一种电池安全状态管理系统及方法与流程

本发明涉及电池领域，特别是涉及一种电池安全状态管理系统及方法。
背景技术：
：目前，电池在各领域的应用越来越广泛，几乎包括了我们的生活、生产、科研的所有领域。尤其是近期，国内外新能源汽车发展迅速，电池的需求量越来越大，对电池的性能要求也越来越高。特别是电池的安全性，是电池系统的最重要的性能。正是由于电池安全状态管理的缺失，导致电池起火和爆炸事故频发。仅国内电动汽车领域近一年来，已经发生了十余起电动汽车锂离子电池的燃烧爆炸事故，严重影响了电动汽车的发展，已经引起了电动汽车领域的广泛关注。在电动汽车实际运行的工况下，电池的工作环境非常复杂，电流的突然增加，电压的突然变化，散热装置的故障引起的温度突然升高，都会引发电池的安全事故。对于电池应用的其他领域，安全性也同样重要。如储能电源，启动电源、备用电源领域。对于陆地、航海、航空、航天领域，火车、汽车、水面船舶及水下航潜器、飞机及其他飞行器，储能电站，电力系统，通讯机站及所有应用电池的场合，都存在电池发生燃烧爆炸安全事故的隐患。电池的燃烧爆炸安全事故是由多种原因引起的，而且具有一定的概率性因素，而现有的技术在应对电池的安全性事故上并没有进行较为深入的研究，电池使用的安全性隐患一直得不到很好的解决。技术实现要素：本发明的目的是提供一种电池安全状态管理系统及方法，能够对电池的安全状态进行定量化的描述与显示，让驾驶员或其他操作人员及时掌握电池安全情况，快速采取适当措施，有效防止安全事故发生，保障动力电池的安全运行。为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种电池安全状态管理系统，所述系统包括：电池系统安全度显示装置，所述电池系统安全度显示装置安装于操作人员的操作面板上，所述电池系统安全度显示装置用于显示所述电池模块的安全性分析结果、安全度，操作人员能够实时，快捷，直观，方便地看到电池系统的安全度；信号采集装置，所述信号采集装置用于采集电池模块的功能性参数，所述功能性参数包括电压、电流、电池内部压力、电池温度、荷电状态、环境温度、环境气压和电动汽车数据，所述电动汽车数据包括环境震动、电机转速、行驶车速和汽车位置；信号处理装置，所述信号处理装置用于对所述电池模块的功能性参数进行数学运算或逻辑运算，得到所述电池模块的安全性分析结果和安全度；通讯接口装置，所述通讯接口装置用于连接外围设备，所述外围设备包括键盘输入装置、控制装置，所述键盘输入装置用于根据不同的安全性要求，人工预先设定安全阈值、报警参数以及信号处理时所需的参数；所述控制装置用于发出报警指令以及控制指令；所述通讯接口装置与所述信号处理装置相连接，所述信号采集装置与所述信号处理装置相连接，所述电池系统安全度显示装置通过所述通讯接口装置与所述信号处理装置相连接。可选的，所述电池模块为铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、银锌电池或者锂硫电池。可选的，所述信号处理装置为可编程智能计算设备，所述可编程智能计算设备包括DSP数字信号处理器、数字计算机、工业控制机、可编程序控制器PLC和单片机嵌入式系统。可选的，所述通讯接口装置的通讯方式包括以太网、CAN总线、1553B总线、RS232总线、485总线、蓝牙或者wifi。可选的，所述电池系统安全度显示装置能够采用数字仪表显示或者模拟仪表显示。可选的，所述电池系统安全度显示装置能够采用LCD显示器、UFB显示器、STN显示器、OLED显示器、TFT显示器、LED显示器或者CRT显示器，或者电动汽车仪表盘、手机、MP4、MP5、ipad。为实现上述目的，本发明还提供了一种应用于上述电池安全状态管理系统中的电池安全状态管理方法，包括：实时采集电池模块的功能参数值，所述功能参数值包括电池的电压、电流、电池内部压力、电池温度、环境温度、环境气压、环境震动和荷电状态；对所述电池模块的功能参数值进行分析计算，得到所述电池的安全分析结果和电池模块的安全度；显示所述电池模块的安全分析结果和电池的安全度；判断所述电池模块的安全度是否超过了安全阈值，所述安全阈值由所述电池模块的物理特性决定，或者由用户设置；如果是，则发出警报指令。可选的，所述方法还包括：当所述电池模块的安全度超过了安全阈值时，发出控制指令，所述控制指令能够对装载有所述电池模块的系统进行控制，防止安全事故的发生。