新型电池及组合电池的测温控制装置及其方法与流程

本发明涉及一种新型电池及组合电池的测温控制装置及其方法，属于电池安全保护领域。

背景技术：

随着动力电池及组合电池在日常工作生活中不断得到应用，应用环境也在不断发生变化，电池及组合电池就需要一套更安全温度控制系统。

新能源的不断发展，电池及组合电池数量不断增加，工作温度检测点也随之不断增加，常规测温方式已不再适合，例如热敏电阻，热电偶等感温前端，每一节电池都需要一个感温前端，300节电池就需要300个感温前端，需要600根导线连接到感温前端，可整个覆盖住电池组，不利于电池组散热，造成电池上的连接线走线复杂，在测试方式上使用弱电信号极易受到电磁干扰，造成安全故障及事故，在安装过程中容易造成短路，断路，绝缘损伤，在多电池及电池组的级联后高压情况下易被击穿，与高压设备的绝缘度不够，检修困难，在带电情况下不易检修或更换配件。

从上述常规测试方式存在以下缺陷和不足：

（a）由于它们都使用金属导线，在线皮损伤的情况下造成短路；

（b）由于测试点太多安装时必须对每一个点进行温度校准，而且测试时误差大；

（c）由于他们都是采用弱点模拟电压的变化来进行信号测量，在受到射频和电磁干扰时形成测试误差或误触发信号；

（d）由于它们采用的是金属导电材料，金属导线易受到腐蚀，造成测量故障；

（e）由于线材太多，不利于被测物体本体的散热；

（f）由于他们外部采用塑胶材料（聚烯烃、尼龙、聚氨酯、橡胶）制成，在遇到电解液腐蚀时，不能被检测到所处状态，易造成他们与电池的短路引起火灾；

（g）由于它们在高压情况下易被击穿，造成检测线路的损坏，造成安全事故。

所以针对以上所述，必须要选用一种新型电池及组合电池的测温控制装置，它不带电，抗射频和电磁干扰，防燃，防爆，抗腐蚀，耐高压，耐辐射，能在各种有害环境中开展工作，测试电池及组合电池的温度。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种新型电池及组合电池的测温控制装置。不带电，抗射频和电磁干扰，防燃，防爆，抗腐蚀，耐高压，耐辐射，能在各种有害环境中开展工作，测试电池及组合电池的温度。

本发明的再一目的在于提供上述的测温控制方法。

本发明目的通过下述技术方案实现：一种电池的测温控制装置，包括感温前端、温度信号采集计算模块、电池管理模块、通讯模块、终端及独立显示模块，电池组供电，所述的感温前端、温度信号采集计算模块、电池管理模块、通讯模块和终端及独立控制模块顺次相连，独立供电模块分别与温度信号采集计算模块和电池管理模块相连，电池组与电池管理模块相连，其中，

所述的感温前端包括光纤或光栅传感器，通过导热固定件设置在电池组上，将电池温度变化转化为光信号，不受射频和电磁干扰影响；

所述的温度信号采集计算模块至少包括光纤滤波器、光电耦合器、激光发射器、光电探测器、光电调理器、信号放大器、信号处理器和信号传输模块，光纤滤波器与感温前端相连，光纤滤波器、光电耦合器和激光发射器顺次连接；同时，光纤滤波器、光电探测器、信号放大器、光电调理器和光电耦合器顺次连接，所述信号放大器、信号处理器和信号传输模块顺次连接，其中，激光发射器受信号处理器频率调制发出激光，激光经光电耦合器耦合射入光纤滤波器后进入光纤或光栅传感器；

所述的电池管理模块包括电池组充电管理模块、主控处理器、电磁环境传感器、电流采样模块、MEMS传感器模块、通讯隔离模块和电压采样模块，电池组充电管理模块分别与主控处理器和电池组相连，电压采样模块分别与主控处理器和电池组相连，主控处理器分别与信号传输模块、电磁环境传感器、电流采样模块、MEMS传感器模块和通讯隔离模块相连，所述的通讯模块受主控处理器控制；

