CN115097343A - 锂离子电池热特性分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种锂离子电池热特性分析系统及方法。所述系统包括：电池测试装置、红外热成像检测装置、温度保护装置和警报装置，且各装置间能够相互反馈，获得锂离子电池在充放电过程中的表面温度分布图像，进而分析得到其表面温度数据，并对表面温度超过最高使用温度的情况进行警报和保护控制。本公开的方案，能够对锂离子电池整体的温度进行连续面测量，且测量精度高，通过分析快速得到更直观的温度变化数据以对充放电过程进行控制，从而降低锂离子电池的热失控风险，并为电池结构优化提供支撑。
Description
技术领域
本公开涉及测试技术领域，尤其涉及一种锂离子电池热特性分析系统及方法。
背景技术
锂离子电池具有比能量高、电池电压高、工作温度范围宽等优点，已广泛应用于储能电站、空间技术、电动汽车、无人机等领域。然而锂离子电池在工作过程中会大量产热致使电池表面温度升高，当表面温度过高时，会严重降低电池的热稳定性，从而影响其安全性能和使用寿命。
为采取安全措施以降低锂离子电池的热失控风险，或分析锂离子电池热失控形成的原因与机理，需要测量锂离子电池在充放电过程中的生热区域分布。对于相关技术中的检测，如将热电偶、热电阻等粘贴在锂离子电池表面进行取点测温，无法体现电池整体任意点的实时温度以及温度连续分布特征。
发明内容
有鉴于此，本公开的目的在于提出一种锂离子电池热特性分析系统及方法，以解决上述问题。
基于上述目的，本公开提供了一种锂离子电池热特性分析系统，包括：
电池测试装置、红外热成像检测装置、温度保护装置和警报装置；
所述电池测试装置，被配置为获取锂离子电池充放电过程的电性能数据，响应于满足预先设定的截止条件将第一警报信息发送至所述警报装置，并根据所述第一警报信息和/或接收到的所述温度保护装置的第二警报信息对锂离子电池的充放电过程进行控制；
所述红外热成像检测装置，被配置为基于所述电池测试装置对锂离子电池的控制，通过检测获得锂离子电池在充放电过程中的表面温度分布图像，并分析得到锂离子电池的表面温度数据，并将所述温度数据反馈到所述温度保护装置；
所述温度保护装置，被配置为根据接收到的所述红外热成像检测装置的锂离子电池的表面温度数据，响应于确定锂离子电池的表面温度大于预先设定的温度阈值，将第二警报信息发送至所述电池测试装置和警报装置；
所述警报装置，被配置为根据接收到的所述第一警报信息和第二警报信息开启警报。
基于同一技术构思，本公开还提供了一种锂离子电池热特性分析方法，包括：
获取锂离子电池充放电过程的电性能数据，响应于满足预先设定的截止条件将第一警报信息发送至警报装置，并根据所述第一警报信息和/或接收到的温度保护装置的第二警报信息对锂离子电池的充放电过程进行控制；
基于电池测试装置对锂离子电池的控制，通过检测获得锂离子电池在充放电过程中的表面温度分布图像，并分析得到锂离子电池的表面温度数据，并将所述温度数据反馈到所述温度保护装置；
根据接收到的红外热成像检测装置的锂离子电池的表面温度数据，响应于确定锂离子电池的表面温度大于预先设定的温度阈值，将第二警报信息发送至所述电池测试装置和警报装置；
根据接收到的所述第一警报信息和第二警报信息开启警报。
从上面所述可以看出，本公开提供的锂离子电池热特性分析系统及方法，由电池测试装置、红外热成像检测装置、温度保护装置和警报装置组成完整的系统，且各装置间能够相互反馈，获得锂离子电池在充放电过程中的表面温度分布图像，进而分析得到其表面温度数据，并对表面温度超过最高使用温度的情况进行警报和保护控制。本公开的方案，能够对锂离子电池整体的温度进行连续面测量，且测量精度高，通过分析快速得到更直观的温度变化数据以对充放电过程进行控制，从而降低锂离子电池的热失控风险，并为电池结构优化提供支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例的锂离子电池热特性分析系统的结构示意图；
图2为本公开实施例的电池测试装置的结构示意图；
图3为本公开实施例的红外热成像检测装置的结构示意图；
