CN106597299B - 一种锂电池热失控早期预警及自动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种锂电池热失控早期预警及自动控制方法，其特征在于首先建立利用环境数据判定锂电池热失控发展过程的数学模型，然后利用多种传感器实时采集锂电池的环境数据，并参照已建立的数学模型对采集到的多项环境数据的变化进行在线分析，判断锂电池出现热失控风险或热失控，一旦热失控引起火情，立即自动启动火情控制装置控制热失控扩展，将热失控引起的风险降到最低，最大限度的防范电动汽车严重安全事故的发生。

Description

一种锂电池热失控早期预警及自动控制方法

技术领域

本发明涉及锂电池、锂电池储能、电动汽车技术领域，尤其是一种锂电池热失控早期预警及自动控制方法。

背景技术

本发明所述的锂电池是指锂金属电池和锂离子电池的统称，特别是目前广泛应用的锂合金金属氧化物为正极材料高性能锂离子蓄电池，包括三元材料、磷酸铁锂等锂离子电池。锂电池单体电芯能量有限，在实际使用过程中往往是通过串联和并联组成电池组，封装在电池箱内作为动力电池整体使用。

随着锂电池储能特别是锂电池在电动汽车动力方面实际应用的快速发展，伴随着越来越频繁的火灾事故，几乎所有的电动汽车火灾事件都是与动力电池相关，锂电池储能电站和锂电池工厂恶性火灾事故也有发生。锂电池的能量密度高，是移动电源和储能的理想选择，目前的锂离子电池技术还不能做到使用过程中的绝对稳定安全，其主要安全隐患为电池使用过程中的热失控和热失控扩展。热失控是指单体蓄电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象；而热失控扩展是指蓄电池包或系统内部的单体蓄电池或单体蓄电池单元热失控,并触发该蓄电池系统中相邻或其他部位蓄电池的热失控的现象。

发明专利申请号201310302644.1提供了一种利用火焰探测器探测并引燃气体灭火装置的电动汽车自动灭火方法，这种方法依赖火焰探测器探测电池箱的火情，不能预警电池热失控的发生，只能在电池热失控发生后造成明火燃烧的严重后果时才启动灭火；灭火气体为氮气，灭电池热失控引起的火情效率不高；灭火气体发生器安装在电池箱外部，通过气体发生器出口与电池箱连接，结构复杂，破坏电池箱的整体结构和密封性。发明专利申请号201510285595.4提供了一种基于电池管理系统的动力电池组热失控报警方法，主要是通过设定温度阈值预警热失控事件，这种方法仅通过温度阈值为判断热失控依据，其准确性依赖于温度传感器安装的位置和环境，很难快速准确对热失控进行可靠的早期预警，仅利用固定阈值进行判断往往会受到环境因素的影响而发生误判或漏判。发明专利申请号201610060396.8公开了一种在不同温度阶段监测温度变化判断单体电池热失控的方法，这种方法需要实时检测每只单体电池的温度，对于目前电动汽车内由成百上千支电池组成的动力电池箱而言其经济性和实用性很低；其次，这种方法使用固定的温度变化速率阈值和温度区间作为判断依据，只能针对特定种类电池和特定的实验室环境预警热失控的发生，针对不同类型的电池不能保证准确判断，在实际应用中还会受到环境因素的影响而发生误判或漏判。

发明内容

本发明的目的在于克服目前在锂电池的广泛应用中对电池所发生的热失控发现不及时，没有快速有效控制手段的不足，提供一种早期预警和及时控制的方法，防止热失控扩散，降低财产损失，尽量避免恶性事故的发生。

本发明所述的方法如下：

一种锂电池热失控早期预警及自动控制方法，它首先建立利用环境数据判定锂电池热失控发展过程的数学模型，然后利用多种传感器实时采集锂电池箱内的环境数据，并参照已建立的数学模型对采集到的锂电池的环境数据的变化进行在线分析，按照锂电池热失控发展的风险程度分级别预警热失控的发展；一旦热失控发展引起火情，立即自动启动火情控制装置控制热失控扩展。

优选的，采用多种传感器采集锂电池的环境数据，传感器可以是但不限于气体传感器、温度传感器、烟雾传感器；利用所采集到的多项传感器数据进行复合判断，早期判断电池热失控的发生和发展。

