CN110828915B - 一种动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法 - Google Patents

一种动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，采用包括温度、气压、CO、CXHX、压紧力五个方面的参量进行预警报警判定，每个参量自低到高至少设有多级预设值，根据采集参量的预设值级别，判定预警报警级别。本发明采用多级、多元化参数对电池热失控的情况进行多级预警报警处理，能够准确把控电池的热失控状态，实时准确。

Description

一种动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，尤其是涉及一种动力锂离子电池爆喷早期预警装置及方法。
背景技术
随着全球经济不断发展，能源危机逐步加深、环保意识不断增强，作为新能源及环保低碳的动力电池产业得到迅猛发展，而锂离子电池凭借其优异的性能、成熟的技术成为众多动力电池的主流发展方向。尤其是随着我国对环保的问题越来越重视，以及锂电池生产成本的大幅降低，已广泛应用于电动自行车、电动汽车、高铁、云轨、航空航天等交通领域及发电侧、电网侧、用户侧的储能系统领域。虽然锂电池的大规模应用改善了环境，实现了低碳、节能、环保等有益效果，但随之而来的安全问题却是不容忽视，近年来由电动自行车引发的火灾1万余起，新能源汽车百余起，储能系统领域也发生了多起火灾。这些火灾都是由于锂离子电池发生热失控后，电池本体破坏发生电解液固液气混合物的爆喷，爆喷出的混合物极易发生燃烧甚至爆炸。面对如此严峻的火灾形式，若出现安全事故，将对社会安全及生命财产安全都极易造成巨大的损失，造成的社会影响也将更加严重和难于预测，而且牵涉面更广，公众关注度更高。
目前已有的锂离子电池预警技术都是基于温度、电压、气体成分、烟雾等特征参数及其变化率来判断是否发生热失控。温度参数，通过温度及其变化率进行判断，当温度及其变化率超过某一阈值时判断发生热失控，但是在电池模组及电池箱中时，由于电池数量较多，无法通过BMS和自己布置的温度传感器采集每个电池的温度数据，导致热失控预警出现极大的延迟，以及大量的误判断；电压参数，通过电压压降及其变化率进行判断，当电压压降及其变化率超过某一阈值时判断发生热失控，但是在电池模组及电池箱中时，由于电池数量较多及技术受限，无法通过BMS采集每个电池的电压数据，导致热失控预警出现极大的延迟，以及大量的误判；气体成分，通过CO、碳氢化合物等气体成分及其变化率进行判断，当气体成分及其变化率超过某一阈值时判断发生热失控，但一般出现气体成分变化时，热失控及爆喷已经发生，此时报警已失去了早期预警的意义，无法在爆喷前实现提前报警；烟雾浓度，通过烟雾浓度及其变化率进行判断，当烟雾浓度及其变化率超过某一阈值时判断发生热失控，但一般出现烟雾时，热失控及爆喷已经发生，此时报警已失去了早期预警的意义，无法在爆喷前实现提前报警。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，用以解决现有技术中存在的不足。
本发明的动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，采用包括温度、气压、CO、CXHX、压紧力五个方面的参量进行预警报警判定，每个参量自低到高至少设有三级预设值：
对于温度和压紧力参量：参量的最低级预设值(I级预设值)是电池可能发生热失控情况下的最低参数值，参量的中级预设值(II级预设值)是电池热失控后可能发生爆喷情况下的最低参数值，参量的高级预设值(III级预设值)是电池热失控后发生完全爆喷情况下的最低参数值；
对于气压、CO、CXHX参量：参量的最低级预设值(I级预设值)是电池热失控后爆喷前可能发生少量电解液喷放情况下的最低参数值，参量的中级预设值(II级预设值)是电池热失控后发生爆喷初期情况下的最低参数值，参量的高级预设值(III级预设值)是电池热失控后发生完全爆喷情况下的最低参数值。
根据采集参量的预设值级别，判定预警报警级别；预警报警级别及判定方式由低到高包括：
(1)电解液泄漏报警：CXHX化合物I级预设值有效，其他参量未到达预设值；
(2)爆喷前I级预警：温度I级预设值和压紧力I级预设值同时有效；
