帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組採集系統及方法與流程

2024-03-08 19:25:15

本發明涉及鋰電池模組的電池管理系統，具體的說是一種帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組採集系統及方法。

背景技術：

電池供電電子設備在現代社會的應用越來越普及。手持設備的快速擴張和電動汽車等類似應用的普及導致了對電池技術的需求越來越高。然而電池在應用擴展的同時也帶來了相應的安全問題，除了在電池設計、生產時考慮安全因素，電池供電設備的可靠運行也離不開電池管理系統，它包括充電控制，電池容量監控，剩餘運行時間估計，均衡和壽命估測等功能，而所有這些功能的前提是儘可能準確的採集電池模組的各項參數，如電壓，溫度等。

現有很多電池管理系統採用分級的結構，即控制板與採集板在結構和功能上分開，採集板使用採集晶片進行差分電壓採樣，並通過總線上傳至控制板，控制板上的上位機進行儲存、處理、診斷等工作。由於涉及電池安全的事件如熱失控等現象發生時往往非常迅速，即使短時間的通訊幹擾或通訊中斷也可能會導致系統對電池故障的響應不及時，進而造成嚴重後果。並且單純將採集數據上傳至上位機，缺乏時間和故障信息並不足以反映電池模組的全部狀態，如果將參數估算、故障診斷、增加時間信息等工作全部交給上位機處理，當電池模組規模較大時則會加重上位機的負荷。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種能穩定迅速處理嚴重事故，分擔處理器負荷的帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組採集系統及方法。

為了解決以上技術問題，本發明採用的技術方案為：一種附帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組採集系統，包括數據採集單元、一級數據處理單元以及二級數據處理單元；所述數據採集單元包括用於測量電池模組中電池單體差分電壓的電壓採集模塊、電流採集模塊以及用於採集同一電池單體表面和內部兩個溫度的溫度採集模塊；所述一級數據處理單元包括一級處理器mcu以及與一級處理器mcu通訊連接的實時時鐘和can通信模塊，在一級處理器mcu中存儲有一組電池故障時表面溫度和內部溫度的對比數據，用於供一級處理器mcu根據接收到的溫度信息判斷電池模組故障類型；所述二級數據處理單元包括二級處理器cpu以及與二級處理器cpu通訊連接的通信接口；所述一級處理器mcu的輸入端分別與電壓採集模塊、電流採集模塊、溫度採集模塊以及實時時鐘通訊連接，一級處理器mcu與can通信模塊之間通過i/o接口進行交互，一級處理器mcu上i/o接口中一個輸出引腳直接與通信接口輸入端相連，can通信模塊的輸出端通過故障信息總線和採集信息總線與通信接口的輸入端相連。

優選的，所述電壓採集模塊、電流採集模塊和溫度採集模塊分別通過電纜和設置於電池模組上的外部接口與電池模組相連；電壓採集模塊提供不少於十二路的電壓採集通道，電流採集模塊提供不少於兩路的電流採集通道，溫度採集模塊提供不少於六路的溫度採集通道。

優選的，所述電壓採集模塊包括第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片，第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片均為高精度電池監控和保護晶片，第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片分別通過接口與電池模組中的串聯單體直接連接並用於測量每一個單體的差分電壓，其中第一電壓採集晶片用於測量高電位電池電壓，第二電壓採集晶片用於測量低電位電壓，在第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片之間以及第二電壓採集晶片與一級處理器mcu之間分別設有一組總線進行交互，每組總線均包括數據總線和狀態總線。

優選的，所述溫度採集模塊包括用於分別測量電池模組表面溫度和內部溫度的第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，第一溫度傳感器設置在電池模組的外殼上，第二溫度傳感器設置在電池模組單體內的兩個電池軟包之間。