优选的，利用环境数据判定锂电池热失控发展过程的数学模型在线下建立，首先根据具体电池种类和成组方式计算出电池热失控发展过程的特性数据，结合热失控试验中采集的数据，通过软件仿真数据处理，建立原始的锂电池热失控发展过程数学模型，在热失控试验中应用原始热失控发展过程数学模型进行预警，验证热失控发展过程数学模型的准确性，如果效果不能够达到准确预测，则对数学模型进行修正，反复进行验证，直到生成准确的利用环境数据判定锂电池热失控发展过程的数学模型。

优选的，建立利用环境数据判定锂电池热失控发展过程的数学模型和预警热失控发展的方法为：应用传感器实时采集到的环境数据变化的速率结合环境数据的绝对值域作为判断锂电池出现热失控的判断条件，对多种传感器采集到的环境数据进行综合在线分析，早期判断电池热失控的发生和发展，并根据热失控发生的危险程度和阶段分级别报警：

令d_n代表第n项环境数据，Δd_n代表在时间段Δt环境数据d_n的变化量，则此环境数据的变化速率s_n表示为：

在某一时刻由第n项环境数据所描述电池环境状态P_n表达为：

P_n＝(d_n,s_n)

n项环境数据变化所描述的当前时间t的电池状态O_t表达为：

O_t＝(P₁,P₂,P₃,...P_n)

热失控发展程度的判断标准根据相应的电池特性确定，第n项环境参数的第l级预警的数学模型Pl_n表达为：

Pl_n＝(dl_n,sl_n,dls_n)

其中，dl_n为第n项环境参数触发第l级预警的阈值，sl_n为第n项环境参数触发第l级预警的变化速率阈值，dls_n为当前维持电池箱正常工作的第n项环境参数的设定值；

依据第n项环境参数阈值独立判断第l级预警Wl_n的判定公式如下：

Wl_n＝(d_n≥dl_n)∨((s_n≥sl_n)∧(d_n≥dls_n))

通过n项环境参数相互独立判断在时间t的电池状态O_t是否触发l级热失控的预警信号Wl的简化公式为：

Wl＝Wl₁∨Wl₂∨…∨Wl_n

如果Wl为真，就发出l级预警信号。

更进一步的，还通过n项环境参数中的多项综合判断电池的热失控的状态；

n项环境参数的第l级预警的数学模型可以表达为：

Pl₁＝(dl₁,sl₁,dls₁)

Pl₂＝(dl₂,sl₂,dls₂)

……

Pl_n＝(dl_n,sl_n,dls_n)

通过多项环境参数的选取，各项环境数据的任意组合限制，综合判断在时间t的电池状态O_t是否触发l级热失控的预警信号。

优选的，Wl′＝((d₁≥dl₁)∨(d₂≥dl₂))∨((s₁≥sl₁)∧(s₂≥sl₂)∧(s_n≥sl_n)∧(d_n≥dls_n))。

优选的，dls_n的值是在多次试验中测得电池箱正常工作状态下环境数据d_n的平均值，dl_n的值是在多次试验中测得在第l级热失控状态下环境数据d_n的平均值，sl_n的值是根据多次电池热失控试验中测得第l级热失控状态下环境数据d_n的变化速率s_n的平均值。

优选的，针对不同材料锂电池的特点，建立锂电池热失控发展过程的3级预警模型：当锂电池已经处于非正常工作状态，内部有热量聚集，有热失控发生风险，触发第一级预警；当锂电池的热量已经聚集到不需要外界因素而持续发生热失控链锁反应的临界值，热失控过程不可逆转，则触发第二级预警；第三级预警表示锂电池内部已经发生剧烈反应，开始发生了爆喷、燃烧。

优选的，通过一套控制装置实现预警和经由线束与之相连接的灭火装置实现灭火，所述控制装置和灭火装置安装在电池箱内部，灭火装置装载有灭火剂，在电池箱内电池已经发生剧烈反应，开始发生爆喷、燃烧时，所述的控制装置通过电信号自动启动火情附近的灭火装置释放灭火剂就近进行火情控制。

本发明的有益效果是：

采用本发明的方法，能够在锂电池热失控的早期，提前准确预警发生热失控的危险，一旦有热失控发生，立即自动启动火情控制装置，防止热失控扩散，避免造成更大的灾难。

采用多路传感器实时采集锂电池在热失控发生发展过程中所产生的气体、温度、烟雾等环境特征变化，并通过对采集到的多项环境特征数据的进行在线分析，综合判断锂电池出现热失控的风险和发展阶段，进行分级报警，一旦出现热失控事件，立即自动启动控制装置抑制热失控扩展。

