CN112036014A - 一种基于层次分析法的锂离子电池安全可靠性测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于层次分析法的锂离子电池安全可靠性测试方法，包括：步骤(1)：建立锂离子电池安全可靠性评价方法的层次结构模型；步骤(2)：锂离子电池安全可靠性评价的权重确定；步骤(3)：构造各层次判断矩阵；步骤(4)：计算各判断矩阵的层次单排序及一致性检验；步骤(5)：锂离子电池安全可靠性评价的权重；步骤(6)：锂离子电池安全可靠性评价的风险等级和评分。采用本发明的测试方法把层次分析法应用到了锂离子电池安全可靠性评价的过程中，简便、灵活、高效，易于普及。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池安全可靠性评价方法，尤其涉及一种基于层次分析法的锂离子电池安全可靠性测试方法。
背景技术
随着全球性的石油资源持续紧缺与大气环境的不断恶化，新能源的开发和利用受到了世界各国的普遍重视，锂离子电池以其工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、循环寿命长等特有的性能优势，将成为21世纪发展的理想能源之一。随着社会经济和科技水平的不断发展，锂离子电池已经广泛应用于各种各样的电子产品中，伴随着锂离子电池的快速发展和广泛应用，锂离子电池的安全问题越来越突显出来，引起了人们极大地重视。因此，保障锂离子电池安全已经成为当前需要解决的重要问题之一。
对锂离子电池安全事件发生的各因素机理进行分析，识别锂离子电池安全危害，评价锂离子电池的安全可靠性，从而对锂离子电池采取有效的风险管理措施，是保障锂离子电池安全的重要途径。一般来说，对锂离子电池安全进行可靠性评价时，需要考虑很多方面因素，在对这些因素进行比较、判断、评价、决策时，很难量化其重要性、影响力或者优先程度，应用常规的数学方法解决这一问题存在较大的困难。
层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是美国运筹学家T.L.Saaty教授于20世纪70 年代初期提出的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法，它是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法，它把一个复杂问题分解成组成因素，并按支配关系形成层次结构，然后应用两两比较的方法确定决策方案的相对重要性。该方法是对一些较为复杂、较为模糊的问题做出决策的简易方法，特别适用于难于完全定量分析的问题。层次分析法的应用分为三个步骤：首先，分析研究对象系统内各因素间关系，构建层次结构模型；其次，对同一层次各因素在层中的重要性进行两两比较，构造判断矩阵；最后，由判断矩阵计算各因素的相对权重，并进行判断矩阵的一致性检验。
因此，为了解决上述问题，应用层次分析法，为综合评估锂离子电池安全可靠性提供了一种思路和方法。
发明内容
本发明提供一种基于层次分析法的锂离子电池安全可靠性测试方法，该评价方法主要对锂电池的电性能安全、环境安全进行分析和安全可靠性评价，应用层次分析法，构造出一个有层次的锂离子电池安全可靠性评价方法体系。本发明的技术方案为：
一种基于层次分析法的锂离子电池安全可靠性测试方法，步骤(1)：建立锂离子电池安全可靠性评价方法的层次结构模型；用安全(Safety)的首字母S表示层次结构中的因素，层次因素集为：
第一层次因素集为：S＝{S1，S2，S3}；
第二层次因素集为：S1＝{S11，S12，S13}；S2＝{S21，S22，S23，S24，S25，S26}；
步骤(2)：锂离子电池安全可靠性评价的权重确定方法
采用层次分析法对定性指标进行模糊化处理，比较两个影响因素之间的重要性，构造判断矩阵，然后计算出各影响因素的权重并进行一致性检验，最终确定各影响因素的权重；对于各影响因素之间相对重要性等级的划分，如表1所示；
说明：用aij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果，第j个因素相对于第i个因素的比较结果 aji＝1/aij；
步骤(3)：构造各层次判断矩阵
根据锂离子电池安全可靠性评价方法体系图，依据层次分析法的工作原理，相对于锂离子电池安全，构建第一层次指标的判断矩阵如下：
相对于锂电池的电性能安全，构建第二层次指标的判断矩阵如下：
相对于锂电池的环境安全，构建第二层次指标的判断矩阵如下：
步骤(4)：计算各判断矩阵的层次单排序及一致性检验
步骤(4.1)：计算第一层判断矩阵的特征根、特征向量与一致性检验
(1)计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi
应用公式
M1＝1×2＝2
M2＝1/2×1＝1/2
(2)计算Mi的n次方根
应用公式
(3)对
规范化
应用公式
于是
W2＝0.707/2.121＝0.637＝0.333
∴所求特征向量W＝[0.667，0.333]T
(4)计算判断矩阵的最大特征根λmax
应用公式
(AW)1＝(1)(0.667)+(2)(0.333)＝1.333
(AW)2＝(1/2)(0.667)+(1)(0.333)＝0.667
(5)一致性检验
应用公式
式中CR为一致性比率，CI为一致性指标，计算公式为：
RI为同阶平均随机一致性指标，其值如表2所示；
当CR<0.1时，认为判断矩阵具有满足的一致性，否则就需要调整判断矩阵，直至具有满足的一致性为止；
| 矩阵阶数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| RI | 0 | 0 | 0.58 | 0.90 | 1.12 | 1.24 | 1.32 | 1.41 |
| 矩阵阶数 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
| RI | 1.45 | 1.49 | 1.52 | 1.54 | 1.56 | 1.58 | 1.59 |
应用公式
判断矩阵为2阶，RI可查表，
应用公式
所以第一层判断矩阵的一致性检验符合要求；
由以上计算，得到第一层判断矩阵的特征根，特征向量与一致性检验的结果
步骤(4.2)：计算第二层判断矩阵的特征根、特征向量与一致性检验
根据以上计算过程，可得到，相对于锂电池的电性能安全的第二层次指标的判断矩阵的结果如下：
根据以上计算过程，可得到，相对于锂电池的环境安全的第二层次指标的判断矩阵的结果如下：
步骤(5)：锂离子电池安全可靠性评价的权重
锂离子电池安全评价的权重，通过以上判断矩阵的层次总排序来表示，如表3所示；
步骤(6)：锂离子电池安全可靠性评价的风险等级和评分
在上述分析的基础上，可以得出锂离子电池安全评价的计算公式，如下：
式中，S：安全评价的总评分；
Ai：第一层指标Si的权重；
Aij：第二层指标Sij的权重；
Rij：第二层指标Sij的评分；
用风险(Risk)的首字母R表示风险等级评价集，进行风险等级的划分，评价集为：R＝{高风险，中风险，低风险，可接受的风险}；以评分制的方式进行评定，则其对应评分为：R＝{0～50，50～70，70～90， 90～100}。
采用本发明的方法，至少具有以下技术优势：
1、本测试方法首次把层次分析法应用到了锂离子电池安全可靠性评价的过程中，并取得了良好的效果；
2、本测试方法是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法，它把一个综合复杂的问题分解成诸多单一的指标因素，并按支配关系形成层次结构，利用有限的定量信息使决策的思维过程数学化，通过一系列数学计算，从而对多因素、多准则的复杂问题进行准确、可靠的评价；
3、本测试方法使用简便、灵活、高效，易于普及。
附图说明
图1为锂离子电池安全可靠性评价方法体系图。
具体实施方式
在锂电池的使用中，锂离子电池安全主要涉及电性能安全、环境安全两大部分。其中，锂电池的电性能安全主要包括：过充电、强制放电、外部短路等3个项目；锂电池的环境安全主要包括：低气压、温度循环、振动、跌落、挤压、重物冲击等6个项目。
1.1锂电池的电性能安全
1.1.1过充电
过充电一般是指锂电池经一定充电过程充满电后，再继续充电的行为。由于在设计时，负极容量比正极容量要高，因此，正极产生的气体透过隔膜纸与负极产生的镉复合。一般情况下，电池的内压不会有明显升高，但如果充电电流过大，或充电时间过长，产生的氧气来不及被消耗，就可能造成内压升高，出现锂电池变形、外壳破裂、电解液泄漏等不良现象。
1.1.2强制放电
强制放电一般是指锂电池放电至一定电压值后，继续强制对电池进行放电的行为。锂电池放完内部储存的电量，电压达到一定值后，继续过放电，可能会给锂电池带来灾难性的后果，特别是大电流过放，或反复过放对锂电池影响更大。一般而言，过放电会使电池内压升高，正负极活性物质可逆性受到破坏，即使充电也只能部分恢复，容量会受到极大影响，出现明显的衰减，有时甚至会出现锂电池外壳破裂、电解液泄漏等不良现象。
1.1.3外部短路
外部短路主要模拟锂电池在使用过程中、运输过程中、极端碰撞等情况下产生不可预测的意外，使锂电池正负两极发生外部短路情况。外部短路情况的发生，容易导致锂电池在工作中产生热累积而引发热失控，进而产生冒烟、起火、燃烧等热安全问题，短路问题被认为是大部分锂电池安全事故发生的主要原因之一。
1.2锂电池的环境安全
1.2.1低气压
低气压测试主要是模拟高空低气压环境下锂电池的运输情况，通常高空环境，在大气层内温度和压强均会随着高度的增加而降低，相互绝缘的部件之间就会容易产生放电现象，锂电池壳体表面会因多种静电机理而积累大量静电荷，当静电电荷积累到一定场强阈值时就会发生空气击穿，形成静电放电，长时间放电会对锂电池的表面壳体材料造成氧化、腐蚀、破损等损伤，从而严重影响锂电池的安全性能。
1.2.2温度循环
温度循环测试主要是利用不同材料热膨胀系数的差异，加强其因温度快速变化所产生的热应力对样品材料所造成的劣化影响。锂电池外壳塑封材料在高温、低温应力交替下会出现膨胀与收缩，由于外壳材料与塑封材料的膨胀系数差异，接触界面的结合点会产生剪切力。随着应力的累积，会导致外壳材料与塑封材料等接触界面产生裂纹和分层缺陷，甚至出现外壳破裂、电解液泄漏等现象，严重影响锂电池的安全性能。
1.2.3振动
振动测试主要是模拟运输过程中产生的振动情况，可以比较好的评估锂电池物理结构及外壳的安全性能。锂电池的物理结构及外壳出现缺陷，会使得锂电池内阻、电压、质量出现一定变化，最直接的情况就是产生外壳破裂、电解液泄漏等现象，严重时会造成热失控，出现冒烟、起火、燃烧等安全问题。
1.2.4跌落
跌落测试主要是模拟运输环境或正常使用中锂电池可能产生的跌落情况，可以比较好的评估锂电池外壳的焊接密封性能。锂电池外壳的焊接密封性能出现缺陷，会使得锂电池内阻、电压、质量出现一定变化，最直接的情况就是产生外壳破裂、电解液泄漏等现象，严重时会增大内部短路可能性，产生热失控，出现冒烟、起火、燃烧等安全问题。
1.2.5挤压
挤压测试主要是模拟锂电池在使用、装卸、运输过程中遭受外部应力的持续挤压情况，以确定锂电池对外部压力的适应能力，评定其结构的抗挤压能力。一般情况下，锂电池在遭受外部应力的持续挤压后，壳体会产生明显的形变、破损，同时造成内部压力逐步升高，锂电池正极一般都设计有一个泄压阀，当内部压力过大时自动弹出进行泄压，以保障锂电池的安全性能，但如果内压无法及时释放，就会导致出现冒烟、起火、燃烧等安全问题。
1.2.6重物冲击
重物冲击测试主要是模拟锂电池在使用、装卸、运输过程中遭受重物的冲击情况，以确定锂电池对外部冲击力的适应能力，评定其结构的抗冲击能力。一般情况下，锂电池在遭受外部重力冲击后，外壳会产生明显的形变，同时造成内部压力迅速升高，锂电池正极一般都设计有一个泄压阀，当内部压力过大时自动弹出进行泄压，以保障锂电池的安全性能，但如果锂电池存在泄压缺陷问题，就会导致出现冒烟、起火、燃烧等现象，造成严重的安全问题。
1.3层次分析法在锂离子电池安全可靠性评价方法中的应用
1.3.1锂离子电池安全层次结构
首先建立锂离子电池安全可靠性评价方法的层次结构模型。由图1锂离子电池安全可靠性评价方法体系图可见，用安全(Safety)的首字母S表示层次结构中的因素，层次因素集为：
第一层次因素集为：S＝{S1，S2，S3}。
第二层次因素集为：S1＝{S11，S12，S13}；S2＝{S21，S22，S23，S24，S25，S26}。
1.3.2锂离子电池安全可靠性评价的权重确定方法
锂离子电池安全可靠性评价的权重确定过程的正确与否，直接决定着评价结果的正确性，现有确定权重的方法很多，主要有专家评分法、层次分析法和相对比较法。为了更加客观、准确的评价结果，本评价方法采用层次分析法对定性指标进行模糊化处理，比较两个影响因素之间的重要性，构造判断矩阵，然后计算出各影响因素的权重并进行一致性检验，最终确定各影响因素的权重。对于各影响因素之间相对重要性等级的划分，如表1所示。
表1权重相对比值及含义
说明：用aij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果，第j个因素相对于第i个因素的比较结果 aji＝1/aij。
1.3.3构造各层次判断矩阵
根据锂离子电池安全可靠性评价方法体系图，依据层次分析法的工作原理，相对于锂离子电池安全，构建第一层次指标的判断矩阵如下：
相对于锂电池的电性能安全，构建第二层次指标的判断矩阵如下：
相对于锂电池的环境安全，构建第二层次指标的判断矩阵如下：
1.3.4计算各判断矩阵的层次单排序及一致性检验
1.3.4.1计算第一层判断矩阵的特征根、特征向量与一致性检验