(3)爆喷前II级预警：温度I级预设值和压紧力II级预设值同时有效；
(4)爆喷I级报警：下述五个有效值中至少两个同时有效：温度II级预设值有效，CO、CXHX化合物和气压I级预设值有效，压紧力III级预设值有效；
(5)爆喷II级报警：下述八个有效值中至少两个同时有效：温度、气压、CO、CXHX化合物II级预设值有效，温度、气压、CO、CXHX化合物III级预设值有效；
当满足高级预警报警级别时，优先判断为高级预警报警。
具体地，所述五个方面的参量的三级预设值可以根据长期多个电池热失控模型的分析得出，或者是采集电池热失控案例总结得出的经验值。对于一般的由多个电池模组组成的电池箱，参量具体预设值优化设置如下：
(1)温度：60℃、80℃、250℃；
(2)CO：24ppm、190ppm、800ppm；
(3)CXHX化合物：24ppm、190ppm、800ppm；
(4)气压：1kPa、5kPa、10kPa；这里气压为电池箱的箱内气压；
(5)压紧力：变化量110％和变化率1N/s、变化量150％和变化率5N/s、变化量200％和变化率20N/s。
其中，所述采集参量的预设值是否判定为有效，采用分别设置满足各级预设值持续时间的判定方式，当采集的参量数据满足持续时间的要求时，即判断为有效，否则为无效；另外，同一参量任一级别预设值有效可等同于低于该级别的预设值有效。优选的，任一级别预设值被判定为有效的持续时间应少于该级别以下的预设值被判定为有效的的持续时间，持续时间以2-15s以内为佳，例如，I级预设值持续时间为10s，二级预设值持续时间为5s，三级预设值持续时间为3s。
其中，所述参量的采集持续进行，采集频率优选为1Hz；按照判断的报警级别输出报警后，判断是否进行关机，在满足关机条件下系统自动关机；在参量的判定结果为不属于预设值级别、不满足报警级别、不高于现阶段报警级别、或者不需要关机时，对该参量的判定结束，返回对下一参量的采集判定过程；若继续采集的参量判定为更高级别报警时，升级报警信号并输出报警，若判定为等于或低于原级别报警时，报警信号级别保持不变输出。
其中，所述参量的在进行持续采集和判定前，需要将CO、CXHX和气压的值进行置零，并记录温度和压紧力的初值；压紧力变化量为探测过程中，压紧力与其初值相比的变化量；压紧力变化率是在实施探测过程中，压紧力随时间的变化率。
本发明同时提供了适用于上述动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法的系统，包括温度探测单元、气压探测单元、CO探测单元、CXHX化合物探测单元及压紧力探测单元，上述各探测单元内分别设有用于对探测目标进行探测的传感器，所述温度探测单元、气压探测单元、CO探测单元、CXHX化合物探测单元集成于一个探测装置中，所述压紧力探测单元采用薄膜压力传感器，薄膜压力传感器与电池直接接触，并与探测装置信号连接。
进一步，所述压紧力探测单元中设置有两个薄膜压力传感器，分别位于电池模组的两端，能够提高探测的可靠性。
本发明所提供的系统和方法采用多级、多元化参数对电池热失控的情况进行多级预警报警处理，能够准确把控电池的热失控状态，实时准确，对电池应用的安全防范具有重大意义。具体地：
(1)增加了电解液的泄露判断，以免由于电解液进入电池箱，触发传感器，导致发生误报警；
(2)增加了电池爆喷预警及报警，可以让使用者清晰了解电池箱内的电池状态，根据电池所处的不同阶段采取对应的防护措施，降低危险，减少损失；
(3)增加了压紧力作为爆喷预警及报警的判断条件，该参量不同于温度及气体成分探测，电池热失控后其内部压力会持续升高，导致压紧力持续增高，直至电池出现爆喷，因此采用压紧力作为判断条件，较其他参量更直接、更准确，且不会出现延迟，导致出现误报警或报警滞后现象的出现。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是电池箱布置示意图。
图2是电池模组及其薄膜压力传感器布置示意图。
图3为预警及报警判断流程。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体附图对本发明进行详细描述。
