一种户外用锂电池包的进水检测方法与流程

1.本发明涉及锂电池防护技术领域，具体是一种户外用锂电池包的进水检测方法。


背景技术：

2.锂电池包指的是多个乃至几十个锂电池电芯的串联和并联连接、封装，也被称为锂电池pack。锂电池pack在消费类电子市场的应用广泛，涵盖了手机、笔记本电脑、游戏机、数码相机、便携式设备等等。锂电池pack工艺是指将电芯、保护板、锂电池线、锂电池镍片、锂电池辅料、锂电池盒、锂电池膜等通过焊接的方式组装成成品锂电池，很多锂电池包外壳是金属壳。比如，新能源汽车动力电池的承载件电池包壳体也通常由传统车用电池箱体采用钢板、铝合金等材料铸造。
3.锂电池包在户外使用时，壳体内进水是严重的电气事故之一，会引发锂电池内漏电乃至短路诱发火灾。目前锂电池的状态主要通过锂电池管理系统bms实现，但是当前bms并不具有进水监测的功能，不能实时和动态的检测锂电池包的绝缘情况的变化，不利于锂电池包的安全使用，因此，有必要提供用于锂电池包的进水检测及告警提示方法。
4.我们知道比亚迪公司有这样的一款专利设计《一种锂电池箱体的进水检测方法》(cn201510074351.1)，其中“设置在锂电池箱体内的导线组，所述导线组包括第一导线和第二导线，所述第一导线和第二导线不相交设置，所述第一导线与电源连接；检测单元，用于检测第二导线的电压；锂电池管理器，用于预设不同的电压区间，并接收检测单元发送的第二导线的电压，判断所述第二导线电压在某个电压区间内且形成相应的判断信号；整车控制器，用于接收锂电池管理器发送的判断信号，并形成相应的警报级别。当锂电池箱体进水后，所述第一导线和第二导线通过水流连接，因为第一导线与电源连接，所以第二导线也有电压输入，第二导线的电压大小和进水量的大小有关系，当进水量较大时，第二导线的电压越大，当进水量较小时，第二导线的电压越小，这样就将进水量的大小通过第二导线电压反映，整车控制器形成相应的警报级别”。
5.以上所述的在多处设置线圈来感应进水水位，并显示出进水量以及报警，这是一种很好的进水检测方法，但，一是该设计针对的是大电瓶，包括铅酸锂电池的箱体，二是这样的设计，布置线圈形成了装置的冗杂，占用较多空间、增加了成本，也不适用于小体积的锂电池包的情况。另外，需要水作为导体形成所述的第一导线和第二导线的连接，如果依靠进水之后的湿度进行检测，相对湿度上升具有一段滞后时间，相当大程度的空气湿度后才可能形成前述连接，告警具有滞后性，实时性不够。
6.在我们看来，锂电池包进水量多少不是报警需要首先关注的事项，只要是有漏电了，哪怕只是一定湿度的潮湿空气或某一个锂电池对外壳漏电，都值得第一时间去处理。因此我们设计产品要求有更简约的构造、更灵敏准确速地发出进水报警，为锂电池包的可靠使用提供安全保护。


技术实现要素：

7.为了达到上述的目的，本发明提供了一种户外用锂电池包的进水检测方法，该方法是，利用锂电池包中各个锂电池正极与金属壳体存在绝缘电阻的情况设置一个检测电路，该电路中每一个锂电池组有一个锂电池连接锂电池组正端、有一个锂电池连接锂电池组负端，所述的锂电池组正端连接一个电阻r1到金属壳体earth端，所述的earth端连接一个电阻r2到锂电池组负端，同时，锂电池包正端与earth之间连接一个s1与r3的串联体，earth与锂电池包负端之间也连接一个s2与r4的串联体并且该串联体的高电平端连接到一个电压检测模块的输入端，电压检测模块的输出端连接到采样运放的输入端，采样运放的输出端连接数字处理器，数字处理器输出告警信息。
8.作为上述技术方案的进一步描述，所述的s1、s2的开关作用都用一个mos管取代，对应s1的mos管的源极和漏极分别连接在锂电池组正端和earth端，对应s2的mos管的源极和漏极分别连接在earth端和锂电池包的负端；两个mos管的栅极分别与数字处理器的两个控制脚连接。
9.作为上述技术方案的进一步描述，所述的检测报警电路工作步骤为：s1、s2的初始状态为断开，当数字处理器开启自检功能之后，首先闭合s1，断开s2，此时earth对锂电池组负端的电压采样值为ue1，之后断开s1，闭合s2，此时earth对锂电池组负端的电压采样值为ue2；开启绝缘监测之后，先闭合s1、s2保持断开状态，状态保持时间为t1，在这段时间内，数字处理器会采样到ue1，以及锂电池组正端对锂电池组负端的电压采样值ubat ，之后断开s1、闭合s2，同样保持t1时间，此时数字处理器会采样到ue2，之后断开s1、s2，数字处理器通过公式调用，算出最终的等效电阻，当小于设定的保护阈值即启动告警。本发明的主要优点是：本发明通过监测锂电池包壳体内绝缘电阻的方法间接实现壳体的进水监测，成本低、电路简单可靠、灵敏度高、实时性好。
附图说明
10.图1为本发明的绝缘监测电路及锂电池包壳体作为其中earth端的示意图。
11.图2为本发明中等效于s1、s2的两个mos管的等效工作电路示意图。
12.图3为本发明中电压检测模块、采样运放、数字处理器及其供电连接示意图。
13.图4为本发明中s1闭合s2断开时的绝缘阻抗检测状态示意图。
14.图5为本发明中s1断开s2闭合时的绝缘阻抗检测状态示意图。
15.图6为本发明的绝缘监测的软件流程图。
具体实施方式
16.所有物体都有绝缘电阻，绝缘电阻是阻止漏电流通过的能力，阻值愈大愈好，通常以 m欧姆计。绝缘电阻会因材质劣化、表面附着之有机物、尘埃及水滴等而减小。检测该绝缘电阻，就能检测出锂电池包内是否进水漏电，包括潮湿空气所造成的湿度漏电。
17.本发明采用利用一个数字处理器计算锂电池对外壳绝缘电阻的方法设计锂电池包的进水检测方法，采用本方案实现的设备有：各类户外用的锂电池包。
18.采用金属壳体的锂电池包，它们的壳体导电可作为一个电子电路的组成部分。本发明中，锂电池包金属壳体作为一个电路中的gnd_earth，本发明附图简示的电路中标示为“earth”。各个锂电池电芯的电极特别是正极都对金属壳体earth端形成一个绝缘电阻，此为本发明书中特别是其中电路所涉及的绝缘电阻。
19.当绝缘电阻变化，特别是锂电池包水灌进水之后绝缘电阻急剧变为水的电阻几百k左右甚至更低，某些锂电池的正极施加在金属盒子的电位对锂电池组负端的电位差就会发生改变，有时通过电压检测模块就能检测出来。很多时候进入的正只是潮湿空气，对某些锂电池的绝缘电阻改变不是如几百k，而是大得多。当绝缘电阻为几兆欧左右时，通过检测前述电位差准确度大为降低，或者会检测不出来，此时仍然不能忽视此时绝缘电阻对锂电池包的影响，锂电池组电压较高，当漏电程度达到一定值一样会引起问题，至少也会无端消耗锂电池电能。
20.本发明检测方法不是基于测量锂电池漏电在earth端产生的一个持续电压的方法，而是通过变换开关s1、s2的通断产生一次以上的跳变的电压数据（附图中的ue1、ue2），输入电压检测模块的输入端，再经过运放电路送入数字处理器进行公式调用分析，算出整个锂电池包的等效绝缘电阻ri与正常时锂电池包的绝缘电阻值的对比，之后数字处理器随即作出是否应该输出提示报警的判断，输出如大小级别不同的报警声或灯光提示。
21.本发明要实施的一种户外用锂电池包的进水检测方法，具体为：基于锂电池包中各个锂电池正极与金属壳体的绝缘电阻设置一个检测电路，该电路中每一个锂电池组有一个锂电池连接锂电池组正端、有一个锂电池连接锂电池组负端、中间的各个锂电池的正端可视为连接了一个电阻rs*p*（如本说明书及其附图中rs1p1、rs1p2）到金属壳体earth端；该电路中锂电池组正端连接一个电阻r1到earth端，earth连接一个电阻r2到锂电池组负端，同时，锂电池包正端与earth之间连接一个开关s1与电阻r3的串联体，earth与锂电池包负端之间也连接一个开关s2与电阻r4的串联体并且该串联体的高电平端连接到一个电压检测模块的输入端，电压检测模块的输出端连接到采样运放的输入端，采样运放的输出端连接数字处理器；前述s1、s2的开关作用都用一个mos管取代，两个mos管的栅极分别与数字处理器设有的相应控制脚连接。
