CN112993426B - 基于停车工况的动力电池热失控预警系统及预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于停车工况的动力电池热失控预警系统及预警方法。该预警系统包括边缘电池模组预警模块和内部电池模组预警模块，每个预警模块包括温度监测模块、数据处理和判断模块、车端预警模块、云端风险预警模块和云端风险预警判断模块。通过车端预警模块对发生温度变化斜率过高的状况进行车端预警；实时监控和分别比较各区域的电芯的温度变化斜率，通过云端风险预警模块对各区域温度变化斜率最大的电芯进行云端风险预警，以便对热失控风险较高的电芯及时进行监控和跟踪，从而实现提前热失控预警，大大提高电池的使用安全性。

Description

基于停车工况的动力电池热失控预警系统及预警方法
技术领域
本发明涉及电池安全管理技术领域，尤其涉及一种基于停车工况的动力电池热失控预警系统及预警方法。
背景技术
随着电动客车的大量应用，燃烧和爆炸事故也呈高发态势，其原因大多与动力电池热失控有极大的关系。尤其在车辆处于停车状态时，车辆采集数据较少，电池管理系统(BMS)处于半休眠状态，无法有效监控动力电池的电压和温度等性能参数变化，不能及时进行报警，造成风险漏报的情况。
动力电池发生起火爆炸的主要原因是析锂或异物等导致电池内短路，使得正负极接触放出大量热量，继而引发热失控。车辆在使用后静置，正常情况下电池温度会缓慢降至室温，然后保持和室温一致水平。有热失控风险的异常电池会因为电池内部副反应而不断积累热量，使得电池温度下降缓慢或有上升趋势。
现有技术不乏对电池进行热失控检测的方法，如专利CN202010719673.8公开了一种电池热失控检测方法、装置、存储介质及电子设备，在电池管理系统处于睡眠模式时，获取电池模组实时的电压数据以及温度数据，根据电压阈值与温度阈值，确定电池模组是否发生热失控。但是该方法仅仅是通过电压和温度阈值比较当前某一时刻的电压或温度是否正常，无法对电池模组进行热失控前的预警。例如当电池处于非运行状态时，出现升温或者降温的状况，此种状况下电池发生热失控风险的概率已经相对比较大了，但是如果电池温度阈值还未超过预设阈值，通过该方案是无法提前预判出电池的热失控风险的，因此存在预警延迟的问题。
因此，为了保障电动汽车使用的更高安全性，有必要设计一种改进的基于停车工况的动力电池热失控预警系统及预警方法，以解决上述问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于停车工况的动力电池热失控预警系统及预警方法。该预警系统设置车端预警模块和云端风险预警模块，通过车端预警模块对发生温度变化斜率过高的状况进行车端预警；实时监控并分别比较各区域的电芯的温度变化斜率，通过云端风险预警模块对温度变化斜率最大的电芯进行云端风险预警，以便及时监控和跟踪热失控风险较高的电芯，实现提前热失控预警，大大提高电池的使用安全性。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于停车工况的动力电池热失控预警系统，包括用于对靠近外部环境的电池模组进行预警的边缘电池模组预警模块和用于对中心位置的电池模组进行预警的内部电池模组预警模块，所述边缘电池模组预警模块和内部电池模组预警模块均分别包括：
温度监测模块，用于实时监测每个电芯的温度数据；
数据处理和判断模块，用于根据每个所述电芯的温度数据计算其温度变化斜率，然后将温度变化斜率与第一预设阈值进行比较，并通过比较每个电芯的温度变化斜率找出温度变化斜率最大的电芯；
车端预警模块，用于当电芯的温度变化斜率大于所述第一预设阈值时，发送热失控车端预警信号；
云端风险预警模块，用于对所述温度变化斜率最大的电芯进行云端风险预警；
