一种动力电池包先期变形预警方法及预警系统

摘要

本发明提出了一种动力电池包先期变形预警方法及预警系统，该方法包括：分析出电池包上易发生冲击变形的结构风险点；在结构风险点安装监测模块；电池管理系统BMS接收监测模块发出的信号，判断是否为变形突变信号；如果是，电池管理系统BMS与整车控制单元通讯，并向整车发送电池包池结构出现巨大变形的预警信号，请求执行断电操作；如果否，电池管理系统BMS判断当前变形量及变形速率是否达到预警门限；如果达到，电池管理系统BMS与整车控制单元通讯，并向整车发送请求检查电池包结构的信号，同时限制输出电流。本发明可以实时监测电池包内易导致电芯挤压的变形点和关键结构支撑点，预警缓慢挤压风险，及时告知突变挤压危险。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，具体涉及电动汽车用电池，尤其涉及一种动力电池包先期变形预警方法及预警系统。

背景技术

当前，我国新能源汽车普及度逐步提高，在我国电动汽车三大主力——纯电动汽车BEV、插电混合动力汽车PHEV和燃料电池汽车(FCEV)中，基本都搭载了不同电量的高能量密度的动力电池系统。组成车用动力电池系统核心单元的电芯具有“怕挤压”的特点，目前只能通过增加笨重的结构防护设计来改善，这种办法会导致较明显的材料浪费和动力电池包重量增加，无法在动力电池包关键结构发生变化时做到主动提醒，且与国家提出的提高动力电池系统能量密度的发展思路相违背。此外，由于动力电池包大多布置在车辆底部，车辆行驶过程中的极端颠簸路况和容易出现的“托底”现象均会增加动力电池包的结构部分出现受挤压、变形、支撑件断裂等三大结构侵入和性能降级的风险。其中，动力电池包中电芯直接受到挤压时，易导致动力电池包冒烟、起火，甚至爆炸，且动力电池包箱体的变形有可能导致箱体结构出现裂纹或开放性间隙，致使箱体结构IP防护等级失效，引发进水和短路故障，这对车辆和车内人员安全造成了极大的风险威胁。

为了应对动力电池包变形的问题，现阶段，通常采用的方案是通过在常规设计结束后，单独对动力电池包箱体做结构滥用工况有限元分析，来找出结构变形后的风险点，做结构性加强，如电池包内部增加加强筋、扩大电池包内部电芯与底部蒙皮外板间隙等。

但这样的解决方案存在一些问题：既增加结构成本，又增加电池包重量，电池包能量密度降低，同时电池包结构出现异常变化时无任何主动反馈。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种动力电池包先期变形预警方法及预警系统，在不额外增加池包内部结构加强筋及电池包内间隙的前提下，来实现对动力电池包变形进行先期预警的目的。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种动力电池包先期变形预警方法，该方法包括：

步骤1、根据动力电池在整车上布置位置不同，分析出电池包上易发生冲击变形的结构风险点；

步骤2、在结构风险点安装监测模块，开始进行变形信号监测；

步骤3、电池管理系统BMS接收监测模块发出的信号，判断是否为变形突变信号；

步骤4、如果是，则电池管理系统BMS根据预设数据库及策略判断是否为错误信号；

步骤5、当信号正确时，电池管理系统BMS与整车控制单元通讯，并向整车发送电池包结构出现巨大变形的预警信号，请求执行断电操作；

步骤6、在步骤4中，如果否，电池管理系统BMS判断当前变形量及变形速率是否达到预警门限；

步骤7，如果达到，电池管理系统BMS与整车控制单元通讯，并向整车发送请求检查电池包结构的信号，同时限制输出电流。

进一步的，在步骤4中，当信号错误时，电池管理系统BMS屏蔽错误信号，不做处理。

进一步的，在步骤6中，如果未达到，电池管理系统BMS继续接受信号，不做处理。

进一步的，在步骤5中，整车响应一级预警信号后，延时预定时间执行停车操作。

另一方面，本发明实施例还提供了一种动力电池包先期变形预警系统，该系统包括：监测模块、电池管理系统BMS及控制单元；其中，

监测模块，位于动力电池包内部，用于对电池包变形压力进行检测；

电池管理系统BMS，与检测模块电性连接，用于接收监测模块发出的信号，根据预设程序判断结构形变严重度，并向控制单元发送不同等级预警信号；

控制单元，根据相应预警信号等级输出相应的控制信号。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述监测模块包括固定板、压力传感器、压缩弹簧及盖板，所述压力传感器在固定板上设置有一个或多个，压缩弹簧的一端与压力传感器固定连接，另一端固定连接有受压板，所述盖板固定设置在固定板上表面，且盖板上设置有用于压缩弹簧穿过的活动孔，各所述压力传感器通过连接线束进行并联，所述连接线束与电池管理系统BMS电相连接。

