一種電池過充過放保護方法以及系統與流程
2023-05-01 04:59:21
本發明涉及電子電力技術領域，尤其涉及一種電池過充過放保護方法以及系統。
背景技術：
隨著科學技術的發展及自然資源的過度使用和短缺，人類對新能源的開發及運用技術不斷的成熟，太陽能、風能、電動汽車等等耳目一新的高新產業逐漸走進我們的生活，標誌著新能源時代的到來，而作為這所有一切的發動機——電池，大批量化、高效化、綠色化卻成為所有電池生產廠家所急需解決的問題。
隨著電池在各行各業的廣泛使用，電池產量日漸增大。電池在大批量的生產過程中，有一定概率出現過充、過放的問題。過充輕則電池鼓包報廢，重則電池起火，引起生產安全事故，造成生命和財產損失。過放減少了電池的壽命，使得電池更早報廢，造成嚴重損失和浪費。
電池過充過放的主要原因在於電池電壓採樣測量不準。目前主流的電池電壓採樣方式是用導線或者彈簧金屬針去連接電池的正負極。導線和金屬針都存在接觸不良或者鬆動的問題。金屬針使用時間長了以後，有可能出現變形，以及彈簧疲勞的問題。為解決此問題，有方案提出使用兩路電池電壓採樣電路同時採用同一個電池電壓，也即增加一路冗餘的電池電壓採樣，只要其中一路採樣出現問題，就發出警告，並停止電池充放電。但是這種方案提高了系統的複雜度，增加了故障率，增加了成本。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述缺陷，提供一種電池過充過放保護方法以及系統。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：構造一種電池過充過放保護方法，包括：
以預設時間間隔採樣電池電壓和電池電流；
基於每次的採樣結果，依次執行電壓採樣線接觸不穩的一次保護邏輯、電壓採樣線掉落的保護邏輯、電壓採樣線接觸不穩的二次保護邏輯、電壓採樣電路故障的保護邏輯；
如果任意一個保護邏輯不合格，則判定電池電壓異常，停止電池的充放電。
在本發明所述的電池過充過放保護方法中，電壓採樣線接觸不穩的一次保護邏輯包括：
計算當前採樣到的電池電壓與前次採樣到的電池電壓之間的電壓波動值；
如果計算到的電壓波動值在預設的電壓波動範圍內，則判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行；否則，判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行。
在本發明所述的電池過充過放保護方法中，電壓採樣線掉落的保護邏輯包括：
計算當前採樣到的電池電壓相比前次採樣到的電池電壓的電壓下降值；
如果計算到的電壓下降值在預設的電壓下降範圍內，則判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行；否則，判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行。
在本發明所述的電池過充過放保護方法中，電壓採樣線接觸不穩的二次保護邏輯包括：
計算當前採樣到的電池電流相比前次採樣到的電池電流的電流上升值；
如果計算到的電流上升值在預設的電流上升範圍之外且當前的充電模式為恆壓充電模式，則判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行；否則，判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行。
在本發明所述的電池過充過放保護方法中，所述電壓採樣電路故障的保護邏輯包括：
基於當前採樣到的電池電流和預設時間間隔進行積分運算得到當前的預設時間間隔內充電增加或者放電減小的電池容量；
如果自前一個清零時刻到當前時刻內的所有的預設時間間隔內的充電增加/放電減小的電池容量的累加值沒有達到預設電池容量，則退出當前的保護邏輯，否則，繼續下一步驟；
計算當前採樣到的電池電壓相比前次採樣到的電池電壓的充電電壓上升值/放電電壓下降值；
如果計算到的充電電壓上升值/放電電壓下降值在預設的電壓變化值之內，則判斷當前的保護邏輯不合格；否則，判斷當前的保護邏輯合格；
其中，所述的清零時刻定義為：初始採樣時刻，或者充電增加/放電減小的電池容量的累加值達到預設電池容量的採樣時刻。