图4为本公开实施例的锂离子电池热特性分析方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图对本公开的实施例进行详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
锂离子电池具有比能量高、电池电压高、工作温度范围宽等优点，已广泛应用于储能电站、空间技术、电动汽车、无人机等领域。然而依然存在一些限制锂离子电池的工作性能的因素，电池表面温度是主要的影响因素。锂离子电池的使用温度为-10～80℃，则锂离子电池的表面温度过高时，会严重降低其热稳定性，导致电池不能正常工作，甚至发生自燃、爆炸等安全事故；锂离子电池的表面温度过低时，会使其容量降低进而发生不可逆反应，导致电池报废。因此，需要实时检测锂离子电池的表面温度。
对于相关技术中的锂离子电池表面温度的测量，主要为接触式测温法，将温度传感器直接与锂离子电池表面接触，如将热电偶、热电阻等粘贴在锂离子电池表面进行取点测温，温度传感器与电池通过充分热交换达到热平衡，进而获得电池表面温度。然而，上述的锂离子电池表面温度的测试方法，有限固定点的温度数据无法体现电池整体任意点的实时温度以及温度连续分布特征，并且无法忽略因温度传感器的设置位置不合适导致的偶然性和测量误差。此外，工作流程繁复，需要对电池进行加持以及对温度传感器进行固定等，且加持操作容易导致电池表观发生损坏。
鉴于此，本公开提供了一种锂离子电池热特性分析方案，由电池测试装置、红外热成像检测装置、温度保护装置和警报装置组成完整的系统，且各装置间能够相互反馈，获得锂离子电池在充放电过程中的表面温度分布图像，进而分析得到其表面温度数据，并对表面温度超过最高使用温度的情况进行警报和保护控制。本公开的方案，能够对锂离子电池整体的温度进行连续面测量，且测量精度高，通过分析快速得到更直观的温度变化数据以对充放电过程进行控制，从而降低锂离子电池的热失控风险，并为电池结构优化提供支撑。
本公开实施例的一种锂离子电池热特性分析系统可应用于多种不同类型的锂离子电池。具体的，可以包括方形锂离子电池(例如铝壳或钢壳方形锂离子电池)、圆柱锂离子电池(例如钢壳圆柱磷酸铁锂离子电池)以及软包式锂离子电池。锂离子电池的宽度、长度、厚度、重量、容量等，本公开实施例中不做限定。
图1示出了本公开实施例所提供的锂离子电池热特性分析系统100的结构示意图。
参考图1所示，本公开实施例提供的锂离子电池热特性分析系统100可以包括：
电池测试装置101，被配置为获取锂离子电池充放电过程的电性能数据，响应于满足预先设定的截止条件将第一警报信息发送至警报装置104，并根据所述第一警报信息和/或接收到的温度保护装置103的第二警报信息对锂离子电池的充放电过程进行控制；
红外热成像检测装置102，被配置为基于电池测试装置101对锂离子电池的控制，通过检测获得锂离子电池在充放电过程中的表面温度分布图像，并分析得到锂离子电池的表面温度数据，并将所述温度数据反馈到温度保护装置103；
温度保护装置103，被配置为根据接收到的红外热成像检测装置102的锂离子电池的表面温度数据，响应于确定锂离子电池的表面温度大于预先设定的温度阈值，将第二警报信息发送至电池测试装置101和警报装置104；
警报装置104，被配置为根据接收到的所述第一警报信息和第二警报信息开启警报。
本实施例中，电池测试装置101对锂离子电池进行电性能测试和安全性测试，并控制锂离子电池的充放电状态，以提高电池的安全可靠性。
本实施例中，电池测试装置101的正负两极分别通过电线与鳄鱼夹相连，所述鳄鱼夹与极耳连接螺栓相连，所述极耳连接螺栓分别与锂离子电池的正极极耳和负极极耳相连，以使锂离子电池与电池测试装置101处于通路状态。
如图2所示，在一些可选的实施例中，电池测试装置101可以进一步包括：第一采集模块1011、保护模块1012和控制模块1013。
具体实施时，第一采集模块1011，被配置为获取锂离子电池充放电过程的电性能数据并存储到数据库中，以及将所述电性能数据发送到所述保护模块1012；
具体实施时，保护模块1012，被配置为根据接收到的所述第一采集模块1011的锂离子电池的电性能数据，响应于满足预先设定的截止条件，将第一警报信息发送至所述控制模块1013和警报装置104，并将所述第一警报信息存储到数据库中。
