CN115144753A - 梯次储能电池运行安全检测系统、方法及储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种梯次储能电池运行安全检测系统、方法及储能系统，在每个电芯至少三个表面上设置形变感测单元，并在电极端设置电压感测单元，以电池模组或电池簇为单元配置判定单元，构成对每个电池单元的检测系统；以电芯形变参数为特征向量，采用高斯回归模型对每个电池单元进行聚类分析，判断所有的电池单元是否仍然属于同一类别，若是，则正常，否则异常报警；在每次判断后，根据新的形变量动态特征重新计算高斯混合模型的相关参数，为下一次聚类分析提供初始参数；以同一个梯次储能系统中的电池单元为对比对象，并基于各自实际运行情况进行实时监控，使得对电池单元的运行安全监控更加可靠、准确、有效；对于形变异常的电池单元及时报警。
Description
【技术领域】
本发明属于电池包技术领域，特别是涉及一种梯次储能电池运行安全 检测系统、方法及储能系统。
【背景技术】
随着国内新能源汽车的市场保有量不断增加，车用动力电池将在未来 几年迎来持续增长的退役高峰。大部分车用退役动力电池的剩余容量仍能 达到原有容量的80％。为了促进循环经济的发展，退役动力电池通过梯次 利用的方式，应用到对电池性能要求较低的储能系统中，降低了电池的寿 命周期成本，提高了电池材料的利用率，减少了环境污染，对于推动新能 源汽车产业的完整闭环建设具有重要意义。
由于单体电芯电压太低，在梯次储能系统中，为了给设备提供足够的 电压，一般需要将很多电芯串联成电池模组使用，但是梯次储能电池之间 的性能失配会影响整个电池模组的性能。这种差异可能会造成个别梯次储 能电池的过充和过放，降低了储能系统中电池能量的利用率，大大减少了 梯次储能电池的使用寿命，严重时可能会引起着火或者爆等安全事故。
当前退役锂离子动力电池进入梯次储能系统应用前大部分都经过了拆 解-检测-筛选-重组等过程，但是梯次储能电池的很多指标参数在运行过程 中仍然会产生不一致的情况，此时的运行监测就与由全新电池成组的储能 电池系统有很大不同。当前对于串联电池组的运行安全监测绝大多数都是 基于全新电池组成电池系统而设计，仅对电芯电压、温度和整串电池的电 流进行监测，如专利公开号为CN114325447A公开的建立电池健康度评估模 型及评估的方法、系统及装置，该方法对于梯次储能电池并不完全适用。 当梯次储能电池在发生安全事故之前，电池会出现严重的鼓胀现象，并且 基于鼓胀现象可以事先感测到电池的断路、着火或者爆炸。因此，对于感 测电池的鼓胀现象的必要性已经出现，因此需要一种完善的、实时的、有 效的方法来检测梯次储能电池的状态，同时可对梯次储能电池运行情况进 行报警与保护，进行准确、实时的监测，做出恰当的分析，并迅速采用有 效措施，对确保梯次储能系统安全、有效、持久运行，避免财产损失具有 重要意义。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种梯次储能电池运行安全检测方法，能 够可靠的、准确的并实时的对梯次储能电池的运行状况进行监测，确保退 役锂离子动力电池进入到梯次储能利用环节的稳定运行与系统安全。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种梯次储能电池运行安全 检测方法，其包括以下步骤：
S1)搭建梯次储能系统：选择形变量变化特征属于同一类的电芯组成 一个电池模组，再由若干所述电池模组组成一个电池簇，再由若干所述电 池簇组成一个梯次储能系统；
S2)计算每个电芯的形变参数：
S21)采集每个电芯至少三个表面的形变数据分别为：Cx1、Cx2、Cx3；
S22)根据所述形变数据对应电芯表面上是否有电极为所述形变数据分 配对应的权重系数，分别为k1、k2、k3；
