动力锂离子电池多参数探测与采集方法与流程

本发明涉及一种数据采集方法，更具体的说是涉及一种动力锂离子电池多参数探测与采集方。

背景技术：

目前，动力锂离子电池广泛用于电池电动汽车(bevs)、插入式混合动力汽车(phev)和混合电动汽车(hev)。众所周知，大型动力锂离子电池有很大热失控的风险。单个电池的热失控会向相邻电池传播，导致温度迅速升高、排气、燃烧和爆炸，会对车辆及乘客造成重大伤害。

因此，联合国公布了一份关于电动汽车安全的全球技术法规草案(gtrevs)。在第一节中，对功能安全机制的要求能够检测动力锂离子电池内单个电池的热失控，以便在发生热失控的情况下发出警告，提醒司机和乘客。因此，快速可靠地实时检测和采集锂离子电池内部的物理参数数据成为了保障锂离子电池安全运行的关键。

现有常规的技术方案是通过传感器监测和采集锂电池的电流、电压和温度数据参数，再根据以上数据参数，利用电池内部短路的算法进行粗略的估算，得到电池的soc、soh、sop等电池运行状况的表观指标，再将这些实际指标与额定指标对比，若有一项指标失常，则立即发出告警信号和自动切断电源。但这种技术方案的缺陷也是显而易见的，其考虑到的影响电池运行状态安全的因素不够全面。因此，采用的传感器种类和监测采集的参数数据较少，不能够准确且及时的反映出电池的运行安全状况。这样也就不能及时的在电池出现故障的时候向乘客和司机发出告警信号，也不能及时的采取控制措施防止电池进一步的热失控和热传播，导致电池燃烧和爆炸。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种优化的监控和采集多项锂电池参数数据技术方案，用于实时提供准确的电池内部运行状态，保障电池的持续稳定安全运行的动力锂离子电池多参数探测与采集方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种动力锂离子电池多参数探测与采集方法，包括如下步骤：

步骤一，搭建实验舱，在实验舱的舱底设置加热板，将需要实验的锂电池安装到加热板上，然后在舱壁上设置气体检测器和圆形通气孔，在实验的锂电池上设置气压传感器、烟雾检测器、应变温度复合传感器和距离传感器，在锂电池的侧部安装植入到锂电池内的应变片，同时在锂电池的接线端设置电压传感器；

步骤二，启动加热板给锂电池加热，触发锂电池热失控，此时通过电压传感器检测锂电池内的电压变化，气体检测器检测锂电池周围的气体，烟雾检测器检测锂电池周围烟雾粒子密度，距离传感器检测锂电池表面电阻率，应变温度符合传感器同步检测锂电池内部温度和内部应变，气压传感器检测锂电池排出气体周围气压变化；

步骤三，将步骤二中采集到的各个数据输入到外部数据处理器内，完成对于锂电池多个参数的探测与采集。

作为本发明的进一步改进，所述电压传感器是通过差模法检测同意串锂电池的单体电池电压。

作为本发明的进一步改进，所述气体传感器是由二氧化锡半导体支撑的气体传感器。

作为本发明的进一步改进，所述烟雾检测器是由红外led和对红外辐射敏感的元件组成，所述的红外led与红外辐射敏感的元件相对设置。

作为本发明的进一步改进，所述距离传感器为印制电路板，在印制电路板上设置两个10厘米长和2毫米宽的线状焊锡垫，并且两个焊锡垫之间间隔为1毫米，并且印制电路板设有焊锡垫的一侧贴合在锂电池上。

作为本发明的进一步改进，所述应变温度复合传感器由布拉格光栅纤维和干涉光纤组合而成，其中布拉格光栅纤维由光学纤维和光栅纤维组成，通过布拉格光栅纤维检测锂电池内温度，通过干涉光纤检测锂电池内应力；其中布拉格光栅纤维检测温度方式为测量其内折射光波长改变来检测温度，干涉光纤通过反射光与透射光之间的相位差来检测应变。

本发明的有益效果，本发明设计了一个优化的监控和采集多项锂电池参数数据技术方案，用于实时提供准确的电池内部运行状态，保障电池的持续稳定安全运行。相较于常规现有的技术方案，本发明技术方案所考虑到的影响电池运行状态的因素更加全面，除了现有技术方案所采集的电流、电压和温度外，增加了多个传感器用于采集压力应变、气体、烟雾、距离等多组数据，而且提出了采用可折叠光学光栅纤维(fbg)和干涉光纤(fp)对锂离子电池内部的温度和应变压力状态进行监控的方法，通过该方法可以直接对锂离子电池soc和soh状态进行监控，从而实现对锂离子电池失效的早期预警功能。增加了动力锂电池的安全性和可靠性，能够更加准确和及时的监控电池的运行状况，一旦电池发生热失控便及时告警，避免误告警和延时告警，留给乘客足够的时间安全离开。能够有效保障司机和乘客的安全。

附图说明

图1为电压传感器测电压时的原理电路图；

图2为应变温度复合传感器的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。

本实施例的一种动力锂离子电池多参数探测与采集方法，包括如下步骤：

步骤一，搭建实验舱，在实验舱的舱底设置加热板，将需要实验的锂电池安装到加热板上，然后在舱壁上设置气体检测器和圆形通气孔，在实验的锂电池上设置气压传感器、烟雾检测器、应变温度复合传感器和距离传感器，在锂电池的侧部安装植入到锂电池内的应变片，同时在锂电池的接线端设置电压传感器；