可选的，所述对所述电池模块的功能参数值进行分析计算，得到电池模块的安全度，具体包括：对所述电池模块的功能参数值采用数学运算或者逻辑关系运算，得到所述电池的安全度，所述数学运算包括加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分、相关分析，所述逻辑关系运算包括逻辑运算与、或、非。可选的，所述对所述电池模块的功能参数值进行分析计算，得到电池的安全度，还具体包括：采用数据查表、数学公式计算、试验结果记录、经验数据应用、理论推导对所述所述电池的功能参数值进行处理。根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明采用安全度这一参数值将电池的安全状态量化，安全度的值是具体根据电池的一系列参数、采用一系列计算方法计算得到，能够表征电池的安全程度，而且，本发明提供的系统及方法还能够将该安全度显示出来，以供工操作人员参考，避免了电池安全事故的发生。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例电池安全状态管理系统的结构示意图；图2为本发明实施例电池管理系统的一种液晶显示面板的示意图；图3为本发明实施例电池安全状态管理方法的流程示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的目的是提供一种能够对电池安全状态进行定量化描述及显示的电池安全状态管理系统及方法。目前科学界还没有定义有关定量描述电池安全性程度的科学术语，因此对于电池安全程度的评价非常粗糙，国际标准、国家标准都只规定“电池发生燃烧爆炸，则判断为电池不安全”，不能描述工作中的电池距离燃烧爆炸还有多远。因此，目前电池应用的领域尤其是电动汽车领域，急需一种合理描述电池安全状态的科学术语，例如“安全状态程度”或“安全度”。急需一种能够根据与安全性有关的参数测量，分析计算“安全度”的可行的方法，急需一种能及时显示当前电池安全状态程度的装置，让驾驶员或其他操作人员及时掌握电池安全情况，快速采取适当措施，有效防止安全事故发生，保障动力电池的安全运行。目前电池行业对电池的安全性分析和控制领域，还没有电池安全状态的明确的标准定义，严重影响了电池的安全应用。本发明在电池领域创新提出了“电池安全度”的概念，进一步给出了安全度分析计算方法，并在实际的电池管理系统中实现。本发明要解决的技术问题是提出一种能准确描述电池安全状态的术语定义，提出分析、计算、测量与显示方法，通过对电池电压、电流、温度等参数的数据采集，得出电池的安全度。进一步应用于工作中的电池管理系统，能够在电池工作中显示电池系统的安全状态。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。图1为本发明实施例电池安全状态管理系统的结构示意图，如图1所示，电池安全状态管理系统包括电池系统安全度显示装置、信号采集装置、信号处理装置、通讯接口装置、键盘输入装置、显示与控制装置以及其他外围设备。电池系统安全度显示装置，所述电池系统安全度显示装置安装于操作人员的操作面板上，所述电池系统安全度显示装置用于显示所述电池模块的安全性分析结果、安全度，操作人员能够实时，快捷，直观，方便地看到电池系统的安全度；信号采集装置用于采集电池模块的功能性参数，所述功能性参数包括电压、电流、电池内部压力、电池温度、荷电状态、环境温度、环境气压和电动汽车数据，所述电动汽车数据包括环境震动、电机转速、行驶车速和汽车位置；信号处理装置用于对所述电池模块的功能性参数进行数学运算或逻辑运算，得到所述电池模块的安全性分析结果和安全度；通讯接口装置用于连接外围设备，所述外围设备包括键盘输入装置、控制装置，键盘输入装置用于根据不同的安全性要求，人工预先设定安全阈值、报警参数以及信号处理时所需的参数；控制装置用于发出报警指令以及控制指令；通讯接口装置与所述信号处理装置相连接，通讯接口装置还与键盘输入装置、显示与控制装置以及其他外围设备相连接，信号采集装置与所述信号处理装置相连接。信号处理装置可以为DSP数字信号处理器、数字计算机、工业控制机、可编程序控制器PLC和单片机嵌入式系统或是其他可编程智能计算设备。通讯接口装置的通讯方式可以采用以太网、CAN总线、1553B总线、RS232总线、485总线等通讯方式，也可以采用蓝牙或者wifi等无线通信方式。电池系统安全度显示装置可以是数字仪表显示，也可以是模拟仪表显示。可以采用LCD显示器、UFB显示器、STN显示器、OLED显示器、TFT显示器、LED显示器、CRT显示器，电动汽车仪表盘、手机、MP4、MP5、ipad或其他可以显示数量的显示与控制装置，图2为本发明实施例电池管理系统的一种液晶显示面板的示意图，如图2所示，显示面板上显示有电池的安全度，电压、电流、温度等信息。