S23)电芯x的形变参数Cx为：
S3)计算电池单元t中所有电芯的形变参数：
其中，N为所述电池单元中的电芯总数；
S4)计算电池单元t的M维形变量动态变化特征向量xt：
S41)根据步骤S3)得到的形变参数构建形变参数曲线，以电芯电压变 化量ΔU＝u为步长，将形变量参数曲线划分为M个片段；
S42)计算每个所述片段的形变参数斜率为
S43)所述电池单元的M维形变量动态变化特征向量为 xt＝[σ1,σ2,…,σM]，t＝1,2,…,T，其中T为所述电池单元的总数；
S5)对所有所述电池单元对应的M维形变量动态变化特征向量采用高 斯回归模型进行聚类分析，得到T个分类结果，并判断是否存在异常；
S51)计算电池单元t对应的形变量动态变化特征向量xt属于第k类高斯 曲线的后验概率P(qtk＝1|xt)：
其中，P(xt|μj,Σj)为多元高斯分布，
初始状态下，πk、μk、Σk分别是步骤S1)所构建的梯次储能系统在成组分 容筛选过程中的K个高斯混合模型的参数相对应的混合系数、均值向量和协 方差矩阵；
S52)判断是否属于第k类：当qtk＝1时，则表示电池单元t的形变量动态 变化特征向量xt属于第k个分类；否则不属于第k个分类；
S53)重复步骤S51)～S52)，得到T个电池单元的分类结果，若所有电 池簇的分类结果相同，则正常；若存在不同的分类结果，则对对应的电池 单元进行报警；
S6)根据步骤S5)的结果，重新计算新的均值向量μk、混合系数πk、 协方差矩阵Σk，作为步骤S5)中的初始参数；其中，
S7)重复步骤S2)～步骤S6)，持续对梯次储能系统中的电池单元是否 存在异常进行监测。
进一步的，所述电池单元为电池簇或电池模组。
进一步的，所述形变数据的权重系数等于分配面积与电芯总面积的比 值。
进一步的，所述分配面积的计算方法为：若所述形变数据对应电芯表 面上不存在电极，则所述分配面积按照1倍面积计算；若存在一个电极，则 所述分配面积按照2倍计算；若存在两个电极，则所述分配面积按照4倍计 算。
进一步的，
其中，L1为电芯宽度；L2为电芯厚度；L3为电芯长度；
进一步的，所述S41)步骤中，所述M为：
本发明的另一目的在于提供一种梯次储能电池运行安全检测系统，其 包括
形变感测单元，耦合在每一个电芯的至少三个表面上，用于检测各电 芯自身以及各电芯之间的形变量；
电压感测单元，用于检测每一个电芯正负电极端的电压；以及
判定单元，用于综合判定所述梯次储能系统在运行过程中是否存在形 变异常；所述形变感测单元串联后与所述判定单元电连接，所述电压感测 单元采集的电压值上传至所述判定单元中；所述判定单元中写入实现上述 检测方法的程序算法。
进一步的，所述三个表面包括电芯正负电极所在的表面。
进一步的，所述三个表面选自电芯四周的四个表面中的三个，且包括 电芯正负电极所在的表面；同一个电芯上的所述形变感测单元设置在同一 高度平面位置。
本发明的还一目的在于提供一种梯次储能系统，包括上述检测系统， 每一个电芯配置三个所述形变感测单元和两个所述电压感测单元；多个电 芯组装构成一个电池模组，每一个电池模组配一个所述判定单元；多个电 池模组构成一个电池簇，多个所述电池簇构成所述梯次储能系统；所有的 电池模组的负极汇总形成电池总负，所有的电池模组的正极汇总形成电池 总正，所述电池总负和所述电池总正连接至储能变流器对应连接端；所有的所述判定单元电连接至能源管理系统，并与所述能源管理系统进行通讯。
