一种智能反馈电池健康状态的系统和方法与流程

1.本发明涉及电动车充电技术领域，尤其涉及一种智能反馈电池健康状态的系统和方法。


背景技术：

2.公知，随着经济的发展，城市中的汽车越来越多，急剧增长的汽车数量直接导致了城市的道路异常拥堵，因此越来越多的人选择更加轻便的电动车作为交通工具。然而电动车电池的健康状况却没有得到足够的关注。在电池不健康或电池故障的前提下不去控制充电过程会导致电池热失控，极易引发火灾，严重威胁人身安全和社会财产安全。
3.现有技术通常将电池当前的实际容量与标称容量的百分比表述为电池的健康状况，除此之外，电池充电到恒压阶段由于充电环境温度过高或电池失水等情况导致电池热失控使充电电流下降异常，进一步加剧电池发烫，导致电池温度急剧上升，故容量百分比并不能完全代表电池的健康状态。而电池容量检测需将电池循环多次进行完全充放电，实际用户在使用时，是不具备完全充放电条件的，并且完全充放电会对电池造成损伤。


技术实现要素：

4.因此，针对上述的问题，本发明提出一种智能反馈电池健康状态的系统和方法，不对电池循环多次进行完全充放电，能够识别电池的健康状态，控制电池的充电，避免电池鼓包。
5.为解决此技术问题，本发明采取以下方案：一种智能反馈电池健康状态的系统，包括充电器、电池，包括充电中转设备，用于监测所述电池的充电状态；所述充电器连接所述充电中转设备，所述充电中转设备连接所述电池；
6.所述充电中转设备包括mcu控制芯片、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块、dc
‑
dc模块和继电器，所述mcu控制芯片分别连接有温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块、dc
‑
dc模块和继电器；所述继电器分别与所述充电器和所述电池连接。
7.所述温度检测模块用于检测所述充电中转设备的内部温度和外部的环境温度；
8.所述电压检测模块用于检测所述电池的电压；
9.所述电流检测模块用于检测所述电池充电时的电流；
10.所述dc
‑
dc模块用于将电池进行电压转换，为所述充电中转设备提供电源；
11.所述mcu控制芯片能够根据所述电池充电时的数据，估算电池健康状态，控制继电器切断充电电流。
12.进一步的，所述充电中转设备还包括有nb
‑
iot模组，所述nb
‑
iot模组与所述mcu控制芯片连接，所述dc
‑
dc模块通过稳压模块与所述nb
‑
iot模组连接。
13.进一步的，所述nb
‑
iot模组无线连接有运营商iot平台，所述运营商iot平台无线连接有云服务器，所述云服务器分别无线连接有用户端小程序和生产工具。
14.进一步的，所述充电中转设备还包括led灯。
15.本发明还提供一种智能反馈电池健康状态的方法，该方法包括以下步骤：
16.第1步，将电池的充电过程分为3个大阶段，其电压分别为0
‑
v1、v1
‑
v2、v2
‑
v3，每个大阶段又分为若干个小阶段；
17.第2步，将充电中转设备和电池连接，电压检测模块监测电池的初始电压，mcu控制芯片判断该初始电压属于哪个充电阶段，若初始电压属于第一阶段，则进入第3步，若初始电压属于第二阶段，则进入第5步；若初始电压属于第三阶段，则进入第7步；
18.第3步，将充电器与充电中转设备连接，开始对电池进行第一阶段充电和预设许可充入电量c1计算；
19.第4步，当电池充电时间达到第一阶段预设许可充入电量c1时，判断电池电压是否达到第一阶段的终点电压v1，如电池电压未达到第一阶段的终点电压v1，则判断电池严重故障，直接进入第11步，如达到第一阶段的终点电压v1，则进入第5步；
20.第5步，对电池进行第二阶段恒流充电和预设许可充入电量c2计算；
