CN114801873A - 一种电池热失控早期预警方法和系统 - Google Patents

一种电池热失控早期预警方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池热失控早期预警方法和系统，方法包括：获取电池的特征信息；利用热失控预测策略判断所述电池是否处于潜在热失控状态，所述热失控预测策略的条件包括：实时电池的电压大于预设电池电压阈值；和/或实时电池的表面温度大于预设电池表面温度阈值；和/或实时气体质量浓度大于预设气体质量浓度阈值。通过该方法进行热失控分级预警，有利于及时消除热失控安全隐患，极大程度降低热失控发生概率。

Description

一种电池热失控早期预警方法和系统
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种电池热失控早期预警方法和系统。
背景技术
作为储能电站的核心设备，储能电池是实现储能电站削峰填谷、负荷补偿等功能的关键。电池能量密度大、使用寿命长，广泛用于各类电池储能技术中。然而在实际应用中，电池在遭遇机械滥用、电滥用和热滥用时，电池材料受到破坏产生异常发热现象，热量的不断积聚加剧内部放热化学反应的进行，形成正反馈，最终造成热失控。热失控过程中释放大量的热量和可燃性气体，当可燃性气体密度达到其爆炸极限，在外部高温的作用下会发生爆炸，严重影响储能电站的安全稳定运行。因此，迫切需要研究电池热失控特性，探究热失控早期预警方法，解决储能电站安全管控问题。
为尽早发现和解决电池故障导致的安全问题，可以开发电池热失控(TR)预报警系统，该系统的关键在于其预警模型。由于目前相关研究处于起步阶段，模型类型较多，监测对象及采集信号类型也不同。有学者提出利用非接触式红外测温传感器采集电池表面温度，建立三级预警模型；也有学者提出针对电池热失控温度变化、火焰、烟气等，采集温度、红外光源、CO/CO2浓度等信号建立模型；有学者重点针对电池热失控气体，筛选适用的气体传感器，建立多级预警模型。此外，有学者采用深度学习的方法，结合实际运行数据，针对电池电压进行故障预测；还有更多的新模型和新方法在不断提出。大部分模型的特征参数报警阈值缺乏足够的理论或实验数据作为支撑。因此，存在误报漏报率较高、缺乏广泛适用性等问题。
发明内容
为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种电池热失控早期预警方法和系统。预警系统针对电池包或模组热灾害中较常见的电池单侧受热触发热失控问题，以锂电池单体为研究对象，通过实验研究电池电压、表面温度、气体浓度等参数的变化规律，分析其在热失控预警模型中较合理的报警范围，为相关预警系统的设计提供支撑。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种电池热失控早期预警方法，包括：获取电池的特征信息；利用热失控预测策略判断所述电池是否处于潜在热失控状态，所述热失控预测策略的条件包括：实时电池的电压大于预设电池电压阈值；和/或实时电池的表面温度大于预设电池表面温度阈值；和/或实时气体质量浓度大于预设气体质量浓度阈值。
进一步地，所述利用热失控预测策略判断所述电池是否处于潜在热失控状态包括：若所述热失控预测策略的条件中至少一项成立，则判定所述电池处于所述潜在热失控状态。
进一步地，包括：在预设时间段内对电池的温度、电压以及气体质量浓度进行监控，得到温度监控数据、电压监控数据和气体质量浓度数据；根据所述温度监控数据、电压监控数据和气体质量浓度数据确定所述电池的热失控预警等级，根据所述热失控预警等级对所述电池进行热失控预警处理。
进一步地，所述热失控预警等级包括一级预警等级，所述预设电池电压阈值包括第一预设电池电压阈值，所述预设电池表面温度阈值包括第一预设电池表面温度阈值，所述预设气体质量浓度阈值包括第一预设气体质量浓度阈值，若实时电池电压大于第一预设电池电压阈值；和/或实时电池表面温度大于第一预设电池表面温度阈值；和/或实时气体质量浓度大于第一预设气体质量浓度阈值，则确定所述电池的热失控预警等级为一级预警等级。