与现有技术相比，本发明一种梯次储能电池运行安全检测系统、方法 及梯次储能系统的有益效果在于：在梯次储能系统中的每个电芯至少三个 表面上设置形变感测单元，并在电极端设置电压感测单元，以电池模组或 电池簇为单元配置判定单元，构成对每个电池单元的检测系统；基于电芯 形变参数作为动态特征向量，采用高斯回归模型对每个电池簇进行聚类分 析，每一次充放电循环运作之后，判断所有的电池簇是否仍然还属于同一类别，若属于同一类，则储能系统中，电芯运行正常，若有电池簇与其他 大多数电池簇不同类，则判定为异常；同时，在每次判断后，根据新的形 变量动态特征向量重新计算高斯混合模型的相关参数，为下一次高斯回归 聚类分析提供初始参数；以构成同一个梯次储能系统中的电池簇或电池模 组为对比对象，并基于各自的实际运行情况进行实时的监控，使得对电池 簇或电池模组的运行安全监控更加可靠、准确、有效；对于形变异常的电 池簇或电池模组及时的进行报警，确保退役锂离子动力电池进入到梯次储 能利用环节的稳定运行与系统安全。
【附图说明】
图1为本发明实施例的流程结构示意图；
图2为本发明实施例中形变感测单元在电芯上的设置结构示意图；
图3为本发明实施例中形变感测单元与判定单元的连接结构示意图；
图4为本发明实施例中电压感测单元在电芯上的设置结构示意图之一；
图5为本发明实施例中电压感测单元在电芯上的设置结构示意图之二；
图6为本发明实施例中电压感测单元与判定单元的连接结构图之一；
图7为本发明实施例中电压感测单元与判定单元的连接结构图之二；
图8为本发明实施例中检测系统在电池模组中的布置结构示意图之一；
图9为本发明实施例中检测系统在电池模组中的布置结构示意图之二；
图10为本发明实施例中梯次储能系统的结构示意图。
【具体实施方式】
实施例一：
请参照图1-图10，本实施例一种梯次储能电池运行安全检测系统，其包 括：形变感测单元，该形变感测单元耦合在电池模组内各个电芯的表面， 用于检测各电芯自身以及各电芯之间的形变量；电压感测单元，用于检测 电池模组内各个电芯的电压；以及判定单元，用于综合判定储能电池模组 在运行过程中是否存在安全隐患。
每一个电芯的至少三个表面上耦合有所述形变感测单元C1、C2、C3， 所述三个表面包括电芯正负电极所在的一侧表面。所述三个表面选自电芯 四周的四个表面中的三个。所述形变感测单元选自光纤传感器、位移传感 器或表面形变传感器。同一个电芯上的所述形变感测单元优选的设置在同 一高度平面位置。对于由正负电极位于同一侧的电芯组成的电池模组，所 述形变感测单元布置于电极侧及另外两个表面；而对于由正负电极位于不同侧的电芯组成的电池模组，所述形变感测单元布置于两个电极侧及另外 一个表面。
每一个电芯的电极端均设置有一个所述电压感测单元U1、U2，用于侦 测电池模组内电芯的电极电压。所述电压感测单元选自采样电阻、霍尔电 压传感器或电压传感器。对于由正负电极位于同一侧的电芯组成的电池模 组，所述电压感测单元布置于正负电极处；而对于由正负电极位于不同侧 的电芯组成的电池模组，所述电压感测单元分别布置于两个电极处。
所有的所述形变传感器以及所有的所述电压感测单元均电连接至所述 判定单元中，在所述判定单元中，根据所述电压感测单元采集得数据计算 每个电芯的正负极电压差。
本实施例还提供了一种梯次储能系统，其包括：每一个电芯配置三个 所述形变感测单元和两个所述电压感测单元；多个电芯组装构成一个电池 模组，每一个电池模组配一个所述判定单元；多个电池模组构成一个电池 簇，多个所述电池簇构成梯次储能系统。所有的电池模组的负极汇总形成 电池总负，所有的电池模组的正极汇总形成电池总正，所述电池总负和所 述电池总正连接至储能变流器对应连接端；所有的所述判定单元电连接至能源管理系统，并与所述能源管理系统进行通讯。
所述梯次储能系统的电芯采用高斯回归模型进行聚类筛选获得。
本实施例还提供了一种梯次储能电池运行安全检测方法，其包括以下 步骤：
S1)搭建梯次储能系统：为保证梯次储能系统一致性，在梯次储能系 统成组分容筛选过程中，对电芯形变量动态变化特征，通过高斯回归模型 进行聚类分析，再选取属于同一类的N个电芯组成一个电池模组；将S个电 池模组构成一个电池簇，将T个电池簇构成所述梯次储能系统；
