帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組采集系統及方法與流程

本發明涉及鋰電池模組的電池管理系統，具體的說是一種帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組采集系統及方法。

背景技術：

電池供電電子設備在現代社會的應用越來越普及。手持設備的快速擴張和電動汽車等類似應用的普及導致了對電池技術的需求越來越高。然而電池在應用擴展的同時也帶來了相應的安全問題，除了在電池設計、生產時考慮安全因素，電池供電設備的可靠運行也離不開電池管理系統，它包括充電控制，電池容量監控，剩余運行時間估計，均衡和壽命估測等功能，而所有這些功能的前提是盡可能準確的采集電池模組的各項參數，如電壓，溫度等。

現有很多電池管理系統采用分級的結構，即控制板與采集板在結構和功能上分開，采集板使用采集芯片進行差分電壓采樣，并通過總線上傳至控制板，控制板上的上位機進行儲存、處理、診斷等工作。由于涉及電池安全的事件如熱失控等現象發生時往往非常迅速，即使短時間的通訊干擾或通訊中斷也可能會導致系統對電池故障的響應不及時，進而造成嚴重后果。并且單純將采集數據上傳至上位機，缺乏時間和故障信息并不足以反映電池模組的全部狀態，如果將參數估算、故障診斷、增加時間信息等工作全部交給上位機處理，當電池模組規模較大時則會加重上位機的負荷。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種能穩定迅速處理嚴重事故，分擔處理器負荷的帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組采集系統及方法。

為了解決以上技術問題，本發明采用的技術方案為：一種附帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組采集系統，包括數據采集單元、一級數據處理單元以及二級數據處理單元；所述數據采集單元包括用于測量電池模組中電池單體差分電壓的電壓采集模塊、電流采集模塊以及用于采集同一電池單體表面和內部兩個溫度的溫度采集模塊；所述一級數據處理單元包括一級處理器mcu以及與一級處理器mcu通訊連接的實時時鐘和can通信模塊，在一級處理器mcu中存儲有一組電池故障時表面溫度和內部溫度的對比數據，用于供一級處理器mcu根據接收到的溫度信息判斷電池模組故障類型；所述二級數據處理單元包括二級處理器cpu以及與二級處理器cpu通訊連接的通信接口；所述一級處理器mcu的輸入端分別與電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊以及實時時鐘通訊連接，一級處理器mcu與can通信模塊之間通過i/o接口進行交互，一級處理器mcu上i/o接口中一個輸出引腳直接與通信接口輸入端相連，can通信模塊的輸出端通過故障信息總線和采集信息總線與通信接口的輸入端相連。

優選的，所述電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊分別通過電纜和設置于電池模組上的外部接口與電池模組相連；電壓采集模塊提供不少于十二路的電壓采集通道，電流采集模塊提供不少于兩路的電流采集通道，溫度采集模塊提供不少于六路的溫度采集通道。

優選的，所述電壓采集模塊包括第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片，第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片均為高精度電池監控和保護芯片，第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片分別通過接口與電池模組中的串聯單體直接連接并用于測量每一個單體的差分電壓，其中第一電壓采集芯片用于測量高電位電池電壓，第二電壓采集芯片用于測量低電位電壓，在第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片之間以及第二電壓采集芯片與一級處理器mcu之間分別設有一組總線進行交互，每組總線均包括數據總線和狀態總線。

優選的，所述溫度采集模塊包括用于分別測量電池模組表面溫度和內部溫度的第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，第一溫度傳感器設置在電池模組的外殼上，第二溫度傳感器設置在電池模組單體內的兩個電池軟包之間。

優選的，所述電流采集模塊為霍爾電流傳感器。

優選的，所述一級處理器mcu為可提供嚴重和常規二級鋰電池故障診斷機制的汽車級16位處理器。

一種鋰電池模組的二級故障診斷和處理方法，其特征在于：包括以下步驟：

1）、系統初始化；

2）、通過電壓采集模塊、電流采集模塊以及溫度采集模塊完整采集電池數據；

3）、通過一級處理器mcu判斷電池內外溫度及電池內外溫差是否達到第一溫度門限，如果達到第一溫度門限，一級處理器mcu通過其i/o接口中的一個輸出引腳直接報警至二級處理器cpu，并立切斷電池模組進行即保護；如果未達到第一溫度門限，進行步驟4）；

4）、通過一級處理器mcu判斷電池內外溫度及電池內外溫差是否達到第二溫度門限，如果達到第二溫度門限，由一級處理器mcu進行高低溫診斷并將診斷出的故障信息和由溫度采集模塊采集的溫度信息通過can通信模塊傳輸至二級處理器cpu；如果未達到第二溫度門限，進行步驟5）；

5）、通過一級處理器mcu判斷由電壓采集模塊所采集的電壓是否小于系統預設的最低電壓門限或高于系統預設的最高電壓門限，如果小于最低電壓門限或高于最高電壓門限，一級處理器mcu進行過欠壓診斷并將診斷出的故障信息和由電壓采集模塊采集的電壓信息通過can通信模塊傳輸至二級處理器cpu；如果由電壓采集模塊所采集的電壓在最低電壓門限和最高電壓門限之間，則由以及處理器mcu將由溫度采集模塊、電壓采集模塊以及電流采集模塊分別采集的溫度信息、電壓信息以及電流信息分別通過can通信模塊傳遞至二級處理cpu；6）、步驟2）至步驟5）重復循環。

