专利名称：基于任意形状电池芯的形变检测电动车电池寿命衰退及安全状态的技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电池的寿命衰退和安全状态的检测技术，尤其涉及一种基于电池芯的形变评估电动车电池的寿命衰退和安全状态的方法及其系统。
背景技术：
电动车是用电力作为驱动，使电机转动提供驱动力促使车体向前行驶的机车。其使用电力驱动，不消耗原油，行驶中也不排放有害烟雾，因此具有绿色环保的优点，在石油资源的日益减少、大气环境的污染严重的今天，日益受到重视。按电力提供的方式的不同，电动车可以分成两大类，一类连接外部电力线来获得电力，另一类使是用电池提供电力。对于后一类电动车，由于其以电池作为能量源的电动车，在行驶中不受外部电力线的限制，电池可利用普通220V交流电充电进行反复使用，具有更高的灵活性，因此是家庭使用电动车的首选。当前，这类电动车通常由电池组作为驱动，使电机转动提供驱动力促使车体行驶。由于制造时的细微差异，电动车的电池组中的电池芯即便是同一型号，其寿命衰退也不一致。有些电池芯的寿命可长达几年、重复充电数千次，有些电池芯则寿命较短、重复充电可能只有数百次。在目前的电池管理技术中，对电池芯的寿命衰退与安全状态相关的变量包括电流、电压、温度，这些都是常用变量。事实上，随着使用次数增多，电池芯的形状也会随之发生变化。这种形变一部分是由电池组在充放电时经历的温度变化所致,如电池组的内部温度升高时,其壳体会膨胀,而电池组的内部温度降低时,其壳体会收缩；另一部分则是由于使用时间的积累，电池芯内部的物质发生转移从而引起电池组的壳体发生缓慢的但却不可逆转的形状变化。因此可见，电池芯的这种形状变化是与其使用情况相关的，即从电池芯的形变可以间接推测出电池芯的寿命衰退(或剩余使用寿命、剩余可充电次数)以及安全状态。目前，现有技术中将电池的形变与其使用情况关联的应用仅限于通过电池的形变量判断其是否可用，例如专利申请201210083819公开的一种方型动力锂离子电池及其保护方法，其包括1)在钢壳电池的壳体上安装形变感应器；2)在钢壳电池充满电后设定初始控制量；3)形变感应器实时检测壳体的形变；4)当壳体发生的形变大于控制量时，形变感应器发出报警信号给电池管理系统，电池管理系统切断电池的进一步使用，报警器发出报警声。但是，对于电动车使用的电池(电池组)，不能简单地判断其是否可用并在不可用的情况下切断对其的使用，而是需要通过检测该电池(电池组)的状态来预测、评估其寿命衰退以及安全状态，以保证在电动车使用该电池(电池组)的过程是可靠的。因此，本领域的技术人员致力于开发一种电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法及其系统，基于对电池芯的形变的检测来预测、评估其寿命衰退以及安全状态
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法及其系统，通过结合电动车电池的电池芯的形变信息和该电池的性能信息，评估电动车电池的寿命衰退以及安全状态。为实现上述目的，本发明提供了一种电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法，其特征在于，包括设置信息采集模块，所述信息采集模块与电动车的电池相连；所述信息采集模块采集所述电池的电池芯的形变信息并将所述形变信息传输到信息分析模块；所述信息分析模块根据所述形变信息判断所述电池芯的形变是否正常，并在所述形变不正常的情况下发送控制信号到所述信息采集模块，以指令所述信息采集模块采集所述电池的性能信息；所述信息分析模块根据所述性能信息评估所述电池的寿命衰退和安全状态。进一步地，所述信息采集模块包括温度传感器、电流传感器、电压传感器、形变传感器和第一通信单元；所述温度传感器用以测量所述电池的温度，所述电流传感器用以测量所述电池的电流，所述电压传感器用以测量所述电池的电压，所述形变传感器用以测量所述电池芯的形变量，所述第一通信单元用以发送所述形变信息和所述性能信息；所述电池的所述电流包括所述电池的充电电流和放电电流。进一步地，所述形变传感器为应变片或光纤传感器。进一步地，所述形变信息是所述电池芯的所述形变量；所述性能信息包括所述电池的所述温度、所述电流和所述电压。进一步地，所述信息分析模块通过将所述电池芯的所述形变量与形变阈值进行比较，在所述形变量不大于所述形变阈值时判断所述电池芯的形变为正常，在所述形变量大于所述形变阈值时判断所述电池芯的形变为不正常。