进一步，优选的，所述监测模块还包括支架及转换臂，所述支架固定安装在固定板的一端，转换臂的另一端与固定板保持平行，转换臂上设置有与受压板相对应的凸起部，所述转换臂远离支架的一端设置有连接板，所述连接板呈L型结构，所述连接板上设置有设置有用于与电池包相接触的检测部。

进一步，优选的，所述监测模块还包括滤波电路板，所述滤波电路板串联在连接线束上。

进一步，优选的，还包括与控制单元相连接的报警单元，所述报警单元包括声音报警模块与灯光报警模块中的至少一种。

优选的，所述控制单元为单片机。

本发明的相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明公开的动力电池包先期变形预警方法及预警系统，通过分析动力电池在整车上的装配环境和动力电池包自身结构特点，找出所有最有可能发生结构变形和结构变形后容易产生严重安全后果的结构点，安装布置监测模块，监测模块实时在线获取电池包形变量及形变速率信息，电池管理系统BMS对接收到的数据与预先设计的基于变形量及变化速率的数据库和判断策略进行比照，判断是否达到报警或预警门限，并及时向整车控制单元做出预警信息反馈。该预警系统通过新增监测模块，控制部分的硬件可借用现有动力电池管理系统，相对于现有技术而言，减轻结构件数量和重量，提升电池包能量密度，提高电池包体积利用率。同时实时监测电池包内易导致电芯挤压的变形点和关键结构支撑点，预警缓慢挤压风险，及时告知突变挤压危险。

(2)监测模块结构轻薄、安装简单、成本低廉。通过在监测模块上设置支架及转换臂，转换臂远离支架的一端设置有连接板，连接板呈L型结构，连接板上设置有设置有用于与电池包相接触的检测部。由此可以适用在空间尺寸狭小但结构变形后安全风险较大的位置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的动力电池包先期变形预警方法的流程图；

图2为本发明实施例公开的动力电池包先期变形预警系统流程图；

图3为本发明一实施例公开的监测模块的结构示意图；

图4为本发明一实施例公开的监测模块的内部结构示意图；

图5为本发明一实施例公开的监测模块应用场景示意图；

图6为本发明另一实施例公开的监测模块的结构示意图；

图7为本发明另一实施例公开的监测模块应用场景示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种动力电池包先期变形预警方法，如图1所示，该方法包括：

S1、根据动力电池在整车上布置位置不同，分析出电池包上易发生冲击变形的结构风险点。

因动力电池包在整车上装配环境及动力电池包自身结构特点，动力电池包存在若干可能发生结构变形的结构点，因此，为了能够有效且准确的进行电池包变形预警，可以通过结构设计及有限元仿真软件先找出动力电池包所有可能存在的内外部结构挤压风险和结构变形风险的部位，并标记为结构风险点。

S2、在上述所有结构风险点安装监测模块，开始进行实时在线变形信号监测。

具体的，可以将监测模块安装在电池包内部，即电池外壳内壁，并使监测模块与电池包结构风险点相接触。

S3、电池管理系统BMS接收监测模块发出的信号，判断是否为变形突变信号。

监测模块实时在线对电池包变形量进行检测，变形量分为突然发生形变及缓慢形变。突然发生形变的意思为在一定的时间间隔内，变形量突然增大或呈阶梯性逐渐增大。缓慢形变是在一定的时间间隔内，变形量增速比较稳定，且呈小幅均匀增加。

S4、如果是，则电池管理系统BMS根据预设数据库及策略判断是否为错误信号。

电池管理系统BMS在接收到监测模块发出的形变信号后，需要判断是否为电池包突然发生的形变，避免电池管理系统BMS直接跟进监测模块发出的误判信息进行预警。具体的，预设数据库及策略为：当t1到t2时刻，形变量突然增加，t2到t3时刻后，形变量突然正常，则数据库默认为监测模块发生误判，此信号为错误信号。

S5、当信号错误时，电池管理系统BMS屏蔽错误，不做处理。当信号正确时，即当前电池包某一风险结构点发生突然形变，预示当前车辆处于一级安全风险，电池管理系统BMS与整车控制单元通讯，并发送电池包结构出现巨大变形的预警信号，提示整车控制单元立即进行干预措施，因此时电池包急剧变形，有发生爆炸或起火等重大安全隐患，此时，电池管理系统BMS会发出请求执行断电操作，待整车控制单元响应电池管理系统BMS信息输入后，执行相应断电操作。

S6、如果电池管理系统BMS判断当前为非变形突变信号时，即表示电池当前变形量为零，或存在缓慢变形风险。此时，电池管理系统BMS需要判断当前变形量及变形速率是否达到预警门限，即判断在预定时间间隔内，变形量是否达到预警门限，或变形速率在一定时间将达到预警门限。