本發明還公開了一種電池過充過放保護系統，包括：
採樣電路，用於以預設時間間隔採樣電池電壓和電池電流；
邏輯保護模塊，用於基於每次的採樣結果，依次執行電壓採樣線接觸不穩的一次保護邏輯、電壓採樣線掉落的保護邏輯、電壓採樣線接觸不穩的二次保護邏輯、電壓採樣電路故障的保護邏輯；
故障處理模塊，用於在任意一個保護邏輯不合格時，停止電池的充放電。
在本發明所述的電池過充過放保護系統中，所述邏輯保護模塊包括用於執行電壓採樣線接觸不穩的一次保護邏輯的第一邏輯保護模塊，所述第一邏輯保護模塊包括：
電壓波動值計算單元，用於計算當前採樣到的電池電壓與前次採樣到的電池電壓之間的電壓波動值；
第一邏輯控制單元，用於在計算到的電壓波動值在預設的電壓波動範圍內時，判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行；否則，判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行。
在本發明所述的電池過充過放保護系統中，所述邏輯保護模塊包括用於執行電壓採樣線掉落的保護邏輯的第二邏輯保護模塊，所述第二邏輯保護模塊包括：
電壓下降值計算單元，用於計算當前採樣到的電池電壓相比前次採樣到的電池電壓的電壓下降值；
第二邏輯控制單元，用於在計算到的電壓下降值在預設的電壓下降範圍內時，判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行；否則，判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行。
在本發明所述的電池過充過放保護系統中，所述邏輯保護模塊包括用於執行電壓採樣線接觸不穩的二次保護邏輯的第三邏輯保護模塊，所述第三邏輯保護模塊包括：
電流上升值計算單元，用於計算當前採樣到的電池電流相比前次採樣到的電池電流的電流上升值；
第三邏輯控制單元，用於在計算到的電流上升值在預設的電流上升範圍之外且當前的充電模式為恆壓充電模式時，判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行；否則，判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行。
在本發明所述的電池過充過放保護系統中，所述邏輯保護模塊包括用於執行電壓採樣電路故障的保護邏輯的第四邏輯保護模塊，所述第四邏輯保護模塊包括：
當前電池容量變化計算單元，用於基於當前採樣到的電池電流和預設時間間隔進行積分運算得到當前的預設時間間隔內充電增加或者放電減小的電池容量；
累計電池容量變化比較單元，用於在自前一個清零時刻到當前時刻內的所有的預設時間間隔內的充電增加/放電減小的電池容量的累加值沒有達到預設電池容量時，觸發退出當前的保護邏輯，否則，觸發電壓變化計算單元工作；
電壓變化計算單元，用於計算當前採樣到的電池電壓相比前次採樣到的電池電壓的充電電壓上升值/放電電壓下降值；
第四邏輯控制單元，用於在計算到的充電電壓上升值/放電電壓下降值在預設的電壓變化值之內時，判斷當前的保護邏輯不合格；否則，判斷當前的保護邏輯合格；
其中，所述的清零時刻定義為：初始採樣時刻，或者充電增加/放電減小的電池容量的累加值達到預設電池容量的採樣時刻。
實施本發明的電池過充過放保護方法以及系統，具有以下有益效果：本發明基於現有的採樣電路的採樣結果，執行四層保護邏輯，可以針對電壓採樣線接觸不穩、電壓採樣線掉落、電壓採樣電路故障這些導致採樣電壓異常的情況進行邏輯保護，無需增加硬體設備，極大地提高電池充放電的安全係數。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖：
圖1是本發明的電池過充過放保護方法的流程圖；
圖2是本發明電池過充過放保護系統的結構示意圖。
具體實施方式
由於鋰電池充電過程中，電池首先進行恆流充電，恆流充電階段電池電流穩定，電池電壓穩步平滑上升；達到預設電壓後，電池轉入恆壓充電，恆壓充電階段電池電壓保持穩定，電池電流平滑下降，當電池電流下降到設定的閥值時，充電完成。如果電池充電過程中出現鼓包、或者起火，那基本上都會反應到充電曲線上。比如採樣接觸不良導致電池電壓出現無序的跳動，再比如採樣線掉線則導致電池電壓出現明顯跌落等等。
本發明利用電池電壓、電池電流和電池容量來設計保護邏輯。對於同一個型號的電池，可以通過反覆多次的充電和放電來獲取電池的特性曲線。根據實際的電池曲線就能設定實際保護參數。
為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術方案進行詳細的說明，應當理解本發明實施例以及實施例中的具體特徵是對本申請技術方案的詳細的說明，而不是對本申請技術方案的限定，在不衝突的情況下，本發明實施例以及實施例中的技術特徵可以相互組合。
參考圖1，是本發明的電池過充過放保護方法的流程圖。本發明的電池過充過放保護方法包括：
S100、以預設時間間隔採樣電池電壓和電池電流；
S200、基於每次的採樣結果，依次執行電壓採樣線接觸不穩的一次保護邏輯、電壓採樣線掉落的保護邏輯、電壓採樣線接觸不穩的二次保護邏輯、電壓採樣電路故障的保護邏輯；
S300、如果任意一個保護邏輯不合格，則判定電池電壓異常，停止電池的充放電。
下面對四層保護進行詳細闡述。
第一層邏輯保護，電壓採樣線接觸不穩的一次保護邏輯，具體包括：
S211、計算當前採樣到的電池電壓與前次採樣到的電池電壓之間的電壓波動值；
S212、如果計算到的電壓波動值在預設的電壓波動範圍內，則判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行；否則，判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行。
例如，較佳實施例中，對於同一個型號的電池，根據獲取電池的特性曲線設定預設的電壓波動範圍為10mV以內。假如採樣時的預設時間間隔為1s，即1s內電壓波動值超過10mV則認為接觸不良導致採樣電壓異常。
第二層邏輯保護，電壓採樣線掉落的保護邏輯包括，具體包括：
S221、計算當前採樣到的電池電壓相比前次採樣到的電池電壓的電壓下降值；
S222、如果計算到的電壓下降值在預設的電壓下降範圍內，則判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行；否則，判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行。
例如，較佳實施例中，對於同一個型號的電池，根據獲取電池的特性曲線設定預設的電壓下降範圍為0.5V以內。假如採樣時的預設時間間隔為1s，即1s內電壓下降值超過0.5V則認為電壓採樣線掉落導致採樣電壓異常。
第三層邏輯保護，電壓採樣線接觸不穩的二次保護邏輯包括，具體包括：
S231、計算當前採樣到的電池電流相比前次採樣到的電池電流的電流上升值；
S232、如果計算到的電流上升值在預設的電流上升範圍之外且當前的充電模式為恆壓充電模式，則判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行；否則，判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行。
例如，較佳實施例中，對於同一個型號的電池，根據獲取電池的特性曲線設定預設的電流上升範圍為500mA以內。假如採樣時的預設時間間隔為1s，即1s內電流上升值超過500mA則認為電壓採樣線接觸不良導致採樣電壓異常。
第四層邏輯保護，所述電壓採樣電路故障的保護邏輯包括，具體包括：
S241、基於當前採樣到的電池電流和預設時間間隔進行積分運算得到當前的預設時間間隔內充電增加或者放電減小的電池容量；
S242、如果自前一個清零時刻到當前時刻內的所有的預設時間間隔內的充電增加/放電減小的電池容量的累加值沒有達到預設電池容量，則退出當前的保護邏輯，否則，繼續下一步驟；
其中，所述的清零時刻定義為：初始採樣時刻，或者充電增加/放電減小的電池容量的累加值達到預設電池容量的採樣時刻；
S243、計算當前採樣到的電池電壓相比前次採樣到的電池電壓的充電電壓上升值/放電電壓下降值；
S244、如果計算到的充電電壓上升值/放電電壓下降值在預設的電壓變化值之內，則判斷當前的保護邏輯不合格；否則，判斷當前的保護邏輯合格。