进一步地，所述信息分析模块包括第二通信单元、阈值判定单元、数据存储单元、评估单元和报警单元；所述第二通信单元用以接收所述形变信息和所述性能信息以及发送所述控制信号；所述阈值判定单元将所述电池芯的所述形变量与所述形变阈值进行比较；所述评估单元评估所述电动车电池的所述寿命衰退和所述安全状态；当所述安全状态被评估为不安全时，所述报警单元发出警报。进一步地，所述信息采集模块通过信号传输电路连接到所述信息分析模块，所述信息采集模块将所述形变信息和所述性能信息通过所述信号传输电路发送到所述信息分析模块，所述信息分析模块通过信号传输电路将所述控制信号发送到所述信息采集模块。进一步地，所述评估所述电池的所述寿命衰退是指预测所述电池的剩余寿命或所述电池的剩余可充电次数。进一步地，所述评估所述电池的所述安全状态包括判断所述电池是否突发故障、是否突发失效、是否高温熔化和是否发生漏液；当所述评估单元判断所述电池突发故障、突发失效、高温熔化和/或发生漏液时，所述安全状态被评估为不安全。其中，电池突发故障是指电池突然发生升温、接触不良、输出不稳定和/或电解液泄漏等故障。本发明还提供了一种电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估系统，包括信息采集模块和信息分析模块；所述信息采集模块与电动车的电池相连，其采集所述电池的电池芯的形变信息并将所述形变信息传输到信息分析模块；所述信息分析模块根据所述形变信息判断所述电池芯的形变是否正常，并在所述形变不正常的情况下发送控制信号到所述信息采集模块，以指令所述信息采集模块采集所述电动车电池的性能信息；所述信息分析模块根据所述性能信息评估所述电池的寿命衰退和安全状态。在本发明的较佳实施方式中，提供了 一种电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法及其系统，包括信息采集模块、信息分析模块和信号传输电路，所适用的电动车电池(或电池组)包括锂电池(或电池组)、铅蓄电池(或电池组)、燃料电池(或电池组)、磷酸锂铁电池(或电池组)，但不限于所列举的电池(或电池组)种类。其中，信息采集模块设置在电动车的电池组处，包括温度传感器、电流传感器、电压传感器、形变传感器和第一通信单元，用于采集电池组的电池芯的形变量以及电池组的温度、电流和电压；信息分析模块包括第二通信单元、阈值判定单元、数据存储单元、评估单元和报警单元；信息采集模块通过信号传输电路连接到信息分析模块。在使用本发明评估电动车电池的寿命衰退和安全状态时，将其中的信息采集模块与电动车的电池组相连，通过形变传感器采集电池组的电池芯的形变量并将此电池芯的形变量作为形变信息，由第一通信单元经由信号传输电路发送到第二通信单元并继而传送到数据存储单元；数据存储单元中预先存储有电池芯的形变阈值，阈值判定单元将此电池芯的形变量与形变阈值进行比较，在形变量不大于形变阈值时判断电池芯的形变为正常，在形变量大于形变阈值时判断电池芯的形变为不正常并通过第二通信单元发送控制信号到第一通信单元以指令信息采集模块采集电池组的性能信息；接受控制指令后，信息采集模块中的温度传感器、电流传感器和电压传感器采集电池组的温度、电流和电压作为该电池组的性能信息发送到信息分析模块并存储在数据存储单元中；信息分析模块的评估单元对接收的电池组的性能信息进行分析，评估该电池组的寿命衰退以及安全状态并在其安全状态被评估为不安全时，使报警单元发出警报。由此可见，使用本发明的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法及其系统评估电动车的电池的寿命衰退和安全状态时，不需要实时对电池(电池组)的包括温度、电流和电压的性能信息进行采样和分析，而只需要在发现电池(电池组)的电池芯的形变量不正常的情况下进行对电池(电池组)的性能信息的采集和分析。由于相对于对电池芯的形变量的采集和分析而言，对电池(电池组)的性能信息的采集和分析是更复杂、费时更多也耗能更多的过程，因此，采用本发明评估电动车电池的寿命衰退和安全状态可以更快速、更节能。另外，由于电池芯的形变是受很多因素影响的，完全由电池芯的形变量评估电动车的电池(电池组)的寿命衰退和安全状态的结果将不够精确，不能符合电动车行车的需要。因此，本发明将电池(电池组)的电池芯的形变信息和该电池(电池组)的性能信息结合起来对电池(电池组)的寿命衰退和安全状态进行评估，既能快速、节能地作出评估结果，又能保证评估结果的精度，具有很高的实用性。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是在一个实施例中，本发明的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估系统的结构示意图，显示了该系统集成于电动车的电池组中。