进一步地，所述热失控预警等级包括二级预警等级，所述预设电池电压阈值包括第二预设电池电压阈值，所述预设电池表面温度阈值包括第二预设电池表面温度阈值，所述预设气体质量浓度阈值包括第二预设气体质量浓度阈值，若实时电池电压大于第二预设电池电压阈值；和/或实时电池表面温度大于第二预设电池表面温度阈值；和/或实时气体质量浓度大于第二预设气体质量浓度阈值，则确定所述电池的热失控预警等级为二级预警等级。
进一步地，所述根据所述热失控预警等级对所述电池进行热失控预警，包括以下一种或两种：所述热失控预警等级为一级预警等级时，发出对应的安全预警信号；所述热失控预警等级为二级预警等级时，发出对应的安全预警信号并启动自动灭火装置。
一种电池热失控早期预警系统，包括电池和电池箱，所述电池放置于所述电池箱内，还包括：
电池管理系统，用于获取电池的特征信息；
实时诊断系统，用于获取电池管理系统实时采集的电池热失控特征数据，并根据所述电池热失控特征数据获取是否发生热失控的实时诊断结果；
预警系统，根据所述实时诊断结果，判断是否发生热失控，并在判断发生热失控时进行预警。
进一步地，所述电池管理系统包括：
气体传感器，所述气体传感器用于实时监测气体的浓度值，所述气体传感器和实时诊断系统电性连接；所述气体传感器用于实时检测电池释放出的氢气的气体浓度，并将检测到的实时氢气气体浓度传递给诊断系统，诊断系统根据气体浓度数值判断电池是否处于热失控状态。
电压传感器，所述电压传感器用于实时检测电池的电压，所述电压检测器和实时诊断系统电性连接，所述电压传感器用于实时检测电池的电压，并将检测到的实时电池的电压传递给诊断系统，诊断系统根据电压数值判断电池是否处于热失控状态。
温度传感器，所述温度传感器用于实时检测电池的温度，所述温度传感器和实时诊断系统电性连接，所述温度传感器用于实时检测电池的温度，并将检测到的实时电池的温度传递给诊断系统，诊断系统根据电压数值判断电池是否处于热失控状态。
进一步地，所述预警系统包括热失控预测模块，所述热失控预测模块用于利用潜在热失控模型分析所述电池的热失控预警等级。
进一步地，还包括灭火模块，所述电池的热失控预警等级分为一级预警等级和二级预警等级，所述热失控预警等级为二级预警等级时，灭火模块启动，其中自动灭火装置包括热气溶胶灭火模块。通过灭火装置的设置，对电池箱电池火情事故的火情进行控制，快速扑灭火灾，有利于保障公众的生命安全，降低财产损失。
一种电池装置，包括如上所述的电池热失控早期预警方法或者包括如上所述的动力电池早期热失控预警系统。
一种车辆，包括如上所述的电池热失控早期预警方法或者包括如上所述的动力电池早期热失控预警系统。
本发明具有以下有益效果：
1)通过基于简单易获取的电池实时温度、电压和气体浓度特征数据，利用预设的热失控预警模型实现过热诱发热失控场景下的分级预警处理。通过该方法进行热失控分级预警，有利于及时消除热失控安全隐患，极大程度降低热失控发生概率。
2)通过灭火装置的设置，对电池箱电池火情事故的火情进行控制，快速扑灭火灾，有利于保障公众的生命安全，降低财产损失。
附图说明
图1为锂电池过充至泄压阀开启电压电流监测图；
图2为锂电池过充至热失控燃烧红外温度监测图；
图3为锂电池过充过程产气监测图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
电池内部一般由多个铜箔集流体-负极活性材料-隔膜-正极活性材料-铝箔集流体基本单元层叠或卷绕而成，电解液充分浸润。电池过充是指超过规定的电池端电压而连续充电的过程。在过充电状态下，有机电解液中的溶剂更容易氧化分解，碳酸乙烯酯(EC)优先在正极表面氧化分解。由于石墨负极的嵌锂电位(对锂电位)很低，锂在石墨负极析出的可能性很大。随着温度的升高，各材料逐渐发生各种反应，其中绝大部分为放热反应。电池从低温到高温的过程为SEI膜分解、负极-电解液反应、隔膜收缩熔化、正极分解、电解质溶液分解、负极与粘结剂反应、电解液燃烧等。