21.第6步，当电池充电时间达到第二阶段预设许可充入电量c2时，判断电池电压是否达到第二阶段的终点电压v2，如电池电压未达到第二阶段的终点电压v2，则判断电池严重故障，直接进入第11步，如达到第二阶段的终点电压v2，mcu控制芯片则判断电池在第二阶段充电过程是否健康，是，则进入第7步，不是，同样进入第7步；
22.第7步，对电池进行第三阶段恒压充电和预设许可充入电量c3计算；
23.第8步，当电池充电时间达到第三阶段预设许可充入电量c3时，电流检测电路检测对电池的充电电流，mcu控制芯片判断第三阶段电池是否健康，是，则进入第9步，不是，则直接进入第11步；
24.第9步，脉冲电压对电池进行充电，直至电池充满；
25.第10步，结束充电，反馈电池健康情况至用户；
26.第11步，mcu控制芯片控制继电器切断电源，并提醒用户。
27.进一步的，在所述第4步中，mcu控制芯片还可以依据电池在第一阶段充入定量电量c1过程中，上升电压与时间的线性关系的斜率与mcu控制芯片内部存储的健康电池的电压与时间的线性关系的斜率对比，来判断电池在第一阶段充电过程中的健康情况。
28.进一步的，在所述第6步中，mcu控制芯片依据电池在第二阶段充入定量电量c2过程中，上升电压与时间的线性关系的斜率与mcu控制芯片内部存储的健康电池的电压与时间的线性关系的斜率对比，来判断电池在第二阶段充电过程中的健康情况。
29.进一步的，在所述第8步中，mcu控制芯片依据电池在第三阶段恒压充入定量电量c3过程中,电池的下降电流与时间的线性关系的斜率与mcu控制芯片内部存储的健康电池的电流与时间的线性关系的斜率对比，来判断电池在第三阶段充电过程中的健康情况。
30.进一步的，所述电池为铅酸电池或锂电池。
31.进一步的，所述锂电池可以是三元材料锂电池、磷酸铁锂电池或锂离子聚合物电池。
32.通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：本发明采用充电中转设备对电池的健康状态进行实时检测和反馈，并通过控制继电器对电池进行充电。本发明不只是以容量的百分比来表述电池健康状况，而是将电池的充电流程分为3个阶段进行，依据充电中转设备接入电池后检测到的初始电压来判断电池在哪一个充电阶段，从而根据每个充电阶段
的不同情况，分别根据充入的电量、终点电压、充电电流，电压与时间线性关系或电流与时间的线性关系中的一种或多种去判断的电池的各种健康情况。当采用电压与时间线性关系或电流与时间的线性关系来判断时，mcu控制芯片将其斜率与芯片内部或云端数据库存储的健康电池的电压与时间线性关系的斜率或电流与时间的线性关系的斜率对比来判断电池的健康程度，并将电池健康问题通过nb
‑
iot模组发送信号至用户端小程序，提醒用户，以防止电池热失控，引发安全隐患。本发明可设置继电器闭合时间，控制电池的充电，避免电池鼓包，避免过充而引起的短路着火。
附图说明
33.图1是本发明系统结构示意图。
34.图2是本发明的一种智能反馈电池健康状态的方法流程图。
35.图3是本发明第二阶段充电过程电压与时间的线性关系图。
36.图4是本发明第三阶段充电过程电流与时间的线性关系图。
具体实施方式
37.现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
38.参考图1，优选的,本发明采取以下方案：一种智能反馈电池健康状态的系统，包括充电器、电池，包括充电中转设备，用于监测电池的充电状态；所述充电器连接所述充电中转设备，所述充电中转设备连接所述电池；
39.所述充电中转设备包括mcu控制芯片温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块、dc
‑