电池模块可以是铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、银锌电池、锂硫电池等电池中的任意一种。可以是用于电动汽车，电动自行车、电动工具，陆地以及航海，航空，航天用系统，以及用于储能电源，启动电源，备用电源的电池系统，以及超级电容系统。本示例中以电动大巴为例；采用磷酸铁锂200Ah/3.2V单体电池，采用150只串联，总电压480V。电池模块作为一种电化学体系，当电池工作时，电池内部都会产生不同的电化学反应，从而输出不同的输出信号。不同特征的输出信号代表了电池的不同特性，因而其可以在很大程度上反映电池内部的多种特性参数。信号采集装置用于获取电池模块的输出信号。具体地，本系统设计采用ADI公司的高速模数转换器AD9220实现波形信号的采集，AD9220最高采样速率可达10MHz，采用外部晶体振荡器8MHz，FPGA内部通过采样实现波形存储。AD9220有直流耦合和交流耦合两种输入方式。可以采集电池模块的电压信号，电流信号和温度信号，并转换成数字信号输出。当然容易理解的是，在本发明其他实施方式中，其他具有信号采集功能的器件也是可以的。具体的，在本实施例中，信号处理装置采用数字信号处理器。数字信号处理器由大规模或超大规模集成电路心片组成、用来完成信号处理任务的处理器。为了实现快速计算功能，数字信号处理器采用了TMS320F2812DSP应用系统板，TMS320F2812DSP应用系统板带有数模转换器与模数转换器，因此是一种优选地的信号处理装置。当然，在本发明其他实施方式中，具有信号处理功能的其他装置也是可以被应用于本发明中的，例如：工业控制机，可编程序控制器，以及其他系列的单片机嵌入式系统。信号处理装置为了实现与电池系统安全度显示装置、控制装置和键盘输入装置的通讯，具有电池安全度显示功能的电池管理系统还包括了通讯接口装置，本实例采用标准CAN总线接口模块。键盘采用12键的面板式触摸式按键，显示采用7寸彩色液晶显示器。当然，在本发明其他实施方式中，输入输出装置还可以是其他具有输入输出功能的元件。下面对本实施例安全度的分析计算做简略说明，本实施例采集到的电压、电流、温度分别为Ux＝3.7V，Ix＝9A,Tx＝57.5℃,则查表1，表2、表3对应的S(U)＝80％、S(I)＝30％、S(T)＝10％。由此得出电池的安全度S＝S(U)∪S(I)∪S(T)＝10％，已经接近危险的边缘，应该及时采取安全措施，否则会发生燃烧爆炸事故。本实施例提供采用电压、电流和温度三个参数进行安全度的分析计算方法，对于更多参数，以此类推。作为本发明的又一实施例，采用镍钴铝三元锂离子100Ah/3.6V单体电池，50只并联为一组，采用160组串联，总电压576V。总能量为2.88MWh。信号采集装置采用RS485-1608数据采集系统，可以实现多路的电压、电流、温度、湿度、压力、震动的参数测量。该数据采集系统精度高，工作稳定，可以采集电池模块的电压信号，电流信号和温度信号，并转换成数字信号并通过485总线与信号处理装置连接。信号处理装置采用TPC-150T-ATOM型号15寸工业级触控平板电脑，15寸真彩液晶显示屏，分辨率1024x768，内建Intel凌动1.6GHz低功耗无风扇处理器，配备丰富的工业控制常用接口，硬盘采用独特抗震设计，6～30V直流电源输入，满足工业现场供电，电源提供突发电流保险设计防止因电流过大导致元件损坏，大面积铝鳍散热设计，确保在恶劣的工业现场不间断工作。信号处理装置为了实现与电池系统安全度显示装置、控制装置和键盘输入装置的通讯，具有电池安全度显示功能的电池管理系统还包括了通讯接口装置，本实例采用标准CAN总线接口模块。具有电池安全度显示功能的电池管理系统还包括液晶显示器与键盘作为输入输出装置，以便于人工输入安全控制参数与显示安全度结果，键盘采用KMX-12型12键的面板式触摸式按键，显示采用ZM-07型7寸彩色液晶显示器。当然，在本发明其他实施方式中，输入输出装置还可以是其他具有输入输出功能的元件。下面对本实施例安全度的分析计算做简略说明，若测量电压、电流、温度分别为Ux＝3.7V，Ix＝5A,Tx＝38℃,除上一实施例中采用查表的方式获得安全度的方法外，本实施例采用公式法计算得到安全度，公式具体如下：电压S(U)＝Ku*Ux+Bu；，电流S(I)＝Ki*Ix+Bi；温度S(T)＝Kt*Tx+Bt；针对一个具体的电池组结构，待定系数由试验确定Ku＝-167、Bu＝697，Ki＝-10、Bi＝100，Kt＝-2.5、Bt＝162.5。