在一些实施例中，该第一采集模块1011对锂离子电池的电性能进行实时监测，监测参数可以包括电流、电压等，并将监测到的参数存储到数据库中以便后续对相关数据进行查询和分析。电流的实时检测可以防止电池因电流过大、电流波动而引发安全事故，电压的实时测量可以防止电池过充过放，因此，在锂离子电池的使用过程中对电流、电压进行监测能够实时掌握电池性能状态。
在一些实施例中，该预先设定的截止条件包括：锂离子电池充放电过程的截止电流、截止电压、截止容量。该截止电流、截止电压、截止容量分别指预先设定的电流阈值、电压阈值、容量阈值，响应于上述第一采集模块1011获取的锂离子电池的实时电流/电压/容量大于该预先设定的上限电流阈值/电压阈值/容量阈值，或小于下限电流阈值/电压阈值，保护模块1012输出第一警报信息。
具体的，以截止电压为例，响应于锂离子电池当前状态的电压大于上限电压阈值，继续对电池进行充电，会使得电池内部的隔膜被微小金属结晶刺破从而发生正负极的短路，电池内部温度急剧上升并且电解液气化，导致电解液气体撑破电池外壳或电池燃烧；响应于锂离子电池当前状态的电压小于下限电压阈值，继续对电池进行放电，会造成电池负极板层状塌落，使电解液中的锂离子数量减小，从而使电池容量下降，电池内阻增加，进而导致电池寿命缩短。
在一些实施例中，控制模块1013包括：
输出单元，被配置为根据接收到的所述保护模块1012的第一警报信息和/或所述温度保护装置103的第二警报信息输出充放电指令；
执行单元，被配置为执行所述充放电指令以对锂离子电池的充放电过程进行控制。
进一步的，该充放电指令包括：恒流充电指令、恒流放电指令、恒压充电指令、恒流-恒压充电指令、截止指令。以截止指令为例，控制模块1013的执行单元根据接收到的输出单元的该截止指令，断开继电器。
此外，在一些实施例中，控制模块1013还包括缓存单元，被配置为将上述第一警报信息和/或第二警报信息对应的充放电指令存储到数据库中，响应于满足自动控制条件直接控制锂离子电池的充放电过程。具体的，该自动控制条件为锂离子电池的实时电性能数据和/或表面温度数据与所述数据库中存储的第一警报信息和/或第二警报信息对应的锂离子电池的电性能数据和/或表面温度数据的差值小于预先设定的差值阈值。
图3示出了红外热成像检测装置102的结构示意图。本实施例中，锂离子电池会辐射出红外线，在锂离子电池的充放电过程中，随着温度变化，红外线的辐射强度与波长分布特性也随之改变。红外热成像检测装置102对锂离子电池进行红外线探测，以及进行信号处理、光电转换等，从而得到锂离子电池的表面温度分布的可视图像。
如图3所示，红外热成像检测装置102包括：
第二采集模块1021，被配置为对充放电过程中的锂离子电池表面进行扫描，获得锂离子电池表面的红外辐射能量并聚焦在分光探测模块1022；
分光探测模块1022，被配置为将所述红外辐射能量转换为电信号；
红外探测模块1023，被配置为将所述电信号转换为可见光图像信号并传输到显示模块1024；
显示模块1024，被配置为将接收到的所述可见光图像信号显示为红外热像图；
预处理模块1025，被配置为对所述红外热像图进行预处理以增强可读性，得到锂离子电池的表面温度分布图像；
通讯模块1026，被配置为将经过所述预处理的温度分布图像分析得到锂离子电池的表面温度数据并反馈到所述温度保护装置103。
在一些可选的实施例中，红外探测模块1023，具体被配置为将该电信号进行放大处理、转换处理，从而转换为可见光图像信号。
在一些可选的实施例中，该预处理可以包括：采用限制对比度自适应直方图均衡化算法增强图像，采用小波去噪法去除噪声。通过该预处理可以消除上述红外热像图的一些噪点信息，以增强有效信息的可读性，从而更大限度地优化数据信息，为后续图像的分析提供优质条件。
此外，在一些实施例中，温度保护装置103，具体被配置为将锂离子电池的使用温度区间的上限温度值(80℃)设置为温度阈值；接收红外热成像检测装置102输出的锂离子电池的表面温度数据，实时比较锂离子电池的表面温度与该温度阈值；响应于电池表面温度大于该温度阈值，输出第二警报信息，将该第二警报信息存储到数据库中，同时将该第二警报信息发送至电池测试装置101和警报装置104。
