动力电池热失控预警采集系统、方法及车辆与流程

1.本发明属于新能源电动汽车电池包技术领域，具体涉及一种动力电池热失控预警采集系统、方法及车辆。


背景技术：

2.新能源电动汽车的发展呈上升趋势，市场上的新能源电动汽车保有量也不断增长。作为整车动力总成核心之一的动力电池总成，也随着国家的对于电动化的推进，得到各种技术上的突破和发展，高容量、高比能的电芯是各大电池厂家和汽车生产商所追求的目标，随之而来的则是电池安全方面所面对的巨大的挑战和严苛的考验。近年来，尽管电动汽车的各类事故跃然纸上，各大厂家所发生的汽车起火事件更是层出不穷，动力电池占据了较大的原因。一旦发生热安全事件，对于消费者和厂家而言，轻则损失财物，重则危害生命。尽管各厂家对于电池本身的问题越来越重视，但仍然无法避免这一类问题，因而如何对电池热失控时间的监控并报警提醒车内成员，是新能源电动汽车在安全方面一项重要的工作。
3.当前主流的电池热失控监控及报警的系统，基本上是基于在电池包内添加各类传感器总成，通过采集电池包的电压、温度、气压、烟雾浓度、绝缘状态等数据，并上传至电池管理系统对热失控的状态进行监控并进行判断和报警。传感器总成或者集成的传感器增加总成的成本，但往往都只能在电池热失控发生之后进行诊断，无法实现早期的预警；另一方面，目前大多的电池包系统，其温度采集点往往是以热管理或其他目的设计，大部分的电芯都难以及时监测到其温度变化，也使得热失控的早期识别更加困难。如专利文献cn113948781a公开的一种电池热失控预警方法和装置，该方法采用电池内部温度及电压的变化来实现分级预警，当温度监控不够准确时则变得难以实现。
4.因此，有必要开发一种新的动力电池热失控预警采集系统、方法及车辆。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种动力电池热失控预警采集系统、方法及车辆，能提高对电芯温度监控的比例，并能保证对热失控前后温度的监控准确和及时性。
6.本发明所述的一种动力电池热失控预警采集系统，包括：
7.多个单ntc温度传感器，所述单ntc温度传感器包括一个ntc电阻，该ntc电阻布置在动力电池中的其中一个电芯上，用于采集该电芯的温度所对应的阻值；
8.多个双ntc温度传感器，所述双ntc温度传感器包括两个并联的ntc电阻，两个ntc电阻分别布置在动力电池中的其中两个不同电芯上，用于采集这两个不同电芯的温度所对应的阻值；
9.数据采集处理模块，其分别与各单ntc温度传感器、各双ntc温度传感器连接，基于所采集的阻值判断动力电池是否出现热失控或即将出现热失控，并在判断出动力电池出现热失控或即将出现热失控时发出预警指令；
10.预警模块，其与数据采集处理模块连接，基于预警指令进行预警。
11.基于所采集的阻值判断动力电池是否出现热失控或即将出现热失控，具体为：
12.基于单ntc温度传感器所采集的阻值查第一阻值与温度的对应关系表得到对应的第一温度值；
13.基于双ntc温度传感器所采集的阻值查第二阻值与温度的对应关系表得到对应的第二温度值；
14.基于双ntc温度传感器所采集的阻值乘以2后查第三阻值与温度的对应关系表得到对应的第三温度值；
15.将第一温度值与预设温度阈值进行比较；
16.将同一单ntc温度传感器的当前采样周期的第一温度值减去上一采样周期的第一温度值，并除以采样周期，得到第一温度变化速率，将第一温度变化速率与第一温度变化速率阈值进行比较；
17.将同一双ntc温度传感器的当前采样周期的第二温度值减去上一采样周期的第二温度值，并除以采样周期，得到第二温度变化速率，并将该第二温度变化速率与第二温度变化速率阈值进行比较；
18.将第三温度值与各第一温度值的平均值作差得到温度差值，并将温度差值与差值阈值进行比较；
19.响应于第一温度值大于预设温度阈值，或计算出的温度差值大于差值阈值，或计算出的第一温度变化速率大于第一温度变化速率阈值时，或计算出的第二温度变化速率大于第二温度变化速率阈值时，则判定动力电池出现热失控或即将出现热失控。
