CN112952228A - 一种用于新能源轨道机车的电池在线预警装置及方法 - Google Patents

一种用于新能源轨道机车的电池在线预警装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112952228A
CN112952228A CN202110523315.4A CN202110523315A CN112952228A CN 112952228 A CN112952228 A CN 112952228A CN 202110523315 A CN202110523315 A CN 202110523315A CN 112952228 A CN112952228 A CN 112952228A
Authority
CN
China
Prior art keywords
battery
early warning
formula
temperature
thermal runaway
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110523315.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112952228B (zh
Inventor
周显威
王德顺
樊森
杨波
吴福保
戴正洲
王开毅
耿瑶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
State Grid Jiangsu Comprehensive Energy Service Co ltd
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Original Assignee
State Grid Jiangsu Comprehensive Energy Service Co ltd
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by State Grid Jiangsu Comprehensive Energy Service Co ltd, China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI filed Critical State Grid Jiangsu Comprehensive Energy Service Co ltd
Priority to CN202110523315.4A priority Critical patent/CN112952228B/zh
Publication of CN112952228A publication Critical patent/CN112952228A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112952228B publication Critical patent/CN112952228B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C3/00—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places
    • A62C3/07—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places in vehicles, e.g. in road vehicles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C3/00—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places
    • A62C3/16—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places in electrical installations, e.g. cableways
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C37/00—Control of fire-fighting equipment
    • A62C37/36—Control of fire-fighting equipment an actuating signal being generated by a sensor separate from an outlet device
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/385—Arrangements for measuring battery or accumulator variables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/389—Measuring internal impedance, internal conductance or related variables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4285—Testing apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