優選的，所述電流採集模塊為霍爾電流傳感器。

優選的，所述一級處理器mcu為可提供嚴重和常規二級鋰電池故障診斷機制的汽車級16位處理器。

一種鋰電池模組的二級故障診斷和處理方法，其特徵在於：包括以下步驟：

1）、系統初始化；

2）、通過電壓採集模塊、電流採集模塊以及溫度採集模塊完整採集電池數據；

3）、通過一級處理器mcu判斷電池內外溫度及電池內外溫差是否達到第一溫度門限，如果達到第一溫度門限，一級處理器mcu通過其i/o接口中的一個輸出引腳直接報警至二級處理器cpu，並立切斷電池模組進行即保護；如果未達到第一溫度門限，進行步驟4）；

4）、通過一級處理器mcu判斷電池內外溫度及電池內外溫差是否達到第二溫度門限，如果達到第二溫度門限，由一級處理器mcu進行高低溫診斷並將診斷出的故障信息和由溫度採集模塊採集的溫度信息通過can通信模塊傳輸至二級處理器cpu；如果未達到第二溫度門限，進行步驟5）；

5）、通過一級處理器mcu判斷由電壓採集模塊所採集的電壓是否小於系統預設的最低電壓門限或高於系統預設的最高電壓門限，如果小於最低電壓門限或高於最高電壓門限，一級處理器mcu進行過欠壓診斷並將診斷出的故障信息和由電壓採集模塊採集的電壓信息通過can通信模塊傳輸至二級處理器cpu；如果由電壓採集模塊所採集的電壓在最低電壓門限和最高電壓門限之間，則由以及處理器mcu將由溫度採集模塊、電壓採集模塊以及電流採集模塊分別採集的溫度信息、電壓信息以及電流信息分別通過can通信模塊傳遞至二級處理cpu；6）、步驟2）至步驟5）重複循環。

優選的，所述第一溫度門限中對應第一溫度傳感器所測溫度的門限值為75-85℃，對應第二溫度傳感器所測溫度的門限值為105-115℃，對應第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測溫差的門限值為30-35℃。

優選的，所述第二溫度門限中對應第一溫度傳感器所測溫度的門限值為65-75℃，對應第二溫度傳感器所測溫度的門限值為80-90℃，對應第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測溫差的門限值為20-25℃。

有益效果

本發明的採集系統除了進行常規的電池外特性數據採集之外，增加了一級處理器mcu，一級處理器mcu分析採集信息實施監測和故障診斷功能，通過採集數據的初步分析判定電池組的狀態，將附帶故障診斷信息的參數數據置於數據總線上傳遞至二級處理器cpu。一級處理器mcu本身也能夠在緊急情況下自行處理較嚴重的電池故障，並繞過通信總線直接上報二級處理器cpu。這樣的採集系統具有一定的自主功能，有效緩解上級處理器的處理壓力，精度高，響應快，具有良好的可靠性和擴展性，適用於電動汽車和儲能電站等大規模電池模組。與現有技術相比具有以下優點。

1)數據採集單元本身帶有故障診斷和時間信息，大量減少上二級處理器cpu的負荷，同時方便查找歷史故障信息；

2)發生嚴重故障後的報警信息來自採集系統，通過獨立傳輸而不依賴於can通信模塊，加快故障響應時間，確保電池系統可靠性；

3)溫度採集模塊分別採集電池溫度表面和內部溫度，並將內外溫差作為故障診斷的依據之一；

4)提供電池模組二級保護。通過診斷，當電池模組中出現不影響系統安全的故障時，系統不進行處理，將故障情況記錄並經can通信模塊上傳；當診斷電池模組出現嚴重故障並危及電池模組和系統應用時，及時進行保護並跳過can通信模塊直接將報警信息傳遞給二級處理器cpu。