所述的通讯模块包括通讯管理线路、下行接口和下行接口线路，由通讯管理线路通过SPI/CANBUS通讯协议与主控处理器相连；

所述的终端及独立控制模块包括上行接口线路、终端、独立显示器、无线收发模块、安全控制模块和报警模块，上行接口线路与下行接口线路相连，与终端通过互联网相连，分别与独立显示器、无线收发模块、安全控制模块、包括警示灯、蜂鸣器和/或喇叭的报警模块通过互联网相连，所述的无线收发模块通过低频或高频信号实现与终端或独立显示器之间的通讯；

所述的独立供电模块包括辅助电池充电管理线路、辅助电池、辅助电池管理模块、低压稳压模块和高压稳压模块，所述的辅助电池充电管理线路分别与辅助电池和辅助电池管理模块相连且构成回路，辅助电池管理模块分别与低压稳压模块和高压稳压模块相连，独立供电模块向温度信号采集计算模块提供低压直流电源，向电池管理模块提供高压直流电源。

在上述方案基础上，所述的感温前端还包括导热固定件和连接器，所述的光纤或光栅传感器通过导热固定件固定在电池组上，与电池组表面相接触，并通过连接器与光纤滤波器相连。

光纤滤波器就是从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过，用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用；光电耦合器是以光作为媒介传输电信号的一种电—光—电转换器件，由发光源和受光器两部分组成，把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离；激光发射器是利用激光二极管作为发射光源，利用信号处理器对激光进行频率调制。

光纤滤波器对光信号进行滤波处理，光电耦合器接收检测信号，传输调制脉冲信号，激光发射器输出调制脉冲信号，光电探测器和光电调理器处理光电信号、信号放大器将信号放大，信号处理器对温度信号进行处理，信号传输模块将温度信号传输至电池管理模块。

电池管理模块对电池组进行安全保护，对电池电压、电流、容量和温度进行保护，并对温度信号进行处理，根据预设电池安全工作温度范围，驱动安全控制模块和报警模块，实施安全保护，提供温度预警；电磁环境传感器用于检测电磁干扰状况； MEMS传感器模块用于测试电池组振动状况；电压采样模块用于检测电池组的电压及电压均衡。

独立供电模块利用辅助电池作为DC输入源，稳压输出直流高压和直流低压。

通讯模块使用多种通讯协议将电池管理模块处理过的温度信号，实时传输至装置外部的终端和独立显示器、无线收发模块、安全控制模块和报警模块。

在上述方案的基础上，所述的光纤或光栅传感器为一根以上且不含金属材料，可以任意弯曲分布在电池组或其他被测物体的表面或组合结构内部。

在上述方案的基础上，所述的导热紧固件由导热胶或其他绝缘导热材料制成。

在上述方案的基础上，所述的测温方式很好的用于汽车、中大型储能，通讯基站、冷链车区域温度监控、远洋船舶环境监控等。

由于感温前端整体使用绝缘材料，不会造成电池组短路，耐腐蚀，可以很容易使用在高压，高电磁辐射的恶劣环境中。

在上述方案的基础上，所述的电池组为铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、镍锌电池、锂离子电池或钠硫电池，数量为一颗以上。

在上述方案的基础上，所述的主控处理器使用32位MCU芯片。

在上述方案的基础上，所述的通讯管理通过GPRS进行远程无线监控

在上述方案的基础上，所述的通讯管理通过WiFI进行远程无线监控

在上述方案的基础上，所述的通讯管理线路通过SPI/CANBUS通讯协议与主控处理器相连；所述的下行接口使用RS232、RS485、I2C、SPI、CANBUS和LINBUS通讯协议。

在上述方案的基础上，所述的终端通过电脑来显示内容或进行控制。

在上述方案的基础上，所述的终端通过手机APP实时监控。

在上述方案的基础上，所述的终端通过平板电脑实时监控。

在上述方案的基础上，所述的独立显示器使用LCD或TFT材质屏幕。

在上述方案的基础上，所述的无线收发模块通过低频或高频信号实现与终端或独立显示器之间的通讯。

在上述方案的基础上，所述的安全控制模块包括高压控制线路、加热线路、风扇控制线路、回路通断控制线路和充电电压电流控制线路，安全控制模块根据预设值判断电池组的工作状态，进行包括切断回路，开启加热线路或开启风扇散热，充电电流控制。

