CN112793465B - 一种三元锂离子电池系统热失控预警方法及运用 - Google Patents

一种三元锂离子电池系统热失控预警方法及运用 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种三元锂离子电池系统热失控预警方法及运用，方法包括以下步骤：S1、逐秒读取记录总电流、各单体电压监控数，计算连续相邻的采集时间内每串单体电压的变化值；计算规定时间窗口期内总电流倍率的变化值，即总电流倍率最大值与最小值的差值；选取特征参数，包括电压波动幅度；S2、根据每串单体电压的变化值和规定时间窗口期内总电流倍率的变化值，计算单体电压变化值的最大值与总电流倍率变化值的n次方之比，获得电压波动幅度；S3、根据选取的特征参数值与设定报警阈值进行比较，当超过设定报警阈值内时，电池管理系统将预警信息上传至整车控制系统。本方法可对电动车的热失控行为进行准确的预测，提高三元锂电池系统的安全性。

Description

一种三元锂离子电池系统热失控预警方法及运用
技术领域
本发明涉及电池系统热失控的技术领域，尤其涉及一种三元锂离子电池系统热失控预警方法及运用。
背景技术
锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命被广泛应用在电动汽车上，三元锂和磷酸铁锂则是两大主流技术方向。安全问题是妨碍锂离子电池在电动汽车中大规模应用的主要障碍。随着锂离子电池能量密度的不断提高，提高其安全性对电动汽车的发展日益迫切。热失控是电池安全研究中的一个关键问题，特别是三元锂。
锂电池热失控主要是由自我诱导失效或者使用中出现滥用情况导致。锂电池是一种化学电源，不管是机械滥用还是电滥用，最终都会导致电芯出现内短路，内短路后隔膜被刺穿，从而导致电池正、负极间直接接触发生化学反应，从而产生大量可燃性气体，并且内部产生大量的热。而高温作用下的电极材料会发生多种放热反应，热量的持续堆积有可能引发电池火灾。
发明内容
为了解决背景技术中的不足，提高锂电池系统的安全等级，为此，本发明提出了一种三元锂离子电池系统热失控预警方法及运用，具体方案如下：
一种三元锂离子电池系统热失控预警方法，包括以下步骤：
S1、逐秒读取记录总电流、各单体电压监控数，计算连续相邻的采集时间内每串单体电压的变化值；
计算规定时间窗口期内总电流倍率的变化值，即总电流倍率最大值与最小值的差值；
选取特征参数，包括电压波动幅度；
S2、根据每串单体电压的变化值和规定时间窗口期内总电流倍率的变化值，计算单体电压变化值的最大值与总电流倍率变化值的n次方之比，获得电压波动幅度；
S3、根据选取的特征参数值与设定报警阈值进行比较，当超过设定报警阈值内时，电池管理系统将预警信息上传至整车控制系统。
优化的，步骤S1中的选取特征参数还包括电压波动一致性；
步骤S2还包括步骤：根据单体电压变化值的最大值与变化值的平均值的差值，获得单体电压变化值的差值，计算单体电压变化值的差值与总电流倍率变化值的m次方之比，获得电压波动一致性。
优化的，步骤S1中的选取特征参数还包括电压波动熵；
步骤S2还包括步骤：计算电压波动幅度与电压波动一致性的乘积，获得电压波动熵；
步骤S3中，当电压波动熵大于设定阈值，电池管理系统将预警信息上传至整车控制系统。
具体地说，步骤S2中计算电压波动幅度的估计模型为：
Figure GDA0003721511710000021
其中，
Figure GDA0003721511710000022
为第i串在T时刻相对于前一相邻时刻的电压变化值；Curr(T-t,T)为规定时间窗口期t秒内总电流倍率的变化值，n为电压波动幅度修正系数。
具体地说，步骤S2中计算电压波动一致性的估计模型为：
Figure GDA0003721511710000031
其中，△Vdiff(T)为单体电压在T时刻相对于前一相邻时刻的电压变化值的差值，m为电压波动一致性修正系数。
具体地说，步骤S2中计算电压波动熵的估计模型为：
Figure GDA0003721511710000032
其中，k为电压波动熵修正系数，k＝m+n。
具体地说，规定时间窗口期t为5～30秒，且是滚动时间。
具体地说，电压波动幅度修正系数、电压波动一致性修正系数、电压波动熵修正系数分别为0.25、0.25和0.5。
具体地说，电压波动幅度、电压波动一致性和电压波动熵的报警阈值和预警等级设定为：Rvdiff/curr>1.5或者Svdiff>1.0且Rvdiff/curr*Svdiff>1.5。
上述三元锂离子电池系统热失控预警方法的在行驶过程中和充电过程中的运用。
本发明的有益效果在于：本方法基于电压波动幅度和或基于电压波动一致性和或基于电压波动熵，可对电动车的热失控行为进行准确的预测，提高三元锂电池系统的安全性。
附图说明
图1为500辆市场正常运行车辆的RS分布图。
图2为放电过程中出现热失控的RS趋势图。
图3为充电过程中出现热失控的RS趋势图。
具体实施方式
本发明提出一种三元锂离子电池系统热失控预警方法，对市场上搭载三元锂电池包正常运行的整车数据和出现热失控现象的整车数据分别进行分析，包括以下步骤：
S1、逐秒读取记录总电流、各单体电压监控数，逐秒计算连续相邻的采集时间内每串单体电压的变化值；具体地说，当前时刻相对于前一时刻的电压变化绝对值，计算总电流倍率的波动值，即10秒滚动窗口内倍率最大值与最小值的差值；
计算规定时间窗口期内总电流倍率的变化值，即总电流倍率最大值与最小值的差值；具体地说，规定时间窗口期t为5～30秒，且是滚动时间。
选取特征参数，包括电压波动幅度；
S2、根据每串单体电压的变化值和规定时间窗口期内总电流倍率的变化值，计算单体电压变化值的最大值与总电流倍率变化值的n次方之比，获得电压波动幅度；
具体地说，计算电压波动幅度的估计模型为：
Figure GDA0003721511710000041
其中，
Figure GDA0003721511710000042
为第i串在T时刻相对于前一相邻时刻的电压变化值；Curr(T-t,T)为规定时间窗口期t秒内总电流倍率的变化值，n为电压波动幅度修正系数，电压波动幅度修正系数n为0.25。
S3、根据选取的特征参数值与设定报警阈值进行比较，当超过设定报警阈值内时，电池管理系统将预警信息上传至整车控制系统。
在另外的技术方案中，步骤S1中的选取特征参数还包括电压波动一致性；
步骤S2还包括步骤：根据单体电压变化值的最大值与变化值的平均值的差值，获得单体电压变化值的差值，计算单体电压变化值的差值与总电流倍率变化值的m次方之比，获得电压波动一致性。
计算电压波动一致性的估计模型为：
Figure GDA0003721511710000051
其中，△Vdiff(T)为单体电压在T时刻相对于前一相邻时刻的电压变化值的差值，m为电压波动一致性修正系数，电压波动一致性修正系数m为0.25。
在另外的技术方案中，步骤S1中的选取特征参数还包括电压波动熵；
步骤S2还包括步骤：计算电压波动幅度与电压波动一致性的乘积，获得电压波动熵；
步骤S3中，当电压波动熵大于设定阈值，电池管理系统将预警信息上传至整车控制系统。
计算电压波动熵的估计模型为：
Figure GDA0003721511710000052
其中，k为电压波动熵修正系数，k＝m+n，电压波动熵修正系数k为0.5。
电压波动幅度修正系数、电压波动一致性修正系数、电压波动熵修正系数分别为0.25、0.25和0.5。
电压波动幅度、电压波动一致性和电压波动熵的报警阈值和预警等级设定为：Rvdiff/curr>1.5或者Svdiff>1.0且Rvdiff/curr*Svdiff>1.5。
步骤S3具体为：当电压波动幅度指数、电压波动一致性指数和电压波动熵均超过报警阈值时，报二级故障等级。当电压波动熵超过报警阈值，且电压波动幅度指数和电压波动一致性指数中只有一个超过报警阈值时，报一级故障等级。
上述可以单独通过获得电压波动幅度来判断是否将预警信息上传至整车控制系统，还可以通过电压波动一致性来判断，另外还可以由电压波动幅度、电压波动一致性两者组合判断，最优的方案是电压波动幅度、电压波动一致性、电压波动熵三者组合判断。
在包括电压波动熵的技术方案中，基于大量的整车数据，建立了一种半经验半理论的热失控RS模型，可对电动车的热失控行为进行准确的预测，提高三元锂电池系统的安全性。
上述三元锂离子电池系统热失控预警方法的运用，获得图1的500辆正常运行车辆的RS分布图。
对某辆在放电过程中出现热失控的整车数据进行分析，可得图2的单体电压和RS值随时间的变化趋势图；
对某辆在充电过程中出现热失控的整车数据进行分析，可得图3的单体电压和RS值随时间的变化趋势图。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三元锂离子电池系统热失控预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、逐秒读取记录总电流、各单体电压监控数，计算连续相邻的采集时间内每串单体电压的变化值；
计算规定时间窗口期内总电流倍率的变化值，即总电流倍率最大值与最小值的差值；
选取特征参数，包括电压波动幅度；
S2、根据每串单体电压的变化值和规定时间窗口期内总电流倍率的变化值，计算单体电压变化值的最大值与总电流倍率变化值的n次方之比，获得电压波动幅度；
S3、根据选取的特征参数值与设定报警阈值进行比较，当超过设定报警阈值内时，电池管理系统将预警信息上传至整车控制系统；
步骤S1中的选取特征参数还包括电压波动一致性；
步骤S2还包括步骤：根据单体电压变化值的最大值与变化值的平均值的差值，获得单体电压变化值的差值，计算单体电压变化值的差值与总电流倍率变化值的m次方之比，获得电压波动一致性；
步骤S1中的选取特征参数还包括电压波动熵；
步骤S2还包括步骤：计算电压波动幅度与电压波动一致性的乘积，获得电压波动熵；
步骤S3中，当电压波动熵大于设定阈值，电池管理系统将预警信息上传至整车控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种三元锂离子电池系统热失控预警方法，其特征在于，步骤S2中计算电压波动幅度的估计模型为：
Figure FDA0003730894040000021
其中，
Figure FDA0003730894040000022
为第i串在T时刻相对于前一相邻时刻的电压变化值；Curr(T-t,T)为规定时间窗口期t秒内总电流倍率的变化值，n为电压波动幅度修正系数。
3.根据权利要求1所述的一种三元锂离子电池系统热失控预警方法，其特征在于，步骤S2中计算电压波动一致性的估计模型为：
Figure FDA0003730894040000023
其中，△Vdiff(T)为单体电压在T时刻相对于前一相邻时刻的电压变化值的差值，m为电压波动一致性修正系数。
4.根据权利要求1所述的一种三元锂离子电池系统热失控预警方法，其特征在于，步骤S2中计算电压波动熵的估计模型为：
Figure FDA0003730894040000024
其中，k为电压波动熵修正系数，k＝m+n。
5.根据权利要求1所述的一种三元锂离子电池系统热失控预警方法，其特征在于，规定时间窗口期t为5～30秒，且是滚动时间。
6.根据权利要求4所述的一种三元锂离子电池系统热失控预警方法，其特征在于，电压波动幅度修正系数、电压波动一致性修正系数、电压波动熵修正系数分别为0.25、0.25和0.5。
7.根据权利要求4所述的一种三元锂离子电池系统热失控预警方法，其特征在于，电压波动幅度、电压波动一致性和电压波动熵的报警阈值和预警等级设定为：Rvdiff/curr>1.5或者Svdiff>1.0，且Rvdiff/curr*Svdiff>1.5。
8.权利要求1-7任意一项所述的三元锂离子电池系统热失控预警方法的在行驶过程中和充电过程中的运用。
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