在正常情况下，电池中的锂以离子的形式出现，当发生过充电时，负极表面的锂离子还原为锂金属，形成树突。随着锂枝晶的不断生长，正极和负极之间的隔膜被刺穿，最终导致内部短路。因此，短路电流导致内部温度急剧上升，并发生一系列副反应，包括固体电解质界面(SEI)膜亚稳定层(CH2OCO2Li)2分解、电极与电解液(35％EC+60％DEC+5％PC)的反应、电解质(LiPF6)的分解，化学反应式如下：
(CH2OCO2Li)2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
2Li+C3H4O3(EC)→Li2CO3+C2H4
2Li+C5H10O3(DEC)→Li2CO3+C4H10
2Li+C4H6O3(PC)→Li2CO3+C3H6LiPF6→LiF↓+PF5
上述副反应会产生大量的热量，引起电池温度进一步升高，并导致电解液分解和蒸发。大量的蒸气使电池逐渐膨胀，外部空气通过膨胀壳进入电池内部，与锂金属发生强烈氧化反应，引起电池燃烧甚至爆炸。
基于上述问题，本发明实施例提供了一种电池热失控预警方法，该电池热失控预警方法具体包括如下步骤：
步骤S1：获取电池的特征信息；
具体地，在预设时间段内对电池的温度、电压和气体浓度进行监控，得到温度监控数据、电压监控数据和气体浓度监控数据。
更具体地，可以采用温度传感器、电压传感器和气体传感器对目标电池在一定时间段内的温度、电压和气体浓度信号进行实时的采集，并将采集的数据传输至实时诊断系统。
步骤S2：根据温度监控数据、电压监控数据和气体浓度检测数据获取目标电池的电池状态参数。
步骤S3：根据电池状态参数和预设的热失控预警模型确定目标电池的热失控预警等级。
具体地，在本发明实施例中预设热失控等级分为两个等级，其中预设热失控等级是根据电池在不同的加热情况下所存在的热失控风险进行设定，对应的预设电压变化阈值、预设温度阈值和预设气体浓度变化阈值则是根据实时采集的温度数据生成。
步骤S4：根据预设热失控等级和对应的预设电压变化阈值、预设温度阈值和预设气体浓度变化阈值，生成热失控预警模型。
具体地，利用热失控预测策略判断所述电池是否处于潜在热失控状态，所述热失控预测策略的条件包括：实时电池的电压大于预设电池电压阈值；和/或实时电池的表面温度大于预设电池表面温度阈值；和/或实时气体质量浓度大于预设气体质量浓度阈值。若所述热失控预测策略的条件中至少一项成立，则判定所述电池处于所述潜在热失控状态。
更具体地，所述热失控预警等级包括一级预警等级，所述预设电池电压阈值包括第一预设电池电压阈值，所述预设电池表面温度阈值包括第一预设电池表面温度阈值，所述预设气体质量浓度阈值包括第一预设气体质量浓度阈值，若实时电池电压大于第一预设电池电压阈值；和/或实时电池表面温度大于第一预设电池表面温度阈值；和/或实时气体质量浓度大于第一预设气体质量浓度阈值，则确定所述电池的热失控预警等级为一级预警等级，发出对应的安全预警信号。
所述热失控预警等级还包括二级预警等级，所述预设电池电压阈值包括第二预设电池电压阈值，所述预设电池表面温度阈值包括第二预设电池表面温度阈值，所述预设气体质量浓度阈值包括第二预设气体质量浓度阈值，若实时电池电压大于第二预设电池电压阈值；和/或实时电池表面温度大于第二预设电池表面温度阈值；和/或实时气体质量浓度大于第二预设气体质量浓度阈值，则确定所述电池的热失控预警等级为二级预警等级，发出对应的安全预警信号并启动自动灭火装置。
下面将结合具体应用示例，对本发明实施例提供的电池热失控预警方法进行详细的描述。
实施例1
电池过充热失控试验
(1)试验样品：试验中使用的是满电状态动力电池，电池容量38Ah，电池原始电压为3.838V。
(2)试验平台：试验采用电池箱，其中有1只满电电池，一侧为2只半电电池，其余用未化成及充电的电芯按照实际电池箱电池排布(共160只)。电池箱内设置有气体传感器、电压传感器和温度传感器，用以实时采集电池状态数据。
(3)试验方案