20.可选地，所述预警模块集成于电池管理系统中，该预警模块与电池管理系统的主控制器连接；所述数据采集处理模块与电池管理系统的主控制器连接；在电池管理系统处于下电休眠模式时，当第一温度值大于预设温度阈值，或计算出的温度差值大于差值阈值，或计算出的第一温度变化速率大于第一温度变化速率阈值，或计算出的第二温度变化速率大于第二温度变化速率阈值时，则判定动力电池出现热失控或即将出现热失控，数据采集处理模块唤醒电池管理系统的主控制器进行热失控预警，在电池管理系统处于下电休眠模式下时，本系统也能够对动力电池的热失控进行监控。
21.可选地，所述单ntc温度传感器还包括偏置电阻r，偏置电阻r和ntc电阻串联，且偏置电阻r和ntc电阻的连接点为采集端口，当给v 上施加电压，回路中产生偏置电流，此时采集端口处可采集到ntc电阻两端的电压值u，通过电压值u计算出ntc电阻的阻值rn，进而根据阻值rn查询得到对应温度值，能够确保所采集温度的准确性。
22.可选地，所述双ntc温度传感器还包括偏置电阻r，两个ntc电阻并联后与偏置电阻r串联，ntc电阻与偏置电阻r的连接点为采集端口；由于两个ntc电阻是并联的，故此双ntc温度传感器仅占用数据采集处理模块的一个采集通道，即仅占用数据采集处理模块的一个采集通道就能够实现对两个不同电芯的采集，相对于现有一个采集通道仅采集一个电芯温度的方式，提高了对电芯温度监控的比例。
23.第二方面，本发明所述的一种动力电池热失控预警采集方法，采用如本发明所述的动力电池热失控预警采集系统，其方法包括以下步骤：
24.通过各单ntc温度传感器采集对应电芯的温度所对应的阻值；
25.通过各双ntc温度传感器采集对应两个电芯的温度所对应的阻值；
26.基于所采集的阻值判断动力电池是否出现热失控或即将出现热失控，若判断出动力电池出现热失控或即将出现热失控时发出预警指令，否则不发送预警指令；
27.基于预警指令进行预警。
28.可选地，所述第一阻值与温度的对应关系表、第二阻值与温度的对应关系表和第三阻值与温度的对应关系表通过标定得到，通过查表的方式具有简单、方便、准确、计算量少的优点。
29.第三方面，本发明所述的一种车辆，采用如本发明所述的动力电池热失控预警采集系统。
30.本发明具有以下优点：
31.(1)本发明采用单ntc温度传感器和双ntc温度传感器混合布置的方式，由于双ntc温度传感器能够同时对两个不同的电芯温度进行采集，故相对于现有仅采用单ntc温度传感器的方式，采用相同数量的传感器就能够实现对更多电芯的监控，故提高了对电芯温度监控的比例，确保了监控数据的准确性和全面性。
32.(2)本发明通过单ntc温度传感器采集的阻值通过查表的方式得到第一温度值，该第一温度值能够准确地表征出对应电芯的温度，从而能够在对应电芯发生热失控或即将发生热失控时进行预警。
33.(3)本发明利用前后两个采样周期所得的第一温度值，计算出对应电芯的温度变化速率，并通过该温度变化速率来判断对应电芯是否发送热失控或即将发送热失控。
34.(4)本发明还通过双ntc温度传感器所采集的阻值通过查表的方式得到第二温度值，该第二温度值能够准确地表征出两个并联ntc电阻中最快变化的ntc电阻的温度变化速率；同时还通过将双ntc温度传感器所采集阻值进行特殊处理后所得到的第三温度值来表征两个电芯温度的实际变化趋势，从而能够在对应电芯发生热失控之前或发生热失控时进行预警。
35.(5)本系统不仅能够在整车处于上电工作模式下对电池的温度进行监控，还能够在整车处于下电休眠模式下对电池的温度进行监控，即能够实现24小时的监控功能。
附图说明
36.图1为本实施例中所述动力电池热失控预警采集系统的原理框图；
37.图2为本实施例中单ntc温度传感器采集时的简要示意图；
38.图3为本实施例中双ntc温度传感器采集时的简要示意图；
39.图4为本实施例中当ntc温升速率0.5℃/s时各温度变化的示意图；
40.图5为本实施例中当ntc温升速率1℃/s时各温度变化的示意图；
41.图6为本实施例中当ntc温升速率2℃/s时各温度变化的示意图；
42.图7为本实施例中单ntc温度传感器和双ntc温度传感器的布置示意图；
43.图8为本实施例中所述动力电池热失控预警采集方法的流程图；
44.图9为本实施例中预警判断的流程图；
45.图中:1、单ntc温度传感器，2、双ntc温度传感器，3、数据采集处理模块，4、预警模块。
具体实施方式
46.以下将结合附图对本发明进行详细的说明。
47.如图1和图7所示，本实施例中，一种动力电池热失控预警采集系统，包括多个单ntc温度传感器1、多个双ntc温度传感器2、数据采集处理模块3和预警模块4，数据采集处理模块3分别与各单ntc温度传感器1、各双ntc温度传感器2和预警模块4连接。
48.本实施例中，所述单ntc温度传感器1包括一个ntc电阻，该ntc电阻布置在动力电池中的其中一个电芯上，用于采集该电芯的温度所对应的阻值。
49.本实施例中，所述双ntc温度传感器2包括两个并联的ntc电阻，两个ntc电阻分别布置在动力电池中的其中两个不同电芯上，用于采集这两个不同电芯的温度所对应的阻值。
50.本实施例中，数据采集处理模块3基于所采集的阻值判断动力电池是否出现热失控或即将出现热失控，并在判断出动力电池出现热失控或即将出现热失控时发出预警指令。
51.本实施例中，预警模块4基于预警指令进行预警。
52.本实施例中，单ntc温度传感器和双ntc温度传感器的布置方式如下：
53.基于电芯发生热失控时的实测及仿真的温度场，在满足预警值的温度场边界处进行ntc的布置，将单ntc温度传感器和双ntc温度传感器相邻布置，即单ntc温度传感器-双ntc温度传感器-单ntc温度传感器，保证能够监控温度变化的同时，更准确地对动力电池包内温度进行监控，并保证每个温度场内均有ntc温度传感器进行监控。本实施例中，单ntc温度传感器1和双ntc温度传感器2布置在电芯的防爆阀上。
54.如图9所示，本实施例中，基于所采集的阻值判断动力电池是否出现热失控或即将出现热失控，具体为：
55.基于单ntc温度传感器1所采集的阻值查第一阻值与温度的对应关系表得到对应的第一温度值；
56.基于双ntc温度传感器2所采集的阻值查第二阻值与温度的对应关系表得到对应的第二温度值；
57.基于双ntc温度传感器2所采集的阻值乘以2后查第三阻值与温度的对应关系表得到对应的第三温度值；
58.将第一温度值与预设温度阈值进行比较；
59.将同一单ntc温度传感器1当前采样周期的第一温度值减去上一采样周期的第一温度值，并除以采样周期δt，得到第一温度变化速率，将第一温度变化速率与第一温度变化速率阈值进行比较；
60.将同一双ntc温度传感器2当前采样周期的第二温度值减去上一采样周期的第二温度值，并除以采样周期δt，得到第二温度变化速率，并将该第二温度变化速率与第二温度变化速率阈值进行比较；
61.将第三温度值与各第一温度值的平均值作差得到温度差值，并将温度差值与差值阈值进行比较；
62.响应于第一温度值大于预设温度阈值，或计算出的温度差值大于差值阈值，或计算出的第一温度变化速率大于第一温度变化速率阈值时，或计算出的第二温度变化速率大
于第二温度变化速率阈值时，则判定动力电池出现热失控或即将出现热失控。
63.本实施例中，利用单ntc温度传感器1能够准确且可靠地采集到对应单个电芯的第一温度值。该第一温度值能够准确地表征出对应电芯的温度，从而能够在热失控发生或热失控发生之前时进行预警提示。使用时，可以根据设置对应阈值的大小来实现是热失控发生时进行预警，还是在热失控发生之前进行预警。
64.本实施例中，利用双ntc温度传感器2能够采集到两个电芯的温度，从而提高了对电芯温度监控的比例，虽阻值所对应的第二温度值无法准确代表对应电芯的温度。但通过第二温度值能够准确地表征出两个并联ntc电阻中最快变化的ntc电阻的温度变化速率；同时还通过将双ntc温度传感器所采集阻值进行特殊处理后所得到的第三温度值来表征两个电芯温度的实际变化趋势，从而能够在电池热失控发生之前或热失控发生时进行预警。使用时，可以根据设置对应阈值的大小来实现是热失控发生时进行预警，还是在热失控发生之前进行预警。
65.本实施例中，根据并联电阻的公式有其中：rt代表两ntc电阻并联后的阻值；rp为并联后阻值的2倍，容易得到其阻值在两个并联起来的ntc电阻的阻值之间，因而其对应的温度也在两个ntc电阻之间。本实施例中，定义三类温度，a类温度(即第一温度值)：单通道布置单个ntc的阻值对应的温度。b类温度(即第三温度值):2个ntc并联阻值的2倍对应的温度，即rp对应温度值。c类温度(即第二温度值):2个ntc并联阻值对应的温度，rt对应温度值。
66.电动汽车的电池管理系统的工作模式大体上有以下两种工作模式：
67.一、正常上电工作模式，即整个系统处于唤醒的状态，所有功能均正常运行。
68.二、下电休眠工作模式，大部分功能无法正常工作，但可以自主唤醒或者接受外部唤醒源的唤醒信号。
69.本实施例中，在电池管理系统处于上电唤醒模式时，通过本系统能够实现对动力电池内部状态的准确监控，通过电池管理系统给予采集系统设定相应的阈值(即包括预设温度阈值、第一温度变化速率阈值、第二温度变化速率阈值和差值阈值)，当监测到对应的电芯温度达到对应的阈值时，该采集系统即可识别到电池热失控的信号，采集系统发出热失控的报警信息，同时还可以通过电池管理系统执行抑制热失控发生的措施。
70.本实施例中，所述预警模块4集成于电池管理系统中，该预警模块4与电池管理系统的主控制器连接。所述数据采集处理模块3与电池管理系统的主控制器连接。在整车处于下电模式时，此时电池管理系统处于下电休眠模式时，当第一温度值大于预设温度阈值，或计算出的温度差值大于差值阈值，或计算出的第一温度变化速率大于第一温度变化速率阈值，或计算出的第二温度变化速率大于第二温度变化速率阈值时，数据采集处理模块3唤醒电池管理系统的主控制器进行热失控预警。由此可见，本系统不仅能够在整车处于上电工作模式下对动力电池的温度进行监控，还能够在整车处于下电休眠模式下对动力电池的温度进行监控，即能够实现24小时的监控功能。
71.本实施例中，单ntc温度传感器1即利用负温度系数的ntc电阻来采集温度值的温度传感器。本系统通过单ntc温度传感器1只采集一个电芯的温度。
72.如图2所示，本实施例中，单ntc温度传感器1除了ntc电阻外，还包括偏置电阻r，偏
置电阻r和ntc电阻串联，且偏置电阻r和ntc电阻的连接点为采集端口t，当给v 上施加电压，回路中产生偏置电流，此时采集端口t处可采集到ntc电阻两端的电压值u，计算出ntc电阻的阻值rn，进而根据阻值rn查询得到对应的温度值。
73.本实施例中，如图3所示，所述双ntc温度传感器2除了包括两个ntc电阻外，还包括偏置电阻r，两个ntc电阻并联后与偏置电阻r串联，ntc电阻与偏置电阻r的连接点为采集端口t，通过双ntc温度传感器2同时能够采集两个不同电芯的温度。
74.如图8所示，本实施例中，一种动力电池热失控预警采集方法，采用如本实施例中所述的动力电池热失控预警采集系统，其方法包括以下步骤：
75.通过各单ntc温度传感器1采集对应电芯的温度所对应的阻值；
76.通过各双ntc温度传感器2采集对应两个电芯的温度所对应的阻值；
77.基于所采集的阻值判断动力电池是否出现热失控或即将出现热失控，若判断出动力电池出现热失控或即将出现热失控时发出预警指令，否则不发送预警指令；
78.基于预警指令进行预警。
79.本实施例中，所述第一阻值与温度的对应关系表、第二阻值与温度的对应关系表和第三阻值与温度的对应关系表均通过标定得到，通过查表的方式具有简单、方便、准确、计算量少的优点。
80.以下以某常温25℃时阻值为10k的ntc电阻为例(表1)进行说明：
81.表1：
82.序号a类温度值/℃并联ntc1温度/℃并联ntc2温度/℃b类温度c类温度11010910272101018143231010272039
83.表1中的ntc1表示并联电阻的其中一个ntc电阻，ntc2表示并联电阻的另一个ntc电阻。
84.当动力电池处于正常状态(即序号1)，所有a类、b类的温度值均正常，此时不会判断为异常；若动力电池的状态异常(即序号2、3)，而所有a类温度仍然处于正常状态，而某ntc电阻对应的b、c类温度值，且此b、c类温度的值会持续上升；其中b类温度值位于两个并联的ntc温度值之间，其温度值在正常情况时同样表征了这两个ntc电阻所监测的温度点均是正常的，同理，当两个并联的ntc电阻中的任一ntc电阻发生温度升高的情况时，b类温度值此时的变化与该ntc电阻变化呈正相关而逐步上升，其温度的变化趋势就是两个温度点的实际变化趋势，此时用b类温度值和a类温度平均值就能反映出动力电池的温差，当温差较大时，就能反映出异常的情况。
85.表1中的c类温度在数值上明显高于正常值，不能代表所监控的温度点的真实情况，但通过仿真计算，其c类温度的变化速率更接近两个并联ntc电阻中最快变化的ntc电阻的温度变化速率，因此利用其温度速率的变化来表征组合后采集点的温度变化速率。由于c类温度的阻值为并联的阻值，若标定一个ntc电阻的温度值不变，另一ntc电阻的温度以一定速率上升，并联阻值下降，c类温度升高。若标定两个ntc电阻的温度以相同速率上升，则并联阻值降低，c类温度升高。由并联阻值的公式可以推出两个ntc阻值的温度同步速率增大时，c类温度的温升速率最快，而仅单个ntc电阻变化时，其温升的速率最慢。
86.以如下实例来说明：如图4所示，设定两个ntc电阻的温升速率为0.5℃/s，此时c类温度温升速率为0.55℃/s，而仅设定一个为0.5℃/s，另一个不变，此时c类温度温升速率为0.42℃/s(计算方法是：首先是标定了并联的2个ntc电阻的温度值以及温度变化的速率，通过反查其对应的阻值而得到b、c类的温度值，以及对应的变化速率)。由于实际中，两个ntc电阻既会出现两者同步变化，也会出现其中一个变化稍慢，故实际的c类温度的变化速率必定处于这个最快变化速率和最慢变化速率之间，因此得到表2中有c类温升速率有0.42℃/s～0.55℃，同样能通过计算得出b类温度的温升速率。
87.同理，如图5所示，设定两个ntc电阻的温升速率为1℃/s，此时c类温度温升速率为1.1℃/s，而仅设定一个为1℃/s，另一个不变，此时c类温度温升速率为0.7℃/s。
88.如图6所示，设定两个ntc电阻的温升速率为2℃/s，此时c类温度温升速率为2.2℃/s，而仅设定一个为2℃/s，另一个不变，此时c类温度温升速率为1.4℃/s，故可得到如下表所示的变化情况：
89.表2：
[0090][0091][0092]
从表2以及图4、图5、图6中能看出：
[0093]
1.c类温度的温升速率较b类温度的温升速率更为接近实际的变化速率；
[0094]
2.ntc电阻的温升速率越低，其并联得到的c类温升速率与最快的变化的ntc电阻的温升速率更接近；
[0095]
3.当温升速率升高，c类温度的温升速率与其中最快变化的ntc温升速率误差增大。但对于电池的热失控，在较低的温升速率时误差较小，而此时的速率已经能够与电池因为其余原因带来的温升速率区分出来，所以即使在温升速率升高时会带来误差，也超过了进行热失控的预警的阈值，因此温升速率升高的偏差不影响对于热失控预警或者报警的判断。
[0096]
本技术的另一方面还提供了一种车辆，采用如本实施例中所述的动力电池热失控预警采集系统。
[0097]
附图中的流程图和框图，图示了按照本技术各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。其中，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0098]
描述于本技术实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
[0099]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。