在上述方案的基础上，所述的报警模块包括警示灯、蜂鸣器和喇叭。

本发明的测温原理：

光纤或光栅是一种利用光完全内反射原理而传输光的器件，由于光纤分子的热振动，光纤或光栅会产生一个比光源波长长的斯托克斯光，和一个比光源波长短的反斯托克斯光。当外部温度变化时，光纤受外部温度的调制使光纤中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强发生变化，斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比值提供了被测环境的绝对值；

光纤滤波器就是从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过，用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用；

光电耦合器是以光作为媒介传输电信号的一种电—光—电转换器件，由发光源和受光器两部分组成，把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离；

激光发射器是利用激光二极管作为发射光源，利用信号处理器对激光进行频率调制。

本发明提供一种针对上述新型电池及组合电池的测温控制装置的测温控制方法，步骤如下：

（a）激光发射器受信号处理器频率调制，激光发射器发出激光；

（b）激光经光电耦合器耦合射入光纤滤波器后进入光纤或光栅传感器；

（c）当温度发生变化时，光纤或光栅传感器输出斯托克光和反斯托克光的光强比值，提供被测环境的绝对值信号；

（d）绝对值信号经过光纤滤波器和光电耦合器处理后，分别经光电探测器和光电调理器输入信号放大器；

（e）信号放大器对信号放大处理后，输出至信号处理器；

（f）信号处理器进行信号进行整形滤波，将模拟信号转换成数字信号；

（g）数字信号由信号传输模块和通讯隔离模块通讯，传输至主控处理器；

（h）主控处理器通过将数字信号与内部比较数据和环境状况数据比对，分析数据曲线是否符合安全要求，判断是否输出安全控制信号，是否发出报警信号，并输出温度检测数据；

（i）温度检测数据通过通讯管理线路沿下行接口、下行接口线路和上行接口线路分别传输至终端、独立显示器、无线收发模块、安全控制模块和报警模块；

（j）终端根据温度检测数据，提供人工干预的判断依据或由上位机进行控制；

（k）工作人员通过独立显示器实时监测：

（l）通过无线收发模块实时记录温度检测数据：

（m）安全控制模块根据主控处理器输出的安全控制信号，当电池组温度低于低温保护值时开启加热线路，电池组温度过高时开启风扇散热，充电温度过高时降低充电电流，电池组温度超过以往常态测试数据时，延时切断高压回路，并启动报警模块；

（n）报警模块根据主控处理器输出的报警信号启动，工作人员可利用切断高压回路前的延迟时间进行人工干预，如无人工干预，高压回路切断，系统进入安全模式停止充放电。

本发明的优点在于：布设方便，使用操作简便且测温精度高，能实时有效的监测每一节电池、每一个区域的温度变化，适应不同的电池结构或空间改变，方便地建立温度分布数学模型和有效温度控制管理程序；采用光纤或光栅传感器，检测点连续，检测范围广，不带电，抗射频和电磁干扰，防燃，防爆，抗腐蚀，耐高压，耐辐射，能在各种有害环境中开展工作；对电池以及电池组实现高精度，高可靠性，高稳定性的测试。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明温度信号采集模块的结构示意图；