本发明提供了一种用于新能源轨道机车的电池在线预警系统，方法包括如下步骤：Step1：采集预警信息；Step2：判断电池是否处于短路状态，如果电池处于短路状态，判断热失控风险预警等级为一级，直接进入step6，否则，进入step3；Step3：判断热失控风险是由外部气体引起还是电池自身因素引起，判定外部气体引起，进入step4，判定自身因素引起，进入step5；Step4：基于温度阈值，判断热失控风险预警等级;Step5：通过分级预警公式组，判断热失控风险预警等级；Step6：进行预警和灭火操作。本发明还提供了一种可以实现上述方法的装置。本发明客观分级评价电池状态，及时准确。

Description

一种用于新能源轨道机车的电池在线预警装置及方法
技术领域
本发明涉及新能源电池领域，具体涉及一种用于新能源轨道机车的电池在线预警装置及方法。
背景技术
在我国，铁路运输业是国民经济的基础产业，在交通运输体系中居骨干地位，对国民经济发展起着强有力的支持作用。以钢铁、矿山、石化、港口等典型行业为例，企业内货运轨道机车是工业化生产运输作业的重要组成部分。
在货运轨道机车领域，主要分为电力机车与内燃机动力机车。1）常规电力机车，采用接触网取电技术路线，适应于长距离固定线路货运。但在工况企业领域特别是钢铁企业等管路、桥架较多，固定线路上架设电力线路及取电装置施工困难，且生产需求线路变更等因素不利于传统接触取电的电力机车应用。2）内燃机动力机车，不需要建设供电网络，因此工况企业货运机车几乎全部采用内燃机动力机车方案，但燃料费用、运行维护成本高，环保问题尤为突出。3）混合动力轨道机车，中车资阳厂立项研发混动机车，将传统内燃机与电池系统结合，通过提高小功率内燃机发电功率能效提高从而实现节能，但由于内燃机依然存在环保及排放问题，且维护工作量增加。国内钢铁、矿山、石化、港口等大型工矿企业因内燃机车无需在铁路沿线架设接触网，不受环境、天气、供电影响，广泛采用内燃机车用于内部铁路运输。全国工矿企业内部的内燃机车保有量约0.8万台。但是内燃机车存在污染排放高、运行成本大、机车性能差等诸多缺点。
随着电池技术的发展，基于储能电池实现的全线路无供电新能源轨道机车的方案相比于传统的内燃机动力机车方案更适合与工矿企业。新能源轨道机车的动力完全由电池储能提供有利于促进电能替代产业发展，提升全社会电气化率，实现工矿企业机车运行全过程“零污染”，助力国家实现“碳达峰、碳中和”目标，具有巨大的社会和经济效益。
但由于电池的自身特性以及充电及使用期间存在不稳定性，因此电池模组可能会存在一些安全隐患，从而引发自燃事件。通过对锂离子材料改性、降低电解液的可燃性等降低热失控风险理论上可以提高电池稳定性与可靠性，但并不能完全避免。所以，亟需研究一种用于新能源轨道机车的电池在线预警系统来对电池安全进行预警，实现提前防控。
现有的电池预警系统主要通过在储能系统中放置烟雾气体传感器、温度传感器等实时监测系统环境信息，并上传至灭火系统控制器，一旦探测到火警信息，发出声光报警信号，提醒工作人员；同时，灭火控制器会联动储能系统电池管理系统关闭影响灭火效果的设备（如空调、风扇）；自动启动气体灭火装置，喷射七氟丙烷气体灭火剂，从而抑制电池热失控蔓延。
传统的电池在线预警系统主要有两个缺点：其一，系统采集的是电池工作的环境信息，当传感器检测到电池热失控产生的气体浓度及温度变化，灭火系统立刻动作，但是，此时电池热失控已无法避免，电池已损坏严重。其二，目前的预警系统中的传感器布置在电池仓室内靠近电池单元，从而实时监测电池因热失控释放出类的CO、H2等气体，但是，该方案忽略了由于室外烟雾扩散至电池仓室内引起预警系统误报警的情况。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述预警不够及时、不够准确的问题，提供一种用于新能源轨道机车的电池在线预警系统，通过综合研判电池短路状态和热失控风险引发等因素，综合考虑电池电芯温度、电池仓室内温度、电池仓室内气体浓度、车体外部车身气体浓度、电池电芯内短路特征值等因素，客观评价电池状态，提高电池预警及时性和精确度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于新能源轨道机车的电池在线预警系统，包括如下步骤：
Step1：采集预警信息，预警信息包括电池电芯温度、电池仓室内温度、电池仓室内气体浓度、车体外部车身气体浓度、电池电芯内短路特征值；
Step2：基于电池电芯内短路特征值，通过偏差组合公式判断电池是否处于短路状态，如果电池处于短路状态，判断热失控风险预警等级为一级，直接进入step6，否则，进入step3；
Step3：基于电池电芯温度、电池仓室内气体浓度和车体外部车身气体浓度判断热失控风险是由外部气体引起还是电池自身因素引起，当热失控风险由外部气体引起，则进入step4，当热失控风险是由电池自身因素引起，则进入step5；
Step4：基于温度阈值，判断热失控风险预警等级;
