CN117477075A - 基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，包括：如电池电压大于铭牌电压且温度大于Tin_1，立即进行一级无损预警，同时进入二级预警判断；若检测到氢气，立即进入二级电池单体损伤预警，若未检测到氢气且温度大于Tin_2，同样进入二级电池单体预警，同时进入三级预警判断；若检测到电池泄压阀打开的特征声音，则直接进行三级电池破裂预警，若未检测到特征声音且电池温度大于Tin_3，则进行三级电池破裂预警，同时进入四级预警判断；若电池检测到大量白烟与明火，立即进行四级无法返回预警，若电池温度大于Tin_4，则同样进行四级无法返回预警。本发明有效针对不同阶段的热失控采取不同的安全策略，具有可靠性，选择性和灵敏性的特点。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体来说涉及一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法。
背景技术
在碳达峰碳中和研究加快、公转铁和公转水运输结构调整、国六排放全面实施的大背景下，短倒运输需求增加，进而拉动动力电池市场的增长，换电在一定程度上能够解决早期动力电池购置成本高、充电时间长等问题。同时，由于动力电池包储能量巨大，换电站消防安全和应急处置等问题引起了行业的广泛关注。
动力电池能量密度大、使用寿命长。然而在实际应用中，动力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，严重影响充换电站的安全稳定运行。因此，迫切需要研究动力电池热失控特性，探究热失控早期预警方法，解决充换电站安全管控问题。
从国内来看，相关机构主要从消防系统、消防设备、动力电池柜和应急处置方法等方面开展研究。为确保储能电站安全可靠运行，降低储能电池的火灾风险，目前对于动力电池温度探测方面，主要采用电池外部温度红外矩阵温度检测或热电偶温度检测，存在对电池内部温度变化检测缺失的问题；存在对于热失控早期预警检测装置以及阈值设置不合理的问题。在电池热失控发生后，由于传感器较为单一，存在对于电池热蔓延缺乏预警的问题。
以磷酸铁锂电池早期热失控及热扩散的特征气体参数为探测对象，对电池热失控状态进行预测预警，及早预测电池异常状态。采用与电池管理系统(BMS)智慧联动，提出多层次火灾报警控制策略，以控制电池舱爆炸风险隐患，保障储能系统安全。烟台创为新能源科技有限公司发明公开了一种储能电站预警及消防系统，该系统可以对探测信号进行相应的消防动作，但是并没有解决消防启动判断的依据。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点而提出的一种有效针对不同阶段的热失控采取不同的安全策略，具有可靠性，选择性和灵敏性的特点的基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法。
本发明的一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，包括以下步骤：
(1)一级无损预警，以基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度以及电压监测为双检测机制，通过电压数据判断电池是否过充，如电压数据小于铭牌电压，则电池正常，如电压数据大于铭牌电压，则需要电池内部温度数据进行一级电池无损预警热失控判断，设置其温度阈值Tin_1为电池散热与温升速率平衡的温度，若电池温度大于温度阈值Tin_1，则立即进行一级无损预警，同时进入二级电池单体预警判断机制；
(2)二级电池单体预警，以基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度检测以及氢气传感器为双判断机制，设置其温度阈值为Tin_2，若氢气传感器检测到氢气，则立即进入二级电池单体损伤预警，若未检测到氢气，则对温度进行判断，若温度大于温度阈值Tin_2，则同样进入二级电池单体预警，同时进入三级电池破裂预警判断机制；
(3)三级电池破裂预警，以基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度以及基于SVM的特征声音监测为双检测机制，设置其温度阈值Tin_3为电池SEI膜分解的温度，若电池检测到电池泄压阀打开的特征声音，则直接进行三级电池破裂预警，若未检测到特征声音，则对电池温度进行判断，若电池温度大于Tin_3，则进行三级电池破裂预警，同时进入四级无法返回预警判断机制；