S7、如果没有达到，说明此时电池包形变量处于安全状态，电池管理系统BMS继续接受信号，不做处理。如果达到，说明电池包存在缓慢变形风险，此时，电池管理系统BMS与整车控制单元通讯，并向整车发送请求检查电池包结构的信号，同时限制输出电流。整车控制单元响应电池管理系统BMS信息输入后，执行限制电池包电流输出，并在条件合适的情况下，停车进行电池包结构检查。

在上述步骤5中，整车在响应电池管理系统BMS输入信号后，不能立即对电池包进行断电操作，需要延时一定时间，防止车辆在行驶中突然熄火，具体的，可以延时35S，以待车辆慢慢停止后，进行断电操作。

采用上述技术方案，通过分析动力电池在整车上的装配环境和动力电池包自身结构特点，找出所有最有可能发生结构变形和结构变形后容易产生严重安全后果的结构点，安装布置监测模块，监测模块实时在线获取电池包形变量及形变速率信息，电池管理系统BMS对接收到的数据与预先设计的基于变形量及变化速率的数据库和判断策略进行比照，判断是否达到报警或预警门限，并及时向整车控制单元做出预警信息反馈。该预警系统通过新增监测模块，控制部分的硬件可借用现有动力电池管理系统，相对于现有技术而言，减轻结构件数量和重量，提升电池包能量密度，提高电池包体积利用率。同时实时监测电池包内易导致电芯挤压的变形点和关键结构支撑点，预警缓慢挤压风险，及时告知突变挤压危险。

为了实现上述方法实施例，本发明还公开了一种动力电池包先期变形预警系统，如图2所示，该系统包括：监测模块1、电池管理系统BMS2及控制单元3。

其中，监测模块1，位于动力电池包内部，用于对电池包100变形压力进行检测。

电池管理系统BMS2，与检测模块电性连接，用于接收监测模块1发出的信号，根据预设程序判断结构形变严重度，并向控制单元3发送不同等级预警信号。

控制单元3，根据相应预警信号等级输出相应的控制信号。

本发明公开的预警系统，首先通过结构设计及有限元仿真软件先找出动力电池包所有可能存在的内外部结构挤压风险和结构变形风险的部位，并标记为结构风险点，并将监测模块1安装在电池包的结构风险点，用于对电池包变形压力进行检测。监测模块1通过低压供电进行10次/s的实时在线检测，并将检测信号发生给电池管理系统BMS2，电池管理系统BMS2根据预设程序判断结构形变严重度，并向控制单元3发送不同等级预警信号，最终控制单元3，根据相应预警信号等级输出相应的控制信号。

具体的，作为一种实施例而言，参照附图3、4及5所示，监测模块1包括固定板11、压力传感器12、压缩弹簧13及盖板14，压力传感器12在固定板11上设置有一个或多个，压缩弹簧13的一端与压力传感器12固定连接，另一端固定连接有受压板15，盖板14固定设置在固定板11上表面，且盖板14上设置有用于压缩弹簧13穿过的活动孔141，各压力传感器12通过连接线束进行并联，连接线束与电池管理系统BMS2电相连接。

采用上述技术方案，监测模块1在进行安装时，可将整个监测模块1安装在电池包内部，优选的，可以放置在电池壳体内壁上，具体的，可以将固定板11与电池壳体内壁进行固定，并使受压板15与电池包结构风险点侧壁进行接触。这些结构风险点，可以是电芯模组在工作时发生变形，对电池壳体进行挤压变形。当电池包需要监测的结构点发生突然形变或缓慢形变，会对受压板15进行推挤，受压板15通过压缩弹簧13对压力传感器12进行施加压力，压力传感器12受到的突变压力或缓慢变化压力转变为模拟信号，然后将信号发送给电池管理系统，电池管理系统BMS2在接收到监测模块1发出的信号，根据预设程序判断结构形变严重度，并根据严重度不同，向整车控制单元3发送不同等级的预警信号和建议措施。