Step5：基于电池电芯温度和电池仓室内温度的上升幅度，以及电池仓室内气体浓度和车体外部车身气体浓度，通过分级预警公式组，进一步判断热失控风险预警等级；
Step6：基于热失控风险预警等级，进行预警灯的预警，并启动消防灭火系统。
进一步的，Step2中偏差组合公式为：
Figure 757772DEST_PATH_IMAGE001
式中，V表示电池电芯电压值，V0表示单体电芯电压标准值，△V0表示电池电芯电压偏离标准值，为常数，δ为电压偏差因子，为常数，SCO表示电池电芯容量，SCO0表示电池电芯标准容量，△SCO0表示电池电芯容量偏离标准值，为常数，μ为电池电芯容量偏差因子，为常数，tc表示电池电芯温度，ta表示电池电芯平均温度，tmax电池电芯未短路状态下标准温度的上限值，tmin电池电芯未短路状态下标准温度的下限值, ε为电池温度偏差因子，为常数。
进一步的，Step3中气体浓度的热失控风险依据如下公式：
Figure 962489DEST_PATH_IMAGE002
式中，tc表示电池电芯温度，t1表示四级温度阈值，为常数，nCO内是电池仓室内的一氧化碳浓度，n1表示一氧化碳浓度第一阈值，为常数，nH2内是电池仓室内的氢气浓度，n2表示氢气浓度第一阈值，nvoc内是电池仓室内的烟雾气体浓度，n0表示烟雾气体浓度第一阈值，nvoc外是车体外部车身的烟雾气体浓度；
①当公式（2.1）与公式（2.5）同时满足时，并且满足公式（2.2）、公式（2.3）、公式（2.4）中任一公式时，则判断热失控风险是由电池自身因素引起的，
②当满足公式（2.2），公式（2.3），公式（2.4）中的任一公式时，不同时满足公式（2.1）和公式（2.5），判断判断热失控风险是由外部气体引起；
③当公式（2.1）和公式（2.5）同时满足时，但是不能满足公式（2.2）、公式（2.3）、公式（2.4）中任一公式时，判断判断热失控风险是由外部气体引起。
进一步的，Step4中：①当t1≤tc＜t2时，热失控风险预警等级为四级；
②当t2≤tc＜t3时，热失控风险预警等级为三级；
③当t3≤tc≤t4时，热失控风险预警等级为二级；
④当tc＞t4时，热失控风险预警等级为一级；
其中，tc表示电池电芯温度，t1表示四级温度阈值，t2表示三级温度阈值，t3表示二级温度阈值，t4表示一级温度阈值。
进一步的，Step5中分级预警公式组包括：
①三级预警公式组为：
Figure 364651DEST_PATH_IMAGE003
其中，tc表示电池电芯温度，t1表示四级温度阈值，t2表示三级温度阈值，t3表示二级温度阈值，te表示电池仓室内温度，t11表示电池仓室内第一温度阈值，tt2表示t2时刻，tt1表示t1时刻，tc2表示t2时刻下电池电芯的温度，tc1表示t1时刻下电池电芯的温度，α1表示温度上升率第一阈值，α2表示温度上升率第二阈值，nvoc内是电池仓室内的烟雾气体浓度，β1表示烟雾气体浓度第一阈值，nco内是电池仓室内的一氧化碳浓度，n1表示一氧化碳浓度第一阈值，为常数，nH2内是电池仓室内的氢气浓度，n2表示氢气浓度第一阈值，为常数，
当公式（3.1）、公式（3.2）、公式（3.3）和公式（3.4）任一公式满足，并且公式（3.5）、公式（3.6）和公式（3.7）中任一公式满足时，热失控风险预警等级为三级；
②二级预警公式组为：
Figure 236792DEST_PATH_IMAGE004
其中，α3表示温度上升率第三阈值，α4表示温度上升率第四阈值，n3表示一氧化碳浓度第二阈值，为常数，n4表示氢气浓度第二阈值，为常数，β2表示烟雾气体浓度第二阈值，
当公式（4.1）、公式（4.2）、公式（4.3）和公式（4.4）中任一公式满足，并且公式（4.5）、公式（4.6）和公式（4.7）中任一公式满足时，热失控风险预警等级为二级；
③一级预警公式组为：
Figure 433418DEST_PATH_IMAGE005
其中，α5表示温度上升率第五阈值，α6表示温度上升率第六阈值，n5表示一氧化碳浓度第三阈值，为常数，n6表示氢气浓度第三阈值，为常数，β3表示烟雾气体浓度第三阈值，
当公式（5.1）、公式（5.2）、公式（5.3）和公式（5.4）中任一公式满足，并且公式（5.5）、公式（5.6）和公式（5.7）中任一公式满足时，热失控风险预警等级为一级；
④当分级预警公式组中①、②和③均不满足时，热失控风险预警等级为四级。
进一步的，Step6包括：
①热失控风险预警等级为一级时，一级预警灯启动，一级预警声开启，打开消防灭火系统；
②热失控风险预警等级为二级时，二级预警灯启动，二级预警声开启；
③热失控风险预警等级为三级时，三级预警灯启动，三级预警声开启；
④热失控风险预警等级为四级时，四级预警灯启动。
本发明还提供一种用于新能源轨道机车的电池在线预警方法的装置，包括温度采集系统、烟雾气体采集系统、电池电芯内短路特征阻值识别系统、消防灭火系统、警报系统和基于DSP的控制系统，
所述温度采集系统包括电池电芯温度识别单元和电池仓室内温度识别单元，所述温度采集系统采集的温度信息通过CAN总线协议传输至控制系统；
所述烟雾气体采集系统包括电池仓室内气体浓度采集单元和车体外部车身气体浓度采集单元，所述烟雾气体采集系统采集的气体浓度监测信息通过CAN总线协议传输至控制系统；
所述电池电芯内短路特征阻值识别系统负责监测单体电池的短路特征，通过CAN总线协议传输至控制系统；