(4)四级无法返回预警，以基于YOLOv3的目标图像识别预警与基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度为双检测机制，设置其温度阈值Tin_4为隔膜熔融的温度，若电池检测到大量白烟与明火的特征图像的产生，立即进行四级无法返回预警，若电池温度大于Tin_4，则同样进行四级无法返回预警。
上述的一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，其中：如电池温度小于温度阈值Tin_1，则电池正常。
上述的一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，其中：若控制器温度数据小于温度阈值Tin_2，则继续与温度阈值Tin_1对比，由此回到步骤(1)的一级无损预警。
上述的一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，其中：若小于温度阈值Tin_3，回到步骤(2)的电池单体预警。
上述的一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，其中：若小于温度阈值Tin_4，则回到步骤(3)的电池三级破裂预警。
本发明与现有技术相比，具有明显的有益效果，从以上技术方案可知：本发明采用对热失控等级以温度阈值作为区分，分为一级无损预警，二级电池单体预警，三级电池破裂预警，四级无法返回预警。每种预警程度分别含有双检测机制互相耦合以保证预警的有效性。本发明采用基于电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)的单频点阻抗检测来判断温度数据。EIS作为非破坏性和非植入性的方法，可以监测电池内部温度。EIS被称为“无传感器”的技术，因为不需要额外的硬件。同样的，EIS可以得到电池内部的温度数据，可以避免使用表面温度传感器的温度延迟现象。电池内部温度估算模型由单频阻抗数据得到，因此可以瞬时采集电池内部温度。采用基于单频点阻抗的温度传感器可以有效避免EIS全阻抗检测所需时间长，对处理器要求高的缺点，同时具有内部温度测量的特点。
本发明采用特征氢气传感器进行特征气体的预警。在热失控的极早期就可以对电池热失控进行预警，避免了目前大多数通过SEI膜分解产生有机气体预警的滞后性的问题，在电池温度处于常温的情况下就可以发出预警信号，因此对于后续的处理有更多的安全时间。
本发明采用了特征声音采集和特征图像处理的预警手段，电池热失控早期预警的中后阶段，本发明采用的预警方式能及时判别电池的热失控进程，避免了目前大多数预警对泄压阀打开隔膜熔融的检测还是基于温度的单一指标的不稳定和不可靠的问题。本发明采用的声音和图像预警采用算法避免人工检测的漏判错判问题。
本发明采用的四级预警方法针对热失控的发展过程分级为一级无损预警、二级电池单体预警、三级电池破裂预警、四级无法返回预警，有效地处理了热失控，在动力电池进入不归还温度之前进行预警措施确保生命财产安全。
附图说明
图1为动力电池早期四级预警方法流程图；
图2为基于YOLOv3的特征图像检测流程图；
图3为动力电池产热散热关系示意图；
图4为本发明与常用预警方法对比图。
具体实施方式
以下结合附图和较佳实施例，来对依据本发明提出的基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法的具体实施方式及其功效，详细说明如后。
本发明的一种基于四级预警策略的动力电池过充热失控早期预警方法，包括以下步骤：
试验样品：试验采用某磷酸铁锂动力电池，100％SOC状态下电压为3.65V。
试验平台：试验采用电池箱，其中一只为待试验电池，其余按照实际电池箱的电池排布，布置未加电芯的电池模型。电池箱内设有电压传感器，温度传感器，气体传感器，特征声音传感器，特征图像传感器，用以采集电池过充状态数据。
试验方案：试验中对电池箱中所述某磷酸铁锂电池单体进行过充直到热失控，模拟在实际场景下的电池单体过充，实验过程中通过各传感器实时监测特征参数。