试验中用对电池箱中一节三元单体进行过充直至电池热失控并且爆炸，模拟在实际应用中出现单体电池一直过充，以此建立火灾模型，试验过程中通过各个设备实时监测电池电压、表面温度、舱内气体浓度等特征参数。
(4)热失控预警特征参数分析
1)电池电压特征参数分析
电池过充过程的电压变化规律如图1所示。从预警角度出发，监测电压异常变化可在泄压阀开启前预判电池热失控的发生。在过充电初期，电压由初始值3.4V较平稳上升，过充至4.8V时电压上升加快，在5.5V后电压开始急剧升高，直到安全阀打开时电压峰值记录为6.6V，随即90s后停止充电，停止充电时电压为9.7V。针对工作电压为3.2V的锂储能电池，可选取4.8V作为电压异常上升报警范围下限，泄压阀开启时对应6.6V作为报警范围上限，即电池电压异常升高特征参数报警范围可参考4.8～6.6V取值，因此设定第一预设电池电压阈值为4.8V，第二预设电池电压阈值为6.6V。
2)电池温度特征参数分析
图2为红外监测最高温度随时间变化曲线(虚线左侧为电压突变前的充电阶段，右侧为电压突变后的充电阶段)，在充电阶段前中期，电池本体表面的温度基本没有变化。在充电阶段后期，电池表面温度开始均匀上升，在电压突变时刻温度上升至60℃，该阶段电池内部发生放热化学反应，热量开始积累，温升速率不断提高，并在泄压阀打开瞬间达到最高值116℃。由于瞬间大量高温烟气和电解液地喷出，红外监测到泄压阀开启后本体温度骤然下降，随着内部放热化学反应的加剧，温度出现迅速回升。伴随内部物质不断消耗，化学反应强度逐渐变弱，电池表面温度逐渐下降。试验过程中电池释放大量可燃气体和电解液蒸气。
为实现电池热失控早期预警的目的，应在泄压阀开启前感知电池的异常状态。为避免因外界环境及自身正常发热引起的误报警，温度异常升高报警下限选取电压突变点温度60℃，上限选取泄压阀开启温度116℃，即电池温度异常上升特征参数报警范围可参考60～116℃。因此设定第一预设电池表面温度阈值为60℃，第二预设电池表面温度阈值为116℃。
3)气体在线监测特征参数分析
从图3可知，t＝2400s时，气体感应器感知到H2浓度缓慢增长。在t＝2513s时泄压阀开启，浓度急速升高，同时监测到CO和EX可燃气体出现，但浓度远小于H2。在气体释放过程中，H2最高质量浓度达到89.5mg/L，此后浓度逐渐下降。当t＝3760s时，CO和EX质量浓度下降至0mg/L，此时H2质量浓度保持在30mg/L左右，直到试验结束。由上述气体监测数据分析可知，电池过充至热失控过程中释放大量气体，其中H2含量最高且在电池泄压阀开启前已被气体感应器感知。这是由于在高温下，负极嵌锂与粘结剂反应生成大量的H2，由于其分子量较小，当在内部积聚至一定程度时，可通过电池外壳焊接缝隙处释放，进而被气体探测器感知，表明H2可作为特征气体用于极早期预测储能用电池热失控风险。电池过充热失控预警模型中，气体探测器的位置宜垂直电池上方且靠近泄压阀，H2质量浓度预警参考范围为20～50mg/L。因此第一预设H2质量浓度阈值为20mg/L，第二预设H2质量浓度阈值为50mg/L。
实施例2
根据实施例1中预设热失控等级和对应的预设电压变化阈值、预设温度阈值和预设气体浓度变化阈值，生成热失控预警模型，对热失控预警模型的预警效果进行验证。
(1)试验样品：试验中使用的是满电状态动力电池，电池容量38Ah，电池原始电压为3.838V。
(2)试验平台：试验采用电池箱，其中有1只满电电池，一侧为2只半电电池，其余用未化成及充电的电芯按照实际电池箱电池排布(共160只)。布置1只单通道火情控制模块，2只QRR0.016G/S热气溶胶灭火模块。内部摄像机，及一只手电作为照明光源。
采用一台直流稳压电源对目标电池进行通过充。通过线束连接一台摄像头放置于电池箱内部并配照明源，实时观察箱内状态。采用一台相机固定位置进行现场拍摄记录。采用一台笔记本电脑通过上位机软件监控NQN1161数据传输及预警。
(3)试验方案
试验中用对电池箱中一节三元单体进行过充直至电池热失控并且爆炸，模拟在实际应用中出现单体电池一直过充，以此为火灾模型，实际测试火情预警及控制装置的预警及火情控制功能。