作为本发明的进一步改进，所述动力电池热失控预警系统还包括与所述云端风险预警模块相连的云端风险预警判断模块，用于对所述云端风险预警结果进行判断，以确定是否需要通过所述车端预警模块发送热失控车端预警信号。
作为本发明的进一步改进，所述云端风险预警判断模块通过人工干预对所述云端风险预警结果进行判断。
作为本发明的进一步改进，当且仅当温度变化斜率最大的电芯与其所在区域的温度变化斜率最小的电芯的斜率之差大于0.1℃/min时，将其标记为热失控风险较高的电芯，并对其进行云端风险预警。
为实现上述目的，本发明还提供了一种基于停车工况的动力电池热失控预警方法，包括以下步骤：
S1.将待检测的电池包的电池模组划分为边缘电池模组区域和内部电池模组区域，对所述边缘电池模组区域和内部电池模组区域中的每个电芯进行编号和标记，分别实时监测获取每个电芯的温度；
S2.计算每个电芯的温度变化斜率，当有电芯的温度变化斜率大于第一预设阈值时，发送热失控车端预警信号；
S3.当所有电芯的温度变化斜率均小于所述第一预设阈值时，分别比较所述边缘电池模组区域和内部电池模组区域中的每个电芯的温度变化斜率，找出各个区域温度变化斜率最大的电芯，将其标记为热失控风险较高的电芯，并对其进行云端风险预警。
作为本发明的进一步改进，所述第一预设阈值为5～10℃/min。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述电芯j在ti时刻的温度变化斜率kji通过下式计算得到：
Figure BDA0002931489890000031
式中，Tji表示电芯j在ti时刻的温度，Tj(i+1)表示电芯j在ti+1时刻的温度，i和j均为正整数；所述Δt为0.1～30min。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，当温度变化斜率最大的电芯与其所在区域的温度变化斜率最小的电芯的斜率之差大于0.1℃/min时，将其标记为热失控风险较高的电芯，并对其进行云端风险预警。
作为本发明的进一步改进，所述Δt为1～10min，所述kji以四舍五入原则保留小数点后两位。
作为本发明的进一步改进，所述动力电池热失控预警方法还包括：对所述云端风险预警结果进行判断，以确定是否需要通过所述车端预警模块发送热失控车端预警信号。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的基于停车工况的动力电池热失控预警方法，依据不同区域的电池模组散热速率的差异性，对电池模组进行区域划分，从而提高电芯热失控预警的合理性。通过车端预警模块对出现温度变化斜率大于第一预设阈值的状况进行车端预警，从而实现第一层热失控预警；当所有电芯的温度变化斜率均小于第一预设阈值时，再找出温度变化斜率最大的电芯，将其标记为热失控风险较高的电芯，并通过云端风险预警模块对其进行云端风险预警，从而实现第二层提前跟踪和预警，能够起到有效预防的作用，显著降低电池发生热失控风险的概率。
2.本发明提供的基于停车工况的动力电池热失控预警方法，具有以下优点：(1)准确度高；一般电池发生热失控前，电压和温度都会发生变化。电压变化容易受均衡系统影响，同时易与电池自放电等情形混淆，难以准确判断。监控电池的温度变化准确度更高。(2)低成本；采用车辆停车状态的监控数据进行分析计算，成本低廉。(3)车辆双保险；结合车辆的BMS策略，对车辆进行双保险监控，降低电池热失控导致的人身财产损失。
3.本发明提供的基于停车工况的动力电池热失控预警方法，通过监控车辆行驶后的停车状态，通过电池的温度变化趋势检测电池安全性，能够实时判断电池的温度变化，对有热失控风险的电池进行提前预警，确保乘客和车辆的安全。本发明通过云端计算，云端能够存储长时间、大量数据，通过这些数据可以精准计算电池是否有热失控风险，进而对电池进行状态判断。具有时间短、成本低、效率高、监控全面的优点。
附图说明