热失控预警特征参数分析：如图1动力电池早期四级预警方法流程图所述，动力电池早期四级预警方法，按照电池内部各副反应触发的先后顺序以及检测顺序和严重程度设定了热失控四级预警，其中的每一级预警都含有温度以及相应的传感器耦合的双检测机制。
(1)一级电池无损预警，以基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度以及电压监测为双检测机制，设置其温度阈值Tin_1为电池散热与温升速率平衡的温度，基于电化学阻抗谱的单频点电池温度检测装置和BMS系统电压数据按照采样周期给控制器传输信息，通过电压数据判断电池是否过充，如电压数据小于铭牌电压，则电池正常，如电压数据大于铭牌电压，则需要电池内部温度数据进行一级电池无损预警热失控判断，通过散热系数以及电池种类得到温度阈值Tin_1，如内部温度传感器传回控制器的温度数据大于温度阈值Tin_1，则控制器进行热失控一级电池无损预警，同时进入二级电池单体预警判断机制，如小于温度阈值Tin_1，则电池正常。
电池过充过程中电池电压的数据如表1所示。
表1电池电压数据
在过充起始点，即SOC为100％时，电池电压为标称电压3.65V，随这过充的进行，电压会逐渐升高直到电池外壳破裂。
在一级电池无损预警中，基于BMS的电压数据会与SOC为100％时的电压数据进行实时比较，当电池电压超过标称电压时，则会进行一级无损预警的温度阈值Tin_1的判断，具体数据如表2所示。
表2电池温度实验结果
在温度阈值Tin_1的判断中，需要比较的是所设定阈值与电池实时温度，在一级无损预警中，所设温度阈值根据躲过氢气产生的最小温度来设定。且本发明采用单频点阻抗电池内部温度传感器，比常规的电池表面温度测量传感器提前约30s发出报警信号。
(2)二级电池单体预警，以基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度检测以及氢气传感器为双判断机制，设置其温度阈值为Tin_2。如果氢气传感器检测到氢气浓度异常增大，则立即进入热失控二级电池单体预警；若未检测到氢气的产生，则控制器会判断温度传感器的温度数据是否大于温度阈值Tin_2，若大于温度阈值Tin_2，则同样进入热失控二级电池单体预警，同时进入三级电池破裂预警判断机制，若控制器温度数据小于温度阈值Tin_2，则继续与温度阈值Tin_1对比，由此回到步骤(1)的一级无损预警。在大约983s后，氢气传感器检测到氢气的产生，试验结果如表3所述。
表3电池氢气试验结果
在表4中，氢气是最早产生，且在氢气产生之后，各类气体相继产生，之后电池内部压力增加导致泄压阀打开，因此本发明以氢气和泄压阀打开分别作为热失控二级电池单体预警、三级电池破裂预警阶段的判据是合理的。
表4特征气体传感器数据
(3)三级电池破裂预警，以基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度以及基于SVM的特征声音监测为双检测机制，设置其温度阈值Tin_3为电池SEI膜分解的温度。动力电池热失控在氢气产生之后，内部压力会持续增大，导致电池泄压阀打开，电池内部化学物质会与空气中的物质发生化学反应产生有机气体如甲烷、一氧化碳、丙烷等，因此针对电池热失控三级电池破裂预警，需要特征声音传感器进行电池泄压阀打开的声音识别，若声音传感器检测到泄压阀打开的特征声音，则立即开始三级电池破裂预警的警示。同样的，若检测到特征有机气体如甲烷、一氧化碳、丙烷等，同样开始三级电池破裂预警；温度检测一直在进行中，控制器收集的温度信息大于温度阈值Tin_3，则立即进行三级电池破裂预警，同时进入四级无法返回预警判断机制，若小于温度阈值Tin_3，回到步骤(2)的电池单体预警。表5表示对泄压阀打开的特征声音预警的试验结果。
表5特征声音传感器试验结果
(4)四级无法返回预警，以基于YOLOv3的目标图像识别预警与基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度为双检测机制，设置其温度阈值Tin_4为隔膜熔融的温度。YOLOv3为目标检测算法，如图2基于YOLOv3的特征图像检测流程图所示，通过骨干网络提取特征，颈部网络进行注意力机制重组，检测头进行输出的流程对特征图像进行监测，能有效监测电池烟气以及明火的产生。在四级无法返回预警中，最大的产热来源于隔膜的熔融，在隔膜熔融时，电池无法通过散热来降低自身温度，如图3动力电池产热散热关系示意图所示，在进入无法返回阶段后，电池自产热会越过电池最大自散热平衡点D，电池热失控无法返回，在不同环境温度下，其电池最大自散热平衡电不同。