应当理解的是，本实施例中警报装置104报警后，操作人员可检查锂离子电池的充放电状态，响应于确定电池测试装置101未对锂离子电池的充放电过程进行有效控制，手动进行控制操作，以实现自动和人工双重保护。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本公开时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
基于同一技术构思，与上述任意实施例装置相对应的，本公开还提供了一种锂离子电池热特性分析方法。
参考图4，为本公开实施例的锂离子电池热特性分析方法的流程示意图。该方法可以包括以下步骤：
步骤S401、获取锂离子电池充放电过程的电性能数据，响应于满足预先设定的截止条件将第一警报信息发送至警报装置104，并根据所述第一警报信息和/或接收到的温度保护装置103的第二警报信息对锂离子电池的充放电过程进行控制。
本实施例中，根据该第一警报信息和/或第二警报信息输出充放电指令，执行该充放电指令以对锂离子电池的充放电过程进行控制。
步骤S402、基于电池测试装置101对锂离子电池的控制，通过检测获得锂离子电池在充放电过程中的表面温度分布图像，并分析得到锂离子电池的表面温度数据，并将所述温度数据反馈到温度保护装置103。
步骤S403、根据接收到的红外热成像检测装置102的锂离子电池的表面温度数据，响应于确定锂离子电池的表面温度大于预先设定的温度阈值，将第二警报信息发送至电池测试装置101和警报装置104。
步骤S404、根据接收到的所述第一警报信息和第二警报信息开启警报。
上述实施例的方法用于前述任一实施例中相应的锂离子电池热特性分析装置，并且具有相应的装置实施例的有益效果，在此不再赘述。
需要说明的是，上述对本公开的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种锂离子电池热特性分析系统，其特征在于，包括：电池测试装置、红外热成像检测装置、温度保护装置和警报装置；
所述电池测试装置，被配置为获取锂离子电池充放电过程的电性能数据，响应于满足预先设定的截止条件将第一警报信息发送至所述警报装置，并根据所述第一警报信息和/或接收到的所述温度保护装置的第二警报信息对锂离子电池的充放电过程进行控制；
所述红外热成像检测装置，被配置为基于所述电池测试装置对锂离子电池的控制，通过检测获得锂离子电池在充放电过程中的表面温度分布图像，并分析得到锂离子电池的表面温度数据，并将所述温度数据反馈到所述温度保护装置；
所述温度保护装置，被配置为根据接收到的所述红外热成像检测装置的锂离子电池的表面温度数据，响应于确定锂离子电池的表面温度大于预先设定的温度阈值，将第二警报信息发送至所述电池测试装置和警报装置；
所述警报装置，被配置为根据接收到的所述第一警报信息和第二警报信息开启警报。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池热特性分析系统，其特征在于，所述电池测试装置，包括：第一采集模块、保护模块和控制模块；
所述第一采集模块，被配置为获取锂离子电池充放电过程的电性能数据并存储到数据库中，以及将所述电性能数据发送到所述保护模块；
所述保护模块，被配置为根据接收到的所述第一采集模块的锂离子电池的电性能数据，响应于满足预先设定的截止条件，将第一警报信息发送至所述控制模块和警报装置，并将所述第一警报信息存储到数据库中；
所述控制模块包括：
输出单元，被配置为根据接收到的所述保护模块的第一警报信息和/或所述温度保护装置的第二警报信息输出充放电指令；
执行单元，被配置为执行所述充放电指令以对锂离子电池的充放电过程进行控制。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池热特性分析系统，其特征在于，所述红外热成像检测装置，包括：第二采集模块、分光探测模块、红外探测模块、显示模块、预处理模块和通讯模块；
所述第二采集模块，被配置为对充放电过程中的锂离子电池表面进行扫描，获得锂离子电池表面的红外辐射能量并聚焦在分光探测模块上；
所述分光探测模块，被配置为将所述红外辐射能量转换为电信号；