图1为动力电池在非运行状态下的三种温度随时间的变化曲线；
图2为本发明基于停车工况的动力电池热失控预警系统的电池模组区域划分结构示意图；
图3为本发明基于停车工况的动力电池热失控预警系统的结构框图；
图4为本发明基于停车工况的动力电池热失控预警方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1所示，为动力电池在非运行状态下的三种温度随时间的变化趋势曲线。电池温度观测与计算。t0时刻代表车辆静置开始时刻，t1时动力电池温度趋于稳定，t2时车辆开始启动(t0<t1<t2)。t0时车辆刚使用结束，动力电池表面温度处于较高水平，t1时动力电池表面温度缓慢下降至与车外温度处于一致水平(如附图1中类型1)。若电池有热失控风险，电池温度将出现下降缓慢或有上升趋势的状况(如附图1中类型2)。t2时动力电池温度无明显变化(如附图1中类型1)，异常电池表面的温度缓慢上升(如附图1中类型3)。通过计算t0和t2之间的温度变化趋势(温度变化斜率)可以评估电池热失控风险。
有鉴于此，请参阅图2所示，电池包一般由多个电池模组组成，不同位置的模组散热速率有一定差异。靠近外部环境的模组散热速率更快，中心位置模组散热速率较慢。为了有效诊断异常电芯，将电池分为两个区域，分别定义为A区和B区(如附图2)。A区和B区异常电芯识别判断方法一致。
请参阅图3所示，本发明提供的一种基于停车工况的动力电池热失控预警系统，包括用于对靠近外部环境的电池模组进行预警的边缘电池模组预警模块和用于对中心位置的电池模组进行预警的内部电池模组预警模块。通过区域划分，提高电芯热失控预警的合理性。
具体地，所述边缘电池模组预警模块和内部电池模组预警模块均分别包括：温度监测模块、数据处理和判断模块、车端预警模块、云端风险预警模块和云端风险预警判断模块。
温度监测模块，用于实时监测每个电芯的温度数据，并传送至数据处理和判断模块；监测的时间间隔点为Δt秒，Δt为0.1～30min，具体为0.1min、0.5min、1min、2min、3min、4min、5min、10min、15min、20min、25min等。
数据处理和判断模块，用于根据每个所述电芯的温度数据计算其温度变化斜率，然后将温度变化斜率与第一预设阈值进行比较，并通过比较每个电芯的温度变化斜率，分别找出各个区域温度变化斜率最大的电芯。当电芯温度变化斜率大于0时，表明电池处于升温状态，此时温度变化斜率越大，表明电芯升温越快，热失控风险越大；当电芯温度变化斜率小于0时，表明电池处于升温状态降温状态，此时温度变化斜率越大，表明电芯降温越慢，热失控风险也越大。本发明所述的温度变化斜率均是根据下式计算出来的实际数值：
Figure BDA0002931489890000061
式中，Tji表示电芯j在ti时刻的温度，Tj(i+1)表示电芯j在ti+1时刻的温度，i和j均为正整数。
即当电芯处于降温状态时，温度变化斜率为负值，此时仍比较数值大小，无需根据倾斜率比较绝对值大小。温度变化斜率数值越大表明降温越慢或升温越快。因此，通过找出温度变化斜率最大的电芯能够对热失控风险概率较高的电芯进行提前监控和预警。
第一预设阈值根据电池实际情况设定，如可以为10～20℃/min之间的任一个点值，如为12℃/min、14℃/min、16℃/min、18℃/min。本发明还可设置多级第一预设阈值，从而判断电芯热失控风险等级，实现更加智能和精确的预警。
车端预警模块，用于当电芯的温度变化斜率大于所述第一预设阈值时，发送热失控车端预警信号。此时，表明电池发生热失控风险的可能性很大，需要通过车端预警提醒相关人员进行停车检修等操作。
云端风险预警模块，用于对所述温度变化斜率最大的电芯进行云端风险预警。找出温度变化斜率最大的电芯后，对该电芯进行及时跟踪和云端预警，密切关注该电芯的运行状态，进而提高电芯的使用安全性。
特别地，所述数据处理和判断模块还包括第二云端风险预警单元，第二云端风险预警单元用于将温度变化斜率最大的电芯与其所在区域的温度变化斜率最小的电芯的斜率进行差值计算，仅当斜率之差大于0.1℃/min时，将其标记为热失控风险较高的电芯，并对其进行云端风险预警。当斜率之差大于0.1℃/min时，表明温度变化斜率最大的电芯相对温度变化斜率最小的电芯已经较危险了。如此设置，能够提高云端预警的条件，以免对每次确定的温度变化斜率最大的电芯进行预警，造成频繁预警。
特别地，根据电芯所属区域的不同，第一预设阈值大小可能有所不同，例如由于外部电池模组的散热速率高于内部的，因此边缘电池模组预警模块的第一预设阈值可设置为更小值，内部电池模组预警模块的第一预设阈值可设置为略大值。以上电芯的温度变化斜率仅与同区域的电芯进行比较。
云端风险预警判断模块，用于对所述云端风险预警结果进行判断，以确定是否需要通过所述车端预警模块发送热失控车端预警信号。所述云端风险预警判断模块可以通过人工干预对所述云端风险预警结果进行全面判断，或者根据设定相应的阈值进行判断。若对温度变化斜率最大的电芯的判断结果为极有可能发生热失控风险，则通过所述车端预警模块发送热失控车端预警信号，以提醒相关人员进行停车检修等操作。若对温度变化斜率最大的电芯的判断结果为发生热失控风险的可能性偏低，则不发出热失控车端预警信号，并继续重复上述操作进行实时监控。
请参阅图4所示，本发明还提供了一种基于停车工况的动力电池热失控预警方法，包括以下步骤：
S1.将待检测的电池包的电池模组划分为边缘电池模组区域和内部电池模组区域，对所述边缘电池模组区域和内部电池模组区域中的每个电芯进行编号和标记(例如记为电芯1,2,3…j,…n)，分别实时监测获取每个电芯的温度；
S2.计算每个电芯的温度变化斜率，当有电芯的温度变化斜率大于第一预设阈值时，通过车端预警模块发送热失控车端预警信号；第一预设阈值为10～20℃/min之间的任一个点值，如为12℃/min、14℃/min、16℃/min、18℃/min等。
所述电芯j在ti时刻的温度变化斜率kji通过下式计算得到：
Figure BDA0002931489890000081
式中，Tji表示电芯j在ti时刻的温度，Tj(i+1)表示电芯j在ti+1时刻的温度，i和j均为正整数。所述Δt为0.1～30min，具体为0.1min、0.5min、1min、2min、3min、4min、5min、10min、15min、20min、25min等，优选为1～10min。Δt为相邻采集温度的时间间隔，也可以为连续多个采集温度的总时间间隔。所述kji以四舍五入原则保留小数点后两位。
S3.当所有电芯的温度变化斜率均小于所述第一预设阈值时，分别比较所述边缘电池模组区域和内部电池模组区域中的每个电芯的温度变化斜率，找出各个区域温度变化斜率最大的电芯，将其标记为热失控风险较高的电芯，并通过云端风险预警模块对其进行云端风险预警。
特别地：在步骤S3中，当温度变化斜率最大的电芯与其所在区域的温度变化斜率最小的电芯的斜率之差大于0.1℃/min时，将其标记为热失控风险较高的电芯，并对其进行云端风险预警。即对于ti时刻，当满足下式时，则认为温度变化斜率最大的电芯有热失控风险：
max{k1i,k2i,…kji,…kni}-min{k1i,k2i,…kji,…kni}＞0.1℃/min
所述动力电池热失控预警方法还包括：对所述云端风险预警结果进行判断，以确定是否需要通过所述车端预警模块发送热失控车端预警信号，从而成功的找出发生热失控风险可能性较大的潜在的电芯，并对其进行特别地跟踪和监控，以便在其发生热失控之前就能提前预警，显著提高电池模组的监控全面性和使用安全性。
综上所述，本发明提供的基于停车工况的动力电池热失控预警方法，依据不同区域的电池模组散热速率的差异性，对电池模组进行区域划分，从而提高电芯热失控预警的合理性。通过车端预警模块对出现温度变化斜率大于第一预设阈值的状况进行车端预警，从而实现第一层热失控预警；当所有电芯的温度变化斜率均小于第一预设阈值时，再找出温度变化斜率最大的电芯，将其标记为热失控风险较高的电芯，并通过云端风险预警模块对其进行云端风险预警，从而实现第二层提前跟踪和预警，能够起到有效预防的作用，显著降低电池发生热失控风险的概率。具有时间短、成本低、效率高、监控全面的优点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于停车工况的动力电池热失控预警系统，其特征在于，包括用于对靠近外部环境的电池模组进行预警的边缘电池模组预警模块和用于对中心位置的电池模组进行预警的内部电池模组预警模块，所述边缘电池模组预警模块和内部电池模组预警模块均分别包括：
温度监测模块，用于实时监测每个电芯的温度数据；
数据处理和判断模块，用于根据每个所述电芯的温度数据计算其温度变化斜率，然后将温度变化斜率与第一预设阈值进行比较，并通过比较每个电芯的温度变化斜率找出温度变化斜率最大的电芯；
车端预警模块，用于当电芯的温度变化斜率大于所述第一预设阈值时，发送热失控车端预警信号；
云端风险预警模块，用于对所述温度变化斜率最大的电芯进行云端风险预警；且仅当温度变化斜率最大的电芯与其所在区域的温度变化斜率最小的电芯的斜率之差大于0.1℃/min时，将其标记为热失控风险较高的电芯，并对其进行云端风险预警。
2.根据权利要求1所述的基于停车工况的动力电池热失控预警系统，其特征在于，所述动力电池热失控预警系统还包括与所述云端风险预警模块相连的云端风险预警判断模块，用于对所述云端风险预警结果进行判断，以确定是否需要通过所述车端预警模块发送热失控车端预警信号。
3.根据权利要求2所述的基于停车工况的动力电池热失控预警系统，其特征在于，所述云端风险预警判断模块通过人工干预对所述云端风险预警结果进行判断。
4.一种基于停车工况的动力电池热失控预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将待检测的电池包的电池模组划分为边缘电池模组区域和内部电池模组区域，对所述边缘电池模组区域和内部电池模组区域中的每个电芯进行编号和标记，分别实时监测获取每个电芯的温度；
S2.计算每个电芯的温度变化斜率，当有电芯的温度变化斜率大于第一预设阈值时，发送热失控车端预警信号；
S3.当所有电芯的温度变化斜率均小于所述第一预设阈值时，分别比较所述边缘电池模组区域和内部电池模组区域中的每个电芯的温度变化斜率，找出各个区域温度变化斜率最大的电芯，当温度变化斜率最大的电芯与其所在区域的温度变化斜率最小的电芯的斜率之差大于0.1℃/min时，将其标记为热失控风险较高的电芯，并对其进行云端风险预警。
5.根据权利要求4所述的基于停车工况的动力电池热失控预警方法，其特征在于，在步骤S2中，所述第一预设阈值为10～20℃/min。
6.根据权利要求4所述的基于停车工况的动力电池热失控预警方法，其特征在于，在步骤S2中，电芯j在ti时刻的温度变化斜率kji通过下式计算得到：
Figure FDA0003445194420000021
式中，Tji表示电芯j在ti时刻的温度，Tj(i+1)表示电芯j在ti+1时刻的温度，i和j均为正整数；所述Δt为0.1～30min。
7.根据权利要求6所述的基于停车工况的动力电池热失控预警方法，其特征在于，所述Δt为1～10min，所述kji以四舍五入原则保留小数点后两位。
8.根据权利要求4至7中任一项权利要求所述的基于停车工况的动力电池热失控预警方法，其特征在于，所述动力电池热失控预警方法还包括：对所述云端风险预警结果进行判断，以确定是否需要通过车端预警模块发送热失控车端预警信号。
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