在热失控的四级无法返回阶段。隔膜的熔融产生了巨大的热量会使电池单体破裂并且释放大量的烟气，甚至有明火出现，在特征图像预警中需要识别隔膜熔融产生的大量烟气或者明火，若特征图像检测到烟气与明火的产生，则立即发出热失控四级无法返回预警，若未识别到特征图像，温度检测一直在进行中，控制器收集的温度信息大于温度阈值Tin_4，则立即进行四级无法返回预警，若小于温度阈值Tin_4，则回到步骤(3)的电池三级破裂预警。表6表示特征图像传感器的试验结果。
表6特征图像检测模型参数对比
当输入尺寸为416*416大小时，得到数据如上表所示。在GTX1660s硬件中的平均预测速率为57帧每秒，相较于主流检测模型，预测速率有明显提升，能较为精准的检测烟雾，满足了锂离子电池汽化电解液的安全预警。
如图4所示的实验结果表明，本发明相对于传统的动力电池预警方法在电池的热失控周期内，报警时间进一步提前，多种传感器耦合的方式进一步减少了误报率，提升了预警系统的可靠性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，包括以下步骤：
（1）一级无损预警，以基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度以及电压监测为双检测机制，通过电压数据判断电池是否过充，如电压数据小于铭牌电压，则电池正常，如电压数据大于铭牌电压，则需要电池内部温度数据进行一级电池无损预警热失控判断，设置其温度阈值Tin_1为电池散热与温升速率平衡的温度，若电池温度大于温度阈值Tin_1，则立即进行一级无损预警，同时进入二级电池单体预警判断机制；
（2）二级电池单体预警，以基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度检测以及氢气传感器为双判断机制，设置其温度阈值为Tin_2，若氢气传感器检测到氢气，则立即进入二级电池单体损伤预警，若未检测到氢气，则对温度进行判断，若温度大于温度阈值Tin_2，则同样进入二级电池单体预警，同时进入三级电池破裂预警判断机制；
（3）三级电池破裂预警，以基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度以及基于SVM的特征声音监测为双检测机制，设置其温度阈值Tin_3为电池SEI膜分解的温度，若电池检测到电池泄压阀打开的特征声音，则直接进行三级电池破裂预警，若未检测到特征声音，则对电池温度进行判断，若电池温度大于Tin_3，则进行三级电池破裂预警，同时进入四级无法返回预警判断机制；
（4）四级无法返回预警，以基于YOLOv3的目标图像识别预警与基于单频点阻抗温度检测的电池内部温度为双检测机制，设置其温度阈值Tin_4为隔膜熔融的温度，若电池检测到大量白烟与明火的特征图像的产生，立即进行四级无法返回预警，若电池温度大于Tin_4，则同样进行四级无法返回预警。
2.如权利要求1所述的一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，其中：如电池温度小于温度阈值Tin_1，则电池正常。
3.如权利要求1所述的一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，其中：若控制器温度数据小于温度阈值Tin_2，则继续与温度阈值Tin_1对比，由此回到步骤（1）的一级无损预警。
4.如权利要求1所述的一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，其中：若小于温度阈值Tin_3，回到步骤（2）的电池单体预警。
5.如权利要求1所述的一种基于四级预警策略的动力电池热失控早期预警方法，其中：若小于温度阈值Tin_4，则回到步骤（3）的电池三级破裂预警。
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2023
- 2023-12-08 CN CN202311682738.6A patent/CN117477075A/zh active Pending
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