所述警报系统包括声、光报警信号；
所述控制系统基于CAN总线架构，读取电池电芯温度、电池仓室内温度、电池仓室内气体浓度、车体外部车身气体浓度、电池电芯内短路特征阻值，通过设计分级预警策略，判定电池热失控风险，并及时调动消防灭火系统，进而实现电池在线预警功能。
优选的，所述消防灭火系统包括七氟丙烷气体消防灭火系统和水喷雾消防灭火系统，所述七氟丙烷气体消防灭火系统设置电池仓内侧，所述水喷雾消防灭火系统的喷头垂直于电池朝下设置。
优选的，所述温度采集系统包括温度传感器，所述温度传感器和铝壳电芯一起固定在钢条上，利用金属的导热效应测量电池电芯温度，所述温度传感器垂直设置于电池上方靠内一侧。
优选的，所述电池仓室内气体浓度采集单元包括第一气体传感器，所述车体外部车身气体浓度采集单元包括第二气体传感器，所述第一气体传感器在电池舱室内垂直于电池方向设置，并悬挂在车顶内壁；所述第二气体传感器悬挂设置在车窗附近。
本发明的有益效果：
本发明的目的是针对现有技术存在的上述预警不够及时、不够准确的问题，提供一种用于新能源轨道机车的电池在线预警系统，通过综合研判电池短路状态和热失控风险引发等因素，综合考虑电池电芯温度、电池仓室内温度、电池仓室内气体浓度、车体外部车身气体浓度、电池电芯内短路特征值等因素，客观评价电池状态，提高电池预警及时性和精确度。
（1）电池在线预警系统通过分析电芯温度变化趋势及电芯内短路特征阻值数据，解决了传统仅测量外部环境温度不准确的缺陷，提高预警系统的及时性；
（2）电池在线预警系统通过对比室内外的气体浓度变化趋势，判断采集的高浓度气体是否是由于电池热失控产生的，解决了外部环境气体引起的检测误差，提高预警系统的可靠性；
（3）系统化实现电池热失控风险的分级预警，客观实用；
（4）提出了偏差组合公式，综合考虑池电芯电压偏差情况、电池电芯容量偏差和电池电芯温升偏差情况，用于判断电池是否处于短路状态，更加全面；
（5）基于电池电芯温度、电池仓室内气体浓度和车体外部车身气体浓度判断热失控风险是由外部气体引起还是电池自身因素引起；
（6）提出分级预警公式组，通过电池电芯温度和电池仓室内温度的上升幅度，以及电池仓室内气体浓度和车体外部车身气体浓度，分级判断热失控风险预警等级，针对性强。
具体实施方式
下面结合具体实施方法对本发明一种用于新能源轨道机车的电池在线预警系统作进一步详细说明。
实施例1
一种用于新能源轨道机车的电池在线预警系统，包括如下步骤：
Step1：采集预警信息，预警信息包括电池电芯温度、电池仓室内温度、电池仓室内气体浓度、车体外部车身气体浓度、电池电芯内短路特征值；
Step2：基于电池电芯内短路特征值，通过偏差组合公式判断电池是否处于短路状态，如果电池处于短路状态，判断热失控风险预警等级为一级，直接进入step6，否则，进入step3；
Step3：基于电池电芯温度、电池仓室内气体浓度和车体外部车身气体浓度判断热失控风险是由外部气体引起还是电池自身因素引起，当热失控风险由外部气体引起，则进入step4，当热失控风险是由电池自身因素引起，则进入step5；
Step4：基于温度阈值，判断热失控风险预警等级;
Step5：基于电池电芯温度和电池仓室内温度的上升幅度，以及电池仓室内气体浓度和车体外部车身气体浓度，通过分级预警公式组，进一步判断热失控风险预警等级；
Step6：基于热失控风险预警等级，进行预警灯的预警，并启动消防灭火系统。
进一步的，Step2中偏差组合公式为：
Figure 125431DEST_PATH_IMAGE006
式中，V表示电池电芯电压值，V0表示单体电芯电压标准值，△V0表示电池电芯电压偏离标准值，为常数，δ为电压偏差因子，为常数，SCO表示电池电芯容量，SCO0表示电池电芯标准容量，△SCO0表示电池电芯容量偏离标准值，为常数，μ为电池电芯容量偏差因子，为常数，tc表示电池电芯温度，ta表示电池电芯平均温度，tmax电池电芯未短路状态下标准温度的上限值，tmin电池电芯未短路状态下标准温度的下限值, ε为电池温度偏差因子，为常数。
其中，△V0取0.1，δ取0.95-1.07，△SCO0取10%，μ取0.98-1.12，ε取10，ta取25。
进一步的，Step3中气体浓度的热失控风险依据如下公式：
Figure 938142DEST_PATH_IMAGE007
式中，tc表示电池电芯温度，t1表示四级温度阈值，为常数，nCO内是电池仓室内的一氧化碳浓度，n1表示一氧化碳浓度第一阈值，为常数，nH2内是电池仓室内的氢气浓度，n2表示氢气浓度第一阈值，nvoc内是电池仓室内的烟雾气体浓度，n0表示烟雾气体浓度第一阈值，nvoc外是车体外部车身的烟雾气体浓度；
其中，t1取50℃，n1取190ppm，n2取190ppm，n0取1.5，
n1和n2的阈值取值参照ESS-0045-650kWh储能消防系统参数。
①当公式（2.1）与公式（2.5）同时满足时，并且满足公式（2.2）、公式（2.3）、公式（2.4）中任一公式时，则判断热失控风险是由电池自身因素引起的，
②当满足公式（2.2），公式（2.3），公式（2.4）中的任一公式时，不同时满足公式（2.1）和公式（2.5），判断判断热失控风险是由外部气体引起；
③当公式（2.1）和公式（2.5）同时满足时，但是不能满足公式（2.2）、公式（2.3）、公式（2.4）中任一公式时，判断判断热失控风险是由外部气体引起。