作为另一种实施例而言，当电池包空间比较狭小时，上述实施例所涉及的监测模块无法放入电池包内，为了适应空间尺寸狭小但结构变形后安全风险较大的监测模块1位置安装，参照附图6和7所示，本发明采用的技术方案是：监测模块1还包括支架16及转换臂17，支架16固定安装在固定板11的一端，转换臂17的另一端与固定板11保持平行，转换臂17上设置有与受压板15相对应的凸起部171，转换臂17远离支架16的一端设置有连接板172，连接板172呈L型结构，连接板172上设置有设置有用于与电池包相接触的检测部173。采用这样的技术方案，在进行监测模块1安装时，使连接板172与电池包结构风险点侧壁进行贴合，并通过检测部173对电池包结构风险点进行受压检测。因转换臂17一端与支架16进行水平固定连接，转换臂17的另一端存在一定的弹性形变，当电池包需要监测的结构点发生突然形变或缓慢形变，对连接板172进行挤压，连接板172在受到挤压后，带动转换臂17绕支架16一端进行偏转，并利用转换臂17上的凸起部171对受压板15进行挤压，受压板15通过压缩弹簧13对压力传感器12进行施加压力，受压板15通过压缩弹簧13对压力传感器12进行施加压力，压力传感器12受到的突变压力或缓慢变化压力转变为模拟信号，然后将信号发送给电池管理系统，电池管理系统BMS2在接收刀监测模块1发出的信号，根据预设程序判断结构形变严重度，并根据严重度不同，向整车控制单元3发送不同等级的预警信号和建议措施。

上述实施例中，多组压缩弹簧13和压力传感器12联合独立检测的方式保证了监测数据的有效性与及时性。即，当某一压力传感器12或压缩弹簧13失效后，其他压力传感器12和压缩弹簧13还可以正常发挥监测作用。也可以多组压力传感器12同时监测数据，对数据取平均值。

为消除监测模块1上压缩弹簧13与不同结构点的压缩量与回弹量差异，可以通过控制单元3上位机进行自校准，使初始压力数据作为监测零位值。

在上述技术方案的基础上，所述监测模块1还包括滤波电路板18，所述滤波电路板18串联在连接线束上。该滤波电路板18上设置有ASIC芯片，ASIC芯片将收到的压力模拟量数据进行初始过滤，将接收到的压力模拟量数据转变为数字信号，有效的数据通过连接线束传递给外部连接的电池管理系统BMS2。

压力传感器的模拟信号传递给ASIC芯片，ASIC芯片将接收到的信号转化为数字信号，并通过硬线传递给电池管理系统BMS，BMS根据预设的程序消除无效信号，并做分级处理。处理逻辑基本如下：

对应的数字信号分为级别1～4，每个级别对应一个固有的变形量，例如级别1对应变形量1mm以内，级别2对应3mm以内，级别3对应5mm以内，级别4对应5mm以上；

级别与及动作对应性：

信号采样周期为250ms，如果在一个采样周期内，变形量达到级别1，第二个周期内，没有变化，或接下来的10个周期内，变形量≤+0.5mm，则继续默认为级别1，处理方式为不做处理；

如果在一个采样周期内，变形量达到级别1，第二个周期内，变形量达到级别2，但接下来的10个周期内，变形量≤+0.5mm，则继续默认为级别2，处理方式为预警，不执行断电动作；

如果在一个采样周期内，变形量达到级别1，第二个周期内，变形量直接达到级别2或级别3，但接下来的10个周期内，变形量≤+0.5mm，则继续默认为级别3，处理方式为预警，限制放电电流，直到风险排除，并人工清楚故障码；

如果在一个采样周期内，变形量达到级别1，第二个周期内，变形量直接达到级别4；第二个周期内，达到级别2或级别3，且接下来的10个周期内，变形量＞+0.5mm，则直接默认为级别4，处理方式为告警，限制放电电流，并在35s后断电，直到风险排除，并人工清楚故障码。

本实施例上述控制单元3在实施时可采用具有数据输入、输出及运算处理能力的单片机，单片机亦属于现有技术中业已非常成熟的技术，通过选用单片机能够在实现设计功能的基础上，大大降低控制单元3的设计开发难度，并可利于预警系统整体成本的降低。

本发明所公开的预警系统还包括与控制单元3相连接的报警单元，报警单元包括声音报警模块与灯光报警模块中的至少一种。并且所述声音报警模块例如可采用蜂鸣器，而灯光报警模块则可采用报警灯。同时，在具体实施时，蜂鸣器与报警灯均可设置于汽车的仪表台上，以能够利于驾乘者注意到蜂鸣器和报警灯所发出的报警信号，且报警灯更可以与仪表台处的组合仪表集成布置在一起，由此也能够便于汽车开发时的整体布局。

当监测模块1监测到电池包发生突然形变或缓慢形变后，由电池管理系统BMS2发送预警信号给控制单元3，控制单元3将预警信号通过报警单元进行体现。当发生突然形变后，报警单元中的蜂鸣器和报警灯会同时发出报警信号，提醒用户需要警惕当前电池包有起火或爆炸风险，并提示当前车辆存在较大的安全风险，并由控制单元3控制在合适的条件下对电池包进行断电，以待用户排查故障。当监测模块1监测出电池包处于缓慢形变时，报警单元中的蜂蜜器和报警灯可以只进行一种报警提示，提醒用于警惕当前电池存在安全隐患，并及时进行故障排查。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。