(4)试验记录
a.开始对目标电池进行38A过充，内部摄像头可清晰观测。
b.过充36分51秒时，系统一级预警，内部摄像头影像无明显变化，外部摄像头观测无异常。
c.系统一级预警14分7秒后，系统二级预警，内部摄像头影像无明显变化，外部摄像头观测无异常。
d.系统二级预警6分16秒后，电池起黑色烟雾，内部摄像头被黑色烟雾覆盖，外部摄像头监控有黑烟从电池箱喷出。
e.2秒钟后电池箱有火焰喷出，内部摄像头检测有火焰，伴随黑色烟雾。
f.2秒钟后，随即有大量白色烟雾散出，灭火器触发，明火熄灭。
g.12分27秒后，电池箱开盖，无复燃。
从充电到电池爆喷总用时69分14秒；系统提前30分钟24秒开始一级预警；提前6分钟16秒二级预警；自动灭火正常触发，从启动控制装置到明火熄灭时间小于3秒，开盖无复燃。
其中控制装置包括气溶胶自动灭火装置，气溶胶自动灭火装置启动引发灭火药剂发生作用，迅速产生大量亚纳米级固相微粒和惰性气体混合物，即气溶胶，以立体全淹没式作用于火灾发生的每个角落，快速扑灭火灾。灭火机理如下：
a)物理抑制：气溶胶中的金属盐微粒在高温下发生作用，吸收大量的热，降低火焰温度并抑制燃烧反应速度。
b)化学抑制：气溶胶产生的固相物质能够吸附并消耗燃烧中的活性基团，减少燃烧自由基，实现化学抑制。
c)稀释氧浓度：灭火气溶胶产生的大量的N2、CO2等惰性气体可稀释燃烧中氧浓度，中断燃烧反应链。
气溶胶属于一种清洁、环保、高效的灭火介质，释放后残留量极小，对保护空间及设备无影响。特别适合用于带电电气场所，例如高低压配电柜、变电站、电缆廊道、风力发电机组等。
灭火生成物分析：
气体部分：主要为N2,少量的CO2及H2O等；
固体部分：KNO3→K2O/K2CO3/KHCO3；SRNO3→SRO/SR(OH)2/SRCO3。可见生成物主要为惰性气体：氮气，二氧化碳；纳米级微小颗粒物：氧化镁、碳酸镁、碳酸锶、氢氧化锶和氢氧化钾，其本身不会对空间内设备产生影响。
从试验结果看，试验有效验证了电池火情预警及控制装置可提前对力电池箱内的电池热失控进行预警。试验有效验证了控制装置对电池箱内电池热失控起火可实现有效自动灭火并持续抑制。
一种电池热失控早期预警系统，包括电池和电池箱，所述电池放置于所述电池箱内，还包括：电池管理系统，所述电池管理系统设置在所述电池箱内，所述电池管理系统用于获取电池的特征信息；所述电池管理系统包括气体传感器、电压传感器和温度传感器，所述气体传感器用于实时监测气体的浓度值，所述气体传感器和实时诊断系统电性连接，所述气体传感器用于实时检测电池释放出的氢气的气体浓度，并将检测到的实时气体浓度传递给诊断系统，诊断系统根据气体浓度数值判断电池是否处于热失控状态。
在一些实施例中，所述电池管理系统还包括电压传感器，所述电压检测器和实时诊断系统电性连接，所述电压传感器用于实时检测电池的电压，并将检测到的实时电池的电压传递给诊断系统，诊断系统根据电压数值判断电池是否处于热失控状态。
在一些实施例中，所述电池管理系统还包括温度传感器，所述温度传感器用于实时检测电池的温度，所述温度传感器和实时诊断系统电性连接，所述温度传感器用于实时检测电池的温度，并将检测到的实时电池的温度传递给诊断系统，诊断系统根据电压数值判断电池是否处于热失控状态。并且温度传感器位于电池远离充电装置的一侧，充电装置用于对电池进行充电。热失控状态的量化判定是电池安全性研究的关键问题之一，根据工信部的《电动客车安全技术条件》和即将实施的国家标准《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，对于热失控状态判定，一般依据以下条件：(1)监测点温度达到制造商规定的最高工作温度(一般为60℃)；(2)电池电压下降值超过初始电压25％；(3)监测点温升速率≥1℃/s，且持续3s以上。当(1)、(3)同时发生或(2)、(3)同时发生时，判定发生热失控。监测点根据加热、过充、针刺等热失控触发方式有不同的布置方式。对于加热触发，温度监测点一般选择远离热传导一侧，即背离加热装置的一侧，这样检测的温度会更加准确。因此在本系统中，温度传感器位于电池远离充电装置的一侧。
在一些实施例中，还包括实时诊断系统，所述实时诊断系统用于获取电池管理系统实时采集的电池热失控特征数据，并根据所述电池热失控特征数据获取是否发生热失控的实时诊断结果。
在一些实施例中，还包括预警系统，所述预警系统和所述实时诊断系统相连接，所述预警系统根据所述实时系统的实时诊断结果，判断是否发生热失控，并在判断发生热失控时进行预警。所述预警系统包括热失控预测模块，所述热失控预测模块用于利用潜在热失控模型分析所述电池的热失控预警等级。
在一些实施例中，还包括自动灭火装置，所述电池的热失控预警等级分为一级预警等级和二级预警等级，所述热失控预警等级为二级预警等级时，自动灭火装置启动，其中自动灭火装置包括热气溶胶灭火模块。通过灭火装置的设置，对电池箱电池火情事故的火情进行控制，快速扑灭火灾，有利于保障公众的生命安全，降低财产损失。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种电池热失控早期预警方法，其特征在于，包括：获取电池的特征信息；利用热失控预测策略判断所述电池是否处于潜在热失控状态，所述热失控预测策略的条件包括：实时电池的电压大于预设电池电压阈值；和/或实时电池的表面温度大于预设电池表面温度阈值；和/或实时气体质量浓度大于预设气体质量浓度阈值。
2.根据权利要求1所述的一种电池热失控早期预警方法，其特征在于：所述利用热失控预测策略判断所述电池是否处于潜在热失控状态包括：若所述热失控预测策略的条件中至少一项成立，则判定所述电池处于所述潜在热失控状态。
3.根据权利要求2所述的一种电池热失控早期预警方法，其特征在于，包括：在预设时间段内对电池的温度、电压以及气体质量浓度进行监控，得到温度监控数据、电压监控数据和气体质量浓度数据；根据所述温度监控数据、电压监控数据和气体质量浓度数据确定所述电池的热失控预警等级，根据所述热失控预警等级对所述电池进行热失控预警处理。
4.根据权利要求3所述的一种电池热失控早期预警方法，其特征在于，所述热失控预警等级包括一级预警等级，所述预设电池电压阈值包括第一预设电池电压阈值，所述预设电池表面温度阈值包括第一预设电池表面温度阈值，所述预设气体质量浓度阈值包括第一预设气体质量浓度阈值，若实时电池电压大于第一预设电池电压阈值；和/或实时电池表面温度大于第一预设电池表面温度阈值；和/或实时气体质量浓度大于第一预设气体质量浓度阈值，则确定所述电池的热失控预警等级为一级预警等级。
5.根据权利要求4所述的一种电池热失控早期预警方法，其特征在于，所述热失控预警等级包括二级预警等级，所述预设电池电压阈值包括第二预设电池电压阈值，所述预设电池表面温度阈值包括第二预设电池表面温度阈值，所述预设气体质量浓度阈值包括第二预设气体质量浓度阈值，若实时电池电压大于第二预设电池电压阈值；和/或实时电池表面温度大于第二预设电池表面温度阈值；和/或实时气体质量浓度大于第二预设气体质量浓度阈值，则确定所述电池的热失控预警等级为二级预警等级。
6.根据权利要求5所述的一种电池热失控早期预警方法，其特征在于，根据所述热失控预警等级对所述电池进行热失控预警，包括以下一种或两种：所述热失控预警等级为一级预警等级时，发出对应的安全预警信号；所述热失控预警等级为二级预警等级时，发出对应的安全预警信号并启动自动灭火装置。
7.一种电池热失控早期预警系统，包括电池和电池箱，所述电池放置于所述电池箱内，其特征在于，还包括：
电池管理系统，用于获取电池的特征信息；
实时诊断系统，用于获取电池管理系统实时采集的电池热失控特征数据，并根据所述电池热失控特征数据获取是否发生热失控的实时诊断结果；
预警系统，根据所述实时诊断结果，判断是否发生热失控，并在判断发生热失控时进行预警。
8.根据权利要求7所述的一种电池热失控早期预警系统，所述电池管理系统包括：
气体传感器，所述气体传感器用于实时监测气体的浓度值，所述气体传感器和实时诊断系统电性连接；