所述红外探测模块，被配置为将所述电信号转换为可见光图像信号并传输到显示模块；
所述显示模块，被配置为将接收到的所述可见光图像信号显示为红外热像图；
所述预处理模块，被配置为对所述红外热像图进行预处理以增强可读性，得到锂离子电池的表面温度分布图像；
所述通讯模块，被配置为将经过所述预处理的温度分布图像分析得到锂离子电池的表面温度数据并反馈到所述温度保护装置。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池热特性分析系统，其特征在于，所述温度保护装置，还包括：被配置为将所述第二警报信息存储到数据库中。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池热特性分析系统，其特征在于，所述电池测试装置的正负两极分别通过电线与鳄鱼夹相连，所述鳄鱼夹与极耳连接螺栓相连，所述极耳连接螺栓分别与锂离子电池的正极极耳和负极极耳相连，以使锂离子电池与所述电池测试装置处于通路状态。
6.根据权利要求1或2所述的锂离子电池热特性分析系统，其特征在于，所述预先设定的截止条件包括：锂离子电池充放电过程的截止电流、截止电压、截止容量。
7.根据权利要求2所述的锂离子电池热特性分析系统，其特征在于，所述控制模块，还包括：缓存单元，被配置为将所述第一警报信息和/或第二警报信息对应的充放电指令存储到数据库中，响应于满足自动控制条件直接控制锂离子电池的充放电过程；
其中，自动控制条件为锂离子电池的实时电性能数据和/或表面温度数据与所述数据库中存储的第一警报信息和/或第二警报信息对应的锂离子电池的电性能数据和/或表面温度数据的差值小于预先设定的差值阈值。
8.根据权利要求3所述的锂离子电池热特性分析系统，其特征在于，所述预处理包括：采用限制对比度自适应直方图均衡化算法增强图像，采用小波去噪法去除噪声。
9.一种锂离子电池热特性分析方法，其特征在于，包括：
获取锂离子电池充放电过程的电性能数据，响应于满足预先设定的截止条件将第一警报信息发送至警报装置，并根据所述第一警报信息和/或接收到的温度保护装置的第二警报信息对锂离子电池的充放电过程进行控制；
基于电池测试装置对锂离子电池的控制，通过检测获得锂离子电池在充放电过程中的表面温度分布图像，并分析得到锂离子电池的表面温度数据，并将所述温度数据反馈到所述温度保护装置；
根据接收到的红外热成像检测装置的锂离子电池的表面温度数据，响应于确定锂离子电池的表面温度大于预先设定的温度阈值，将第二警报信息发送至所述电池测试装置和警报装置；
根据接收到的所述第一警报信息和第二警报信息开启警报。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一警报信息和/或接收到的温度保护装置的第二警报信息对锂离子电池的充放电过程进行控制，包括：
根据所述第一警报信息和/或第二警报信息输出充放电指令；
执行所述充放电指令以对锂离子电池的充放电过程进行控制。
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| CN115327425A (zh) * | 2022-10-14 | 2022-11-11 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 基于统计的锂电池储能电站的多级异常检测方法及系统 |
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| CN115327425A (zh) * | 2022-10-14 | 2022-11-11 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 基于统计的锂电池储能电站的多级异常检测方法及系统 |
| CN115327425B (zh) * | 2022-10-14 | 2023-02-03 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 基于统计的锂电池储能电站的多级异常检测方法及系统 |
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