S2)计算每个电芯的形变参数：同一个电池模组内所有的形变感测单 元串联后与判定单元连接，每节电芯x，均有3个形变感测单元，其采集值 分别为：Cx1、Cx2、Cx3，根据各形变感测单元所布置面的面积(不存在电极 的表面，按照1倍面积计算；存在1个电极的表面，面积按照2倍计算；存在 2个电极的面，面积按照4倍计算)与电芯总面积比值，得到3个形变感测单元 对应的权重系数分别为k1、k2、k3：
其中，L1为电芯宽度；L2为电芯厚度；L3为电芯长度；则电芯x的形变参数 为：
S3)计算电池簇t中所有电芯的形变参数：由N节电芯组成的电池模组 可以获得N个电芯形变量参数：
由S个N节电芯组成的电池模组构成一个电池簇，可以获得S×N个电芯 形变量参数：
S4)计算电池簇t的M维形变量动态变化特征向量xt：
S41)根据S×N个电芯形变参数构建形变参数曲线，以电芯电压变化量 ΔU＝u为步长(如0.1V)，将形变量参数曲线划分为M个片段，其中，
本实施例中M＝(3.7V-2.7V)/0.1V＝10；
S42)计算每个所述片段的形变参数斜率为
则电池 簇t的M＝10维形变量动态变化特征向量为xt＝[σ1,σ2,…,σM]，t＝1,2,…,T；
S5)对T个电池簇对应的M维形变量动态变化特征向量xt采用高斯回归 模型进行聚类分析，得到T个电池簇的分类结果，并判断是否存在异常；
S51)计算形变量动态变化特征向量xt属于第k类高斯曲线的后验概率 P(qtk＝1|xt)：
其中，P(xt|μj,Σj)为多元高斯分布，
初始状态下，πk、μk、Σk分别是步骤S1)所构建的梯次储能系统在成组分 容筛选过程中的K个高斯混合模型的参数相对应的混合系数、均值向量和协 方差矩阵；
S52)判断是否属于第k类：当qtk＝1时，则表示电池簇t的形变量动态变 化特征向量xt属于第k个分类；否则不属于第k个分类；
S53)重复步骤S51)～S52)，得到T个电池簇的分类结果，若所有电池 簇的分类结果相同，则正常；若存在不同的分类结果，则对对应的电池簇 进行报警；
S6)根据步骤S5)的结果，重新计算新的均值向量μk、混合系数πk、 协方差矩阵Σk，作为步骤S5)中的初始参数进行更新迭代；其中，
S7)重复步骤S2)～步骤S6)，持续对梯次储能系统中的电池簇是否存 在异常进行监测。
通过高斯回归模型对梯次储能电池在运行过程中的动态变化特征持续 进行聚类分析，监控梯次储能系统中电池模组在运行过程中的动态变化趋 势是否一致，并迭代更新参数，进而实现对退役电池在运行过程中的形变 量变化进行监测。
在梯次储能系统运行过程中，梯次储能电池根据即有策略进行充放电 循环运行时，继续面向每个电池进行迭代。当该梯次储能系统当中所有电 池在运行过程中的形变量参数特征仍然归属于同一分类时，则说明运行过 程正常；当有电池形变量参数特征出现异化，与其它电池的形变量参数特 征不归属于同一分类时，则说明在运行过程中有电池模组存在形变异常， 系统告警。
本实施例梯次储能电池运行安全检测系统、方法及储能系统，在梯次 储能系统中的每个电芯至少三个表面上设置形变感测单元，并在电极端设 置电压感测单元，以电池模组或电池簇为单位配置判定单元，构成对每个 电池模组或电池簇的检测系统；基于电芯形变参数作为动态特征向量，采 用高斯回归模型对每个电池簇进行聚类分析，每一次充放电循环运作之后， 判断所有的电池簇是否仍然还属于同一类别，若属于同一类，则储能系统中，电芯运行正常，若有电池簇与其他大多数电池簇不同类，则判定为异 常；同时，在每次判断后，根据新的形变量动态特征向量重新计算高斯混 合模型的相关参数，为下一次高斯回归聚类分析提供初始参数；以构成同 一个梯次储能系统中的电池簇为对比对象，并基于各自的实际运行情况进 行实时的监控，使得对电池簇的运行安全监控更加可靠、准确、有效；对 于形变异常的电池簇或电池模组及时的进行报警，确保退役锂离子动力电 池进入到梯次储能利用环节的稳定运行与系统安全。