優選的，所述第一溫度門限中對應第一溫度傳感器所測溫度的門限值為75-85℃，對應第二溫度傳感器所測溫度的門限值為105-115℃，對應第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測溫差的門限值為30-35℃。

優選的，所述第二溫度門限中對應第一溫度傳感器所測溫度的門限值為65-75℃，對應第二溫度傳感器所測溫度的門限值為80-90℃，對應第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測溫差的門限值為20-25℃。

有益效果

本發明的采集系統除了進行常規的電池外特性數據采集之外，增加了一級處理器mcu，一級處理器mcu分析采集信息實施監測和故障診斷功能，通過采集數據的初步分析判定電池組的狀態，將附帶故障診斷信息的參數數據置于數據總線上傳遞至二級處理器cpu。一級處理器mcu本身也能夠在緊急情況下自行處理較嚴重的電池故障，并繞過通信總線直接上報二級處理器cpu。這樣的采集系統具有一定的自主功能，有效緩解上級處理器的處理壓力，精度高，響應快，具有良好的可靠性和擴展性，適用于電動汽車和儲能電站等大規模電池模組。與現有技術相比具有以下優點。

1)數據采集單元本身帶有故障診斷和時間信息，大量減少上二級處理器cpu的負荷，同時方便查找歷史故障信息；

2)發生嚴重故障后的報警信息來自采集系統，通過獨立傳輸而不依賴于can通信模塊，加快故障響應時間，確保電池系統可靠性；

3)溫度采集模塊分別采集電池溫度表面和內部溫度，并將內外溫差作為故障診斷的依據之一；

4)提供電池模組二級保護。通過診斷，當電池模組中出現不影響系統安全的故障時，系統不進行處理，將故障情況記錄并經can通信模塊上傳；當診斷電池模組出現嚴重故障并危及電池模組和系統應用時，及時進行保護并跳過can通信模塊直接將報警信息傳遞給二級處理器cpu。

附圖說明

圖1為本發明的結構框架示意圖；

圖2為本發明的電壓采集模塊中第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片的設置示意圖；

圖3為本發明的溫度采集模塊中第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的設置示意圖；

圖4為鋰電池模組故障時第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測溫度的曲線圖；

圖5為本發明的二級故障診斷和處理的流程圖；

圖中標記：1、外殼，2、電池軟包，3、第一溫度傳感器，4、第二溫度傳感器，5、電池外殼蓋板，6、電池極耳。

具體實施方式

如圖1至圖5所示，本發明的一種帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組采集系統，包括數據采集單元、一級數據處理單元以及二級數據處理單元。數據采集單元包括電壓采集模塊、電流采集模塊以及溫度采集模塊；一級數據處理單元包括一級處理器mcu以及與一級處理器mcu通訊連接的實時時鐘和can通信模塊；二級數據處理單元包括二級處理器cpu以及與二級處理器cpu通訊連接的通信接口。

一級處理器mcu的輸入端分別與電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊以及實時時鐘通訊連接，一級處理器mcu與can通信模塊之間通過i/o接口進行交互，一級處理器mcu上i/o接口中一個輸出引腳直接與通信接口輸入端相連，can通信模塊的輸出端通過故障信息總線和采集信息總線與通信接口的輸入端相連。電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊分別通過電纜和設置于電池模組上的外部接口與電池模組相連；電壓采集模塊提供不少于十二路的電壓采集通道，電流采集模塊提供不少于兩路的電流采集通道，溫度采集模塊提供不少于六路的溫度采集通道。

電壓采集模塊包括第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片，可通過級聯擴展測量電池數量，并提供過壓、欠壓、過溫和低溫保護機制。第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片均為高精度電池監控和保護芯片，該芯片可測量3-6節電池電壓并可進行級間均衡，芯片可級聯進一步擴展電池數量。第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片分別通過接口與電池模組中的串聯單體直接連接并用于測量每一個單體的差分電壓，其中第一電壓采集芯片用于測量高電位電池電壓，第二電壓采集芯片用于測量低電位電壓，在第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片之間以及第二電壓采集芯片與一級處理器mcu之間分別設有一組總線進行交互，每組總線均包括數據總線和狀態總線。數據總線通過spi接口完成第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片間的數據交互并將所有測量數據上傳至一級處理器mcu；狀態總線用于第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片間及第二電壓采集芯片與一級處理器mcu間狀態的交互，包括由一級處理器mcu發送的同步轉換信號，以及第一電壓采集芯片和第二電壓采集芯片的數據準備好信號、報警信號及故障信號。這里的故障信號針對過充和過放兩種情況，能夠診斷并提供相應的報警信號；并能根據電池和應用類型靈活設置過充和過放門限及故障相應時間。