本发明所述的方法对传感器采集到的环境数据进行在线分析，分析方法采用环境数据和环境数据变化的速率结合，并利用线下建立的判定锂电池热失控发展过程的数学模型做为判断锂电池热失控发展程度的依据。目前已经有的方法是采用温度为单一检测项，通过设定好的固定阈值或阈值范围作为判定锂电池出现故障的依据，这种方法容易受环境因素的干扰，往往造成误判或漏判。例如很多热失控预警装置采用固定温度T作为触发热失控预警的触发条件，如果T设置的过低，在夏天环境温度比较高的情况下，很容易因为在放电或充电工作过程中的正常的温度波动，触发误报警。如果T设置的比较高，在冬天基础气温比较低的情况下，发生热失控而造成的温升又不能及时触发报警造成漏报。目前很多车辆都装备有电池箱温控系统，在寒冷地区使用的车辆的电池箱会主动通过加热装置对电池箱内进行加热，如果采用固定不变的阈值判断就会根据电池箱单个温升变化数据出现误判。

电池热失控的特点是在短时间内热量急速聚集，电池的化学和物理状态迅速改变，从外部能探测到电池环境数据的快速变化，根据这一特点，本方法中采用对采集到的环境数据的变化特征进行综合判断的方法，提高了提前预警的精确度。

由于目前锂电池所使用的材料和规格并不统一，所以不同锂电池及电池成组方式的热失控发生发展模型也不统一，不能用统一的热失控判断条件判断电池的热失控的发生和发展。例如，三元材料锂电池发生热失控的速度比磷酸铁锂材料的锂电池要快的多，在同样的温度上升过程中也更容易导致热失控。因此，为了准确预警热失控的发生，有必要针对要检测的电池类型和电池成组方式建立锂电池热失控发生过程的数学模型，根据具体电池类型和电池箱的特点判断热失控的发生和发展阶段，针对不同类型电池的热失控数学模型是通过理论计算结合试验数据获得。

由于在锂电池的正常使用过程中其环境数据也会有变化，比如汽车的地域环境和季节更替都会造成温度的变化和其他环境数据波动，不同的锂电池种类及其使用寿命的长短也会有不同的特征数据，这些环境背景数据也会影响对热失控预警的判断，因此在正常使用过程中本方法能够适应环境数据的变化，自动调整热失控判断模型，通过自学习功能提高判断的精度。

附图说明

图1是本发明方法的一种实施方式的信息流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

结合图1，本方法在实际应用中可以分两个阶段，首先建立利用环境数据判定锂电池热失控发展过程的热失控模型，然后应用热失控模型实际进行热失控预警及火情控制。

热失控模型在线下建立，首先根据具体电池种类和成组方式计算出电池的热失控的特性数据，结合热失控试验中采集的数据，通过软件仿真数据处理，建立原始的电池热失控模型，在热失控试验中应用原始热失控模型进行预警，验证热失控模型的准确性，如果效果不能够达到准确预测，则对热失控模型进行修正，反复进行验证，直到生成准确的电池热失控模型。例如，设d₁代表t时刻测得的电池特征气体数值，Δd₁代表在时间段Δt气体值d₁的变化量，此环境数据的变化速率可以表示为：

在t时刻电池特征气体的状态可以表达为：

P₁＝(d₁,s₁)

同样，以P₂表示在t时刻电池环境温度的状态，P₃表示在t时刻电池环境烟雾浓度的状态，在只安装有电池特征气体、温度、烟雾传感器的预警系统中，在t时刻的电池环境状态可以表达为：

O_t＝(P₁,P₂,P₃)

假设在一次热失控模拟试验中，电池箱内电池在t时刻之前都正常工作，电池的环境状态序列O_t-i,...,O_t-3,O_t-2,O_t-1,O_t并没有发生趋势性的变化，而从O_t开始环境数据开始发生趋势性变化，经过时间j，电池发生剧烈反应造成爆喷燃烧，可以认为t时刻为热失控在环境数据中发生的起点。

特征气体一级预警的参考数学模型可以表达为：

P1₁＝(d1₁,s1₁,d1s₁)

则d1₁取值为状态序列O_t-i,...,O_t-3,O_t-2,O_t-1,O_t中测得特征气体记录的最大值的1.5倍(在其他实施例中，也可以为1倍)，s1₁取值为测得特征气体变化速率记录的平均值的2倍(在其他实施例中，也可以为1倍)；d1s₁取值是通过试验取电池箱正常工作测得特征气体记录的平均值的1.2倍(在其他实施例中，也可以为1倍)。dls值设定的意义是为了排除干扰因素，防止误判。例如：对于d1s₁，有些型号的锂电池在使用初期的充放电过程中会有少量特征气体的逸出，可测得特征气体浓度的变化速率波动，如果不设定气体浓度超出最近平均值d1s₁为报警条件，就容易造成误判；又如d1s₂，为保持电池的正常工作，在寒带地区使用的电池箱内自带温度调节功能，在温度过低情况下启动加温设备升温，这时测得温度上升速率会非常大。故需要设定正常工作为前提条件，排除上述情况的干扰。

根据电池特征气体对电池异常进行一级预警的判定公式如下：

W1₁＝(d₁≥d1₁)∨((s₁≥s1₁)∧(d₁≥d1s₁))

同样可以确定温度和烟雾的一级预警参考数学模型，并同样判定温度和烟雾的一级预警状态W1₂和W1₃，判断电池环境状态是否触发一级热失控的预警信号的公式为：

W1＝W1₁∨W1₂∨W1₃

如果W1为真，就发出一级预警信号。

热失控发展环境状态序列为O_t,O_t+1,O_t+2,...,O_t+j，经过多次试验，可以确定有一个状态点O_t+k为电池的热量已经聚集到不需要外界因素而持续发生热失控连锁反应的临界值，热失控过程不可逆转，取O_t+k点的环境参考值加权作为触发二级预警的数学模型(P2₁,P2₂,P2₃)，如果实时采集的环境数据达到此模型的阈值则触发二级预警。

以电池爆喷燃烧的状态点O_t+j的环境参考值加权作为触发三级预警的数学模型(P3₁,P3₂,P3₃)，如果实时采集的环境数据达到此模型的阈值则触发三级预警。

上述例中是根据环境数据中的特征气体、温度、烟雾各自独立的数据进行判断的一种方法，还可通过三种数据中的任何两种或三种进行综合判断，确定热失控的状态。可根据使用者的主观要求或环境的客观因素而对特征气体、温度、烟雾三项环境参数进行任意的组合限制：例如，当特征气体浓度达到d1'₁同时温度达到d1'₂时，或特征气体浓度的增长速度高于s1'₁并且温度的增长速度也高于s1'₂时进行一级预警：

W1′＝((d₁≥d1₁)∧(d₂≥d1₂))∨((s₁≥s1₁)∧(s₂≥s1₂)。

有了电池热失控模型之后，就可以建立热失控早期预警及火情控制系统，在线预警热失控的发生和发展并在必要时及时启动灭火装置进行火情控制。本系统安装在电池箱内部，首先利用电池特征气体、烟雾、温度传感器实时采集电池箱内电池的环境数据，将环境数据经过AD转换等预处理，生产原始的电池环境特征数据，系统中的微处理器结合当前环境参考数据将电池环境特征数据，与电池热失控模型进行比对，判断电池是否有热失控的发生。环境参考数据是电池正常工作状态下，由各个传感器采集到的当前环境特征数据计算得出，可以是近期采集的平均数据，此是当前正常环境状态的反映，用于对已经生成的电池热失控模型进行修正，更准确的判断电池的异常状态。

如果根据电池热失控模型判断电池有热失控的风险，系统可以通过通信线路发送报警信号，在热失控发生的初级阶段，可以发送一级报警，预警热失控的发生的危险，这时如果采取断电，及时散热等措施，有可能热失控不继续发生；如果电池热失控进一步发展，达到热失控热聚集反应的临界值，即使采取断电、散热等常规手段，热失控的进一步反应也不可避免，将会触发二级报警；如果电池已经爆喷产生了燃烧，将会触发三级报警，同时将会自动启动灭火装置灭火，灭火装置安装在电池箱内部。

上面所述的案例仅仅是对本发明的一种实施方式进行描述(如n项环境数据中，n取值为3，且1/2/3分别代表为特征气体/温度/烟雾，是为详述本发明技术方案内容所举例，n取值为其它，各项代表其它不同的环境数据也在权利要求之内；又如W1′＝((d₁≥d1₁)∧(d₂≥d1₂))∨((s₁≥s1₁)∧(s₂≥s1₂)，是为说明特征气体、温度、烟雾三项环境参数可以进行任意的组合限制所举例，其它组合限制也在权利要求之内)，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思所做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种锂电池热失控早期预警及自动控制方法，其特征在于首先建立利用环境数据判定锂电池热失控发展过程的数学模型，然后利用多种传感器实时采集锂电池箱内的环境数据，并参照已建立的数学模型对采集到的锂电池的环境数据的变化进行在线分析，按照锂电池热失控发展的风险程度分级别预警热失控的发展；一旦热失控发展引起火情，立即自动启动火情控制装置控制热失控扩展；