例如，較佳實施例中，對於同一個型號的電池，根據獲取電池的特性曲線設定充電增加或者放電減小的電池容量為3000mAh、電壓變化值為2mV。即當累計電池容量為3000mAh時，如果充電電壓上升值/放電電壓下降值小於2mV，則認為電壓採樣電路故障不良導致採樣電壓異常。
可見，本發明設置簡單，通過修改參數，能適應不同的電池。能有效減少電池鼓包和電池起火，延長電池使用壽命。算法簡單，普通的單片機的計算能力都能實現。例如，可以使用TI F28069DSP執行邏輯保護算法，電池的電壓和電流採樣使用ADI的AD7689晶片進行採樣。如果出現電壓採樣有異常，馬上會讓電池停止充放電，並發出告警，從而有效的幫助客戶保護電池，減少電池生產故障，提高生產效率。
相應的，本發明還公開了一種電池過充過放保護系統，參考圖2，是本發明電池過充過放保護系統的結構示意圖，系統包括：
採樣電路100，用於以預設時間間隔採樣電池電壓和電池電流；
邏輯保護模塊200，用於基於每次的採樣結果，依次執行電壓採樣線接觸不穩的一次保護邏輯、電壓採樣線掉落的保護邏輯、電壓採樣線接觸不穩的二次保護邏輯、電壓採樣電路故障的保護邏輯；
故障處理模塊300，用於在任意一個保護邏輯不合格時，停止電池的充放電。
其中，所述邏輯保護模塊200包括用於執行電壓採樣線接觸不穩的一次保護邏輯的第一邏輯保護模塊210、用於執行電壓採樣線掉落的保護邏輯的第二邏輯保護模塊220、用於執行電壓採樣線接觸不穩的二次保護邏輯的第三邏輯保護模塊230、用於執行電壓採樣電路故障的保護邏輯的第四邏輯保護模塊240。
具體的，所述第一邏輯保護模塊210包括：
電壓波動值計算單元，用於計算當前採樣到的電池電壓與前次採樣到的電池電壓之間的電壓波動值；
第一邏輯控制單元，用於在計算到的電壓波動值在預設的電壓波動範圍內時，判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行；否則，判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行。
具體的，所述第二邏輯保護模塊220包括：
電壓下降值計算單元，用於計算當前採樣到的電池電壓相比前次採樣到的電池電壓的電壓下降值；
第二邏輯控制單元，用於在計算到的電壓下降值在預設的電壓下降範圍內時，判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行；否則，判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行。
具體的，所述第三邏輯保護模塊230包括：
電流上升值計算單元，用於計算當前採樣到的電池電流相比前次採樣到的電池電流的電流上升值；
第三邏輯控制單元，用於在計算到的電流上升值在預設的電流上升範圍之外且當前的充電模式為恆壓充電模式時，判斷當前的保護邏輯不合格，觸發後續保護邏輯的停止執行；否則，判斷當前的保護邏輯合格，並觸發下一個保護邏輯的執行。
具體的，所述第四邏輯保護模塊240包括：
當前電池容量變化計算單元，用於基於當前採樣到的電池電流和預設時間間隔進行積分運算得到當前的預設時間間隔內充電增加或者放電減小的電池容量；
累計電池容量變化比較單元，用於在自前一個清零時刻到當前時刻內的所有的預設時間間隔內的充電增加/放電減小的電池容量的累加值沒有達到預設電池容量時，觸發退出當前的保護邏輯，否則，觸發電壓變化計算單元工作；其中，所述的清零時刻定義為：初始採樣時刻，或者充電增加/放電減小的電池容量的累加值達到預設電池容量的採樣時刻；
電壓變化計算單元，用於計算當前採樣到的電池電壓相比前次採樣到的電池電壓的充電電壓上升值/放電電壓下降值；
第四邏輯控制單元，用於在計算到的充電電壓上升值/放電電壓下降值在預設的電壓變化值之內時，判斷當前的保護邏輯不合格；否則，判斷當前的保護邏輯合格。
綜上所述，本發明基於現有的採樣電路的採樣結果，執行四層保護邏輯，可以針對電壓採樣線接觸不穩、電壓採樣線掉落、電壓採樣電路故障這些導致採樣電壓異常的情況進行邏輯保護，無需增加硬體設備，極大地提高電池充放電的安全係數。
上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。