图3为本发明光纤信号波形生成线路图；

图4为本发明光纤信号放大驱动线路以及供电线路图；

图5为本发明光纤信号耦合线路图；

图6为本发明光纤信号探测线路图；

图7为本发明光纤信号调理处理线路图；

图8为本发明独立供电模块的结构示意图；

图9为本发明电池管理模块的结构示意图；

图10为本发明电池管理子模块的电压采样前端线路图；

图11为本发明电池管理子模块的通许隔离及驱动线路图；

图12为本发明电池管理模块采样前端总线通讯控制线路图；

图13为本发明电池管理模块故障指示以及供电线路图；

图14为本发明通讯模块的结构示意图；

图15为本发明终端及独立显示模块示意图；

图16为本发明感温前端的安装示意图；

图中标号说明：

1——感温前端；

11——光纤或光栅传感器； 12——导热固定件；

13——连接器；

2——温度信号采集计算模块；

21——光纤滤波器； 22——光电耦合器；

23——激光发射器； 24——光电探测器；

25——光电调理器； 26——信号放大器；

27——信号处理器； 28——信号传输模块；

3——电池管理模块；

31——电池组充电管理模块； 32——主控处理器；

33——电磁环境传感器； 34——电流采样模块；

35——MEMS传感器模块； 36——通讯隔离模块；

37——电压采样模块；

4——通讯模块；

41——通讯管理线路； 42——下行接口；

43——下行接口线路；

5——终端及独立显示模块；

51——上行接口线路； 52——终端；

53——独立显示器； 54——无线收发模块；

55——安全控制模块； 56——报警模块；

6——独立供电模块；

61——辅助电池充电管理线路； 62——辅助电池；

63——辅助电池管理模块； 64——低压稳压模块；

65——高压稳压模块；

7——电池组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而不对其起任何限定作用。

请参阅图1为本发明的结构示意图、图2为本发明温度信号采集模块的结构示意图、图16为本发明感温前端的安装示意图、图8为本发明独立供电模块的结构示意图、图9为本发明电池管理模块的结构示意图、图14为本发明通讯模块的结构示意图、图15为本发明终端及独立显示模块示意图：

如图1所示，一种新型电池及组合电池的测温控制装置，包括感温前端1、温度信号采集计算模块2、电池管理模块3、通讯模块4、终端及独立控制模块5，独立供电模块6和电池组7，感温前端1、温度信号采集计算模块2、电池管理模块3、通讯模块4和终端及独立显示模块5顺次相连，独立供电模块6分别与温度信号采集计算模块2和电池管理模块3相连，电池组7与电池管理模块3相连。

在上述方案的基础上，所述的感温前端1包括光纤或光栅传感器11，光纤或光栅传感器11设在电池组7上；

如图2所示，所述的温度信号采集计算模块2包括光纤滤波器21、光电耦合器22、激光发射器23、光电探测器24、光电调理器25、信号放大器26，信号处理器27和信号传输模块28，光纤滤波器21与感温前端1相连，光纤滤波器21分别与光电耦合器22和光电探测器24相连，光电耦合器22分别与激光发射器23和光电调理器25相连，信号放大器26分别相连光电探测器24、光电调理器25和信号处理器27，放大后的信号由信号处理器27处理，信号处理器27分别与激光发射器23和信号传输模块28相连。

在上述方案的基础上，如图16所示，所述的感温前端1还包括导热固定件12和连接器13，光纤或光栅传感器11通过导热固定件12固定在电池组7的正极、负极或其他传导热量快的位置，并通过连接器13与光纤滤波器21相连。

在上述方案的基础上，所述的光纤或光栅传感器11不含金属材料，数量为一根以上，弯曲分布在电池组7的表面。

在上述方案的基础上，所述的导热紧固件12由导热胶制成。

在上述方案的基础上，所述的电池组7为铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、镍锌电池、锂离子电池或钠硫电池，数量为十六颗。

如图9所示，所述的电池管理模块3包括电池组充电管理模块31、主控处理器32、电磁环境传感器33、电流采样模块34、MEMS传感器模块35、通讯隔离模块36和电压采样模块37，电池组充电管理模块31分别与主控处理器32和电池组7相连，电压采样模块37分别与主控处理器32和电池组7相连，主控处理器32分别与信号传输模块28、电磁环境传感器33、电流采样模块34、MEMS传感器模块35和通讯隔离模块36相连；

在上述方案的基础上，所述的主控处理器32使用32位MCU芯片。

如图8所示，所述的独立供电模块6包括辅助电池充电管理线路61、辅助电池62、辅助电池管理模块63、低压稳压模块64和高压稳压模块65，辅助电池充电管理线路61分别与辅助电池62和辅助电池管理模块63相连，辅助电池管理模块63分别与辅助电池62、低压稳压模块64和高压稳压模块65相连，独立供电模块6向温度信号采集计算模块2提供低压直流电源，向电池管理模块3提供高压直流电源；