建立利用环境数据判定锂电池热失控发展过程的数学模型和预警热失控发展的方法为：应用传感器实时采集到的环境数据变化的速率结合环境数据的绝对值域作为判断锂电池出现故障的判断条件，对多种传感器采集到的环境数据进行综合在线分析，早期判断电池热失控的发生和发展，并根据热失控发生的危险程度和阶段分级别报警：

令d_n代表第n项环境数据，Δd_n代表在时间段Δt环境数据d_n的变化量，则此环境数据的变化速率s_n表示为：

在某一时刻由第n项环境数据所描述电池环境状态P_n表达为：

P_n＝(d_n,s_n)

n项环境数据变化所描述的当前时间t的电池状态O_t表达为：

O_t＝(P₁,P₂,P₃,...P_n)

第n项环境参数的第l级预警的数学模型Pl_n表达为：

Pl_n＝(dl_n,sl_n,dls_n)

其中，dl_n为第n项环境参数触发第l级预警的阈值，sl_n为第n项环境参数触发第l级预警的变化速率阈值，dls_n为当前维持电池箱正常工作的第n项环境参数的设定值；

依据第n项环境参数阈值独立判断第l级预警Wl_n的判定公式如下：

Wl_n＝(d_n≥dl_n)∨((s_n≥sl_n)∧(d_n≥dls_n))

通过n项环境参数相互独立判断在时间t的电池状态O_t是否触发l级热失控的预警信号Wl的简化公式为：

Wl＝Wl₁∨Wl₂∨…∨Wl_n

如果Wl为真，就发出l级预警信号。

2.根据权利要求1所述锂电池热失控早期预警及自动控制方法，其特征是采用多种传感器采集锂电池的环境数据，传感器包括气体传感器、温度传感器、烟雾传感器；利用所采集到的多项传感器数据进行复合判断，早期判断电池热失控的发生和发展。

3.根据权利要求1所述锂电池热失控早期预警及自动控制方法，其特征是利用环境数据判定锂电池热失控发展过程的数学模型在线下建立，首先根据具体电池种类和成组方式计算出电池热失控发展过程的特性数据，结合热失控试验中采集的数据，通过软件仿真数据处理，建立原始的锂电池热失控发展过程数学模型，在热失控试验中应用原始热失控发展过程数学模型进行预警，验证热失控发展过程数学模型的准确性，如果效果不能够达到准确预测，则对数学模型进行修正，反复进行验证，直到生成准确的利用环境数据判定锂电池热失控发展过程的数学模型。

4.根据权利要求1所述锂电池热失控早期预警及自动控制方法，其特征是还通过n项环境参数中的多项综合判断电池的热失控的状态；

n项环境参数的第l级预警的数学模型表达为：

Pl₁＝(dl₁,sl₁,dls₁)

Pl₂＝(dl₂,sl₂,dls₂)

……

Pl_n＝(dl_n,sl_n,dls_n)

通过多项环境参数的选取，各项环境数据的任意组合限制，综合判断在时间t的电池状态O_t是否触发l级热失控的预警信号。

5.根据权利要求1或4所述锂电池热失控早期预警及自动控制方法，其特征是dls_n的值是在多次试验中测得电池箱正常工作状态下环境数据d_n的平均值，dl_n的值是在多次试验中测得在第l级热失控状态下环境数据d_n的平均值，sl_n的值是根据多次电池热失控试验中测得第l级热失控状态下环境数据d_n的变化速率s_n的平均值。

6.根据权利要求1所述锂电池热失控早期预警及自动控制方法，其特征是针对不同材料锂电池的特点，建立锂电池热失控发展过程的3级预警模型：当锂电池已经处于非正常工作状态，内部有热量聚集，有热失控发生风险，触发第一级预警；当锂电池的热量已经聚集到不需要外界因素而持续发生热失控链锁反应的临界值，热失控过程不可逆转，则触发第二级预警；第三级预警表示锂电池内部已经发生剧烈反应，开始发生了爆喷、燃烧。

7.根据权利要求1所述锂电池热失控早期预警及自动控制方法，其特征是通过一套控制装置实现预警和经由线束与之相连接的灭火装置实现灭火，所述控制装置和灭火装置安装在电池箱内部，灭火装置装载有灭火剂，在电池箱内电池已经发生剧烈反应，开始发生爆喷、燃烧时，所述的控制装置通过电信号自动启动火情附近的灭火装置释放灭火剂就近进行火情控制。