特斯拉专利主题报道—《电池组安全充电方法》
北冥有鱼
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2020.03.18
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特斯拉的专利,涉及到电动汽车综合控制;电机控制制造及优化;电池单体技术、成组技术、均衡优化及寿命管理;整车系统控制;热失控探测报警;多种电源配合应用技术;防止过充过放和其他电池滥用技术;高压电气连接及高压安全技术等等,现实中我们遇到的电动汽车相关的问题,基本上特斯拉在专利中都有所阐述。特斯拉公开的专利,包含不同专利类型,据统计特斯拉专利总数超880项。

2020年1月14号,特斯拉《电池组安全充电方法》专利公布(专利公开号:US10534028B2),该专利涉及一种识别电池组中短路的装置和方法,主要用于充电系统关于电池短路的故障检测。

特斯拉该专利“公开了一种用于识别互连电池单元的集合中是否存在短路的装置和方法,该集合包括一个或多个电池组中使用的一个或多个电池。优选地,该集合包括锂离子电池化学等,以及用于电动汽车电池组的集合。一种用于充电系统的故障检测装置,该充电系统对互连电池单元的集合进行充电,该安全系统包括数据采集系统,用于在充电系统对集合进行主动充电时从该集合接收一组数据参数;一种监测系统用于评估数据参数集以识别一组异常条件;以及一种控制器,其将所述异常状况的集合与指示所述集合的一个或多个单元中的内部短路的预定曲线进行比较,当所述比较与所述预定曲线集具有预定关系时,所述控制器建立所述集合的内部短路状态。

充电系统的一种故障检测方法,该方法对相互连接的电池单元集合进行充电,该方法包括:

a) 在充电系统对集合进行主动充电时,从集合接收一组数据参数;

b) 评估该组数据参数,以识别一组异常情况;

c) 将异常条件集合与指示集合的一个或多个单元中存在内部短路的一组预定曲线进行比较;

d) 当比较步骤识别数据参数集与预定曲线具有预定关系时,建立集合的内部短路状态。”

通常电动汽车电池组由数千个电芯组成,虽然电池组中形成内部电池短路的可能性很小,但一旦发生,轻者性能下降,严重的话则可能造成不可预知的风险,如过度发热、过度放电等,都会对电池组造成不可逆的损伤或损坏。安全事故是新能源汽车发展的致命隐患,而新能源安全事故的本质,是电池热失控,新能源汽车事故的数据统计表明,电动车充电时发生事故的比率较大。据相关资料统计,2018年,充电时发生新能源汽车事故占比达到了29%,接近三成;2019年1-8月份统计的充电时发生的事故占比也达到了24%。因此电动汽车充电安全不容小觑,安全监控功能做得是否充分、是否全面,决定了电池系统应对故障、将热失控扼杀在摇篮之中的能力。从特斯拉公布专利中可以了解到,其提出了几种方式方法来预测电池短路的方法,以避免可能由短路引起的充电安全问题。

下图是特斯拉专利公布的代表性的充电系统典型实施例,“可用于电动汽车并实现本发明的充电系统200。该系统200包括电池205、耦合到电池205的充电器210和电池管理系统(BMS)215以及电池数据采集和监控子系统220。通信总线225将子系统220耦合到BMS 215,通信总线230将BMS 215耦合到充电器210。通信总线235将电池205的电池数据耦合到子系统220。

电池205被示为串联电池组,但是电池的排列可以是许多不同排列的并联/串联电芯的组合。优选实施例的充电器210提供施加到电池205的充电电流。BMS 215根据由本发明的实施例建立的曲线来控制充电电流。子系统220获取如本文所述的关于电池205的期望数据。例如,数据可以包括电压、SOC、温度和BMS 215使用的其他适用数据。在一些实施例中,子系统220可以是BMS 215的一部分,BMS 215可以是充电器210的一部分。充电器210、BMS 215和子系统220中的一个或多个控制开关240。”

