態置信度越高，則電池的失效概率越低；電池健康狀態置信度越低，則電池的失效概率越高。當評估的電池健康狀態置信度低於設定值，則評估電池性能不正常，進入步驟109 ;當評估的電池健康狀態置信度不低於設定值，則評估電池性能正常，進入步驟106。步驟106，預測電池形變。信息分析模塊30根據其在步驟104中接收到的電池的性能信息預測各電池芯的形變量，具體地，信息分析模塊30的評估單元34根據接收到的電池的性能信息預測各電池芯的形變量，這可以通過使用現有的預測形變量的模型實現。步驟107,電池壽命估計。信息分析模塊30根據其在步驟104中接收到的電池的性能信息評估電池的壽命衰退，具體地，信息分析模塊30的評估單元34根據接收到的電池的性能信息預測電池組10的壽命衰退，包括電池組10的剩餘壽命或電池組10剩餘可充電次數,這可以通過使用現有的預測壽命衰退的模型實現。步驟108，判斷電池未來性能是否正常。信息分析模塊30根據其在步驟104中接收到的電池的性能信息判斷電池的安全狀態，具體地，信息分析模塊30的評估單元34根據接收到的電池的性能信息預測電池組10的安全狀態，即電池組的未來性能。判斷電池組10的安全狀態包括判斷電池組10是否突發故障、是否突發失效、是否高溫熔化和是否發生漏液，這可以通過使用現有的判斷安全狀態的模型實現。當評估單元34判斷電池組突發故障、突發失效、高溫熔化和/或發生漏液時，電池組10的安全狀態被評估為不安全，進入步驟109 ;當評估單元34判斷電池組不會突發故障、突發失效、高溫熔化和/或發生漏液時，電池組10的安全狀態被評估為安全，進入步驟101。其中，電池組10突發故障是指電池組10突然發生升溫、接觸不良、輸出不穩定和/或電解液洩漏等故障。評估單元34將評估結果發送到存儲單元33以存儲該評估結果，同時將上述的評估結果發送到趨勢預測單元36。趨勢預測單元36根據該評估結果對電池組10的壽命衰退的趨勢進行短期預測，即判斷電池組10是否將在未來短期內發生不安全的狀態。若在短期內電池性能下降趨勢很快，則表明電池組10將在未來短期內發生不安全的狀態，進入步驟109。步驟109，電池芯異常警告。信息分析模塊30的報警單元35發出警報。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域的技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
權利要求
1.一種電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法，其特徵在於，包括 設置信息採集模塊，所述信息採集模塊與電動車的電池相連； 所述信息採集模塊採集所述電池的電池芯的形變信息並將所述形變信息傳輸到信息分析模塊； 所述信息分析模塊根據所述形變信息判斷所述電池芯的形變是否正常，並在所述形變不正常的情況下發送控制信號到所述信息採集模塊，以指令所述信息採集模塊採集所述電池的性能信息； 所述信息分析模塊根據所述性能信息評估所述電池的壽命衰退和安全狀態。
2.如權利要求1所述的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法，其中所述信息採集模塊包括溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、形變傳感器和第一通信單元；所述溫度傳感器用以測量所述電池的溫度，所述電流傳感器用以測量所述電池的電流，所述電壓傳感器用以測量所述電池的電壓，所述形變傳感器用以測量所述電池芯的形變量，所述第一通信單元用以發送所述形變信息和所述性能信息；所述電池的所述電流包括所述電池的充電電流和放電電流。
3.如權利要求2所述的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法，其中所述形變信息是所述電池芯的所述形變量；所述性能信息包括所述電池的所述溫度、所述電流和所述電壓。
4.如權利要求3所述的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法，其中所述信息分析模塊通過將所述電池芯的所述形變量與形變閾值進行比較，在所述形變量不大於所述形變閾值時判斷所述電池芯的形變為正常，在所述形變量大於所述形變閾值時判斷所述電池芯的形變為不正常。
5.如權利要求4所述的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法，其中所述信息分析模塊包括第二通信單元、閾值判定單元、數據存儲單元、評估單元和報警單元；所述第二通信單元用以接收所述形變信息和所述性能信息以及發送所述控制信號；所述閾值判定單元將所述電池芯的所述形變量與所述形變閾值進行比較；所述評估單元評估所述電池的所述壽命衰退和所述安全狀態；當所述安全狀態被評估為不安全時，所述報警單元發出警報。
6.如權利要求1或5所述的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法，其中所述信息採集模塊通過信號傳輸電路連接到所述信息分析模塊，所述信息採集模塊將所述形變信息和所述性能信息通過所述信號傳輸電路發送到所述信息分析模塊，所述信息分析模塊通過信號傳輸電路將所述控制信號發送到所述信息採集模塊。
7.如權利要求6所述的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法，其中所述評估所述電池的所述壽命衰退是指預測所述電池的剩餘壽命或所述電池的剩餘可充電次數。
8.如權利要求7所述的電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法，其中所述評估所述電池的所述安全狀態包括判斷所述電池是否突發故障、是否突發失效、是否高溫熔化和是否發生漏液；當所述評估單元判斷所述電池突發故障、突發失效、高溫熔化和/或發生漏液時，所述安全狀態被評估為不安全。
9.一種電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估系統，包括信息採集模塊和信息分析模塊；所述信息採集模塊與電動車的電池相連，其採集所述電池的電池芯的形變信息並將.所述形變信息傳輸到信息分析模塊；所述信息分析模塊根據所述形變信息判斷所述電池芯的形變是否正常，並在所述形變不正常的情況下發送控制信號到所述信息採集模塊，以指令所述信息採集模塊採集所述電池的性能信息；所述信息分析模塊根據所述性能信息評估所述電池的壽命衰退和安全狀態。
全文摘要
本發明公開了一種電動車電池的壽命衰退和安全狀態的評估方法及其系統，包括設置信息採集模塊，信息採集模塊與電動車的電池相連；信息採集模塊採集電池的電池芯的形變信息並將形變信息傳輸到信息分析模塊；信息分析模塊根據形變信息判斷電池芯的形變是否正常，並在形變不正常的情況下發送控制信號到信息採集模塊，以指令信息採集模塊採集電池的性能信息；信息分析模塊根據性能信息評估電池的壽命衰退和安全狀態。本發明通過將電池芯的形變信息和該電池的性能信息結合起來對電池的壽命衰退和安全狀態進行評估，既能快速、節能地作出評估結果，又能保證評估結果的精度，具有很高的實用性。
文檔編號G01R31/36GK103018681SQ20121055692
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者李 傑, 黃奕翔 申請人:上海交通大學