如图14所示，所述的通讯模块4包括通讯管理线路41、下行接口42和下行接口线路43，通讯管理线路41与主控处理器32相连。

在上述方案的基础上，所述的通讯管理线路41通过SPI/CANBUS等通讯协议与主控处理器32相连。

在上述方案的基础上，所述的下行接口42使用RS232、RS485、CANBUS和LINBUS通讯协议。

如图15所示，所述的终端及独立控制模块5包括上行接口线路51、终端52、独立显示器53、无线收发模块54、安全控制模块55和报警模块56，上行接口线路51与下行接口线路43相连，与终端52通过互联网相连，分别与独立显示器53、无线收发模块54、安全控制模块55和报警模块56通过互联网相连。

在上述方案的基础上，所述的终端52通过电脑来显示内容或进行控制。

在上述方案的基础上，所述的独立显示器53使用LCD或TFT材质屏幕。

在上述方案的基础上，所述的无线收发模块54通过低频或高频信号实现与终端52或独立显示器53之间的通讯。

在上述方案的基础上，所述的安全控制模块55包括高压控制线路，加热线路，风扇控制线路，回路通断控制线路，充电电压电流控制线路，安全控制模块55根据预设值判断电池组7的工作状态，进行包括切断回路，开启加热线路或开启风扇散热，充电电流控制。

在上述方案的基础上，所述的报警模块56包括警示灯、蜂鸣器和喇叭。

本实施例中，提供光纤信号形成、放大、及调整电路实例，如图3为本发明光纤信号波形生成线路图、图4为本发明光纤信号放大驱动线路以及供电线路图、图5为本发明光纤信号耦合线路图、图6为本发明光纤信号探测线路图和图7为本发明光纤信号调理处理线路图；

本实施例中还提供电池管理控制的实例，图10为本发明电池管理子模块的电压采样前端线路图、图11为本发明电池管理子模块的通许隔离及驱动线路图、图12为本发明电池管理模块采样前端总线通讯控制线路图和图13为本发明电池管理模块故障指示以及供电线路图。

本实施例测温工作步骤如下：

（a）激光发射器23受信号处理器27频率调制，激光发射器23发出激光；

（b）激光经光电耦合器22耦合射入光纤滤波器21后进入光纤或光栅传感器11；

（c）当温度发生变化时，光纤或光栅传感器11输出斯托克光和反斯托克光的光强比值，提供被测环境的绝对值信号；

（d）绝对值信号经过光纤滤波器21和光电耦合器22处理后，分别分别经光电探测器24和光电调理器25输入信号放大器26；

（e）信号放大器26对信号放大处理后，输出至信号处理器27；

（f）信号处理器27进行信号进行整形滤波，将模拟信号转换成数字信号；

（g）数字信号由信号传输模块28和通讯隔离模块36通讯，传输至主控处理器32；

（h）主控处理器32通过将数字信号与内部比较数据和环境状况数据比对，分析数据曲线是否符合安全要求，判断是否输出安全控制信号，是否发出报警信号，并输出温度检测数据；

（i）温度检测数据通过通讯管理线路41沿下行接口42、下行接口线路43和上行接口线路35使用RS232，RS485，CANBUS，LINBUS等通讯协议，分别传输至终端52、独立显示器53、无线收发模块54、安全控制模块55和报警模块56；

（j）终端52根据温度检测数据，提供人工干预的判断依据或由上位机进行控制；

（k）工作人员通过独立显示器53实时监测：

（l）通过无线收发模块54实时记录温度检测数据：

（m）安全控制模块55根据主控处理器32输出的安全控制信号，当电池组温度低于低温保护值时开启加热线路，电池组温度过高时开启风扇散热，充电温度过高时降低充电电流，电池组温度超过以往常态测试数据时，延时切断高压回路，并启动报警模块56；

（n）报警模块56根据主控处理器32输出的报警信号启动，工作人员可利用切断高压回路前的延迟时间进行人工干预，如无人工干预，高压回路切断，系统进入安全模式停止充放电。