附圖說明

圖1為本發明的結構框架示意圖；

圖2為本發明的電壓採集模塊中第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片的設置示意圖；

圖3為本發明的溫度採集模塊中第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的設置示意圖；

圖4為鋰電池模組故障時第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測溫度的曲線圖；

圖5為本發明的二級故障診斷和處理的流程圖；

圖中標記：1、外殼，2、電池軟包，3、第一溫度傳感器，4、第二溫度傳感器，5、電池外殼蓋板，6、電池極耳。

具體實施方式

如圖1至圖5所示，本發明的一種帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組採集系統，包括數據採集單元、一級數據處理單元以及二級數據處理單元。數據採集單元包括電壓採集模塊、電流採集模塊以及溫度採集模塊；一級數據處理單元包括一級處理器mcu以及與一級處理器mcu通訊連接的實時時鐘和can通信模塊；二級數據處理單元包括二級處理器cpu以及與二級處理器cpu通訊連接的通信接口。

一級處理器mcu的輸入端分別與電壓採集模塊、電流採集模塊、溫度採集模塊以及實時時鐘通訊連接，一級處理器mcu與can通信模塊之間通過i/o接口進行交互，一級處理器mcu上i/o接口中一個輸出引腳直接與通信接口輸入端相連，can通信模塊的輸出端通過故障信息總線和採集信息總線與通信接口的輸入端相連。電壓採集模塊、電流採集模塊和溫度採集模塊分別通過電纜和設置於電池模組上的外部接口與電池模組相連；電壓採集模塊提供不少於十二路的電壓採集通道，電流採集模塊提供不少於兩路的電流採集通道，溫度採集模塊提供不少於六路的溫度採集通道。

電壓採集模塊包括第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片，可通過級聯擴展測量電池數量，並提供過壓、欠壓、過溫和低溫保護機制。第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片均為高精度電池監控和保護晶片，該晶片可測量3-6節電池電壓並可進行級間均衡，晶片可級聯進一步擴展電池數量。第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片分別通過接口與電池模組中的串聯單體直接連接並用於測量每一個單體的差分電壓，其中第一電壓採集晶片用於測量高電位電池電壓，第二電壓採集晶片用於測量低電位電壓，在第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片之間以及第二電壓採集晶片與一級處理器mcu之間分別設有一組總線進行交互，每組總線均包括數據總線和狀態總線。數據總線通過spi接口完成第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片間的數據交互並將所有測量數據上傳至一級處理器mcu；狀態總線用於第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片間及第二電壓採集晶片與一級處理器mcu間狀態的交互，包括由一級處理器mcu發送的同步轉換信號，以及第一電壓採集晶片和第二電壓採集晶片的數據準備好信號、報警信號及故障信號。這裡的故障信號針對過充和過放兩種情況，能夠診斷並提供相應的報警信號；並能根據電池和應用類型靈活設置過充和過放門限及故障相應時間。

溫度採集模塊包括用於分別測量電池模組表面溫度和內部溫度的第一溫度傳感器3和第二溫度傳感器4，並將內外部溫度及內外溫差變化率作為故障診斷的依據之一。兩個傳感器均為測溫晶片18b20，這樣的總線型溫度測量機制在主控mcu接口有限的情況下儘可能多的進行電池單體溫度監控並方便測溫點數的拓展。第一溫度傳感器3和第二溫度傳感器4都設置在靠近電池極耳6的電池溫度相對較高位置，進行電池單體溫度監控並方便測溫點數的拓展，第一溫度傳感器3設置在電池模組的外殼1上，第二溫度傳感器4設置在電池模組中電池單體內的兩個電池軟包2之間。如圖4所示，本發明同時給出了一組電池故障時表面溫度與內部溫度的對比數據，在正常情況下電池內外溫差保持相對穩定，一旦電池出現異常情況，兩者的差異就會逐漸拉大，並有可能導致熱失控；當電池表面溫度在60℃左右時，電池內部溫度已經達到比較危險的120℃，並有進一步上升至電池隔膜熔點一般在130-140℃的趨勢；當在4250s左右溫度有一小段溫度階躍，能暗示電池狀態的變化，然而該階躍在外部溫度數據中由於熱傳遞過程而被中和掉。因此本專利採用電池單體內外溫度及其溫差變化作為故障診斷的依據之一。