进一步的，Step4中：①当t1≤tc＜t2时，热失控风险预警等级为四级；
②当t2≤tc＜t3时，热失控风险预警等级为三级；
③当t3≤tc≤t4时，热失控风险预警等级为二级；
④当tc＞t4时，热失控风险预警等级为一级；
其中，tc表示电池电芯温度，t1表示四级温度阈值，t2表示三级温度阈值，t3表示二级温度阈值，t4表示一级温度阈值。
其中，t2取60℃，t3取70℃，t4取80℃。
进一步的，Step5中分级预警公式组包括：
①三级预警公式组为：
Figure 664789DEST_PATH_IMAGE008
其中，tc表示电池电芯温度，t1表示四级温度阈值，t2表示三级温度阈值，t3表示二级温度阈值，te表示电池仓室内温度，t11表示电池仓室内第一温度阈值，tt2表示t2时刻，tt1表示t1时刻，tc2表示t2时刻下电池电芯的温度，tc1表示t1时刻下电池电芯的温度，α1表示温度上升率第一阈值，α2表示温度上升率第二阈值，nvoc内是电池仓室内的烟雾气体浓度，β1表示烟雾气体浓度第一阈值，nco内是电池仓室内的一氧化碳浓度，n1表示一氧化碳浓度第一阈值，为常数，nH2内是电池仓室内的氢气浓度，n2表示氢气浓度第一阈值，为常数，
其中，t11取40℃，α1取5℃/S，α2取3℃/S，β1取1.5。
当公式（3.1）、公式（3.2）、公式（3.3）和公式（3.4）任一公式满足，并且公式（3.5）、公式（3.6）和公式（3.7）中任一公式满足时，热失控风险预警等级为三级；
②二级预警公式组为：
Figure 297896DEST_PATH_IMAGE009
其中，α3表示温度上升率第三阈值，α4表示温度上升率第四阈值，n3表示一氧化碳浓度第二阈值，为常数，n4表示氢气浓度第二阈值，为常数，β2表示烟雾气体浓度第二阈值，
其中，α3取4℃/S，α4取2℃/S，β2取1.8；
当公式（4.1）、公式（4.2）、公式（4.3）和公式（4.4）中任一公式满足，并且公式（4.5）、公式（4.6）和公式（4.7）中任一公式满足时，热失控风险预警等级为二级；
③一级预警公式组为：
Figure 742784DEST_PATH_IMAGE010
其中，α5表示温度上升率第五阈值，α6表示温度上升率第六阈值，n5表示一氧化碳浓度第三阈值，为常数，n6表示氢气浓度第三阈值，为常数，β3表示烟雾气体浓度第三阈值，
其中，α5取3℃/S，α6取1℃/S，β3取2.0；
当公式（5.1）、公式（5.2）、公式（5.3）和公式（5.4）中任一公式满足，并且公式（5.5）、公式（5.6）和公式（5.7）中任一公式满足时，热失控风险预警等级为一级；
④当分级预警公式组中①、②和③均不满足时，热失控风险预警等级为四级。
进一步的，Step6包括：
①热失控风险预警等级为一级时，一级预警灯启动，一级预警声开启，打开消防灭火系统；
②热失控风险预警等级为二级时，二级预警灯启动，二级预警声开启；
③热失控风险预警等级为三级时，三级预警灯启动，三级预警声开启；
④热失控风险预警等级为四级时，四级预警灯启动。
实施例2
本发明还提供一种用于新能源轨道机车的电池在线预警方法的装置，包括温度采集系统、烟雾气体采集系统、电池电芯内短路特征阻值识别系统、消防灭火系统、警报系统和基于DSP的控制系统，
所述温度采集系统包括电池电芯温度识别单元和电池仓室内温度识别单元，所述温度采集系统采集的温度信息通过CAN总线协议传输至控制系统；所述温度采集系统包括温度传感器，温度传感器有2组，选用T100贴片式温度传感器和PT100温度传感器，温度传感器和铝壳电芯一起固定在钢条上垂直设置于电池上方靠内一侧，利用金属的导热效应测量电池电芯温度。所述温度采集系统还包括第一ARM控制系统，所述第一ARM控制系统通过测量模块电阻值，转换为温度值，最后将采集到的数据通过CAN总线传输给控制系统。
所述烟雾气体采集系统包括电池仓室内气体浓度采集单元和车体外部车身气体浓度采集单元，所述烟雾气体采集系统采集的气体浓度监测信息通过CAN总线协议传输至控制系统；
优选的，所述电池仓室内气体浓度采集单元包括第一气体传感器，所述车体外部车身气体浓度采集单元包括第二气体传感器，所述第一气体传感器在电池舱室内垂直于电池方向设置，并悬挂在车顶内壁；所述第二气体传感器悬挂设置在车窗附近。所述第一气体传感器选用MQ-8氢气传感器、MQ-9一氧化碳传感器和MQ-2烟雾传感器，所述第二气体传感器也选用MQ-8氢气传感器、MQ-9一氧化碳传感器和MQ-2烟雾传感器。所述烟雾气体采集系统还包括多个第二ARM控制系统，所述第二ARM控制系统分别测量各气体传感器的模拟量输出，转换成对应气体浓度通过CAN总线传输给控制系统。
所述电池电芯内短路特征阻值识别系统负责监测单体电池的短路特征，通过CAN总线协议传输至控制系统。所述电池电芯内短路特征阻值识别系统包括第三ARM控制系统和BMS系统。第三ARM控制系统通过CAN总线和BMS系统进行通讯，获取电池电芯数据，并结合温度采集系统中的第一ARM控制系统传输过来的电芯温度识别电芯是否短路。
所述警报系统包括ARM控制系统、一级预警灯、二级预警灯、三级预警灯、四级预警灯和声音警报器，控制系统处理根据采集到的数据计算预警级别，并打开相应的声光模组。