图2是图1所示的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估系统的信息采集模块的结构示意图。图3是图1所示的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估系统的信息分析模块的结构示意图。图4是本发明的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法的流程图。
具体实施例方式本发明的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估系统用于评估电动车电池的寿命衰退和安全状态，在本实施例中，其用于评估电动车电池组10的寿命衰退和安全状态，如图1所示，其集成于电动车的电池组10中。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，本发明的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估系统也可以用于评估单个电池的寿命衰退和安全状态，其也可以设置在电动车的电池组(或电池)之外。其所适用的电动车电池组(或电池)包括锂电池组(或电池)、铅蓄电池组(或电池)、燃料电池组(或电池)、磷酸锂铁电池组(电池)，但不限于所列举的电池组(或电池)种类。电池组10由若干个如电池芯11的电池芯以串联或并联的方式连接形成,各电池芯其通过电流传输电路50向电动车提供电力。本发明的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估系统包括多个如信息采集模块20的信息采集模块、信息分析模块30和信号传输电路40。其中，各信息采集模块设置在各电池芯处，例如信息采集模块20设置在电池芯11处，用于采集各电池芯的形变信息和电池的性能信息；各信息采集模块通过信号传输电路40连接到信息分析模块30，并通过信号传输电路40将其采集的电池芯的形变信息和电池的性能信息发送到信息分析模块30 ;信息分析模块30根据接收的电池芯的形变信息和电池的性能信息评估电池组10的寿命衰退和安全状态。以信息采集模块20为例，如图2所示，其包括第一通信单元21、温度传感器22、电流传感器23、电压传感器24和形变传感器25。其中，形变传感器25可以是应变片或光纤传感器，其用于采集电池芯11的形变量作为电池芯的形变信息；温度传感器22、电流传感器23和电压传感器24分别用于采集电池芯11的温度、电流和电压作为电池的性能信息，其中的电流包括电池芯11的充电电流和放电电流。第一通信单元21用于发送上述的电池芯的形变信息和电池的性能信息，这些信息经过信号传输电路40被传输出来。如图3所示，信息分析模块30包括第二通信单元31、阈值判定单元32、数据存储单元33、评估单元34、报警单元35和趋势预测单元36。第二通信单元31用以接收通过信号传输电路10的信息采集模块20采集的电池芯的形变信息和电池的性能信息，并将它们传送到数据存储单元33。数据存储单元33中预先存储有电池芯的形变阈值；阈值判定单元32将电池芯的形变量与形变阈值进行比较，在形变量不大于形变阈值时判断电池芯的形变为正常，在形变量大于形变阈值时判断电池芯的形变为不正常并通过第二通信单元31发送控制信号到信息采集模块20以指令信息采集模块20采集电池的性能信息。评估单元34用于对接收的电池的性能信息进行分析，评估电池组10的寿命衰退以及安全状态，并将评估结果发送到存储单元33以存储该评估结果；当安全状态被评估为不安全时，评估单元34将触发报警单元35以发出预警警报。本实施例中，信息分析模块30包括趋势预测单元36，评估单元34将上述的评估结果同时发送到趋势预测单元36，趋势预测单元36根据该评估结果对电池组10的寿命衰退的趋势进行短期预测；若在短期内电池性能下降趋势很快，表明电池组10即将在未来短期内发生不安全的状态，趋势预测单元36将触发报警单元35以发出预警警报。触发报警单元35用于在安全状态被评估为不安全时或者电池组10即将在未来短期内发生不安全的状态时发出预警警报。图4给出了本发明的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法的流程图，从图中可见，使用本发明的评估电动车电池的寿命衰退和安全状态的具体步骤包括步骤101，检测电池芯的形变。在此步骤中，信息采集模块检测电池芯的形变。以电池芯11和信息采集模块20为例，信息采集模块20的形变传感器25检测电池芯11的形变。