電流採集模塊為霍爾電流傳感器,安裝方便，響應速度快，抗幹擾能力強，適用於工業現場，並通過採樣電阻變換為電壓數據後傳遞給一級處理器mcu。

一級處理器mcu為可提供嚴重和常規二級鋰電池故障診斷機制的汽車級16位處理器。一級處理器mcu接受來自數據採集單元的測量數據和實時時鐘的實時時鐘數據；一級處理器mcu對採集數據進行整理、歸檔、分析和上傳，並根據內外溫差及電壓採集模塊的故障信號，診斷電池模組發生的故障類型及嚴重程度進而進行相應處理；

如果發生常規故障，不會對電池模組帶來較嚴重後果，一級處理器mcu判斷後記錄故障類型，並將故障信息連同採集數據一起送進can通信模塊，交給二級處理器cpu處理。

如果診斷出發生嚴重故障，將由採集系統的一級處理器mcu直接處理，執行電池組保護機制，並將報警信號跳過can通信模塊，直接置於通信接口供二級處理器cpu處理；

故障診斷的類型包括過充、過放、高溫、低溫和過流，並根據故障的嚴重程度設置兩個溫度門限，對應常規故障和嚴重故障；

如果檢測出電池模組發生嚴重故障，可能引發安全事故，將會發出報警信號，該信號不通過can通信模塊直接置於通信接口，這樣的配置用於防止短時間的通訊幹擾或通訊中斷使電池管理系統對電池模組失去監控，提高電池管理系統對故障的響應速度和整個系統的穩定性。

本發明的一種鋰電池模組的二級故障診斷和處理方法基於上述一種帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組採集系統，包括以下步驟：

1）、系統初始化；

2）、通過電壓採集模塊、電流採集模塊以及溫度採集模塊完整採集電池數據；

3）、通過一級處理器mcu判斷電池內外溫度及電池內外溫差是否達到第一溫度門限，第一溫度門限中對應第一溫度傳感器所測溫度的門限值為75-85℃，對應第二溫度傳感器所測溫度的門限值為105-115℃，對應第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測溫差的門限值為30-35℃。如果達到第一溫度門限，一級處理器mcu通過其i/o接口中的一個輸出引腳直接報警至二級處理器cpu，並立切斷電池模組進行即保護；如果未達到第一溫度門限，進行步驟4）；

4）、通過一級處理器mcu判斷電池內外溫度及電池內外溫差是否達到第二溫度門限，第二溫度門限中對應第一溫度傳感器所測溫度的門限值為65-75℃，對應第二溫度傳感器所測溫度的門限值為80-90℃，對應第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測溫差的門限值為20-25℃。如果達到第二溫度門限，由一級處理器mcu進行高低溫診斷並將診斷出的故障信息和由溫度採集模塊採集的溫度信息通過can通信模塊傳輸至二級處理器cpu；如果未達到第二溫度門限，進行步驟5）；

5）、通過一級處理器mcu判斷由電壓採集模塊所採集的電壓是否小於系統預設的最低電壓門限或高於系統預設的最高電壓門限，如果小於最低電壓門限或高於最高電壓門限，一級處理器mcu進行過欠壓診斷並將診斷出的故障信息和由電壓採集模塊採集的電壓信息通過can通信模塊傳輸至二級處理器cpu；如果由電壓採集模塊所採集的電壓在最低電壓門限和最高電壓門限之間，則由以及處理器mcu將由溫度採集模塊、電壓採集模塊以及電流採集模塊分別採集的溫度信息、電壓信息以及電流信息分別通過can通信模塊傳遞至二級處理cpu；

6）、步驟2）至步驟5）重複循環。