多元信号探测装置(以下简称探测装置)位于电池箱内，如图1所示，装置内集成有温度探测单元、气压探测单元、CO探测单元、CXHX化合物探测单元及压紧力探测单元，各单元分别设有温度、气压、CO和CXHX传感器，这些传感器可以集成在探测装置中，另外，在每个电池模组两端各布置有1个薄膜压力传感器(图2)，用于测量模组内电池的压紧力，其信号汇总到探测装置。由于薄膜压力传感器与电池直接接触，且受力较大(一般不低于1kN)，为了避免出现故障，安装两个后，同时故障的概率较低，可大大提高压紧力探测的可靠性。
探测装置通过对汇总的温度、箱内气压、气体成分、压紧力进行电池爆喷前的预警判断，每个参量都有3级预设值，具体如下：
(1)温度：60℃、80℃、250℃。
(2)CO：24ppm、190ppm、800ppm。
(3)CXHX化合物：24ppm、190ppm、800ppm。
(4)箱内气压：1kPa、5kPa、10kPa。
(5)压紧力：变化量110％和变化率1N/s、变化量150％和变化率5N/s、变化量200％和变化率20N/s。
装置启动时，如图3，首先将CO、CXHX和箱内气压值进行置零，并自动记录温度、压紧力的初值。其中压紧力变化量为探测过程中，压紧力与其初值相比的变化量；压紧力变化率是在实施探测过程中，压紧力随时间的变化率。
以上5个参量采集频率为1Hz，采集的各参量分别被判定属于几级预设值，为了避免因外界干扰或本身传感器数值突变导致误判，须在先确定采集的数据是否有效，判断方式为：I级预设值持续时间为10s，二级预设值持续时间为5s，三级预设值持续时间为3s。故当采集的参量数据满足持续时间的要求时，即判断为有效，同时在探测装置进行判断时，高级预设值有效可等同于低级预设值有效，如温度III级预设值有效，等同于II级和I级预设值有效。
根据获取的各参量预设值级别判定属于几级报警。探测装置进行判断是共分为5级报警，报警优先级由低到高为：电解液泄露报警、爆喷前I级预警、爆喷前II级预警、爆喷I级报警和爆喷II级报警。即按照报警优先级由高到底逐一判断，例如当满足高级报警条件时，优先判断为高级报警。
(1)电解液泄露报警是为了判断电解液进入电池箱是否是因为发生泄漏导致的，而不是由于电池热失控发生爆喷导致的，判断条件：CXHX化合物I级预设值有效，其他参量未到达预设值。
(2)爆喷前I级预警是为了判断电池是否有可能发生热失控，判断条件：温度和压紧力I级预设值同时有效。
(3)爆喷前II级预警是为了判断电池发生热失控后，是否有可能发生爆喷，判断条件：温度I级预设值有效，压紧力II级预设值有效，以上两个预设值须同时有效。
(4)爆喷I级报警是为了判断电池是否马上就要发生爆喷或已发生初步爆喷，判断条件：温度II级预设值有效，CO、CXHX化合物和箱内气压I级预设值有效，压紧力III级预设值有效，上述5个参量至少有2个同时有效。
(5)爆喷II级报警是为了判断电池是否完全发生爆喷，判断条件：爆喷II级报警：下述八个有效值中至少两个同时有效：温度、气压、CO、CXHX化合物II级预设值有效，温度、气压、CO、CXHX化合物III级预设值有效。
根据上述判断逻辑，各级预警及报警方案如下表1所示：
表1
Figure BDA0002225222420000051
按照判断的报警级别输出报警后，判断是否进行关机，在满足关机条件下系统自动关机。在上述过程中，5个参量持续采集进行判定，在各参量不属于预设值级别、不满足报警级别、不高于现阶段报警级别、或者不需要关机的各级判定结果之下，对相关参量的判定结束，返回对下一参量的采集判定过程。若继续采集的参量判定为更高级别报警时，升级报警信号并输出报警，若判定为等于或低于原级别报警时，报警信号级别保持不变输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。

Claims (9)

1.一种动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，采用包括温度、气压、CO、CXHX、压紧力五个方面的参量进行预警报警判定，每个参量自低到高设有多级预设值，根据采集参量的预设值级别，判定预警报警级别；
采用包括温度、气压、CO、CXHX、压紧力五个方面的参量进行预警报警判定，每个参量自低到高至少设有三级预设值，
对于温度和压紧力参量：参量的最低级预设值或I级预设值是电池可能发生热失控情况下的最低参数值，参量的中级预设值或II级预设值是电池热失控后可能发生爆喷情况下的最低参数值，参量的高级预设值或III级预设值是电池热失控后发生完全爆喷情况下的最低参数值；