该专利提供了几种不同的系统和方法,可用于识别电池何时行为异常,何时可能存在内部电池短路。

“在充电过程中,假设充电电流不变,电池上的负载可以忽略不计,考虑到由于温度和充电状态(SOC)引起的电池阻抗的预期变化,电池和电池组的电压预计将始终增加。当满足所有这些条件时,电池和模块电压随时间的变化应始终大于或等于零。电压降低可能表示电池内阻降低和/或自放电。类似地,在充电的恒定电压(CV)部分,电流的增加将表示电池内阻的减小和/或自放电。电芯的自放电超过一定速率(通过测试大量没有内部短路的电池确定)表明存在内部短路。”

下表为特斯拉专利提出的判断电池组中是否存在短路的方法,这些方法可用于识别电池的异常行为和电池内部短路。相应地,电池管理系统能够测量许多不同的属性,数据属性集,来识别是否存在这样的短路。

上述方法中的每一种都代表了通过评估从电池组获得的异常条件数据(包括电池阻抗随时间的异常变化、总电量的异常增加或温度的异常变化)来检测潜在内部电池短路的不同方法,在适当的上下文中,所有这些都可能表示内部电池短路。封装电子元件可以被设计成监测必要的参数,例如,模组阻抗,是否有异常。根据实施情况,这种监测最好包括相关数据集的频繁/连续采集/测量/评估。其中一些条件是微妙的,对特定环境的适当评估(例如,驾驶、充电、停车等)对于确定从数据中得出的适当结论非常重要。

在示例性实施例中,当上表中所述的任何条件为真时,设置内部短标志状态,指示潜在的不安全条件。这并不是说一个特定的应用程序需要实现所有的方法,或者一个应用程序可能没有使用额外的或不同的方法。可能的情况是,对于特定的应用,单一的方法就足够了。

根据具体的实施情况,对此标志状态的设置可能有不同的响应。例如,可以终止充电(禁止进一步充电),并且可以自动运行自放电测试作为诊断。可通知车辆操作员,在将车辆送至服务站进行评估之前,他们将无法对车辆进行充电。此时,可对自放电测试的结果进行评估,并进行简单的充放电测试,以确定电池组是否处于潜在的不安全运行状态。

“上述方法1和方法2(即在充电期间电压降低和在CV充电期间电流增加)可在以V <Vmax和deltaT <(deltaT)max开始的任何充电周期内测量,其中deltaT是整个电池组中电池与环境温度之间的最大温度差,而(deltaT)max是影响充电期间电压或电流变化的最大可接受温度差,该值是通过测试确定,并且包含在查询表中。电池管理系统在指示危险情况之前,验证充电电流没有减少或中断,并且没有引入额外的负载(即HV AC)。

方法3至7使用时间或容量测量。对于方法3和4,可以使用时间计数器来确定电池的充电时间是否超过该容量和充电状态的电池组的查表中指示的时间。这个查表可以从电池组数据、电阻测量数据和电池寿命结束时的循环数据中编译而成。这些测量还要求deltaT<(deltaT)max。对于方法5,可以测量电池组的自放电率,并与不存在内部电池短路的该容量电池的自放电率(来自于查表)进行比较。这可以使用随时间变化的电压测量来测量,或者,如果存在泄放电路,则可以通过确定通过泄放电路以平衡电池串联块的Ah量来进行测量。 这些方法考虑了浅电量和满电量以及SOC的不准确性。

方法6(充电效率)与方法5类似,它测量自放电量。该方法还要求考虑充电和放电之间的任何温度、速率和截止电压差。如果存在内部电池短路,充电容量将增加(一些电流通过短路),如果保持短路,相对于没有短路的电池,放电容量将降低。对于无短路或副反应的完全可逆的电池,放电与充电容量之比应为1。对于没有短路的新电池,该值通常约99.97或更高。对于具有内部短路的电池,该值可能为70%或更低。低端极限值是通过对使用中的电池进行测试来确定的,该值将包含在电池管理系统的查找表中。

对于某些应用,方法7可能是最简单的实现方法,特别是在大型电池组中,例如电动汽车中可能使用的电池组类型。此方法测量到包、模块或并联块的总导电量。如果从初始充电状态到最终充电状态(SOC)总导电量超过预期充电容量,则额外的电量可能已通过内部短路消散。在车辆蓄电池中,连续监测容量以估计剩余里程。随着电池的老化对计算的Ah容量(CAC)进行监控,使这种方法能够在电池组的整个生命周期内使用。例如,一个100安时的电池组已经组装好,并且它处于20%的初始荷电状态,或者电池组中有20 Ah的能量可用。这个例子包含有内部短路的电池,需要130 Ah(额外110 Ah)才能达到全包电压。这意味着30 Ah通过内部电池短路消散,导致电池组发热,可能造成危险情况。通过将总导电量与预期值进行比较,该方法可用于在可能发生危险情况之前中断充电。方法7双重有用,因为它也可以用作防止电池包过充的另一层保护层,如果发生这种情况,则可能会导致高度危险情况。

方法8涉及到电池并联块阻抗的实时测量,也可能是串联电池串的阻抗。该测量在电池组运行期间连续进行,以使用电压和电流测量的组合来估计可用功率。在充电期间,通常不进行这些测量。然而,本发明的一些实施例提议使用电池阻抗的连续估计来检测内部短路。对于给定的SOC,期望阻抗可以保存在查找表中。如果该SOC处的阻抗低于阈值,则可能表示已形成内部电池短路。这将捕获在CC或CP充电期间电压降低以及在CV充电期间电流增加的情况。如上所述,电池组上的任何额外负载或温度变化都会得到适当的考虑。

方法9包括直接测量由于内部电池短路导致的温度升高。电池、模块和冷却液温度(制冷剂、水、空气或其他工作流体)持续监测。如果温度升高得更快和/或超过该充电条件下的预期值,则表明存在危险条件,充电中断。”

通过特斯拉充电安全专利提供的附图,可以看到所公开方法的附加特征和特性。

下图提供了“在电荷的恒流或恒功率部分充电期间降低电压的示例(实线描绘了正常的电荷条件;虚线表示代表性的情况,如果在充电过程中在该点形成内部短路,则由于内部短路会消散一些电荷,因此充电会延长)。”

下图提供了“在充电的CV部分期间电流增加和通过的总充电电流增加的示例(实线描绘了在充电的恒流部分期间电压增加和在充电的恒电压部分期间恒压时电流减小的典型充电行为;虚线描绘了电池内部短路引起的充电行为异常。通过的总的充电电流随着一些电流由于内部短路消散而增加)。”

下提供了“来自电池的测试结果,显示在电池电流不变的情况下,在充电的CC部分期间电压降低(注意,如果在CP或CC期间,由于某些其他组件从充电器取电而导致电流下降一点,则可能会下降)。”

下图提供了“显示在充电的CV部分期间电流增加的电池的测试结果。”

下图提供了“显示在充电的CV部分期间电流增加的电池的测试结果。”

下图提供了“来自电池的测试结果,显示在充电的CV部分期间电流的增加与电池温度的同时增加(由于内部电池短路而导致的温度峰值是不希望的,并且可能导致危险情况)。”

下图是该专利实施例的内部短路检测处理的一般流程图。

在上述提供的相关测试曲线图中,值的曲线和大小具有代表性,并且操作系统中的实际数据参数与所示的不同,指示所述方法的阈值/条件适合于每个应用和实现的特殊性。在内部短路检测处理的一般流程图中,该专利的过程检测与电池的一个或多个电池中的内部短路相关联的可能的异常条件(如图所示,例如,与阻抗、导电量以及电芯/电池温度相关联的异常条件),评估条件以确定内部短路确实或可能存在(例如,超过某个预定阈值的概率)以设置内部短路标志。

关于特斯拉电池组安全充电方法的专利解析报道就简要介绍到这里。特拉斯专利原文链接地址如下:

(https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/description?CC=US&NR=10534028B2&KC=B2&FT=D&ND=3&date=20200114&DB=EPODOC&locale=en_EP)


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