dc模块和继电器，所述mcu控制芯片分别连接有温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块、dc
‑
dc模块和继电器；所述继电器分别与所述充电器和所述电池连接。
40.所述温度检测模块用于检测所述充电中转设备的内部温度和外部的环境温度；本实施例中，温度检测模块使用热敏电阻对充电中转设备工作环境进行温度采集并进行模数转换。
41.所述电压检测模块用于检测所述电池的电压；本实施例中，电压检测模块的检测电压范围为0
‑
100v。
42.所述电流检测模块用于检测所述电池充电时的电流；本实施例中，电流检测模块的检测电流范围为0
‑
10a。
43.需要说明的是，本实施例中，温度检测模块、电压检测模块和电流检测模块输出的信号均进行模数转换，输出数字信号，分别输入至mcu控制芯片的ad口。
44.所述dc
‑
dc模块用于将电池进行电压转换，为所述充电中转设备提供电源。本实施中，充电器通过继电器为电池提供输入电压，对电池进行充电。电池输出电压经dc
‑
dc模块转换成5v电压为mcu控制芯片供电。
45.所述mcu控制芯片能够根据电池充电时的数据，估算电池健康状态，控制继电器切断充电电流。
46.本发明实施例中，继电器用于控制充电电流的通断；mcu控制芯片控制继电器的通断，可以实现对充电中转设备的电路保护，具体如下:
47.mcu控制芯片判断电流检测模块检测的电流高于用户设定的值，该设定值为y*
xah，则断开继电器，实现对电池充电的过流保护；mcu控制芯片判断电压检测模块监测的电压异常且高于用户设定的电压值时，该设定值为c*dv,断开继电器，实现对电池充电的过压保护。需要说明的是，y为充电系数，代表充电安全范围的最大值，实际应用中，铅酸电池的y＝0.2，其电流设定值为0.2*xah；锂电池的y＝1，其电流设定值为1*xah倍，其中x是指电池总容量。而c代表电池的串联数，d表示单节电池最高电压。例如普通电动车48v12ah铅酸电池，y为0.2时，最大可充电电流为0.2*12＝2.4a电流；d＝14.8v,电动车的电池组串数c为4，则电池的最高可充电电压为59.2v。
48.进一步的，所述充电中转设备还包括有nb
‑
iot模组，所述nb
‑
iot模组与所述mcu控制芯片连接，所述dc
‑
dc模块通过稳压模块与所述nb
‑
iot模组连接。本实施例中，dc
‑
dc模块输出的5v电压经稳压模块转换为3.3v电压为nb
‑
iot模组供电。充电中转设备通过nb
‑
iot模组实现与外部设备之间的通信。需要说明的是，nb
‑
iot模组的串口与mcu控制芯片的串口之间需要通过电平转换电路进行连接，实现串口通信。
49.进一步的，所述nb
‑
iot模组无线连接有运营商iot平台，所述运营商iot平台无线连接有云服务器、所述云服务器分别无线连接有用户端小程序和生产工具。该生产工具用于在生产时，将设备注册到运营商iot平台，生成设备的id码和imei，进行用户卡号关联，并保存到云服务器。充电中转设备采集电池的电流电压数据以及电池的健康状况等信息通过nb
‑
iot模组将数据上报至运营商iot平台，再由运营商iot平台api接口推送至云服务器和用户端小程序，用户端小程序的指令也通过运营商iot平台下达充电中转设备。在充电时为保持长连接，端口不老化，提高指令的实时性，需定时发送心跳包来与运营商iot平台保活，并且考虑心跳包与流量之间的平衡。
50.进一步的，所述充电中转设备还包括led灯。led灯用于指示充电中转设备的工作状态。所述充电中转设备还包括蜂鸣器和按键模块，蜂鸣器用于对电池充电的异常情况进行报警。按键模块用于用于激活nb
‑
iot模组通信。
51.本发明还提供一种智能反馈电池健康状态的方法，该方法包括以下步骤：
