CN110828919A - 一种电池热失控预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池热失控预警系统及方法，所述系统包括热失控数据诊断中心、热失控预警装置、信号监测单元、设置于待监控电池模组两端的压力探测装置和设置于待监控模组充电回路中的充电开关；所述热失控预警装置包括控制器和报警器；所述压力探测装置与信号监测单元连接，所述信号监测单元与控制器连接，所述控制器分别与报警器、热失控数据诊断中心连接和充电开关连接。本发明提供了一种电池热失控预警系统及方法，能够有效实现电池模组的热失控早期预警，有助于提高电池模组充电过程的安全性。

Description

一种电池热失控预警系统及方法
技术领域
本发明涉及电池模组的监控，特别是涉及一种电池热失控预警系统及方法。
背景技术
就目前而言，电池管理系统依赖于监测参数(如电压、电流、温度和气体)以保证电池工作的安全性、可靠性。然而这些参数只能在热失控发生后进行后期的预警和判断，无法对热失控进行早期的预警判断。锂电池热失控的发生过程，首先是电池内部副反应的发生，副反应导致内部电池结构的变化以及内部温度的升高，电池发生膨胀变形，然后才是可探测气体的逸出，再之后为表明温度的升高，最后电池热失控发生冒烟和自燃现象。
因此，目前市面上可供选择的探测技术与探测参数，仅能实现对热失控的中期和后期做出预警，无法对早期热失控做出预警。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电池热失控预警系统及方法，能够有效实现电池模组的热失控早期预警，有助于提高电池模组充电过程的安全性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电池热失控预警系统，包括：热失控数据诊断中心、热失控预警装置、信号监测单元、设置于待监控电池模组两端的压力探测装置和设置于待监控模组充电回路中的充电开关；所述热失控预警装置包括控制器和报警器；所述压力探测装置与信号监测单元连接，所述信号监测单元与控制器连接，所述控制器分别与报警器、热失控数据诊断中心连接和充电开关连接；
所述热失控数据诊断中心，用于确定不同工况下的热失控触发概率，并依据压力参数划分热失控发生的安全等级，确定各安全等级对应的压力信号阈值，作为热失控诊断标准传输给控制器；
所述信号监测单元，用于通过压力探测装置感应压力信号，并将感应到的压力信号进行AD转换后传输给控制器；
所述控制器，用于根据热失控数据诊断中心的信息，对来自信号监测单元的压力信号进行热失控安全等级划分，并根据热失控诊断标准，实现报警器和待监控电池模组充电回路中充电开关的控制。
所述热失控数据诊断中心包括：
数据采集单元，用于获取待监控电池模组在不同充电倍率、老化阶段、环境温度下过充过程中的压力，并采集过充过程中的电池模组电压、电流和温度信息；
数据分析单元，用于分析对比各参数在过充热失控过程中的敏感度，确定以压力作为热失控主要诊断参数；
影响因子确定单元，用于量化老化、环境温度、充电电流对热失控行为(电压，温度，压力的触发时间以及触发值)的影响程度，获取同种影响程度下的各参数的归一化数值，从而识别出不同影响参数的影响因子；
安全等级划分单元，用于确定不同工况下的热失控触发概率，并依据压力参数划分热失控发生的安全等级，确定各安全等级对应的压力信号阈值，作为热失控诊断标准传输给控制器。
优选地，所述压力探测装置包括压力传感器和信号放大器，所述压力传感器的输出端与信号放大器连接，信号放大器的输出端与信号监测单元连接。所述信号监测单元包括多路AD转换器，用于对压力探测装置输出的信号进行AD转换后传输给控制器。
所述的一种电池热失控预警系统的预警方法，包括以下步骤：
S1.在热失控数据诊断中心进行数据统计和数据分析，确定热失控诊断标准；
S2.热失控诊断预警装置接收热失控诊断标准，并根据热失控诊断标准，在控制器内部生成热失控预警控制算法；
S3.信号监测单元通过压力探测装置感应压力信号，并将感应到的压力信号进行AD转换后传输给控制器；
S4.控制器根据生成的热失控预警控制算法，将待监控电池模组两端的压力信号与热失控诊断标准进行对比，确定热失控安全等级，并基于热失控安全等级，实现报警器和待监控电池模组充电回路中充电开关的控制。
所述步骤S1包括以下子步骤：
S101.获取待监控电池模组在不同充电倍率、老化阶段、环境温度下过充过程中的压力，并采集过充过程中的电池模组电压、电流和温度信息；
S102.分析对比各参数在过充热失控过程中的敏感度，确定以压力作为热失控主要诊断参数；
S103.量化老化、环境温度、充电电流对热失控行为(电压，温度，压力的触发时间以及触发值)的影响程度，获取同种影响程度下的各参数的归一化数值，从而识别出不同影响参数的影响因子。
S104.确定不同工况下的热失控触发概率，并依据压力参数划分热失控发生的安全等级，确定各安全等级对应的压力信号阈值，作为热失控诊断标准传输给控制器。
所述步骤S1包括以下子步骤：所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.控制器将待监控电池模组两端的压力信号与热失控诊断标准进行对比，确定热失控安全等级；
S402.在热失控安全等级达到设定的回路关断等级时，控制器通过控制充电开关使得整个充电回路断开；
S403.在热失控安全等级达到设定的预警等级时，控制器控制报警器进行热失控报警。
本发明的有益效果是：本发明能够有效实现电池模组的热失控早期预警，当电池模组未发生气体泄漏就能通过压力监测装置检测到锂电池发生热失控，根据压力信号确定热失控预警各阶段的阈值，进行热失控安全等级划分、报警和充电回路控制，有助于提高电池模组充电过程的安全性，进而避免应用于汽车时汽车发生的自燃事故。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图；
图2为实施例中待测电池模组的结构示意图；
图3为实施例中压力传感器的安装示意图；
图4为本发明的方法流程图；
图中，1-夹具背板，2-支撑平板，3-电池单体，4-隔板，5-压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种电池热失控预警系统，包括：热失控数据诊断中心、热失控预警装置、信号监测单元、设置于待监控电池模组两端的压力探测装置和设置于待监控模组充电回路中的充电开关；所述热失控预警装置包括控制器和报警器；所述压力探测装置通过信号线与信号监测单元连接，所述信号监测单元通过信号线与控制器连接，所述控制器分别与报警器、热失控数据诊断中心连接和充电开关连接；
所述热失控数据诊断中心，用于确定不同工况下的热失控触发概率，并依据压力参数划分热失控发生的安全等级，确定各安全等级对应的压力信号阈值，作为热失控诊断标准传输给控制器；
所述信号监测单元，用于通过压力探测装置感应压力信号，并将感应到的压力信号进行AD转换后传输给控制器；
所述控制器，用于根据热失控数据诊断中心的信息，对来自信号监测单元的压力信号进行热失控安全等级划分，并根据热失控诊断标准，实现报警器和待监控电池模组充电回路中充电开关的控制。在本申请的实施例中，所述充电回路包含充电装置、充电开关和待监控电池模组；切断充电开关，即可切断充电装置与待监控电池模组之间的回路。
所述热失控数据诊断中心包括：
数据采集单元，用于获取待监控电池模组在不同充电倍率、老化阶段、环境温度下过充过程中的压力，并采集过充过程中的电池模组电压、电流和温度信息；
数据分析单元，用于分析对比各参数在过充热失控过程中的敏感度，确定以压力作为热失控主要诊断参数；
影响因子确定单元，用于量化老化、环境温度、充电电流对热失控行为(电压，温度，压力的触发时间以及触发值)的影响程度，获取同种影响程度下的各参数的归一化数值，从而识别出不同影响参数的影响因子；
安全等级划分单元，用于确定不同工况下的热失控触发概率，并依据压力参数划分热失控发生的安全等级，确定各安全等级对应的压力信号阈值，作为热失控诊断标准传输给控制器。
在本申请的实施例中，所述压力探测装置包括压力传感器和信号放大器，所述压力传感器的输出端与信号放大器连接，信号放大器的输出端与信号监测单元连接。所述信号监测单元包括多路AD转换器(实施例中只使用其中两路)，用于对压力探测装置输出的信号进行AD转换后传输给控制器。该实施例中，压力探测装置根据所受压力的不同输出不同的电压信号以提供判断依据，由于压力探测装置探测信号为毫伏级别，固需要配置相应的信号放大器，将其信号放大到毫伏级别，从而有助于后期的信号处理。
如图2～3所示，在本申请的实施例中，以12块单体组成的电池模组为例，电池模组包括夹具背板1、支撑平板2、电池组和隔板4。电池组由12块24Ah的电池单体3串联组成；电池单体3之间通过隔板4进行隔离；模组两端分别有夹具背板1将电池组固定，夹具背板1为平板结构；支撑平板2设置于电池组与两端的夹具背板之间，并采用厚度为2mm的不锈钢钢板，用于分散电池模组产生的集中压力。隔板4为厚度3mm带有凹槽的防火树脂材质的结构，可用于保持气流通道，电池单体3之间还通常会加入特定种类的海绵或乳胶进行缓冲；在电池组两端的模组固定端板设置传感器限位孔，便于电池成组后压力传感器5的固定，通过两端传感器的测量获得电池模组的压力变化；压力传感器5为高精度的测力传感器，安装在电池模组两端后，用于获取电池模组产生的压力信号。
如图4所示，所述的一种电池热失控预警系统的预警方法，包括以下步骤：
S1.在热失控数据诊断中心进行数据统计和数据分析，确定热失控诊断标准；
S2.热失控诊断预警装置接收热失控诊断标准，并根据热失控诊断标准，在控制器内部生成热失控预警控制算法；
S3.信号监测单元通过压力探测装置感应压力信号，并将感应到的压力信号进行AD转换后传输给控制器；
S4.控制器根据生成的热失控预警控制算法，将待监控电池模组两端的压力信号与热失控诊断标准进行对比，确定热失控安全等级，并基于热失控安全等级，实现报警器和待监控电池模组充电回路中充电开关的控制。
所述步骤S1包括以下子步骤：
S101.获取待监控电池模组在不同充电倍率、老化阶段、环境温度下过充过程中的压力，并采集过充过程中的电池模组电压、电流和温度信息；
S102.通过分析对比各参数(压力、温度、电压)在热失控过程中的变化曲线(变化较为平缓的敏感度最低，变化较为剧烈的敏感度较高)，从而确定分析对比各参数在过充热失控过程中的敏感度，最终确定压力作为热失控主要诊断参数；
S103.通过单一变量法，确定老化、环境温度、充电电流对热失控行为(电压，温度，压力的触发时间以及触发值)的影响，对各参数进行归一化，获取同种影响程度下的各参数的归一化数值，从而识别出不同影响参数的影响因子；进一步通过多变量法，确定多种变量组合下热失控行为的影响因子。
S104.通过大量的实车数据采集，获取同种工况下的热失控的压力变化阶段性阈值以及热失控触发情况，最终确定在该工况下达到压力阈值后的热失控触发概率。并依据压力在热失控过程中的变化程度的不同划分热失控发生的安全等级，确定各安全等级对应的压力信号阈值，作为热失控诊断标准传输给控制器。
所述步骤S1包括以下子步骤：所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.控制器将待监控电池模组两端的压力信号与热失控诊断标准进行对比，确定热失控安全等级；
S402.在热失控安全等级达到设定的回路关断等级时，控制器通过控制充电开关使得整个充电回路断开；
S403.在热失控安全等级达到设定的预警等级时，控制器控制报警器进行热失控报警。
本发明能够有效实现电池模组的热失控早期预警，当电池模组未发生气体泄漏就能通过压力监测装置检测到锂电池发生热失控，根据压力信号确定热失控预警各阶段的阈值，进行热失控安全等级划分、报警和充电回路控制，有助于提高电池模组充电过程的安全性，进而避免应用于汽车时汽车发生的自燃事故。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电池热失控预警系统，其特征在于：包括：热失控数据诊断中心、热失控预警装置、信号监测单元、设置于待监控电池模组两端的压力探测装置和设置于待监控模组充电回路中的充电开关；所述热失控预警装置包括控制器和报警器；所述压力探测装置与信号监测单元连接，所述信号监测单元与控制器连接，所述控制器分别与报警器、热失控数据诊断中心连接和充电开关连接；