(1)计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi
应用公式
M1＝1×2＝2
M2＝1/2×1＝1/2
(2)计算Mi的n次方根
应用公式
(3)对
规范化
应用公式
于是
W2＝0.707/2.121＝0.637＝0.333
∴所求特征向量W＝[0.667，0.333]T
(4)计算判断矩阵的最大特征根λmax
应用公式
(AW)1＝(1)(0.667)+(2)(0.333)＝1.333
(AW)2＝(1/2)(0.667)+(1)(0.333)＝0.667
(5)一致性检验
应用公式
式中CR为一致性比率，
CI为一致性指标，计算公式为：
RI为同阶平均随机一致性指标，其值如表2所示。
当CR<0.1时，认为判断矩阵具有满足的一致性，否则就需要调整判断矩阵，直至具有满足的一致性为止。
表2同阶平均随机一致性指标
| 矩阵阶数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| RI | 0 | 0 | 0.58 | 0.90 | 1.12 | 1.24 | 1.32 | 1.41 |
| 矩阵阶数 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
| RI | 1.45 | 1.49 | 1.52 | 1.54 | 1.56 | 1.58 | 1.59 |
应用公式
判断矩阵为2阶，RI可查表
应用公式
所以第一层判断矩阵的一致性检验符合要求。
由以上计算，得到第一层判断矩阵的特征根，特征向量与一致性检验的结果
1.3.4.2计算第二层判断矩阵的特征根、特征向量与一致性检验
根据以上计算过程，可得到，相对于锂电池的电性能安全的第二层次指标的判断矩阵的结果如下：
根据以上计算过程，可得到，相对于锂电池的环境安全的第二层次指标的判断矩阵的结果如下：
1.3.5锂离子电池安全可靠性评价的权重
锂离子电池安全评价的权重，通过以上判断矩阵的层次总排序来表示，如表3所示。
表3锂离子电池安全可靠性评价的权重
1.3.6锂离子电池安全可靠性评价的风险等级和评分
在上述分析的基础上，可以得出锂离子电池安全评价的计算公式，如下：
式中，S：安全评价的总评分；
Ai：第一层指标Si的权重；
Aij：第二层指标Sij的权重；
Rij：第二层指标Sij的评分。
用风险(Risk)的首字母R表示风险等级评价集，进行风险等级的划分，评价集为：R＝{高风险，中风险，低风险，可接受的风险}。以评分制的方式进行评定，则其对应评分为：R＝{0～50，50～70，70～90， 90～100}。
实施例1：
现如今，锂离子电池的应用非常广泛，其电池类型、制式、型号也比较多，为了客观、有代表性的说明，以使用范围最广、最常见的圆柱形锂离子电池为例，通过锂离子电池安全可靠性评价方法，对其进行安全可靠性评价。
例如，采购一批某品牌某型号的圆柱形锂离子电池(制式为18650型)，依据相关标准对该批次锂电池进行电性能安全、环境安全的试验，根据其试验结果，对其各项指标进行评分，如表4所示。
表4某品牌某型号圆柱形锂电池各项指标评分
| 指标 | R<sub>11</sub> | R<sub>12</sub> | R<sub>13</sub> | R<sub>21</sub> | R<sub>22</sub> | R<sub>23</sub> | R<sub>24</sub> | R<sub>25</sub> | R<sub>26</sub> |
| 评分 | 80 | 80 | 20 | 100 | 80 | 80 | 100 | 80 | 20 |
应用公式
进行计算；该锂离子电池的安全评价的综合总评分为：
S＝0.667(0.258×80+0.105×80+0.637×20)+0.333 (0.045×100+0.119×80+0.079×80+0.079×100+0.218×80+0.460×20)＝43.26
根据评判集划分，该批次锂电池的安全可靠性评价为“高风险”等级，在使用过程中存在风险，容易产生安全事故，需要对该批次锂电池进行相关的技术改进。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。
Claims (1)
1.一种基于层次分析法的锂离子电池安全可靠性测试方法，包括：
步骤(1)：建立锂离子电池安全可靠性评价方法的层次结构模型
用安全(Safety)的首字母S表示层次结构中的因素，层次因素集为：
第一层次因素集为：S＝{S1，S2，S3}；
第二层次因素集为：S1＝{S11，S12，S13}；S2＝{S21，S22，S23，S24，S25，S26}；