52.第1步，将电池的充电过程分为3个大阶段，其电压分别为0
‑
v1、v1
‑
v2、v2
‑
v3，每个大阶段又分为若干个小阶段；
53.第2步，将充电中转设备和电池连接，电压检测模块监测电池的初始电压，mcu控制芯片判断该初始电压属于哪个充电阶段，若初始电压属于第一阶段，则进入第3步，若初始电压属于第二阶段，则进入第5步；若初始电压属于第三阶段，则进入第7步；
54.第3步，将充电器与充电中转设备连接，开始对电池进行第一阶段充电和预设许可充入电量c1计算；
55.第4步，当电池充电时间达到第一阶段预设许可充入电量c1时，判断电池电压是否达到第一阶段的终点电压，如电池电压未达到第一阶段的终点电压，则判断电池严重故障，直接进入第11步，如达到第一阶段的终点电压，则进入第5步；
56.第5步，对电池进行第二阶段恒流充电和预设许可充入电量c2计算；
57.第6步，当电池充电时间达到第二阶段预设许可充入电量c2时，判断电池电压是否达到第二阶段的终点电压，如电池电压未达到第二阶段的终点电压，则判断电池严重故障，直接进入第11步，如达到第二阶段的终点电压，mcu控制芯片则判断电池在第二阶段充电过程是否健康，是，则进入第7步，不是，同样进入第7步；
58.第7步，对电池进行第三阶段恒压充电和预设许可充入电量c3计算；
59.第8步，当电池充电时间达到第三阶段预设许可恒压充入电量c3时，电流检测电路检测电池的电流，mcu控制芯片判断第三阶段电池是否健康，是，则进入第9步，不是，则直接进入第11步；
60.第9步，脉冲电压对电池进行充电，直至电池充满；
61.第10步，结束充电，反馈电池健康情况至用户,具体的，mcu控制芯片将电池健康情况通过nb
‑
iot模组发送至用户端小程序；
62.第11步，mcu控制芯片控制继电器切断电源，并提醒用户。
63.进一步的，在所述第4步中，mcu控制芯片还可以依据电池在第一阶段充入定量电量c1过程中，上升电压与时间的线性关系的斜率与mcu控制芯片内部存储的健康电池的电压与时间的线性关系的斜率对比，来判断电池在第一阶段充电过程中的健康情况。
64.进一步的，在所述第6步中，mcu控制芯片依据电池在第二阶段充入定量电量c2过程中，上升电压与时间的线性关系的斜率与mcu控制芯片内部存储的健康电池的电压与时间的线性关系的斜率对比，来判断电池在第二阶段充电过程是否健康。
65.进一步的，在所述第8步中，mcu控制芯片依据电池在第三阶段恒压充入定量电量c3过程中，电池的下降电流与时间的线性关系的斜率与mcu控制芯片内部存储的健康电池的电流与时间的线性关系的斜率对比，来判断电池在第三阶段充电过程是否健康。
66.具体的，在本发明实施例中，以单节12v20ah的铅酸电池为例，充电阶段分为电压0
‑
v1、电压v1
‑
v2、电压大于v2
‑
v3这三个充电阶段，其中v1＝12v,v2＝14.4v,v3＝14.8v：
67.第一阶段充电阶段，本阶段为预充阶段，该阶段充电中转设备检测到电池的初始电压小于12v，此时判断电池的初始电压处于第一阶段，用户接上充电器后，开始充电，充电中转设备进行第一阶段的充电监测控制，并进行预设许可充入电量c1计算，当电池充入电量c1时电压达到12v，则判断电池在第一阶段的充电过程中是健康的，充电进入第二阶段；反之则判断电池严重故障，切断充电，提醒用户。需要说明的是，本实施例中，c1＝0.1c，c为电池额定容量。
68.在实际应用中，为了更为准确判断第一阶段电池的充电情况，mcu控制芯片通过本阶段实时电压与时间的线性关系判断电池健康状况，且为了提高电压与时间关系曲线的判断精确度，将第一阶段充电过程分成若干个小阶段，本实施例中，将其分成100段，mcu控制芯片将不同电压段电压与时间线性关系的斜率分别与mcu控制芯片内部存储的健康电池的电压与时间的线性关系的斜率对比，mcu控制芯片能更加精准的判断第一阶段电压与时间的关系曲线是否异常，从而预警电池的异常状态，判断是否存在电池故障，一方面可以判断电池电压是否错误，另一方面判断电池是否过久存放而导致严重亏电，并通过nb
