CN114004072A - 电池包安全性评估及保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池包安全性评估及保护方法，通过设置故障概率和故障影响后果构建适用于电池包的风险矩阵，参数化定义了各类故障情况、量化定义了电池包在面对各种不同故障时的风险等级，便于船上工作人员准确衡量当前电池动力系统在运行过程中的状况，减少了故障的对系统的破坏；定义了电池包在各个风险等级下的实际应对措施，使得工作人员在面对风险警报时可根据措施方案迅速有效的应对风险，防止故障的进一步扩展。
Description
技术领域
本发明涉及一种新能源船舶电池动力系统，具体来说涉及一种电池包安全性评估及保护方法。
背景技术
在新能源船舶电池动力系统中电池包的稳定充放电对整个电池动力系统的平稳运行有着十分重要的作用，因此其在运行过程中的安全评估与保护势在必行。如专利CN202110005030.1中提出了通过检测电池状态信息并考虑电池实际衰减情况下的安全评估方法，通过预设的四种安全评估信息来衡量电池包的健康情况，但是没有考虑相应的保护措施；专利CN201910333880.7从电池性能衰减和可能发生故障两个方面，采用基于粒子滤波的退化模型预测方法和BP神经网络方法，能够较为准确评估电池的性能状态，但没有对电池状态进行分级评估也没有给出相应状态下的保护方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种电池包安全性评估及保护方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：电池包安全性评估及保护方法，具体过程如下：
步骤1，故障危害参数设定；设置电池包发生故障的频率以及故障发生对电池动力系统的危害程度，具体如下：
步骤1-1，故障发生频率F等级设定；
(1)F＝1，此类故障在电池包中基本不会发生，故障发生概率低于5％；
(2)F＝2，此类故障在电池包中很少发生，故障发生概率为5％～10％；
(3)F＝3，此类故障在电池包中可能发生，故障发生概率为10％～30％；
(4)F＝4，此类故障在电池包中偶尔发生，故障发生概率为30％～50％；
(5)F＝5，此类故障在电池包中经常发生，故障发生概率大于50％；
步骤1-2，故障后果G等级设定：
G＝1，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转没有影响，属于常规运行时误差范围内的波动；
G＝2，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有轻微的影响，但此类故障属于短暂的临时波动，系统会迅速自主恢复正常运行；
G＝3，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有一定的影响，系统无法再自主恢复正常运转，虽然整个系统仍然可以进行降功率运行，但需要工作人员及时对故障进行处理，才能恢复正常运行；
G＝4，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有明显的影响，系统无法正常运转，需在短时间内停止一切作业，工作人员需及时故障进行处理，随时准备启动应急响应方案，防止故障的进一步扩大；
G＝5，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有破坏性的影响，系统无法正常运转，需立即停止作业，工作人员需首先疏散附近人员再对故障进行处理，同时启动应急响应方案，防止故障波及全船；
步骤2，故障风险值计算；根据对电池动力系统中电池包的长期使用数据，设定各类常见故障的发生频率数值Fi与故障发生时的影响后果程度数值Gi，各个故障发生时的风险值Si计算如下：Si＝FiGi，i为各类具体故障，i＝{电芯模组短路，电芯模组虚焊，电芯异常温升，电池包电压异常，电池包温度过高，电池包内压力过高…}；
当电池动力系统运行时，电池模组管理单元实时读取电池包中各个传感器的参数以及各个电池模组的电压变化情况，将其与预设的参数进行对比，一旦有不属于设定阈值的参数时，即认定相关故障已发生，并将信息传输给中央控制系统，由其为整个电池包进行风险值评估，电池包的最终风险值S为当前时间段t内各个故障的风险值的综合S＝∑Si；
步骤3，通过对前述故障频率与故障后果等级的乘积得到风险值S，按不同风险值S进行处理，具体如下：
(1)风险等级Ⅰ：当0<S≤2时，此时为无风险状态，电池动力系统可以正常运转；
(2)风险等级Ⅱ：当2<S≤6时，此时为低风险状态，电池动力系统会发出低声警报，对船上工作人员进行提示；
(3)风险等级Ⅲ：当6<S≤8时，此时为中低风险状态，电池动力系统会自动降低运行功率，电池动力系统发出警报声；