溫度采集模塊包括用于分別測量電池模組表面溫度和內部溫度的第一溫度傳感器3和第二溫度傳感器4，并將內外部溫度及內外溫差變化率作為故障診斷的依據之一。兩個傳感器均為測溫芯片18b20，這樣的總線型溫度測量機制在主控mcu接口有限的情況下盡可能多的進行電池單體溫度監控并方便測溫點數的拓展。第一溫度傳感器3和第二溫度傳感器4都設置在靠近電池極耳6的電池溫度相對較高位置，進行電池單體溫度監控并方便測溫點數的拓展，第一溫度傳感器3設置在電池模組的外殼1上，第二溫度傳感器4設置在電池模組中電池單體內的兩個電池軟包2之間。如圖4所示，本發明同時給出了一組電池故障時表面溫度與內部溫度的對比數據，在正常情況下電池內外溫差保持相對穩定，一旦電池出現異常情況，兩者的差異就會逐漸拉大，并有可能導致熱失控；當電池表面溫度在60℃左右時，電池內部溫度已經達到比較危險的120℃，并有進一步上升至電池隔膜熔點一般在130-140℃的趨勢；當在4250s左右溫度有一小段溫度階躍，能暗示電池狀態的變化，然而該階躍在外部溫度數據中由于熱傳遞過程而被中和掉。因此本專利采用電池單體內外溫度及其溫差變化作為故障診斷的依據之一。

電流采集模塊為霍爾電流傳感器,安裝方便，響應速度快，抗干擾能力強，適用于工業現場，并通過采樣電阻變換為電壓數據后傳遞給一級處理器mcu。

一級處理器mcu為可提供嚴重和常規二級鋰電池故障診斷機制的汽車級16位處理器。一級處理器mcu接受來自數據采集單元的測量數據和實時時鐘的實時時鐘數據；一級處理器mcu對采集數據進行整理、歸檔、分析和上傳，并根據內外溫差及電壓采集模塊的故障信號，診斷電池模組發生的故障類型及嚴重程度進而進行相應處理；

如果發生常規故障，不會對電池模組帶來較嚴重后果，一級處理器mcu判斷后記錄故障類型，并將故障信息連同采集數據一起送進can通信模塊，交給二級處理器cpu處理。

如果診斷出發生嚴重故障，將由采集系統的一級處理器mcu直接處理，執行電池組保護機制，并將報警信號跳過can通信模塊，直接置于通信接口供二級處理器cpu處理；

故障診斷的類型包括過充、過放、高溫、低溫和過流，并根據故障的嚴重程度設置兩個溫度門限，對應常規故障和嚴重故障；

如果檢測出電池模組發生嚴重故障，可能引發安全事故，將會發出報警信號，該信號不通過can通信模塊直接置于通信接口，這樣的配置用于防止短時間的通訊干擾或通訊中斷使電池管理系統對電池模組失去監控，提高電池管理系統對故障的響應速度和整個系統的穩定性。

本發明的一種鋰電池模組的二級故障診斷和處理方法基于上述一種帶二級故障診斷和處理機制的鋰電池模組采集系統，包括以下步驟：

1）、系統初始化；

2）、通過電壓采集模塊、電流采集模塊以及溫度采集模塊完整采集電池數據；

3）、通過一級處理器mcu判斷電池內外溫度及電池內外溫差是否達到第一溫度門限，第一溫度門限中對應第一溫度傳感器所測溫度的門限值為75-85℃，對應第二溫度傳感器所測溫度的門限值為105-115℃，對應第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測溫差的門限值為30-35℃。如果達到第一溫度門限，一級處理器mcu通過其i/o接口中的一個輸出引腳直接報警至二級處理器cpu，并立切斷電池模組進行即保護；如果未達到第一溫度門限，進行步驟4）；

4）、通過一級處理器mcu判斷電池內外溫度及電池內外溫差是否達到第二溫度門限，第二溫度門限中對應第一溫度傳感器所測溫度的門限值為65-75℃，對應第二溫度傳感器所測溫度的門限值為80-90℃，對應第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所測溫差的門限值為20-25℃。如果達到第二溫度門限，由一級處理器mcu進行高低溫診斷并將診斷出的故障信息和由溫度采集模塊采集的溫度信息通過can通信模塊傳輸至二級處理器cpu；如果未達到第二溫度門限，進行步驟5）；

5）、通過一級處理器mcu判斷由電壓采集模塊所采集的電壓是否小于系統預設的最低電壓門限或高于系統預設的最高電壓門限，如果小于最低電壓門限或高于最高電壓門限，一級處理器mcu進行過欠壓診斷并將診斷出的故障信息和由電壓采集模塊采集的電壓信息通過can通信模塊傳輸至二級處理器cpu；如果由電壓采集模塊所采集的電壓在最低電壓門限和最高電壓門限之間，則由以及處理器mcu將由溫度采集模塊、電壓采集模塊以及電流采集模塊分別采集的溫度信息、電壓信息以及電流信息分別通過can通信模塊傳遞至二級處理cpu；

6）、步驟2）至步驟5）重復循環。