此步骤是实时进行的，即无论电动车的电池组处于工作状态还是闲置状态，信息采集模块均按设定的频率进行检测，例如每分钟检测5次或10次。步骤102，采集形变量。信息采集模块在步骤101中检测电池芯的形变后，采集该电池芯的形变量，并将该形变量发送到信息分析模块30。以电池芯11和信息采集模块20为例，信息采集模块20的形变传感器25检测电池芯11的形变后，得到电池芯11发生的形变量，并将此形变量发送到第一通信单元21。第一通信单元20将电池芯11的形变量经由信号传输电路40传送到信息分析模块30的第二通信单元31并继而存储在数据存储单元33中。步骤103，判断形变量是否超过形变阈值。信息分析模块30判断其在步骤102中接收到的电池芯的形变量是否超过形变阈值。具体地，第二通信单元31将在步骤102中接收的电池芯的形变信息传送到数据存储单元33，数据存储单元33中预先存储有电池芯的形变阈值，阈值判定单元32将电池芯的形变量与形变阈值进行比较，在形变量不大于形变阈值时判断电池芯的形变为正常，进入步骤101 ;在形变量大于形变阈值时判断电池芯的形变为不正常，进入步骤104。步骤104，检测电池的电流、电压、温度。当阈值判定单元32判断电池芯的形变为不正常时，信息分析模块30通过第二通信单元31发送控制信号到信息采集模块以指令信息采集模块采集电池的性能信息。信息采集模块采集完成电池的性能信息后，将此电池的性能信息发送到信息分析模块30。电池的性能信息包括电池的电流、电压和温度，还可以包括已经过的电池充放电循环次数。以电池芯11和信息采集模块20为例，信息采集模块20接收到信息分析模块30发出的控制信号后，其中的温度传感器22、电流传感器23和电压传感器24分别对电池芯11检测、采集电池的温度、电流和电压，并将这些电池的性能信息发送到第一通信单元21。第一通信单元21将这些电池的性能信息经由信号传输电路40传送到信息分析模块30的第二通信单元31并继而存储在数据存储单元33中。步骤105，评估电池性能是否正常。信息分析模块30根据其在步骤104中接收到的电池的性能信息评估电池性能是否正常。具体地，信息分析模块30的评估单元34根据接收到的电池的性能信息评估电池健康状态置信度，这可以通过使用现有的评估软件实现。其中，电池健康状态置信度越高，则电池的失效概率越低；电池健康状态置信度越低，则电池的失效概率越高。当评估的电池健康状态置信度低于设定值，则评估电池性能不正常，进入步骤109 ;当评估的电池健康状态置信度不低于设定值，则评估电池性能正常，进入步骤106。步骤106，预测电池形变。信息分析模块30根据其在步骤104中接收到的电池的性能信息预测各电池芯的形变量，具体地，信息分析模块30的评估单元34根据接收到的电池的性能信息预测各电池芯的形变量，这可以通过使用现有的预测形变量的模型实现。步骤107,电池寿命估计。信息分析模块30根据其在步骤104中接收到的电池的性能信息评估电池的寿命衰退，具体地，信息分析模块30的评估单元34根据接收到的电池的性能信息预测电池组10的寿命衰退，包括电池组10的剩余寿命或电池组10剩余可充电次数,这可以通过使用现有的预测寿命衰退的模型实现。步骤108，判断电池未来性能是否正常。信息分析模块30根据其在步骤104中接收到的电池的性能信息判断电池的安全状态，具体地，信息分析模块30的评估单元34根据接收到的电池的性能信息预测电池组10的安全状态，即电池组的未来性能。判断电池组10的安全状态包括判断电池组10是否突发故障、是否突发失效、是否高温熔化和是否发生漏液，这可以通过使用现有的判断安全状态的模型实现。当评估单元34判断电池组突发故障、突发失效、高温熔化和/或发生漏液时，电池组10的安全状态被评估为不安全，进入步骤109 ;当评估单元34判断电池组不会突发故障、突发失效、高温熔化和/或发生漏液时，电池组10的安全状态被评估为安全，进入步骤101。其中，电池组10突发故障是指电池组10突然发生升温、接触不良、输出不稳定和/或电解液泄漏等故障。评估单元34将评估结果发送到存储单元33以存储该评估结果，同时将上述的评估结果发送到趋势预测单元36。趋势预测单元36根据该评估结果对电池组10的寿命衰退的趋势进行短期预测，即判断电池组10是否将在未来短期内发生不安全的状态。若在短期内电池性能下降趋势很快，则表明电池组10将在未来短期内发生不安全的状态，进入步骤109。步骤109，电池芯异常警告。信息分析模块30的报警单元35发出警报。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法，其特征在于，包括 设置信息采集模块，所述信息采集模块与电动车的电池相连； 所述信息采集模块采集所述电池的电池芯的形变信息并将所述形变信息传输到信息分析模块； 所述信息分析模块根据所述形变信息判断所述电池芯的形变是否正常，并在所述形变不正常的情况下发送控制信号到所述信息采集模块，以指令所述信息采集模块采集所述电池的性能信息； 所述信息分析模块根据所述性能信息评估所述电池的寿命衰退和安全状态。