22.应当说明的，直接采用机械开关的s1、s2来适时地手动操控，能达成检测是否进水的目的。更可取地，s1、s2的作用可都用一个mos管来达成，此时s1、s2可为数字处理器控制的mos管的简略标注，方便理解本发明的绝缘电阻检测步骤。
23.本发明不依靠设置线圈、探测棒等设施，节省了线圈等设备，仅仅依测量锂电池壳体自身对放着锂电池的金属盒子的绝缘电阻，电路简单、检测方式安全，同时检测反应迅速。本发明在长时间的自动检测的使用过程中，处于监测状态，检测到锂电池包进水了可产生声光提示等告警输出。
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例中的计算方法和附图，对本发明做进一步的详细说明。
25.图1为本发明的绝缘监测电路及锂电池包壳体作为其中earth端的示意图。
26.如图所示，图中，各个锂电池可组成编号为bs1p1、bs1p2
……
bs1pn的分别所在的若干个锂电池组。每个锂电池组有多个锂电池，以bs1p1所在组为例，该组中有bs1p1 、bs2p1
ꢀ……
bsnp1，图中虚线表示中间省略部分。
27.假设每个锂电池对机壳的绝缘阻抗电阻为rs*p*，最终等效绝缘阻抗阻值ri为所有上述锂电池的绝缘阻抗电阻相加。
28.理论上各个锂电池都存在各自对earth端的绝缘电阻，但在本发明电路中是不存在电阻(rs*p*)实体元件的连接关系。各个电阻的展示是为了说明本发明的检测方法会运用到这些绝缘电阻值，特别是受到水或潮湿空气影响变化后的绝缘电阻值。
29.假设每个锂电池对机壳的绝缘阻抗电阻为rs*p*，对应前边所述，如图中的rs1p1、rs1p2
……
或rs1pn。即可视为每个锂电池分别对earth端连接一个电阻rs1p1、rs1p2
……
或rs1pn。实际上本发明设置的检测电路中不存在连接前述电阻，也因此本发明检测电路中电压检测模块输入端前边的电路比较简单。
30.在电路设计时，r3、r4的阻值远小于r1、r2的阻值，其中r1、r2和r3、r4可以不相等。假设r1、r2的阻值为820k左右，则可设置r3、r4的阻值在470k左右，既能使相关点保持有一定的电位，又不消耗较大的电流。r3、r4通过s1、s2来进行投切，接入有关于锂电池包壳体earth端的检测电压的电路中，形成在r2两端、特别是earth端的可供电压检测模块监测的动态电压ue1、ue2。ue1、ue2在s1、s2都闭合时都等于earth端对锂电池组负端的电压。
31.图2为本发明中等效于s1、s2的两个mos管的等效工作电路示意图。
32.相比于图1，其中的s1、s2由本图中的两个mos管取代，它们分别是图中的mos1、mos2，mos1、mos2的栅极分别与数字处理器的对应控制脚连接。nmos管价格比pmos管便宜较多，所以本发明以nmos管为例说明，不排除使用pmos管。
33.mos管主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻，与r1、r2、r3、r4的较高阻值形成一定比例的配比，有利于电路的正常工作。mos1、mos2分别通过r2、r1获得电流回路可正常工作起到开关的作用。
34.mos管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于mos管是电压控制元件，所以主要由栅源电压vgs决定其工作状态，vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况，只要栅极电压达到4v就可以了。来自图中数字处理器的相关控制功能的引脚输出的电压就很好地通过一个匹配电路连接到该mos管的栅极。栅极电压越高，mos导通速度越快，导通电阻也越小。在nmos管的栅极的控制电压偏低的情况下，可通过前述相关控制功能的引脚和栅极之间增设自举升压电路或其他升压芯片提升电压。
35.本发明可选用的是属于nmos类型的士兰微的mos管，其型号为svf12n60，n沟道增强型功率mos场效应晶体管，工艺及条状的原胞设计结构使得该产品具有较低的导通电阻、优越的开关性能及很高的雪崩击穿耐量。
36.附图中，对应s1的mos管的源极和漏极分别连接在锂电池组正端和earth端，对应s2的mos管的源极和漏极分别连接在earth端和锂电池包的负端。两个nmos管的栅极分别连接在数字处理器的两个控制脚上。本发明中对mos管的连接遵从其应有的连接方式。
37.下面以svf12n60为例简述nmos管在本发明中的开关作用。
38.作为开关管，svf12n60的开启电压为更低的2至4伏。本发明电路中，栅极高于2伏电压时，场效应管svf12n60导通，当数字处理器控制脚没有输出电压到场效应管栅极上，场效应管关断。
39.本发明说明书中一个运用场景中数字处理器可采用acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的risc微数字处理器，arm的 stm32f103vct6，该数字处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。它是低成本的，主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任务。
40.前述数字处理器也称为mcu，或称微控制单元，也通常被叫成单片机，是把中央数字处理器(central process unit、cpu)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(timer)、usb、a/d转换、uart、plc、dma等周边接口，甚至lcd驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。前述lcd可12864(ks0108) 并行通信，lcd可为附图中主机的一部分或全部。
41.stm32f103vct6开机可自启动工作，读写工作可自动完成的，其内部自带复位电路，可以不外接rc。
42.stm32f103vct6包含两个以上的控制脚，选用其中的两个，使其分别通过电阻或匹配电路连接到两个nmos管的栅极。在实际电路中，必要时其中一个控制脚可设置lm393以及上拉电阻构成一个“lm393驱动cmos的电路”经电压转换后连接到栅极。举例，前述电路有lm393第4脚接锂电池组负端，第8脚连接锂电池组正端，第6脚连接第8脚、第4脚之间连接的分压电位器的中点，第5脚设一个上拉电阻连接到stm32f103vct6的一个控制脚，第7脚设一个上拉电阻连接到nmos1管的栅极。前述上拉电阻为50k。lm393价格便宜、静态工作电流都只有二毫安左右，不消耗太多的电能。还可以采用或目前新出现的现成的“mos驱动ic”，如ap2402。
43.本发明中数字处理器stm32f103vct6开机后自动调配内存、指令集相关程序设定，间歇地适时输出高电平，mos管就起到开的作用，反之，输出低电平就起到关的作用。
44.图3为本发明中电压检测模块、采样运放、数字处理器及其供电连接示意图。
45.电压检测模块可为bq7693003dbtr，是专用电源管理ic，本发明基于其电压比较器的高灵敏度，提供在其输入端的检测电压的微小变化。其工作电压为 6 v至25 v电源，供电端可直接连接在锂电池组正端。
46.本发明中的采样运放包括采样电路和运放电路，采样运放即为用于电压采样的运算放大器，可供选用的型号很多，本发明在一个运用场景中可选用运算放大器lm358的电路构成。lm358单电源时的供电电压为3至30伏，也可直接连接到锂电池组正端。
47.设计中我们将电压检测模块输入端的电压，即earth端与锂电池组负端之间的电压，或称r2两端的电压，不用电阻分压的方式直接给数字处理器mcu电压，而是用了s1、s2产生至少一次的跳变电压ue1、ue2，还设置一个电压检测模块、一个运放连接到mcu做处理。因为本发明针对的电压变化的ue1、ue2的变化值可能较小，因此需要电压放大。采样运放起到阻抗变换、放大的作用，使电路可靠、精度更好。运放的输入阻抗为兆欧姆级别，输出阻抗非常小，这种形式非常有利于从采样电路得到电压，并且再传导给mcu。
48.本发明中单片机arm 的stm32f103vct6的工作电源电压：2v-3.6v，为其供电的电路为如图所示的tps61291芯片电路。锂电池组正端通过一个电感接到tps61291的第1脚，tps61291的第2脚输出端3.3伏连接到数字处理器的供电端。
49.本发明检测电路的总消耗电流可以做到只要十几个毫安，在锂电池包作为动力消耗的使用中并不显得过大。
50.在nmos管的相关受控状态下，电压检测模块检测出电路中earth端和锂电池包电源负端的多次电压变化，连接的采样运放、数字处理器适时进行运算，算出电阻阻值，再根据设定保护阈值，数字处理器输出告警信号到终端主机起到提示、报警的作用。
51.本发明中nmos管的开关作用，用s1、s2来简化叙述，本发明的电路中s1、s2的开关
控制、精密运算的依据参照图4、图5演示。
52.图4为本发明中s1闭合s2断开时的绝缘阻抗检测状态示意图。
53.参考图1、图2，代表s1、s2的两个nmos管mos1、mos2分别因为r2、r1获得电压回路而可正常工作，earth端的电压随着s1、s2的开断状态而产生一定幅度的变化，earth端连接在电压检测模块bq7693003dbtr的电压比较输入端。
54.本说明书在以下叙述部分可用s1、s2分别指代mos1、mos2。
55.s1、s2的初始状态为断开，当数字处理器开启自检功能之后，首先闭合s1，断开s2，如图4所示，此时earth对锂电池组负端的电压采样值为ue1（u
e1
）；锂电池组负端的电压标示为ubat-，为电路中的零点电位；锂电池组正端对锂电池组负端的电压采样值为ubat 。此时依据节点电流可列出如下方程(公式1)：该公式涉及元件、电压取值点可如附图所示。
56.图5为本发明中s1断开s2闭合时的绝缘阻抗检测状态示意图。
57.接着，断开s1，闭合s2，如图5所示，此时earth对锂电池组负端的电压采样值为ue2（u
e2
），此时依据节点电流可列出如下方程（公式2）：该公式涉及元件、电压取值点可如附图所示。
58.如图所示， 整个锂电池包对earth端的的等效绝缘电阻为（公式3）：该公式中涉及各锂电池的绝缘电阻如附图标注。
59.将公式一、二、三解方程之后可以得到如下的一个公式（公式4）：公式4中可看出，整个锂电池包的等效绝缘电阻ri只与s1、s2 的闭合、断开产生的ue1、ue2的变化有关，本发明设置的检测电路中，某些锂电池的绝缘电阻发生变化，影响到公式中相关数值的变化。有无变化，变化量多少，该计算结果为数字处理器stm32f103vct6的输出提示、报警信号提供比较数据。
60.图6为绝缘监测的软件流程图。
61.本图以方框图的形式展示自动控制s1、s2状态下的监测结果计算方式。
62.如图所示，s1、s2的起始状态均断开，开启绝缘监测之后，先闭合s1、s2保持断开状态，状态保持时间为t1，在这段时间内，数字处理器会采样到ue1，以及锂电池组正端对锂电池组负端的电压采样值ubat ，之后断开s1，闭合s2，同样保持t1时间，此时数字处理器会采样到ue2，之后断开s1、s2，数字处理器通过公式调用，算出最终的锂电池包的等效绝缘电阻。
63.本发明中所设定的绝缘电阻提示报警阈值根据单片机的写入程序数字可定为如潮湿空气时1兆欧左右或者别的数值，以锂电池包在不同的产品用途情况下而定。
64.当所计算阻值大于所设定的保护阈值时，检测通过，判断绝缘阻抗正常，当小于设定的保护阈值时，检测不通过，判定绝缘阻抗不正常，上报系统报错，启动报警讯息，该信息由蜂鸣器等提示，也可由lcd观测到报警信号。
65.收到检测信息，锂电池包用户就可以第一时间地去处理好锂电池包壳体里进水的状况，保护锂电池，力争杜绝锂电池包引起的设备自燃的现象。
66.如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。