根据公式可以求出电压S(U)＝Ku*Ux+Bu＝79.1；电流S(I)＝Ki*Ix+Bi＝50；温度S(T)＝Kt*Tx+Bt＝67.5。根据安全度定义S＝S(U)∪S(I)∪S(T)＝50％，电池系统可以安全运行。本发明提供的电池安全状态管理系统能够使汽车驾驶员或电池系统的操作员直接看到电池系统安全度显示装置上的电池安全状态，能够有效避免电池安全事故的发送，而且，该安全状态是一个量化的安全度参数，采用数字或模拟仪表显示，快捷，直观，简单，方便，实用。为达到上述目的，本发明还提供了一种电池安全状态管理方法，该方法应用于上述电池安全状态管理系统上，能够将电池的安全状态量化，并将其显示，供操作人员参考。为了描述方便，将电池的安全状态用电池安全度S来表示。首先对电池的安全度S做出定义：根据科学常识，定义电池发生燃烧爆炸的临界点为安全度0％；根据电池工作原理，定义电池电流为零、荷电态20％、在标准温度25℃、一个标准大气压下，定义为安全度100％。具体应用中，可以规定企业电池规格书给出的电池电压、电流、温度的极限值参数或通过试验得到的电池极限参数对应为安全度等于0％；相当于电池安全边界，不可超出。规定在标准温度25℃下，一个标准大气压条件下，当荷电状态为20％，充放电流为零时安全度等于100％，此时最安全。在安全度大于0％，小于100％范围内，对应不同的测量电压、电流、温度，可采用公式法、查表法计算出不同的安全度数值。公式法的电压、电流、温度公式可采用公式：电压S(U)＝Ku*Ux+Bu；其中：Ux为电压测量值，Ku、Bu为待定系数，电流S(I)＝Ki*Ix+Bi；其中：Ix为电流测量值，Ki、Bi为待定系数，温度S(T)＝Kt*Tx+Bt；其中：Tx为温度测量值，Kt、Bt为待定系数。查表法详见表1，表2、表3。当然也可根据不同的电池使用条件和不同的安全性要求，定义不同的安全度数值。三参数电池安全度可用下式表示：S＝S(U)∪S(I)∪S(T)其中：S称为电池安全度，S(U)称为电池电压安全状态，S(I)称为电池电流安全状态，S(T)称为电池温度安全状态，S(U)、S(I)和S(T)之间是逻辑“或”的关系，用“∪”表示，若同时发生，S取安全度最小值。以上是以电压、电流、温度三个参数为例，对于更多参数，以此类推。S(U)％1009080706050403020100U(V)3.63.653.73.753.83.853.93.954.04.14.2表1S(I)％1009080706050403020100I(A)012345678910表2S(T)％1009080706050403020100T(℃)2527.53032.53537.540455057.565表3图3为本发明实施例电池安全状态管理方法的流程示意图，如图3所示，电池安全状态管理方法的步骤如下：步骤301：实时采集电池模块的功能参数值，所述功能参数值包括电池模块的电压、电流、电池内部压力、电池温度、环境温度、环境气压、环境震动和荷电状态；步骤302：对所述电池模块的功能参数值进行分析计算，得到所述电池模块的安全分析结果和电池的安全度；步骤303：显示所述电池模块的安全分析结果和电池的安全度；步骤304：判断所述电池模块的安全度是否超过了安全阈值，所述安全阈值由所述电池模块的物理特性决定，或者由用户设置；步骤305：当所述电池模块的安全度超过了安全阈值时，发出警报指令。当所述电池的安全度超过了安全阈值时，还可以发出控制指令，所述控制指令能够对装载有所述电池模块的系统进行控制，防止安全事故的发生。其中，步骤202对所述电池模块的功能参数值进行分析计算，得到电池模块的安全度，具体包括：对所述电池模块的功能参数值采用数学运算或者逻辑关系运算，得到所述电池模块的安全度，所述数学运算包括加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分、相关分析，所述逻辑关系运算包括逻辑运算与、或、非。还可以采用数据查表、数学公式计算、试验结果记录、经验数据应用、理论推导对所述所述电池模块的功能参数值进行处理。本发明提供的电池安全状态管理方法能够使汽车驾驶员或电池系统的操作员直接看到显示与控制装置上的电池安全状态，能够有效避免电池安全事故的发送，而且，该安全状态是一个量化的安全度参数，采用数字或模拟仪表显示，快捷，直观，简单，方便，实用。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。当前第1页1 2 3