2.如权利要求1所述的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法，其中所述信息采集模块包括温度传感器、电流传感器、电压传感器、形变传感器和第一通信单元；所述温度传感器用以测量所述电池的温度，所述电流传感器用以测量所述电池的电流，所述电压传感器用以测量所述电池的电压，所述形变传感器用以测量所述电池芯的形变量，所述第一通信单元用以发送所述形变信息和所述性能信息；所述电池的所述电流包括所述电池的充电电流和放电电流。
3.如权利要求2所述的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法，其中所述形变信息是所述电池芯的所述形变量；所述性能信息包括所述电池的所述温度、所述电流和所述电压。
4.如权利要求3所述的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法，其中所述信息分析模块通过将所述电池芯的所述形变量与形变阈值进行比较，在所述形变量不大于所述形变阈值时判断所述电池芯的形变为正常，在所述形变量大于所述形变阈值时判断所述电池芯的形变为不正常。
5.如权利要求4所述的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法，其中所述信息分析模块包括第二通信单元、阈值判定单元、数据存储单元、评估单元和报警单元；所述第二通信单元用以接收所述形变信息和所述性能信息以及发送所述控制信号；所述阈值判定单元将所述电池芯的所述形变量与所述形变阈值进行比较；所述评估单元评估所述电池的所述寿命衰退和所述安全状态；当所述安全状态被评估为不安全时，所述报警单元发出警报。
6.如权利要求1或5所述的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法，其中所述信息采集模块通过信号传输电路连接到所述信息分析模块，所述信息采集模块将所述形变信息和所述性能信息通过所述信号传输电路发送到所述信息分析模块，所述信息分析模块通过信号传输电路将所述控制信号发送到所述信息采集模块。
7.如权利要求6所述的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法，其中所述评估所述电池的所述寿命衰退是指预测所述电池的剩余寿命或所述电池的剩余可充电次数。
8.如权利要求7所述的电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法，其中所述评估所述电池的所述安全状态包括判断所述电池是否突发故障、是否突发失效、是否高温熔化和是否发生漏液；当所述评估单元判断所述电池突发故障、突发失效、高温熔化和/或发生漏液时，所述安全状态被评估为不安全。
9.一种电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估系统，包括信息采集模块和信息分析模块；所述信息采集模块与电动车的电池相连，其采集所述电池的电池芯的形变信息并将.所述形变信息传输到信息分析模块；所述信息分析模块根据所述形变信息判断所述电池芯的形变是否正常，并在所述形变不正常的情况下发送控制信号到所述信息采集模块，以指令所述信息采集模块采集所述电池的性能信息；所述信息分析模块根据所述性能信息评估所述电池的寿命衰退和安全状态。
全文摘要
本发明公开了一种电动车电池的寿命衰退和安全状态的评估方法及其系统，包括设置信息采集模块，信息采集模块与电动车的电池相连；信息采集模块采集电池的电池芯的形变信息并将形变信息传输到信息分析模块；信息分析模块根据形变信息判断电池芯的形变是否正常，并在形变不正常的情况下发送控制信号到信息采集模块，以指令信息采集模块采集电池的性能信息；信息分析模块根据性能信息评估电池的寿命衰退和安全状态。本发明通过将电池芯的形变信息和该电池的性能信息结合起来对电池的寿命衰退和安全状态进行评估，既能快速、节能地作出评估结果，又能保证评估结果的精度，具有很高的实用性。
文档编号G01R31/36GK103018681SQ20121055692
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者李 杰, 黄奕翔 申请人:上海交通大学