‑
iot模组发送信号至用户端小程序，提醒用户。
69.第二阶段充电阶段，电池的电压达到12v，此时对电池采用恒流3a充电，充电中转设备对电池进行第二阶段预设许可充入电量c2计算。其中，c2在本实施例中等于1c，c为电池额定容量。当该阶段充入电量达到1c，若电压达到14.4v，mcu控制芯片通过电压和时间的线性关系对电池进行进一步的健康判断；若电压达不到14.4v，则判断该电池为高风险危险电池，属于严重故障电池，mcu控制芯片控制继电器关断，停止对电池的充电。
70.当电压达到14.4v时，还需要同时进行以下的健康判断，具体的，在此充电过程中，
电压检测电路时时检测电池的电压，形成上升电压与时间的线性关系，mcu控制芯片依据该上升电压与时间线性关系的斜率与mcu控制芯片内部或云端数据库存储的健康电池的电压与时间线性关系的斜率对比，来判断电池在第二阶段充电过程中的健康情况，如图3所示，该阶段电池的上升电压和时间呈一定的线性关系，不健康1线性关系和不健康2线性关系的斜率均偏离健康线性关系的斜率一定范围。若电池是健康的，电池进入第三阶段充电阶段的判断；反之则判断电池不健康，此时电池同样进入第三阶段，进行下一步采用恒压充电对电池电流的判断，判断该不健康的电池是否需要修复充满。
71.在实际应用中，为了提高电压与时间关系曲线的判断精确度，可以通过提高检测电压电路检测电池电压的频率，可以将第二阶段充电过程分成若干个小阶段，本实施例中，将其分成500段，不同电压段电压与时间线性关系的斜率分别与mcu控制芯片内部存储的健康电池的电压与时间的线性关系的斜率对比，使mcu控制芯片的判断更加精准，及时发现问题，提前预警电池的健康状态,通过nb
‑
iot模组发送信号至用户端小程序，提醒用户。
72.mcu控制芯片根据电池是否能够达到第二阶段的终点电压v2来判断电池是否故障，同时根据电压与时间的关系曲线判断此时电池的容量是否满足正常需求。
73.当电池电压在第一阶段达不到v1或是电池电压在第二阶段达不到v2的情况，mcu控制芯片均判断该电池存在高风险安全隐患，属于严重故障电池,通过nb
‑
iot模组发送信号至用户端小程序，提醒用户。当电池电压在第二阶段达到终点电压v2，但是电压与时间的线性关系斜率偏离正常电池电压与时间的线性关系一定斜率，则此时电池容量没有达到正常需求,通过nb
‑
iot模组发送信号至用户端小程序，提醒用户。
74.第三阶段充电阶段，mcu控制芯片根据电池容量的增加过程中，电流以及对电流与时间关系曲线的判断，判断电池是否存在热失控的危险。具体的，电池电压达到v2(v2＝14.4v)，采用v3(v3＝14.8v)对电池进行恒压充电，并检测电流，充电中转设备进行第三阶段的预设许可充入电量c3计算，其中c3＝0.3c,c为电池额定容量。该阶段随着电池容量的增加，充电电流降低。若充入0.3c电量后，电流＞0.03c则判断该电池不健康，电流大于0.1c则判断电池严重故障,mcu控制芯片控制继电器停止对电池继续进行充电。若电流≤0.03c则判断为健康，则电池采用小于0.03c的电流充1.36秒停0.64秒的间隙脉冲电压对电池继续充电一小时，以使电池充满并修复减小串联电池间的压差；若电流＞0.03c，且≤0.1c则判断电池不健康，mcu控制芯片控制继电器切断充电，提醒用户。在该阶段充电过程中，mcu控制芯片同时依据电池在第三阶段电池的下降电流与时间的线性关系的斜率与mcu控制芯片内部存储的健康电池的电流与时间的线性关系的斜率对比，判断电池在第三阶段的充电过程中的健康情况，如图4所示，该阶段电池的下降电流和时间呈一定的线性关系，不健康1的线性关系的斜率均小于健康线性关系的斜率一定范围，则判断此时电池不健康，mcu控制芯片控制继电器切断充电，发送信息至用户端小程序提醒用户。需要说明的是，电流能否降到0.03c的涓流充电，也是本系统判断电池充满的标准之一。