实施例二：
本实施例为一种梯次储能电池运行安全检测方法，其与实施例一中的 检测方法基本相同，其区别在于：本实施例以电池模组为单位，对同一电 池簇中各电池模组进行比较分析，对异常的电池模组进行报警。具体的， 其包括以下步骤：
S1)搭建梯次储能系统：为保证梯次储能系统一致性，在梯次储能系 统成组分容筛选过程中，对电芯形变量动态变化特征，通过高斯回归模型 进行聚类分析，再选取属于同一类的N个电芯组成一个电池模组；将S个电 池模组构成一个电池簇，将T个电池簇构成所述梯次储能系统；
S2)计算每个电芯的形变参数：同一个电池模组内所有的形变感测单 元串联后与判定单元连接，每节电芯x，均有3个形变感测单元，其采集值 分别为：Cx1、Cx2、Cx3，根据各形变感测单元所布置面的面积(不存在电极 的表面，按照1倍面积计算；存在1个电极的表面，面积按照2倍计算；存在 2个电极的面，面积按照4倍计算)与电芯总面积比值，得到3个形变感测单元 对应的权重系数分别为k1、k2、k3：
其中，L1为电芯宽度；L2为电芯厚度；L3为电芯长度；则电芯x的形变参数 为：
S3)计算电池模组s中所有电芯的形变参数：由N节电芯组成的电池模 组可以获得N个电芯形变量参数：
S4)计算电池模组s的M维形变量动态变化特征向量xs：
S41)根据N个电芯形变参数构建形变参数曲线，以电芯电压变化量 ΔU＝u为步长(如0.1V)，将形变量参数曲线划分为M个片段，其中，
本实施例中M＝(3.7V-2.7V)/0.1V＝10；
S42)计算每个所述片段的形变参数斜率为
则电池 簇t的M＝10维形变量动态变化特征向量为xs＝[σ1,σ2,…,σM]，s＝1,2,…,S；
S5)计算S个电池模组对应的M维形变量动态变化特征向量xs采用高斯 回归模型进行聚类分析，得到S个电池模组的分类结果，并判断是否存在异 常；
S51)计算形变量动态变化特征向量xs属于第k类高斯曲线的后验概率 P(qsk＝1|xs)：
其中，P(xs|μj,Σj)为多元高斯分布，
初始状态下，πk、μk、Σk分别是步骤S1)所构建的梯次储能系统在成组分 容筛选过程中的K个高斯混合模型的参数相对应的混合系数、均值向量和协 方差矩阵；
S52)判断是否属于第k类：当qsk＝1时，则表示电池模组s的形变量动态 变化特征向量xs属于第k个分类；否则不属于第k个分类；
S53)重复步骤S51)～S52)，得到S个电池模组的分类结果，若所有电 池模组的分类结果相同，则正常；若存在不同的分类结果，则对对应的电 池模组进行报警；
6)根据步骤S5)的结果，重新计算新的均值向量μk、混合系数πk、协 方差矩阵Σk，作为步骤S5)中的初始参数进行更新迭代；其中，
7)重复步骤S2)～步骤S6)，持续对梯次储能系统中的电池模组是否存 在异常进行监测。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。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 (10)
1.一种梯次储能电池运行安全检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1)搭建梯次储能系统：选择形变量变化特征属于同一类的电芯组成一个电池模组，再由若干所述电池模组组成一个电池簇，再由若干所述电池簇组成一个梯次储能系统；
S2)计算每个电芯的形变参数：
S21)采集每个电芯至少三个表面的形变数据分别为：Cx1、Cx2、Cx3；
S22)根据所述形变数据对应电芯表面上是否有电极为所述形变数据分配对应的权重系数，分别为k1、k2、k3；
S23)电芯x的形变参数Cx为：
S3)计算电池单元t中所有电芯的形变参数：