步骤二，启动加热板给锂电池加热，触发锂电池热失控，此时通过电压传感器检测锂电池内的电压变化，气体检测器检测锂电池周围的气体，烟雾检测器检测锂电池周围烟雾粒子密度，距离传感器检测锂电池表面电阻率，应变温度符合传感器同步检测锂电池内部温度和内部应变，气压传感器检测锂电池排出气体周围气压变化；

步骤三，将步骤二中采集到的各个数据输入到外部数据处理器内，完成对于锂电池多个参数的探测与采集，通过步骤一、步骤二和步骤三的设置，便可有效的测试采集到锂电池在热失控时候的电压、温度、应变、气体、气压、烟雾、电阻率多项数据，如此在后续锂电池使用的过程中，便可将这时采集到的数据录入到系统内，供系统做锂电池热失控告警的数据依据，能够更加准确和及时的监控电池的运行状况，一旦电池发生热失控便及时告警，避免误告警和延时告警，留给乘客足够的时间安全离开。

作为改进的一种具体实施方式，所述电压传感器是通过差模法检测同意串锂电池的单体电池电压，电压传感器是是技术方案的重要组成部分，因为大多数常规的电池管理系统设计都把它考虑在内。测量的电压将是从第一个单元进入热失控。

该传感器的原理是利用差模法检测同一串的单体电池电压，检测精度比较高，差模法检测示意图如图1所示，此电路的特点是：主要通过对继电器的控制来选择检测的单体电池，然后对选中的单体电池直接检测，具体思路如图2所示，如要检测b2电池，可以闭合ka1和ka2继电器，实现对b2电池电压的直接测量。

作为改进的一种具体实施方式，所述气体传感器是由二氧化锡半导体支撑的气体传感器，气体传感器对甲烷(ch4)、丙烷(c3h8)或一氧化碳(co)等气体敏感，上述气体是在热失控中从锂离子电池中喷射出来的气体组成的一部分,当传感器检测到以上气体时其在空气中的导电性将有明显降低，通过其导电性降低的程度来反映从电池中释放出来气体的浓度。

作为改进的一种具体实施方式，所述烟雾检测器是由红外led和对红外辐射敏感的元件组成，所述的红外led与红外辐射敏感的元件相对设置，在晴朗的空气中，红外辐射不会影响传感器精度。因为随着空气中烟雾粒子的增加，从发光二极管产生红外光的反射，传感器将增加其检测信号，以此实现对于烟雾颗粒的检测。

作为改进的一种具体实施方式，所述距离传感器为印制电路板，在印制电路板上设置两个10厘米长和2毫米宽的线状焊锡垫，并且两个焊锡垫之间间隔为1毫米，并且印制电路板设有焊锡垫的一侧贴合在锂电池上，在表面干净的情况下，距离传感器在几个欧姆范围内具有很高的阻力。随着表面污染的增加，电阻随污染程度而下降，并通过分压器输出信号。

作为改进的一种具体实施方式，如图2所示，所述应变温度复合传感器由布拉格光栅纤维和干涉光纤组合而成，其中布拉格光栅纤维由光学纤维和光栅纤维组成，通过布拉格光栅纤维检测锂电池内温度，通过干涉光纤检测锂电池内应力；其中布拉格光栅纤维检测温度方式为测量其内折射光波长改变来检测温度，干涉光纤通过反射光与透射光之间的相位差来检测应变，现有的有机电解液体系的锂离子电池都采用密封结构。若采用现有技术方案监控锂离子电池内部状态非常困难。若按照一般现有技术方案我们只能通过对锂离子电池电流和电压、外表温度的间接测量推断锂离子电池内部的状态，这不仅需要大量的经验数据，还要建立复杂的模型。而光纤传感器技术的应用让直接监控锂离子电池内部状态成为可能，通过该方法可以直接对锂离子电池soc和soh状态进行监控，并检测锂离子电池内部的压力和温度变化，从而实现对锂离子电池失效的早期预警功能，在检测锂电池内部温度的原理是，如果fbg纤维暴露在一个宽波段的光源中，则在反射光中会出现一个尖锐的峰，这个峰所对应的波长被称为布拉格波长，布拉格波长可以通过下式计算得到。如果fbg纤维的外部环境，例如压力、温度等发生改变就会引起布拉格波长的改变，从而实现对这些变量的测量，具体的为光学光栅纤维主要受光栅材料的线性弹性变形的范围限制，一般来说fbg的最大线性弹性变形为2.5％-4％，在实验中负极的最大的变形量为1.4％左右，处在fbg的测试范围之内，因此fbg可以用来测量在100％soc状态下负极最大形变量。该纤维的使用温度范围为-200-800摄氏度，完全能够覆盖锂离子电池的操作范围，该纤维甚至能够用于检测在锂离子电池在热失控中的温度变化，根据公式：λb＝2neffλ计算波长；而干涉光纤是一种测量20kpa≤psens≤304kpa范围内绝对压力的压力传感器，用于测量单个电池产生气体所引起的电池内部压力的升高。这种传感器只能用于封闭电池外壳的测试，否则压力不会上升。采用fp纤维制成的传感器能够通过反射光与透射光之间的相位差实现对应变的检测，从下式能够看到如果我们在fp纤维长度方向上施加一定的压力，会引起纤维长度l的变化，从而引起相位差的变化，进而实现对压力应变的测量。根据公式：δfp＝4πnl/λ计算相位差，

综上所述，本实施例所提供的探测与采集方法，可以检测锂电池多个参数，进而通过将检测到的多个参数作为基准，如此实现对于锂电池运行的过程中出现热失控时及时的预警，此外，突破性的将光纤传感器技术应用到了监测电池内部电压和温度当中来。简化了监控采集数据的流程，提高了对于电池监控的效率和准确性，能及时应对可能发生的突发状况，有效保障了动力锂离子电池系统的安全运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。