75.需要说明的是，本发明中，电池不健康和电池严重故障是两个不同的概念，具体的，不健康的电池可以充满继续使用。严重故障是指有安全隐患的，比如第一阶段和第二阶段达不到预设电压的，第三阶段涓流大于0.1c的。
76.同样在实际应用中，为了提高电流与时间关系曲线的判断精确度，可以通过提高电流检测电路检测电池电流的频率，可以将第三阶段充电过程分成若干个小阶段，本实施
例中，将其分成300段，不同小阶段电流与时间线性关系的斜率分别与mcu控制芯片内部存储的健康电池的电流与时间的线性关系的斜率对比，mcu控制芯片能更加精准的判断第三阶段电流与时间的关系曲线是否异常，从而预警电池的异常状态，判断电池故障,判断电池是否存在起火的危险，通过nb
‑
iot模组发送信号至用户端小程序，提醒用户。
77.根据电池的特性，在温度上升时，第一和第二充电过程，电池可承受最高充电电压阈值会下降，电池温度下降时，可承受最高充电电压阈值上升，而在第三阶段充电过程中，电池温度上升，电池充电电流不能下降或下降变缓。利用温度检测电路检测充电中转设备的内部温度和外部的环境温度，当充电中转设备的内部温度或外部的环境温度导致充电电压或电流异常，充电中转设备自动调节充电电压和电流，进行温度补偿，防止电池由于环境温度原因，影响其充电。
78.本发明对所有的电动车电池通用，可以是铅酸电池或锂电池。锂电池可以是三元材料锂电池、磷酸铁锂电池或锂离子聚合物电池。电池可以是单节电池，也可以是若干个电池串联。针对不同的电池以及电池的串数，根据其电压和电池容量，mcu控制芯片需要对v1、v2、v3、c1、c2、c3进行不同的参数设置。
79.用户可以根据用户端小程序选择自己的电池型号和充电倍率，发送至mcu控制芯片，mcu控制芯片根据用户选择，控制充电中转设备输出适合该电池型号的电流、电压和时间对电池进行充电。用户可以通过用户端小程序对电池的健康状态进行实时监测，并且可查询用户的充电记录。
80.本发明可设置继电器闭合时间，当用户通过用户端小程序下发总定时时间，mcu控制芯片开启继电器开始计时，并检测电压，当电压达到电池的一个饱和电压(本实施例中按单节电池14.8v计算)，而用户设定的总定时还没到，就计时3小时后断掉继电器，如果用户设定的总定时短，无法充满电池，则在定时到时也断开继电器。
81.本发明采用充电中转设备对电池的健康状态进行实时检测和反馈，并通过控制继电器对电池进行充电。本发明不只是以容量的百分比来表述电池健康状况，而是将电池的充电流程分为3个阶段进行，依据充电中转设备接入电池后检测到的初始电压来判断电池在哪一个充电阶段，从而根据每个充电的不同情况，分别根据充入的电量、终点电压、充电电流，电压与时间线性关系或电流与时间的线性关系中的一种或多种去判断的电池的各种健康情况。当采用电压与时间线性关系或电流与时间的线性关系来判断时，mcu控制芯片将其斜率与芯片内部或云端数据库存储的健康电池的电压与时间线性关系的斜率或电流与时间的线性关系的斜率对比来判断电池的健康程度，并将电池健康问题通过nb
‑
iot模组发送信号至用户端小程序，提醒用户，以防止电池热失控，引发安全隐患。本发明可设置继电器闭合时间，控制电池的充电，避免电池鼓包，避免过充而引起的短路着火。
82.尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。