其中，N为所述电池单元中的电芯总数；
S4)计算电池单元t的M维形变量动态变化特征向量xt：
S41)根据步骤S3)得到的形变参数构建形变参数曲线，以电芯电压变化量ΔU＝u为步长，将形变量参数曲线划分为M个片段；
S42)计算每个所述片段的形变参数斜率为
S43)所述电池单元的M维形变量动态变化特征向量为xt＝[σ1,σ2,…,σM]，t＝1,2,…,T，其中T为所述电池单元的总数；
S5)对所有所述电池单元对应的M维形变量动态变化特征向量采用高斯回归模型进行聚类分析，得到T个分类结果，并判断是否存在异常；
S51)计算电池单元t对应的形变量动态变化特征向量xt属于第k类高斯曲线的后验概率P(qtk＝1|xt)：
其中，P(xt|μj,Σj)为多元高斯分布，
初始状态下，πk、μk、Σk分别是步骤S1)所构建的梯次储能系统在成组分容筛选过程中的K个高斯混合模型的参数相对应的混合系数、均值向量和协方差矩阵；
S52)判断是否属于第k类：当qtk＝1时，则表示电池单元t的形变量动态变化特征向量xt属于第k个分类；否则不属于第k个分类；
S53)重复步骤S51)～S52)，得到T个电池单元的分类结果，若所有电池簇的分类结果相同，则正常；若存在不同的分类结果，则对对应的电池单元进行报警；
S6)根据步骤S5)的结果，重新计算新的均值向量μk、混合系数πk、协方差矩阵Σk，作为步骤S5)中的初始参数；其中，
S7)重复步骤S2)～步骤S6)，持续对梯次储能系统中的电池单元是否存在异常进行监测。
2.如权利要求1所述的梯次储能电池运行安全检测方法，其特征在于：所述电池单元为电池簇或电池模组。
3.如权利要求1所述的梯次储能电池运行安全检测方法，其特征在于：所述形变数据的权重系数等于分配面积与电芯总面积的比值。
4.如权利要求3所述的梯次储能电池运行安全检测方法，其特征在于：所述分配面积的计算方法为：若所述形变数据对应电芯表面上不存在电极，则所述分配面积按照1倍面积计算；若存在一个电极，则所述分配面积按照2倍计算；若存在两个电极，则所述分配面积按照4倍计算。
5.如权利要求4所述的梯次储能电池运行安全检测方法，其特征在于：
其中，L1为电芯宽度；L2为电芯厚度；L3为电芯长度。
6.如权利要求1所述的梯次储能电池运行安全检测方法，其特征在于：所述S41)步骤中，所述M为：
7.一种梯次储能电池运行安全检测系统，其特征在于：其包括
形变感测单元，耦合在每一个电芯的至少三个表面上，用于检测各电芯自身以及各电芯之间的形变量；
电压感测单元，用于检测每一个电芯正负电极端的电压；以及
判定单元，用于综合判定所述梯次储能系统在运行过程中是否存在形变异常；所述形变感测单元串联后与所述判定单元电连接，所述电压感测单元采集的电压值上传至所述判定单元中；所述判定单元中写入实现如权利要求1所述检测方法的程序算法。
8.如权利要求7所述的梯次储能电池运行安全检测系统，其特征在于：所述三个表面包括电芯正负电极所在的表面。
9.如权利要求7所述的梯次储能电池运行安全检测系统，其特征在于：所述三个表面选自电芯四周的四个表面中的三个，且包括电芯正负电极所在的表面；同一个电芯上的所述形变感测单元设置在同一高度平面位置。
10.一种梯次储能系统，其特征在于：包括如权利要求7所述的检测系统，每一个电芯配置三个所述形变感测单元和两个所述电压感测单元；多个电芯组装构成一个电池模组，每一个电池模组配一个所述判定单元；多个电池模组构成一个电池簇，多个所述电池簇构成所述梯次储能系统；所有的电池模组的负极汇总形成电池总负，所有的电池模组的正极汇总形成电池总正，所述电池总负和所述电池总正连接至储能变流器对应连接端；所有的所述判定单元电连接至能源管理系统，并与所述能源管理系统进行通讯。
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