(4)风险等级Ⅳ：当8<S≤12时，此时为中高风险状态，电池动力系统逐渐减少输出功率并在5s之后与电池断开，电池动力系统发出警报声；
(5)风险等级Ⅴ：当12<S≤25时，此时为高风险状态，电池动力系统直接将推进功率进行降速到0立即断开与电池包的连接，发出警报声。
作为一种优选的方案，所述步骤3中，得到风险值S后，电池动力系统对电池包进行热失控判断及处理，具体如下：
电池模组管理单元实时监测电池包的相关参数，且当以下(1)和(2)或者(2)和(3)同时发生时，电池模组管理单元判定电池包发生热失控，并向中央控制系统发出信号，此时如果中央控制系统分析所得的当前综合风险值S仍低于8，则直接提升至12，即系统自动判定进入Ⅳ级风险等级，并启动相应措施：
(1)电池包输出的电压产生电压降，且下降后的电池包输出的电压值低于电池设定的运行电压V的最低阈值；
(2)电池包中电池模组的电芯温度大于等于预设的T℃，并持续3s以上；
(3)电池包中电池模组的电芯温升速率dT/dt≥1℃/s，并持续3s以上。
作为一种优选的方案，所述步骤3中，当确定为风险等级Ⅱ时，工作人员携带灭火器进行实时观测保护。
作为一种优选的方案，所述步骤3中，当确定为风险等级Ⅲ时，电池动力系统发出长间断警报声，工作人员根据提示携带灭火器进行实时观测保护，应急排风系统进入随时开启的待机状态。
作为一种优选的方案，所述步骤3中，当确定为风险等级Ⅳ时，电池动力系统发出短间断警报声并闪烁黄色警示灯，工作人员根据提示携带灭火器进行实时观测保护，立刻应急排风系统，准备启动七氟丙烷灭火系统，准备启动压力水雾灭火系统。
作为一种优选的方案，所述步骤3中，当确定为风险等级Ⅴ时，电池动力系统进行严重报警发出持续警报声并闪烁红色警示灯，工作人员根据提示携带灭火器进行实时观测保护，立刻启动应急排风系统，立刻启动七氟丙烷灭火系统，立刻启动压力水雾灭火系统。
本发明的有益效果是：
1、通过设置故障概率和故障影响后果构建适用于电池包的风险矩阵，参数化定义了各类故障情况、量化定义了电池包在面对各种不同故障时的风险等级，便于船上工作人员准确衡量当前电池动力系统在运行过程中的状况，减少了故障的对系统的破坏。
2、定义了电池包在各个风险等级下的实际应对措施，使得工作人员在面对风险警报时可根据措施方案迅速有效的应对风险，防止故障的进一步扩展。
3、设置了适用于电池包的热失控判断标准，有效减少了电池包的使用过程中的失控风险，提高了电池动力系统运行的安全性。
具体实施方式
下面详细描述本发明的具体实施方案；
电池包安全性评估及保护方法，具体过程如下：
步骤1，故障危害参数设定；设置电池包发生故障的频率以及故障发生对电池动力系统的危害程度，具体如下：
步骤1-1，故障发生频率F等级设定；
(1)F＝1，此类故障在电池包中基本不会发生，故障发生概率低于5％；
(2)F＝2，此类故障在电池包中很少发生，故障发生概率为5％～10％；
(3)F＝3，此类故障在电池包中可能发生，故障发生概率为10％～30％；
(4)F＝4，此类故障在电池包中偶尔发生，故障发生概率为30％～50％；
(5)F＝5，此类故障在电池包中经常发生，故障发生概率大于50％；
步骤1-2，故障后果G等级设定：
G＝1，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转没有影响，属于常规运行时误差范围内的波动；
G＝2，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有轻微的影响，但此类故障属于短暂的临时波动，系统会迅速自主恢复正常运行；
G＝3，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有一定的影响，系统无法再自主恢复正常运转，虽然整个系统仍然可以进行降功率运行，但需要工作人员及时对故障进行处理，才能恢复正常运行；
G＝4，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有明显的影响，系统无法正常运转，需在短时间内停止一切作业，工作人员需及时故障进行处理，随时准备启动应急响应方案，防止故障的进一步扩大；
G＝5，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有破坏性的影响，系统无法正常运转，需立即停止作业，工作人员需首先疏散附近人员再对故障进行处理，同时启动应急响应方案，防止故障波及全船；
步骤2，故障风险值计算；根据对电池动力系统中电池包的长期使用数据，设定各类常见故障的发生频率数值Fi与故障发生时的影响后果程度数值Gi，建立如表1所示的风险矩阵表，各个故障发生时的风险值Si计算如下：Si＝FiGi，i为各类具体故障，i＝{电芯模组短路，电芯模组虚焊，电芯异常温升，电池包电压异常，电池包温度过高，电池包内压力过高…}，其部分故障的具体参数设置如表2所示。