电压传感器，所述电压传感器用于实时检测电池的电压，所述电压检测器和实时诊断系统电性连接；
温度传感器，所述温度传感器用于实时检测电池的温度，所述温度传感器和实时诊断系统电性连接。
9.根据权利要求8所述的一种电池早期热失控预警系统，其特征在于：所述预警系统包括热失控预测模块，所述热失控预测模块用于利用潜在热失控模型分析所述电池的热失控预警等级。
10.根据权利要求9所述的一种电池早期热失控预警系统，其特征在于，还包括自动灭火装置，所述电池的热失控预警等级分为一级预警等级和二级预警等级，所述热失控预警等级为二级预警等级时，自动灭火装置启动，其中自动灭火装置包括热气溶胶灭火模块。
11.一种电池装置，其特征在于，包括权利要求1-6所述的电池热失控早期预警方法或者包括权利要求7-10所述的动力电池早期热失控预警系统。
12.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-6所述的电池热失控早期预警方法或者包括权利要求7-10所述的动力电池早期热失控预警系统。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116027206A (zh) * 2023-03-29 2023-04-28 安徽中科中涣智能装备股份有限公司 基于站级储能的多元感知分级预警智能监测系统
CN117159953A (zh) * 2023-11-03 2023-12-05 安徽中科中涣智能装备股份有限公司 一种电池箱火灾监测防控系统及方法
CN117630719A (zh) * 2024-01-23 2024-03-01 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 热失控风险告警系统、方法、设备和介质

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109786872A (zh) * 2019-03-18 2019-05-21 北京航空航天大学 一种锂离子电池热失控预警系统及方法
CN110911772A (zh) * 2019-12-03 2020-03-24 中国科学技术大学 一种动力锂离子电池热失控早期预警方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109786872A (zh) * 2019-03-18 2019-05-21 北京航空航天大学 一种锂离子电池热失控预警系统及方法
CN110911772A (zh) * 2019-12-03 2020-03-24 中国科学技术大学 一种动力锂离子电池热失控早期预警方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
郭东亮 等: ""储能电站用锂离子电池热失控早期预警参数研究"" *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116027206A (zh) * 2023-03-29 2023-04-28 安徽中科中涣智能装备股份有限公司 基于站级储能的多元感知分级预警智能监测系统
CN117159953A (zh) * 2023-11-03 2023-12-05 安徽中科中涣智能装备股份有限公司 一种电池箱火灾监测防控系统及方法
CN117159953B (zh) * 2023-11-03 2024-03-15 安徽中科中涣智能装备股份有限公司 一种电池箱火灾监测防控系统及方法
CN117630719A (zh) * 2024-01-23 2024-03-01 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 热失控风险告警系统、方法、设备和介质

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