所述热失控数据诊断中心，用于确定不同工况下的热失控触发概率，并依据压力参数划分热失控发生的安全等级，确定各安全等级对应的压力信号阈值，作为热失控诊断标准传输给控制器；
所述信号监测单元，用于通过压力探测装置感应压力信号，并将感应到的压力信号进行AD转换后传输给控制器；
所述控制器，用于根据热失控数据诊断中心的信息，对来自信号监测单元的压力信号进行热失控安全等级划分，并根据热失控诊断标准，实现报警器和待监控电池模组充电回路中充电开关的控制。
2.根据权利要求1所述的一种电池热失控预警系统，其特征在于：所述热失控数据诊断中心包括：
数据采集单元，用于获取待监控电池模组在不同充电倍率、老化阶段、环境温度下过充过程中的压力，并采集过充过程中的电池模组电压、电流和温度信息；
数据分析单元，用于分析对比各参数在过充热失控过程中的敏感度，确定以压力作为热失控主要诊断参数；
影响因子确定单元，用于量化老化、环境温度、充电电流对热失控行为的影响程度，获取同种影响程度下的各参数的归一化数值，从而识别出不同影响参数的影响因子；
安全等级划分单元，用于确定不同工况下的热失控触发概率，并依据压力参数划分热失控发生的安全等级，确定各安全等级对应的压力信号阈值，作为热失控诊断标准传输给控制器。
3.根据权利要求1所述的一种电池热失控预警系统，其特征在于：所述压力探测装置包括压力传感器和信号放大器，所述压力传感器的输出端与信号放大器连接，信号放大器的输出端与信号监测单元连接。
4.根据权利要求1所述的一种电池热失控预警系统，其特征在于：所述信号监测单元包括多路AD转换器，用于对压力探测装置输出的信号进行AD转换后传输给控制器。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种电池热失控预警系统的预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.在热失控数据诊断中心进行数据统计和数据分析，确定热失控诊断标准；
S2.热失控诊断预警装置接收热失控诊断标准，并根据热失控诊断标准，在控制器内部生成热失控预警控制算法；
S3.信号监测单元通过压力探测装置感应压力信号，并将感应到的压力信号进行AD转换后传输给控制器；
S4.控制器根据生成的热失控预警控制算法，将待监控电池模组两端的压力信号与热失控诊断标准进行对比，确定热失控安全等级，并基于热失控安全等级，实现报警器和待监控电池模组充电回路中充电开关的控制。
6.根据权利要求5所述的一种电池热失控预警系统的预警方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：
S101.获取待监控电池模组在不同充电倍率、老化阶段、环境温度下过充过程中的压力，并采集过充过程中的电池模组电压、电流和温度信息；
S102.分析对比各参数在过充热失控过程中的敏感度，确定以压力作为热失控主要诊断参数；
S103.量化老化、环境温度、充电电流对热失控行为的影响程度，获取同种影响程度下的各参数的归一化数值，从而识别出不同影响参数的影响因子；
S104.确定不同工况下的热失控触发概率，并依据压力参数划分热失控发生的安全等级，确定各安全等级对应的压力信号阈值，作为热失控诊断标准传输给控制器。
7.根据权利要求5所述的一种电池热失控预警系统的预警方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.控制器将待监控电池模组两端的压力信号与热失控诊断标准进行对比，确定热失控安全等级；
S402.在热失控安全等级达到设定的回路关断等级时，控制器通过控制充电开关使得整个充电回路断开；
S403.在热失控安全等级达到设定的预警等级时，控制器控制报警器进行热失控报警。
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