表1：
表2：
| 序号 | 故障类型 | 发生频率 | 故障后果 |
| 1 | 电芯发生短路 | 1 | 4 |
| 2 | 电芯模组虚焊 | 2 | 1 |
| 3 | 电芯异常温升 | 1 | 3 |
| 4 | 电池包电压异常 | 3 | 2 |
| 5 | 电池包温度过高 | 1 | 2 |
| 6 | 电池包内压力过高 | 1 | 4 |
| 7 | 高压回路保险丝损坏 | 2 | 2 |
| 8 | BMU电压采集异常 | 2 | 2 |
| 9 | BMU温度采集异常 | 2 | 2 |
| 10 | 防水透气阀失效 | 3 | 1 |
| 11 | 发生失火、自燃、爆炸 | 1 | 5 |
当电池动力系统运行时，电池模组管理单元实时读取电池包中各个传感器的参数以及各个电池模组的电压变化情况，将其与预设的参数进行对比，一旦有不属于设定阈值的参数时，即认定相关故障已发生，并将信息传输给中央控制系统，由其为整个电池包进行风险值评估，电池包的最终风险值S为当前时间段t内各个故障的风险值的综合S＝∑Si；
步骤3，通过对前述故障频率与故障后果等级的乘积得到风险值S，然后电池动力系统对电池包进行热失控判断及处理，具体如下：
电池模组管理单元实时监测电池包的相关参数，且当以下(1)和(2)或者(2)和(3)同时发生时，电池模组管理单元判定电池包发生热失控，并向中央控制系统发出信号，此时如果中央控制系统分析所得的当前综合风险值S仍低于8，则直接提升至12，并启动相应措施：(1)电池包输出的电压产生电压降，且下降后的电池包输出的电压值低于电池设定的运行电压V的最低阈值；
(2)电池包中电池模组的电芯温度大于等于预设的T℃，并持续3s以上；
(3)电池包中电池模组的电芯温升速率dT/dt≥1℃/s，并持续3s以上。
接着，按不同风险值S进行处理，具体如下：
(1)风险等级Ⅰ：当0<S≤2时，此时为无风险状态，电池动力系统可以正常运转；
(2)风险等级Ⅱ：当2<S≤6时，此时为低风险状态，电池动力系统会发出低声警报，对船上工作人员进行提示，以使工作人员携带灭火器进行实时观测保护；
(3)风险等级Ⅲ：当6<S≤8时，此时为中低风险状态，电池动力系统会自动降低运行功率并发出长间断警报声，工作人员根据提示携带灭火器进行实时观测保护，应急排风系统进入随时开启的待机状态；
(4)风险等级Ⅳ：当8<S≤12时，此时为中高风险状态，电池动力系统逐渐减少输出功率并在5s之后与电池断开，发出短间断警报声并闪烁黄色警示灯，工作人员根据提示携带灭火器进行实时观测保护，立刻应急排风系统，准备启动七氟丙烷灭火系统，准备启动压力水雾灭火系统；
(5)风险等级Ⅴ：当12<S≤25时，此时为高风险状态，电池动力系统直接将推进功率进行降速到0立即断开与电池包的连接，进行严重报警发出持续警报声并闪烁红色警示灯，工作人员根据提示携带灭火器进行实时观测保护，立刻启动应急排风系统，立刻启动七氟丙烷灭火系统，立刻启动压力水雾灭火系统。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.电池包安全性评估及保护方法，具体过程如下：
步骤1，故障危害参数设定；设置电池包发生故障的频率以及故障发生对电池动力系统的危害程度，具体如下：
步骤1-1，故障发生频率F等级设定：
(1)F＝1，此类故障在电池包中基本不会发生，故障发生概率低于5％；
(2)F＝2，此类故障在电池包中很少发生，故障发生概率为5％～10％；
(3)F＝3，此类故障在电池包中可能发生，故障发生概率为10％～30％；
(4)F＝4，此类故障在电池包中偶尔发生，故障发生概率为30％～50％；
(5)F＝5，此类故障在电池包中经常发生，故障发生概率大于50％；
步骤1-2，故障后果G等级设定：
G＝1，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转没有影响，属于常规运行时误差范围内的波动；
G＝2，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有轻微的影响，但此类故障属于短暂的临时波动，系统会迅速自主恢复正常运行；
G＝3，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有一定的影响，系统无法再自主恢复正常运转，虽然整个系统仍然可以进行降功率运行，但需要工作人员及时对故障进行处理，才能恢复正常运行；
G＝4，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有明显的影响，系统无法正常运转，需在短时间内停止一切作业，工作人员需及时故障进行处理，随时准备启动应急响应方案，防止故障的进一步扩大；