所述控制系统基于CAN总线架构，读取电池电芯温度、电池仓室内温度、电池仓室内气体浓度、车体外部车身气体浓度、电池电芯内短路特征阻值，通过设计分级预警策略，判定电池热失控风险，并及时调动消防灭火系统，进而实现电池在线预警功能。
优选的，所述消防灭火系统包括七氟丙烷气体消防灭火系统和水喷雾消防灭火系统，所述七氟丙烷气体消防灭火系统设置电池仓内侧，所述水喷雾消防灭火系统的喷头垂直于电池朝下设置。ARM控制系统处理根据采集到的数据计算预警级别，并打开相应的消防装置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于新能源轨道机车的电池在线预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
Step1：采集预警信息，预警信息包括电池电芯温度、电池仓室内温度、电池仓室内气体浓度、车体外部车身气体浓度、电池电芯内短路特征值；
Step2：基于电池电芯内短路特征值，通过偏差组合公式判断电池是否处于短路状态，如果电池处于短路状态，判断热失控风险预警等级为一级，直接进入step6，否则，进入step3；
Step3：基于电池电芯温度、电池仓室内气体浓度和车体外部车身气体浓度判断热失控风险是由外部气体引起还是电池自身因素引起，当热失控风险由外部气体引起，则进入step4，当热失控风险是由电池自身因素引起，则进入step5；
Step4：基于温度阈值，判断热失控风险预警等级;
Step5：基于电池电芯温度和电池仓室内温度的上升幅度，以及电池仓室内气体浓度和车体外部车身气体浓度，通过分级预警公式组，进一步判断热失控风险预警等级；
Step6：基于热失控风险预警等级，进行预警灯的预警，并启动消防灭火系统。
2.根据权利要求1所述的一种用于新能源轨道机车的电池在线预警方法，其特征在于，Step2中偏差组合公式为：
Figure 427822DEST_PATH_IMAGE001
式中，V表示电池电芯电压值，V0表示单体电芯电压标准值，△V0表示电池电芯电压偏离标准值，为常数，δ为电压偏差因子，为常数，SCO表示电池电芯容量，SCO0表示电池电芯标准容量，△SCO0表示电池电芯容量偏离标准值，为常数，μ为电池电芯容量偏差因子，为常数，tc表示电池电芯温度，ta表示电池电芯平均温度，tmax电池电芯未短路状态下标准温度的上限值，tmin电池电芯未短路状态下标准温度的下限值, ε为电池温度偏差因子，为常数。
3.根据权利要求1所述的一种用于新能源轨道机车的电池在线预警方法，其特征在于，Step3中气体浓度的热失控风险依据如下公式：
Figure 407280DEST_PATH_IMAGE002
式中，tc表示电池电芯温度，t1表示四级温度阈值，为常数，nCO内是电池仓室内的一氧化碳浓度，n1表示一氧化碳浓度第一阈值，为常数，nH2内是电池仓室内的氢气浓度，n2表示氢气浓度第一阈值，nvoc内是电池仓室内的烟雾气体浓度，n0表示烟雾气体浓度第一阈值，nvoc外是车体外部车身的烟雾气体浓度；
①当公式（2.1）与公式（2.5）同时满足时，并且满足公式（2.2）、公式（2.3）、公式（2.4）中任一公式时，则判断热失控风险是由电池自身因素引起的，
②当满足公式（2.2），公式（2.3），公式（2.4）中的任一公式时，不同时满足公式（2.1）和公式（2.5），判断判断热失控风险是由外部气体引起；
③当公式（2.1）和公式（2.5）同时满足时，但是不能满足公式（2.2）、公式（2.3）、公式（2.4）中任一公式时，判断判断热失控风险是由外部气体引起。
4.根据权利要求1所述的一种用于新能源轨道机车的电池在线预警方法，其特征在于，Step4中：①当t1≤tc＜t2时，热失控风险预警等级为四级；
②当t2≤tc＜t3时，热失控风险预警等级为三级；
③当t3≤tc≤t4时，热失控风险预警等级为二级；
④当tc＞t4时，热失控风险预警等级为一级；
其中，tc表示电池电芯温度，t1表示四级温度阈值，t2表示三级温度阈值，t3表示二级温度阈值，t4表示一级温度阈值。
5.根据权利要求1所述的一种用于新能源轨道机车的电池在线预警方法，其特征在于，Step5中分级预警公式组包括：
①三级预警公式组为：
Figure 66DEST_PATH_IMAGE003
其中，tc表示电池电芯温度，t1表示四级温度阈值，t2表示三级温度阈值，t3表示二级温度阈值，te表示电池仓室内温度，t11表示电池仓室内第一温度阈值，tt2表示t2时刻，tt1表示t1时刻，tc2表示t2时刻下电池电芯的温度，tc1表示t1时刻下电池电芯的温度，α1表示温度上升率第一阈值，α2表示温度上升率第二阈值，nvoc内是电池仓室内的烟雾气体浓度，β1表示烟雾气体浓度第一阈值，nco内是电池仓室内的一氧化碳浓度，n1表示一氧化碳浓度第一阈值，为常数，nH2内是电池仓室内的氢气浓度，n2表示氢气浓度第一阈值，为常数，
当公式（3.1）、公式（3.2）、公式（3.3）和公式（3.4）任一公式满足，并且公式（3.5）、公式（3.6）和公式（3.7）中任一公式满足时，热失控风险预警等级为三级；
②二级预警公式组为：
Figure 457592DEST_PATH_IMAGE004
其中，α3表示温度上升率第三阈值，α4表示温度上升率第四阈值，n3表示一氧化碳浓度第二阈值，为常数，n4表示氢气浓度第二阈值，为常数，β2表示烟雾气体浓度第二阈值，
当公式（4.1）、公式（4.2）、公式（4.3）和公式（4.4）中任一公式满足，并且公式（4.5）、公式（4.6）和公式（4.7）中任一公式满足时，热失控风险预警等级为二级；
③一级预警公式组为：
Figure 85014DEST_PATH_IMAGE005
其中，α5表示温度上升率第五阈值，α6表示温度上升率第六阈值，n5表示一氧化碳浓度第三阈值，为常数，n6表示氢气浓度第三阈值，为常数，β3表示烟雾气体浓度第三阈值，
当公式（5.1）、公式（5.2）、公式（5.3）和公式（5.4）中任一公式满足，并且公式（5.5）、公式（5.6）和公式（5.7）中任一公式满足时，热失控风险预警等级为一级；
④当分级预警公式组中①、②和③均不满足时，热失控风险预警等级为四级。
6.根据权利要求1所述的一种用于新能源轨道机车的电池在线预警方法，其特征在于，Step6包括：
①热失控风险预警等级为一级时，一级预警灯启动，一级预警声开启，打开消防灭火系统；
②热失控风险预警等级为二级时，二级预警灯启动，二级预警声开启；
③热失控风险预警等级为三级时，三级预警灯启动，三级预警声开启；
④热失控风险预警等级为四级时，四级预警灯启动。
7.实现权利要求1所述的一种用于新能源轨道机车的电池在线预警方法的装置，其特征在于，包括温度采集系统、烟雾气体采集系统、电池电芯内短路特征阻值识别系统、消防灭火系统、警报系统和控制系统，所述温度采集系统、所述烟雾气体采集系统和所述电池电芯内短路特征阻值识别系统的输出端与所述控制系统的输入端相连，所述控制系统的输出端与所述消防灭火系统和所述警报系统相连。
8.根据权利要求7所述的一种实现新能源轨道机车的电池在线预警方法的装置，其特征在于，所述温度采集系统包括电池电芯温度识别单元和电池仓室内温度识别单元，所述温度采集系统采集的温度信息通过CAN总线协议传输至控制系统；
所述烟雾气体采集系统包括电池仓室内气体浓度采集单元和车体外部车身气体浓度采集单元，所述烟雾气体采集系统采集的气体浓度监测信息通过CAN总线协议传输至控制系统；
所述电池电芯内短路特征阻值识别系统负责监测单体电池的短路特征，通过CAN总线协议传输至控制系统；
所述警报系统包括声、光报警信号；
所述控制系统基于CAN总线架构，读取电池电芯温度、电池仓室内温度、电池仓室内气体浓度、车体外部车身气体浓度、电池电芯内短路特征阻值，通过设计分级预警策略，判定电池热失控风险，并及时调动消防灭火系统，进而实现电池在线预警功能。
9.根据权利要求7所述的一种实现新能源轨道机车的电池在线预警方法的装置，其特征在于，所述温度采集系统包括温度传感器，所述温度传感器和铝壳电芯一起固定在钢条上，利用金属的导热效应测量电池电芯温度，所述温度传感器垂直设置于电池上方靠内一侧；
所述消防灭火系统包括七氟丙烷气体消防灭火系统和水喷雾消防灭火系统，所述七氟丙烷气体消防灭火系统设置电池仓内侧，所述水喷雾消防灭火系统的喷头垂直于电池朝下设置。
10.根据权利要求7所述的一种实现新能源轨道机车的电池在线预警方法的装置，其特征在于，所述电池仓室内气体浓度采集单元包括第一气体传感器，所述车体外部车身气体浓度采集单元包括第二气体传感器，所述第一气体传感器在电池舱室内垂直于电池方向设置，并悬挂在车顶内壁；所述第二气体传感器悬挂设置在车窗附近。
CN202110523315.4A 2021-05-13 2021-05-13 一种用于新能源轨道机车的电池在线预警装置及方法 Active CN112952228B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110523315.4A CN112952228B (zh) 2021-05-13 2021-05-13 一种用于新能源轨道机车的电池在线预警装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110523315.4A CN112952228B (zh) 2021-05-13 2021-05-13 一种用于新能源轨道机车的电池在线预警装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112952228A true CN112952228A (zh) 2021-06-11
CN112952228B CN112952228B (zh) 2021-07-20

Family

ID=76233828

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110523315.4A Active CN112952228B (zh) 2021-05-13 2021-05-13 一种用于新能源轨道机车的电池在线预警装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112952228B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022033348A1 (zh) * 2020-08-10 2022-02-17 中兴通讯股份有限公司 车辆热失控处理方法、装置、车辆和计算机可读存储介质