对于气压、CO、CXHX参量：参量的最低级预设值或I级预设值是电池热失控后爆喷前可能发生少量电解液喷放情况下的最低参数值，参量的中级预设值或II级预设值是电池热失控后发生爆喷初期情况下的最低参数值，参量的高级预设值或III级预设值是电池热失控后发生完全爆喷情况下的最低参数值；
根据采集参量的预设值级别，判定预警报警级别；预警报警级别及判定方式由低到高包括：
(1)电解液泄漏报警：CXHX化合物I级预设值有效，其他参量未到达预设值；
(2)爆喷前I级预警：温度I级预设值和压紧力I级预设值同时有效；
(3)爆喷前II级预警：温度I级预设值和压紧力II级预设值同时有效；
(4)爆喷I级报警：下述五个有效值中至少两个同时有效：温度II级预设值有效，CO、CXHX化合物和气压I级预设值有效，压紧力III级预设值有效；
(5)爆喷II级报警：下述八个有效值中至少两个同时有效：温度、气压、CO、CXHX化合物II级预设值有效，温度、气压、CO、CXHX化合物III级预设值有效；
当满足高级预警报警级别时，优先判断为高级预警报警。
2.根据权利要求1所述的动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，其特征在于，五个方面的所述参量的三级预设值设置如下：
(1)温度：60℃、80℃、250℃；
(2)CO：24ppm、190ppm、800ppm；
(3)CXHX化合物：24ppm、190ppm、800ppm；
(4)气压：1kPa、5kPa、10kPa；这里气压为电池箱的箱内气压；
(5)压紧力：变化量110％和变化率1N/s、变化量150％和变化率5N/s、变化量200％和变化率20N/s。
3.根据权利要求1所述的动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，其特征在于，所述采集参量的预设值是否判定为有效，采用分别设置满足各级预设值持续时间的判定方式，当采集的参量数据满足持续时间的要求时，即判断为有效，否则为无效；另外，同一参量任一级别预设值有效可等同于低于该级别的预设值有效。
4.根据权利要求3所述的动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，其特征在于，任一级别预设值被判定为有效的持续时间应少于该级别以下的预设值被判定为有效的的持续时间。
5.根据权利要求4所述的动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，其特征在于，所述持续时间为2-15s。
6.根据权利要求4所述的动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，其特征在于，I级预设值持续时间为10s，二级预设值持续时间为5s，三级预设值持续时间为3s。
7.根据权利要求1所述的动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，其特征在于，所述参量的采集持续进行；按照判断的报警级别输出报警后，判断是否进行关机，在满足关机条件下系统自动关机；在参量的判定结果为不属于预设值级别、不满足报警级别、不高于现阶段报警级别、或者不需要关机时，对该参量的判定结束，返回对下一参量的采集判定过程；若继续采集的参量判定为更高级别报警时，升级报警信号并输出报警，若判定为等于或低于原级别报警时，报警信号级别保持不变输出。
8.根据权利要求7所述的动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，其特征在于，所述参量的采集频率为1Hz。
9.根据权利要求1所述的动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法，其特征在于，所述参量的在进行持续采集和判定前，需要将CO、CXHX和气压的值进行置零，并记录温度和压紧力的初值；压紧力变化量为探测过程中，压紧力与其初值相比的变化量；压紧力变化率是在实施探测过程中，压紧力随时间的变化率。
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