步骤(2)：锂离子电池安全可靠性评价的权重确定方法
采用层次分析法对定性指标进行模糊化处理，比较两个影响因素之间的重要性，构造判断矩阵，然后计算出各影响因素的权重并进行一致性检验，最终确定各影响因素的权重；对于各影响因素之间相对重要性等级的划分，如表1所示；
说明：用aij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果，第j个因素相对于第i个因素的比较结果aji＝1/aij；
步骤(3)：构造各层次判断矩阵
根据锂离子电池安全可靠性评价方法体系图，依据层次分析法的工作原理，相对于锂离子电池安全，构建第一层次指标的判断矩阵如下：
相对于锂电池的电性能安全，构建第二层次指标的判断矩阵如下：
相对于锂电池的环境安全，构建第二层次指标的判断矩阵如下：
步骤(4)：计算各判断矩阵的层次单排序及一致性检验步骤(4.1)：计算第一层判断矩阵的特征根、特征向量与一致性检验
(1)计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi
应用公式
M1＝1×2＝2
M2＝1/2×1＝1/2
(2)计算Mi的n次方根
应用公式
(3)对
规范化
应用公式
于是
W2＝0.707/2.121＝0.637＝0.333
∴所求特征向量W＝[0.667，0.333]T
(4)计算判断矩阵的最大特征根λmax
应用公式
(AW)1＝(1)(0.667)+(2)(0.333)＝1.333
(AW)2＝(1/2)(0.667)+(1)(0.333)＝0.667
(5)一致性检验
应用公式
式中CR为一致性比率，CI为一致性指标，计算公式为：
当CR<0.1时，认为判断矩阵具有满足的一致性，否则就需要调整判断矩阵，直至具有满足的一致性为止；
应用公式
判断矩阵为2阶，RI可查表，
应用公式
所以第一层判断矩阵的一致性检验符合要求；
由以上计算，得到第一层判断矩阵的特征根，特征向量与一致性检验的结果
步骤(4.2)：计算第二层判断矩阵的特征根、特征向量与一致性检验
根据以上计算过程，可得到，相对于锂电池的电性能安全的第二层次指标的判断矩阵的结果如下：
根据以上计算过程，可得到，相对于锂电池的环境安全的第二层次指标的判断矩阵的结果如下：
步骤(5)：锂离子电池安全可靠性评价的权重
锂离子电池安全评价的权重，通过以上判断矩阵的层次总排序来表示，如表3所示；
步骤(6)：锂离子电池安全可靠性评价的风险等级和评分
在上述分析的基础上，可以得出锂离子电池安全评价的计算公式，如下：
式中，S：安全评价的总评分；
Ai：第一层指标Si的权重；
Aij：第二层指标Sij的权重；
Rij：第二层指标Sij的评分；
用风险(Risk)的首字母R表示风险等级评价集，进行风险等级的划分，评价集为：R＝{高风险，中风险，低风险，可接受的风险}；以评分制的方式进行评定，则其对应评分为：R＝{0～50，50～70，70～90，90～100}。
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|---|---|---|---|
| CN202010833132.8A CN112036014A (zh) | 2020-08-18 | 2020-08-18 | 一种基于层次分析法的锂离子电池安全可靠性测试方法 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115392134A (zh) * | 2022-09-23 | 2022-11-25 | 四川新能源汽车创新中心有限公司 | 车辆动力电池综合性能评估方法及相关装置 |
| WO2023115988A1 (zh) * | 2021-12-22 | 2023-06-29 | 北京国家新能源汽车技术创新中心有限公司 | 一种动力电池内短路检测方法 |
| CN116452084A (zh) * | 2023-04-03 | 2023-07-18 | 南京工业大学 | 一种锂电池运输风险评估方法 |
| CN116596408A (zh) * | 2023-07-14 | 2023-08-15 | 今创集团股份有限公司 | 一种储能集装箱温控能力评价方法及系统 |
-
2020
- 2020-08-18 CN CN202010833132.8A patent/CN112036014A/zh active Pending
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