G＝5，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有破坏性的影响，系统无法正常运转，需立即停止作业，工作人员需首先疏散附近人员再对故障进行处理，同时启动应急响应方案，防止故障波及全船；
步骤2，故障风险值计算；根据对电池动力系统中电池包的长期使用数据，设定各类常见故障的发生频率数值Fi与故障发生时的影响后果程度数值Gi，各个故障发生时的风险值Si计算如下：Si＝FiGi，i为各类具体故障，i＝{电芯模组短路，电芯模组虚焊，电芯异常温升，电池包电压异常，电池包温度过高，电池包内压力过高…}；
当电池动力系统运行时，电池模组管理单元实时读取电池包中各个传感器的参数以及各个电池模组的电压变化情况，将其与预设的参数进行对比，一旦有不属于设定阈值的参数时，即认定相关故障已发生，并将信息传输给中央控制系统，由其为整个电池包进行风险值评估，电池包的最终风险值S为当前时间段t内各个故障的风险值的综合S＝∑Si；
步骤3，通过对前述故障频率与故障后果等级的乘积得到风险值S，按不同风险值S进行处理，具体如下：
(1)风险等级Ⅰ：当0<S≤2时，此时为无风险状态，电池动力系统可以正常运转；
(2)风险等级Ⅱ：当2<S≤6时，此时为低风险状态，电池动力系统会发出低声警报，对船上工作人员进行提示；
(3)风险等级Ⅲ：当6<S≤8时，此时为中低风险状态，电池动力系统会自动降低运行功率，电池动力系统发出警报声；
(4)风险等级Ⅳ：当8<S≤12时，此时为中高风险状态，电池动力系统逐渐减少输出功率并在5s之后与电池断开，电池动力系统发出警报声；
(5)风险等级Ⅴ：当12<S≤25时，此时为高风险状态，电池动力系统直接将推进功率进行降速到0立即断开与电池包的连接，发出警报声。
2.如权利要求1所述的电池包安全性评估及保护方法，其特征在于：所述步骤3中，得到风险值S后，电池动力系统对电池包进行热失控判断及处理，具体如下：
电池模组管理单元实时监测电池包的相关参数，且当以下(1)和(2)或者(2)和(3)同时发生时，电池模组管理单元判定电池包发生热失控，并向中央控制系统发出信号，此时如果中央控制系统分析所得的当前综合风险值S仍低于8，则直接提升至12，即系统自动判定进入Ⅳ级风险等级，并启动相应措施：
(1)电池包输出的电压产生电压降，且下降后的电池包输出的电压值低于电池设定的运行电压V的最低阈值；
(2)电池包中电池模组的电芯温度大于等于预设的T℃，并持续3s以上；
(3)电池包中电池模组的电芯温升速率dT/dt≥1℃/s，并持续3s以上。
3.如权利要求1所述的电池包安全性评估及保护方法，其特征在于：所述步骤3中，当确定为风险等级Ⅱ时，工作人员携带灭火器进行实时观测保护。
4.如权利要求3所述的电池包安全性评估及保护方法，其特征在于：所述步骤3中，当确定为风险等级Ⅲ时，电池动力系统发出长间断警报声，工作人员根据提示携带灭火器进行实时观测保护，应急排风系统进入随时开启的待机状态。
5.如权利要求4所述的电池包安全性评估及保护方法，其特征在于：所述步骤3中，当确定为风险等级Ⅳ时，电池动力系统发出短间断警报声并闪烁黄色警示灯，工作人员根据提示携带灭火器进行实时观测保护，立刻应急排风系统，准备启动七氟丙烷灭火系统，准备启动压力水雾灭火系统。
6.如权利要求5所述的电池包安全性评估及保护方法，其特征在于：所述步骤3中，当确定为风险等级Ⅴ时，电池动力系统进行严重报警发出持续警报声并闪烁红色警示灯，工作人员根据提示携带灭火器进行实时观测保护，立刻启动应急排风系统，立刻启动七氟丙烷灭火系统，立刻启动压力水雾灭火系统。
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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 | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: China Address after: Plot 83-D, Development Zone, Xinwu District, Wuxi City, Jiangsu Province, 214000 Applicant after: China Shipbuilding Saisiyi (Wuxi) Electrical Technology Co.,Ltd. Address before: 214000 saisiyi, plot 83-d, development zone, Xinwu District, Wuxi City, Jiangsu Province Applicant before: WUXI SILENT ELECTRIC SYSTEM (SES) TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |