CN113991200A - 二次电池的监测方法、监测装置、二次电池及车辆 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电池技术领域，公开了一种二次电池的监测方法、监测装置、二次电池及车辆。本申请二次电池的监测方法包括：检测电池中多个电芯的膨胀压力数据；根据各电芯的膨胀压力数据和预设预警阈值，判断电池的安全状态；若电池的安全状态为非正常状态，控制电池断开电流回路。本申请二次电池的监测方法能精准监测二次电池热失控前的异常信号，实现对电池异常的早期预警。

Description

二次电池的监测方法、监测装置、二次电池及车辆
技术领域
本申请涉及电池技术领域，尤其涉及二次电池的监测方法、监测装置、二次电池及车辆。
背景技术
为了应对能源危机和环境污染等问题，对于新型环保、可持续能源的开发与利用正变得日益重要起来。在诸多电化学储能器件中，二次电池例如锂离子电池由于具有较高的能量和功率密度，以及循环寿命长等优点，已成为新能源汽车中的首选技术，也在逐步应用于各种形式的储能基站。
然而，随着锂离子电池能量密度的日益增加，以及其在新能源汽车和储能基站等应用终端的日益普及，发生失效的风险和失效造成的破坏也越发严重，特别是近年来以热失控为主的锂离子电池事故时有发生。锂离子电池热失控事故主要可以分为四个阶段：阶段1.单体电芯的异常发热，多是由于机械滥用、电滥用或热滥用导致；阶段2.持续热量积累导致单体电芯破裂泄压，排出大量有毒有害的可燃气体；阶段3.继续产热并触发单体电芯热失控，往往伴随烟雾、火焰甚至爆炸；阶段4.单体电芯热失控蔓延，由单个电芯的热失控进一步触发更多电芯、模组乃至整个系统的热失控。
考虑到当前技术尚不能完全避免锂离子电池热失控的发生(阶段3)，如何在热失控触发并大规模蔓延前(阶段4)准确判断、尽早预警，以实现人员避险和灾难遏止，就成为了提高锂离子电池应用安全的关键手段之一。国内外一些团队也对锂离子电池热失控及其蔓延的过程的感知、探测、识别及预警过程进行了不少研究，主要包括以下几个方面：1.对于BMS读取温度、电压、电流等参数的感测与识别；2.对于模组或系统内气压变化的感测与识别；3.对于电池单体内阻变化的感测与识别；4.对于模组或系统内气体成分与含量变化的感测与识别。
然而现有的锂离子电池泄压和热失控的监测、预警方法也存在诸多问题：1.基于温度信号和气体成分、含量等信号的感知和预警方法受相应传感器的布置位置限制，感测区域和响应时效性有限；2.基于电压、电流信号的感测和预警方法受多个电芯串并联结构和单体一致性影响较大；3.基于内阻等电池本征信号的感测和预警方法往往受到焊接、成组等其他异常因素(可能与热失控并无相关性)的影响。此外，当前的技术大多着眼于对热失控触发的的监测和预警(以阶段3为主)，但在此之前电池往往已经泄压(阶段2)并排出了大量毒害性气体，对人身财产的危害已经造成并存续存在。
发明内容
本申请的目的在于提供一种二次电池的监测方法、监测装置、二次电池及车辆，该二次电池的监测方法能精准监测二次电池热失控前的异常信号，实现对电池异常的早期预警，保证人身财产的安全。
为解决上述技术问题，本申请的第一方面提供了一种监测方法，包括：检测电池中多个电芯的膨胀压力数据；根据各所述电芯的所述膨胀压力数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态；以及若所述电池的安全状态为非正常状态，控制所述电池断开电流回路。
在第一方面的实施例中，所述根据各所述电芯的所述膨胀压力数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态，包括：根据各所述电芯的所述膨胀压力数据，获取所述电池的膨胀压力分析数据；以及根据所述膨胀压力分析数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态，其中所述膨胀压力分析数据包括最大压力、最小压力、压差以及单位时间的压力变化速率和压力变化百分比。
在第一方面的实施例中，所述预设预警阈值包括压力阈值、压差阈值、压力变化速率阈值和压力变化百分比阈值；所述根据所述膨胀压力分析数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态，包括：当满足第一预设条件时，判断所述电池各电芯的安全状态的为泄压状态，其中所述第一预设条件包括：所述最大压力大于所述压力阈值、和/或所述压差大于所述压差阈值、和/或所述压力变化速率大于所述压力变化速率阈值、和/或所述压力变化百分比大于所述压力变化百分比阈值。
在第一方面的实施例中，所述预设预警阈值包括压力阈值、压差阈值、压力变化速率阈值和压力变化百分比阈值；所述根据所述膨胀压力分析数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态，包括：当满足第二预设条件时，判断所述电池各电芯的安全状态的为热失控状态，其中所述第二预设条件包括：在第一时刻时所述最大压力大于所述压力阈值并且第二时刻时所述最小压力小于所述压力阈值且所述压力变化速率大于所述压力变化速率阈值、和/或所述压力变化百分比大于所述压力变化百分比阈值。
在第一方面的实施例中，在所述控制所述电池断开电流回路之后，所述监测方法还包括：发出预设的报警信号。
在第一方面的实施例中，所述第二时刻与所述第一时刻之间的间隔时间的范围为：[0.1，10]秒。
在第一方面的实施例中，所述监测方法还包括：按照预设的周期对所述预设预警阈值进行调整。
本申请的第二方面提供了一种二次电池的监测装置，包括：检测模块，用于检测电池中多个电芯的膨胀压力数据；判断模块，用于根据各所述电芯的所述膨胀压力数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态；以及控制模块，用于若所述电池的安全状态为非正常状态，控制所述电池断开电流回路。
本申请的第三方面提供了一种二次电池，包括：多个电芯、多个传感器以及上述的二次电池的监测装置，其中所述多个电芯串联和/或并联连接。
本申请的第四方面提供了一种车辆，包括上述的二次电池。
本申请实施方式相对于现有技术而言，该二次电池的监测方法通过监测各个电芯的膨胀压力数据判断电池是否处于非正常状态，能精准监测二次电池热失控前的异常信号，实现对电池异常的早期预警，保证人身财产的安全。
附图说明
图1显示为本申请第一实施例的二次电池的监测方法的流程示意图；
图2显示为二次电池从正常状态持续电滥用至热失控过程中膨胀压力和电压随时间变化的曲线示意图；
图3显示为二次电池从正常状态持续电滥用至热失控过程中膨胀压力的变化速率和变化百分比随时间变化的曲线示意图；
图4显示为本申请第二实施例的二次电池的监测装置的装置示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用系统，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用系统，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面以附图为参考，针对本申请的实施例进行详细说明，以便本申请所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本申请可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。
为了明确说明本申请，省略与说明无关的器件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。
在通篇说明书中，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种器件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
当说某器件在另一器件“之上”时，这可以是直接在另一器件之上，但也可以在其之间伴随着其它器件。当对照地说某器件“直接”在另一器件“之上”时，其之间不伴随其它器件。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等描述。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本申请。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。
表示“下”、“上”等相对空间的术语可以为了更容易地说明在附图中图示的一器件相对于另一器件的关系而使用。这种术语是指，不仅是在附图中所指的意义，还包括使用中的装置的其它意义或作业。例如，如果翻转附图中的装置，曾说明为在其它器件“下”的某器件则说明为在其它器件“上”。因此，所谓“下”的示例性术语，全部包括上与下方。装置可以旋转90°或其它角度，代表相对空间的术语也据此来解释。
虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本申请所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的内容相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。
本申请的第一实施例涉及一种二次电池的监测方法。该二次电池的监测方法包括：检测电池中多个电芯的膨胀压力数据；根据各电芯的膨胀压力数据和预设预警阈值，判断电池的安全状态；若电池的安全状态为非正常状态，控制电池断开电流回路。在一些实施例中，该二次电池包括锂电池、锌电池、燃料电池等，本实施例以锂离子电池举例说明。
如图1所示，该二次电池的监测方法具体包括以下步骤101至步骤103。
步骤101：检测电池中多个电芯的膨胀压力数据。
具体地，在多个电芯串并联成组时，单一电芯的电压、电流变化很难被快速且准确探测到，但电芯膨胀压力变化可以迅速通过膨胀压力传感器探测到。在模组或电池包生产过程中或生产完成后，将膨胀压力传感器植入各电芯之间。通过独立的信号采集单元或直接通过电池管理系统单元，按一定频率采集处于同一时刻的各电芯之间的膨胀压力传感器的膨胀压力数据。膨胀压力传感器可以是印刷电阻式压力传感器或电阻应变片式压力传感器，也可以是其他压力传感器。印刷电阻式压力传感器或电阻应变片式压力传感器可以在电芯生产时贴附在承压面上，也可以在电池模组或电池包组装前安装在电芯与电芯之间。其他压力传感器可以在电池模组或电池包组装前安装在电芯与电芯之间，也可以在组装后再安装在外部承压面上。
步骤102：根据各电芯的所述膨胀压力数据和预设预警阈值，判断电池的安全状态。
具体地，基于一定时间窗口内各电芯对应的膨胀压力传感器的膨胀压力数据，获取其监控的各电芯在相应时间窗口内的膨胀压力分析数据。膨胀压力分析数据包括某一时间点的最大压力、最小压力、压差、以及单位时间的压力变化速率和压力变化百分比。其中压差为同一时刻各膨胀压力传感器的最大压力和最小压力的差值，单位时间的压力变化速率为单位时间内同一膨胀压力传感器的压力变化值与时间的比值，单位时间的压力变化百分比为单位时间内同一膨胀压力传感器的压力变化值与初始值的比值。
预设预警阈值包括压力阈值、压差阈值、压力变化速率阈值和压力变化百分比阈值。
当满足第一预设条件时，判断所述电池各电芯的安全状态的为泄压状态，其中第一预设条件包括某一时刻的最大压力大于设定的压力阈值，或/和同一时刻的压差超过设定的压差阈值，或/和同一时刻的单位时间的压力变化速率超过设定的压力变化速率阈值，或/和同一时刻的单位时间的压力变化百分比超过设定的压力变化百分比阈值。
当满足第二预设条件时，判断所述电池各电芯的安全状态的为热失控状态，其中第二预设条件包括：在第一时刻时最大压力大于设定的压力阈值，且第二时刻时最小压力小于设定的压力阈值，且同一时刻的单位时间的压力变化速率超过设定的压力变化速率阈值，或/和同一时刻的单位时间的压力变化百分比超过设定的压力变化百分比阈值。其中第二时刻与第一时刻之间的间隔时间的范围为：[0.1，10]秒。
步骤103：若电池的安全状态为非正常状态，控制电池断开电流回路。
具体地，当判断电池的安全状态为非正常状态即泄压或热失控时，控制电池断开电流回路，在一些实施例中，在控制电池断开电流回路之后，发出预设的报警信号。在电池的安全状态为热失控时，附加执行车辆保护机构动作。车辆保护机构动作可以是例如加速电池冷却液的循环，或者在电池附近加装喷淋系统，用于对热失控的电池进行喷淋，其中包括液体喷淋和气体喷淋，以控制热失控进一步蔓延。
锂离子电池，尤其是软包电池的泄压往往早于热失控的触发，监测单个电芯异常的膨胀压力信号，大大提前了电池管理系统保护机构的动作时间。本申请实施例的二次电池的监测方法通过监测各个电芯的膨胀压力数据判断电池是否处于非正常状态，因为锂离子电池在正常运转、破裂泄压和热失控触发时的膨胀压力状态存在明显差异，可以通过不同的压力信号进行判断，由此能精准监测锂离子电池热失控前的异常信号，实现对电池异常的早期预警，保证人身财产的安全。
此外，在一些实施例中，还可以按照预设的周期对预设预警阈值进行调整。具体地，本实施例中预设预警阈值以及相应的监测时间窗口是基于大量电芯、电池模组和电池包样本从“正常状态”-“泄压状态”-“热失控状态”全过程的数据和信息分析中构建获得。但随着电池充放电次数的增多，原先预设预警阈值来进行判断可能会出现偏差，此时可以按照一定的使用周期(例如5年或其他)对预设预警阈值进行调整，以实现精确监测。同时，为了增加监测的准确度，减少误报，还可以设置在满足所有预设预警阈值(压力阈值、压差阈值、压力变化速率阈值和压力变化百分比阈值)的条件下触发非正常状态下对应的控制动作以及发出报警。
如图2所示，锂离子电池从正常状态持续电滥用至热失控过程中，膨胀压力逐渐增长，表明电芯正在持续的电滥用中发热、产气并逐渐鼓胀，与此对应的是电芯的电压逐渐上升。第一个峰值之后的快速回落，表明锂离子电池内局部电芯发生了破裂泄压，这在单体电芯的电压上也能看到类似的回落；第二个峰值后膨胀压力的直线坠落，表明锂离子电池触发了热失控，从电压迅速增长后又回落至零可以证明热失控的发生。因此，根据某一时刻电芯的膨胀压力对比可以监测和预警锂离子电池泄压和热失控的状态。
如图3所示，锂离子电池从正常状态持续电滥用至热失控过程中，锂离子电池泄压前后的变化速率和变化百分比均趋近于零，而在泄压瞬间存在明显的数据波动；后续继续滥用至触发单体电芯热失控；又可以观察到第二次更加明显地数据波动。因此，根据一定时间窗口内电芯的膨胀压力变化率和百分比可以监测和预警锂离子电池泄压和热失控的状态。
本申请的第二实施例涉及一种二次电池的监测装置。如图4所示，该二次电池的监测装置200包括：检测模块201、判断模块202和控制模块203，其中检测模块201用于检测电池中多个电芯的膨胀压力数据；判断模块202用于根据各电芯的膨胀压力数据和预设预警阈值，判断电池的安全状态；以及控制模块203用于若电池的安全状态为非正常状态，控制电池断开电流回路。本申请实施例二次电池的监测装置通过监测各个电芯的膨胀压力数据判断电池是否处于非正常状态，能精准监测二次电池例如锂离子电池热失控前的异常信号，实现对电池异常的早期预警，保证人身财产的安全。
本申请的第三实施例涉及一种二次电池，包括多个电芯、多个传感器以及上述的二次电池的监测装置，其中多个电芯串联和/或并联连接。在一些实施例中，该二次电池包括锂电池、锌电池、燃料电池等。本申请实施例的二次电池的监测装置通过监测各个电芯的膨胀压力数据判断电池是否处于非正常状态，能精准监测二次电池例如锂离子电池热失控前的异常信号，实现对电池异常的早期预警，保证人身财产的安全。
本申请的第四实施例涉及一种车辆，包括上述的二次电池。本申请实施例的车辆的二次电池的监测装置通过监测各个电芯的膨胀压力数据判断电池是否处于非正常状态，能精准监测二次电池例如锂离子电池热失控前的异常信号，实现对电池异常的早期预警，保证人身财产的安全，在一些实施例中，还可以在车辆中加装保护机构，当电池发生热失控时，保护机构可以弹开车门电子锁或断开油门供电，以控制热失控进一步蔓延，保护人身财产安全。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种二次电池的监测方法，其特征在于，包括：
检测电池中多个电芯的膨胀压力数据；
根据各所述电芯的所述膨胀压力数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态；以及
若所述电池的安全状态为非正常状态，控制所述电池断开电流回路。
2.根据权利要求1所述的二次电池的监测方法，其特征在于，所述根据各所述电芯的所述膨胀压力数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态，包括：
根据各所述电芯的所述膨胀压力数据，获取所述电池的膨胀压力分析数据；以及
根据所述膨胀压力分析数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态，其中所述膨胀压力分析数据包括最大压力、最小压力、压差以及单位时间的压力变化速率和压力变化百分比。
3.根据权利要求2所述的二次电池的监测方法，其特征在于，所述预设预警阈值包括压力阈值、压差阈值、压力变化速率阈值和压力变化百分比阈值；所述根据所述膨胀压力分析数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态，包括：
当满足第一预设条件时，判断所述电池各电芯的安全状态的为泄压状态，其中所述第一预设条件包括：所述最大压力大于所述压力阈值、和/或所述压差大于所述压差阈值、和/或所述压力变化速率大于所述压力变化速率阈值、和/或所述压力变化百分比大于所述压力变化百分比阈值。
4.根据权利要求2所述的二次电池的监测方法，其特征在于，所述预设预警阈值包括压力阈值、压差阈值、压力变化速率阈值和压力变化百分比阈值；所述根据所述膨胀压力分析数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态，包括：
当满足第二预设条件时，判断所述电池各电芯的安全状态的为热失控状态，其中所述第二预设条件包括：在第一时刻时所述最大压力大于所述压力阈值并且第二时刻时所述最小压力小于所述压力阈值且所述压力变化速率大于所述压力变化速率阈值、和/或所述压力变化百分比大于所述压力变化百分比阈值。
5.根据权利要求1所述的二次电池的监测方法，其特征在于，在所述控制所述电池断开电流回路之后，所述监测方法还包括：发出预设的报警信号。
6.根据权利要求4所述的二次电池的监测方法，其特征在于，所述第二时刻与所述第一时刻之间的间隔时间的范围为：[0.1，10]秒。
7.根据权利要求1所述的二次电池的监测方法，其特征在于，所述监测方法还包括：按照预设的周期对所述预设预警阈值进行调整。
8.一种二次电池的监测装置，其特征在于，包括：
检测模块，用于检测电池中多个电芯的膨胀压力数据；
判断模块，用于根据各所述电芯的所述膨胀压力数据和预设预警阈值，判断所述电池的安全状态；以及
控制模块，用于若所述电池的安全状态为非正常状态，控制所述电池断开电流回路。
9.一种二次电池，其特征在于，包括：多个电芯、多个传感器以及根据权利要求8所述的二次电池的监测装置，其中所述多个电芯串联和/或并联连接。
10.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求9所述的二次电池。
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