WO2024083069A1 (zh) * 2022-10-21 2024-04-25 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池包、用电装置、电池包的检测方法和计算机存储介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106600885A (zh) * 2017-01-19 2017-04-26 智能（厦门）传感器有限公司 一种新能源汽车锂电池动力安全监测预警系统及预警方法
CN109786868A (zh) * 2018-12-13 2019-05-21 北京理工大学 一种电动船舶电池系统热失控的处理方法、系统及装置
US20200313152A1 (en) * 2018-05-11 2020-10-01 The Regents Of The University Of Michigan Detection of an Internal Short Circuit in a Battery

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106600885A (zh) * 2017-01-19 2017-04-26 智能（厦门）传感器有限公司 一种新能源汽车锂电池动力安全监测预警系统及预警方法
US20200313152A1 (en) * 2018-05-11 2020-10-01 The Regents Of The University Of Michigan Detection of an Internal Short Circuit in a Battery
CN109786868A (zh) * 2018-12-13 2019-05-21 北京理工大学 一种电动船舶电池系统热失控的处理方法、系统及装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022033348A1 (zh) * 2020-08-10 2022-02-17 中兴通讯股份有限公司 车辆热失控处理方法、装置、车辆和计算机可读存储介质
WO2024083069A1 (zh) * 2022-10-21 2024-04-25 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池包、用电装置、电池包的检测方法和计算机存储介质

Also Published As

Publication number Publication date
CN112952228B (zh) 2021-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112952228B (zh) 一种用于新能源轨道机车的电池在线预警装置及方法
CN107611513B (zh) 一种用于监测电动汽车锂离子电池热失控的方法
CN107600112B (zh) 半自动闭塞铁路钢轨断轨监测系统及方法
CN112863116B (zh) 一种用于火电厂制粉系统爆燃智能诊断及其报警展示方法
CN108357361A (zh) 一种电动汽车动力电池安全监控装置及方法
CN210129012U (zh) 一种基于气体监测的开关柜局部放电监测预警装置
CN105762432A (zh) 一种电池模组爆喷状态的检测方法和装置
CN112324485A (zh) 一种基于大数据的隧道通风管理一体化智能系统
CN114913660B (zh) 预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置
CN204703959U (zh) 多参数气体测定器
CN117518018B (zh) 一种储能电源故障检测预警系统
CN214707179U (zh) 一种海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统
CN114172229A (zh) 一种新能源汽车的电池智能管理系统
CN207366682U (zh) 一种弓网受流检测装置
CN210786075U (zh) 一种基于bms采用信息的电池储能精准消防系统
CN202471869U (zh) 接触网避雷器性能在线监测系统
CN103592418B (zh) 矿井气体爆炸三角形及火灾危险性识别在线测定仪
CN204788503U (zh) 一种加油站排气管油气排放测试装置
CN208931335U (zh) 一种电动轨道车智能控制系统
CN203606340U (zh) 矿井气体爆炸三角形及火灾危险性识别在线测定仪
CN111894674A (zh) 一种煤矿环境安全监测方法及装置
CN216813794U (zh) 一种轨道式油气泄漏智能识别自动连续监测系统
CN212904756U (zh) 气体污染物的环保监测分级报警设备
Wang et al. Fire Monitoring System for Hydrogen energy ship
CN214366316U (zh) 一种融合多种数据源的船舶尾气自动识别装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant