CN117549795A - 一种锂电池过热保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池过热保护系统及方法，通过将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取，对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，根据判断出电池所处状态后验，进入热失控报警检测模块，若电池表面高温区域面积大小和面积变化率达到热失控报警阈值，则进行热失控报警并显示电池异常情况，锂电池的高温位置特征判断锂电池所处的状态，判断出锂电池过充、外部短路和内部隔膜热穿刺状态后，检测电池高温区域面积变化率并进行热失控报警，通过对锂电池热失控状态的检测准确率较高，实现对电池的实时监控和热失控报警，提高对热失控进行检测的精准度和过热保护。

Description

一种锂电池过热保护系统及方法

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，尤其涉及一种锂电池过热保护系统及方法。

背景技术

随着锂电池成本的降低，以及电动自行车和电动三轮车对续航里程的要求增加，电动自行车和电动三路车的电池逐渐的由铅酸电池替代成为锂电池，锂电池有较高的能量密度，大多数在开发基于锂电子电池时，锂电池由于过充、过放电等一些情况导致不能遵循固有的电学特性时，会造成锂电池的电滥用，当锂电池因为外部加热或内部电化学反应导致热量过高时，会引发锂电池的热滥用，锂电池内部会出现连续放热反应，这些放热反应会产生相当可观的热量，形成了从放热到电池温度上升再到发生放热反应的循环，最终导致了锂电池的热失控，电动自行车或者电动三轮车经常会出现因电池自燃而产生了严重的安全事故，所以电动自行车和电动三轮车的锂电池的热管理也同样重要。然而，大多锂电池监测系统主要利用电池内阻、温度和电压数据，按照人为设定的阈值来对锂电池状态进行动态判断，这样只能在锂电池故障发生后出现告警，而不能实现主动发现提前告警，可见传统的锂电池管理系统对告警的判断依赖于单个或多个阈值，锂电池的检测准确性不高，从而降低了锂电池使用的安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可以对电池的性能进行检测、对锂电池热失控状态的检测准确率较高和电池的实时监测和热失控报警的锂电池过热保护系统及方法，来解决上述存在的技术问题，具体采用以下技术方案来实现。

第一方面，本发明提供了一种锂电池过热保护系统，包括：

图像采集模块，用于将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，其中，锂电池成像包括图像灰度化、图像腐蚀与膨胀；

图像处理模块，用于对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取；

电池状态检测模块，用于对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，其中，先判断图像中是否出现高温区域，若电池表面出现高温区域且高温区域位于电池电极处，则判断为电池处于外部短路状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积未超过预设像素点，则判断为电池处于内部隔膜热刺穿状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积超过预设像素点，则判断为电池处于过充状态；

热失控报警模块，用于根据判断出电池所处状态后验，进入热失控报警检测模块，若电池表面高温区域面积大小和面积变化率达到热失控报警阈值，则进行热失控报警并显示电池异常情况。

作为上述技术方案的进一步优选，对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，包括：

采用多尺度多维度多物理场算法MSMD建立锂电池模型的颗粒域、电极域和电池单元域三个相互独立的求解域，每个域内均有独立的坐标系对该域中的求解变量进行计算，计算时间短多尺度多维度多物理场算法MSMD的NTGK模型并融入热滥用模型，则电池的导热微分方程为ρc_p＝其中ρ表示电池密度，K表示电池导热率，T表示温度，Q_t表示电化学生热模型中的热源，c_p表示空气比热容，热源的表达式为Q_t＝Q_r+Q_s+Q_j+Q_p，Q_r为电池电化学反应的产热的表达式为/> V表示电池电压，U表示拟合电压-电流密度曲线得到的截距，J_r表示电化学反应产生的体积电流传输速率的表达式为Y表示拟合电压-电流密度曲线得到斜率的倒数，H_n表示电池额定容量，H_r表示电池充放电中获取U与Y参数的电池容量，Vo表示单个电池活性区域的体积；

电流密度用面积形式表征的表达式为J＝Y(V_P-V_N-U)，其中J表示电池面积电流传输率，V_P表示正电极电位，V_N表示负电极电位，Y和U均与放电深度有关且需要逆合成放电深度的函数，放电深度的关系式为 Y和U分别为放电深度DOD的函数，对应的表达式为/>其中，令上式中的大括号内为U0和Y₀，即U₀为/>Y₀为/>U₀和Y₀均为25℃时的值，T表示所处环境的开氏温标值，T_r为25℃，C₁和C₂表示确定U和Y的温度依赖性的常数，即温度修正系数；

Q_j表示电池充放电过程中的焦耳热的表达式为Q_j＝I²R_j；Q_p表示电池的极化热，电池中有电流流过时，会使电位偏移平衡电位，产生极化内阻，极化内阻产生的热量即为极化热；Q_s表示电池的副反应热，包括电解液的分解、正负极的变性、SEI膜的产生和分解。

作为上述技术方案的进一步优选，SEI膜的分解反应发生在电极，反应发生温度在90～120℃范围，对应的方程为 S_SEI＝H_SEIW_cR_SEI和/>其中，H_SEI表示反应的单位放热量，W_c表示碳的含量，R_SEI表示反应速率，A_SEI表示反应的频率因子，E_a，SEI表示反应活化能，R表示通用气体常数，m_SEI表示反应级数，C_SEI表示SEI中不稳定锂所占的比值。

作为上述技术方案的进一步优选，对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取，包括：

电池热成像中的不同温度对应不同的颜色，将外部短路、内部隔膜热刺穿和过充时的电池热成像进行灰度化，图像灰度等级G的取值范围为0≤G≤255，不同的灰度等级对应热成像中不同的颜色。

作为上述技术方案的进一步优选，采集电池过充、外部短路和内部隔膜热刺穿三种情况下表面声纹过程的表面高温区域面积变化情况，采用高斯逼近模型、多项式模型、正弦模型对面积变化情况进行拟合，高斯逼近模型的表达式为其中待估参数a₁表示高斯曲线的峰值，b₁表示峰值对应的坐标位置，c₁表示标准差；

多项式拟合模型的表达式为y＝P₀xⁿ+P₁x^n-1+P₂x^n-2+P₃x^n-3+...+P_n，其中，P₀、P₁...P_n表示多项式系数，正弦拟合的表达式为y′＝a₁*sinb₁x+c₁，其中，a₁、b₁和c₁表示正弦系数，将实测数据和推理数据之间相隔系数的平方值记为R的表达式为R的值越接近1则表示数据拟合的月成功；

SSR表示预测数据与原始数据均值之差的平方和，SSR的表达式为其中w_i表示系数，/>表示预测数据，/>表示原始数据均值；SST表示原始数据和均值之差的平方和的表达式为/> 其中，w_i表示系数，y_i表示原始数据，/>表示原始数据均值之差；SSE表示拟合数据和原始数据对应点误差的平方和，和方差的数值越接近0则表示数据拟合的越成功，SSE的表达式为 其中w_i表示系数，y_i表示原始数据，/>表示预测数据，将误差均方根记为RMSE的表达式为/>误差均方根的值越小表示数据拟合的越成功。

作为上述技术方案的进一步优选，热失控报警模块包括电池温度模型构建单元，建立电池温度变化模型，使用参数α来表示电池温度自然冷却状况，即每分钟温度自然变化的表达式为ΔT_n＝α(T₀-T_c)，其中T₀表示环境温度，T_c表示电池温度，电池自发热的每分钟温度变化为ΔT_c＝βL，其中β表示参数系数，L表示电池工作电流，得到温度变化曲线T_c＝∫(α(T₀-T_c)+βL)dt；

通过建立的温度曲线模型结合外部加热模块根据比热容公式确定电池升温所需的能量的表达式为Q＝k₀ΔT；

集合能量转换效率和加热功率，对应的电池热能增量表达式为Q′＝ηPt，得到外部加热给电池带来的温度变化的表达式为ΔT＝kPt，其中k表示结合电池质量、比热容、能量转换效率得到的参数，t表示加热时间，P表示加热功率，Q表示能量消耗，ΔT表示加热带来的温度变化，最终得到电池温度曲线模型的表达式为T′_c＝∫(α(T₀-T_c)+βL+kP)dt。

作为上述技术方案的进一步优选，热失控报警模块还包括电池电量估算单元，电池荷电状态SOC用于表征电池所剩可用容量即在固定电流下放电，当前电池所剩余的可放电电量与总的可充电电量的比值的表达式为其中Q₁表示电池在计算时刻的剩余电量，Q₀表示电池的总容量；

采用安时积分法对SOC进行估算，预设电池的初始SOC值为SOC₀，则当前的SOC₁值为其中c_t表示电池的额定容量，η表示与电池温度和放电倍率有关的影响因子，I表示电池的充放电电流。

作为上述技术方案的进一步优选，将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，其中，锂电池成像包括图像灰度化、图像腐蚀与膨胀，包括：

对彩色图像每个像素点的R、G、B分量进行统计，取三个分两种亮度最大的分量作为图像的灰度值，对三个分量的亮度值进行平均，将平均值作为图像的灰度值；

预设A为原始图像，a为图像A中的元素，B为结构元素，b为结构元素原点，则图像腐蚀和膨胀的表达式分别为膨胀和其中A被b平移后的结果表示为A_b＝{a+b|a∈A}。

作为上述技术方案的进一步优选，建立电池热模型需要电池内外的热平衡为其中ρ表示电池密度，C_p表示平均热容量，T表示电池温度，Q_AH表示单位体积的热量累积，Q_gen表示电池运行过程中的产热量，Q_dis表示热量散失；

预设电池温度时恒定的，则产热速率的表达式为 其中i表示单位体积的电流，iV表示电功率，U_j，avg表示在平均组成下反应j的开路电位。

第二方面，本发明还提供了一种锂电池过热保护方法，包括以下步骤：

将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，其中，锂电池成像包括图像灰度化、图像腐蚀与膨胀；

对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取；

对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，其中，先判断图像中是否出现高温区域，若电池表面出现高温区域且高温区域位于电池电极处，则判断为电池处于外部短路状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积未超过预设像素点，则判断为电池处于内部隔膜热刺穿状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积超过预设像素点，则判断为电池处于过充状态；

根据判断出电池所处状态后验，进入热失控报警检测模块，若电池表面高温区域面积大小和面积变化率达到热失控报警阈值，则进行热失控报警并显示电池异常情况。

本发明提供了一种锂电池过热保护系统及方法，通过将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取，对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，根据判断出电池所处状态后验，进入热失控报警检测模块，若电池表面高温区域面积大小和面积变化率达到热失控报警阈值，则进行热失控报警并显示电池异常情况，通过锂电池的高温位置特征判断锂电池所处的状态，判断出锂电池的过充、外部短路和内部隔膜热穿刺状态后，检测电池高温区域面积变化率的情况，并进行热失控报警，通过对锂电池热失控状态的检测准确率较高，能够实现对电池的实时监控和热失控报警。提高了锂电池热成像对热失控进行检测的精准度，从而有效地对锂电池进行过热保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明提供的锂电池过热保护系统的结构框图；

图2为本发明提供的锂电池过热保护方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参阅图1，本发明提供了一种锂电池过热保护系统，包括：

图像采集模块，用于将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，其中，锂电池成像包括图像灰度化、图像腐蚀与膨胀；

图像处理模块，用于对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取；

电池状态检测模块，用于对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，其中，先判断图像中是否出现高温区域，若电池表面出现高温区域且高温区域位于电池电极处，则判断为电池处于外部短路状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积未超过预设像素点，则判断为电池处于内部隔膜热刺穿状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积超过预设像素点，则判断为电池处于过充状态；

热失控报警模块，用于根据判断出电池所处状态后验，进入热失控报警检测模块，若电池表面高温区域面积大小和面积变化率达到热失控报警阈值，则进行热失控报警并显示电池异常情况。

本实施例中，对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，包括：采用多尺度多维度多物理场算法MSMD建立锂电池模型的颗粒域、电极域和电池单元域三个相互独立的求解域，每个域内均有独立的坐标系对该域中的求解变量进行计算，计算时间短多尺度多维度多物理场算法MSMD的NTGK模型并融入热滥用模型，则电池的导热微分方程为ρc_p＝其中ρ表示电池密度，K表示电池导热率，T表示温度，Q_t表示电化学生热模型中的热源，c_p表示空气比热容，热源的表达式为Q_t＝Q_r+Q_s+Q_j+Q_p，Q_r为电池电化学反应的产热的表达式为/> V表示电池电压，U表示拟合电压-电流密度曲线得到的截距，J_r表示电化学反应产生的体积电流传输速率的表达式为Y表示拟合电压-电流密度曲线得到斜率的倒数，H_n表示电池额定容量，H_r表示电池充放电中获取U与Y参数的电池容量，Vo表示单个电池活性区域的体积；电流密度用面积形式表征的表达式为J＝Y(V_P-V_N-U)，其中J表示电池面积电流传输率，V_P表示正电极电位，V_N表示负电极电位，Y和U均与放电深度有关且需要逆合成放电深度的函数，放电深度的关系式为/> Y和U分别为放电深度DOD的函数，对应的表达式为其中，令上式中的大括号内为U₀和Y₀，即U₀为/>Y₀为/>U₀和Y₀均为25℃时的值，T表示所处环境的开氏温标值，T_r为25℃，C₁和C₂表示确定U和Y的温度依赖性的常数，即温度修正系数；Q_j表示电池充放电过程中的焦耳热的表达式为Q_j＝I²R_j；Q_p表示电池的极化热，电池中有电流流过时，会使电位偏移平衡电位，产生极化内阻，极化内阻产生的热量即为极化热；Q_s表示电池的副反应热，包括电解液的分解、正负极的变性、SEI膜的产生和分解。

需要说明的是，SEI膜的分解反应发生在电极，反应发生温度在90～120℃范围，对应的方程为S_SEI＝H_SEIW_cR_SEI和/>其中，H_SEI表示反应的单位放热量，W_c表示碳的含量，R_SEI表示反应速率，A_SEI表示反应的频率因子，E_a，SEI表示反应活化能，R表示通用气体常数，m_SEI表示反应级数，C_SEI表示SEI中不稳定锂所占的比值。电池在过热反应阶段极耳温度较高，正极温度高于负极，从上到下温度逐渐降低，这可能是由于极耳处电流密度大，产热较高，导致附近区域温度较高，而正极材料镍钴锰相比负极材料稳定性较差。

应理解，锂电池红外图像的灰度分布，实际上与锂电池表面的温度分布是相对应的，在锂电池升温过程中，电池表面的温度逐渐升高，温度升高产生的能量辐射被红外热成像捕获，通过伪彩色变换将温度转换为锂电池表面的颜色分布。电池热成像在进行灰度化操作后，会在图像上呈现出不同的灰度分布，将背景代表的灰度和目标高温区域代表的灰度分离出来，能判断电池表面出现高温区域的位置。外部短路是一个快速放电的过程，当外界导体短路引起锂电池正负极直接接触时，会形成锂电池的外部短路，当电池发生外部短路故障时，电池会产生很大的电流，内部的电解质会发生一系列化学反应，产生的气体会导致电池壳体的膨胀。电池过充、电池外部短路和电池内部隔膜热刺穿都会引发不同程度的热失控，但是不同因素下高温出现的位置不同，升温的位置对电池的散热情况有很大程度的影响。通过对锂电池热失控状态的检测准确率较高，能够实现对电池的实时监控和热失控报警。提高了锂电池热成像对热失控进行检测的精准度，从而有效地对锂电池进行过热保护。

可选地，对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取，包括：

电池热成像中的不同温度对应不同的颜色，将外部短路、内部隔膜热刺穿和过充时的电池热成像进行灰度化，图像灰度等级G的取值范围为0≤G≤255，不同的灰度等级对应热成像中不同的颜色。

本实施例中，采集电池过充、外部短路和内部隔膜热刺穿三种情况下表面声纹过程的表面高温区域面积变化情况，采用高斯逼近模型、多项式模型、正弦模型对面积变化情况进行拟合，高斯逼近模型的表达式为 其中待估参数a₁表示高斯曲线的峰值，b₁表示峰值对应的坐标位置，c₁表示标准差；多项式拟合模型的表达式为y＝P₀xⁿ+P₁x^n-1+P₂x^n-2+P₃x^n-3+...+P_n，其中，P₀、P₁...P_n表示多项式系数，正弦拟合的表达式为y′＝a₁*sinb₁x+c₁，其中，a₁、b₁和c₁表示正弦系数，将实测数据和推理数据之间相隔系数的平方值记为R的表达式为/>R的值越接近1则表示数据拟合的月成功；SSR表示预测数据与原始数据均值之差的平方和，SSR的表达式为/>其中w_i表示系数，/>表示预测数据，/>表示原始数据均值；SST表示原始数据和均值之差的平方和的表达式为/>其中，w_i表示系数，y_i表示原始数据，/>表示原始数据均值之差；SSE表示拟合数据和原始数据对应点误差的平方和，和方差的数值越接近0则表示数据拟合的越成功，SSE的表达式为/>其中w_i表示系数，y_i表示原始数据，/>表示预测数据，将误差均方根记为RMSE的表达式为/> 误差均方根的值越小表示数据拟合的越成功。

需要说明的是，热失控报警模块包括电池温度模型构建单元，建立电池温度变化模型，使用参数α来表示电池温度自然冷却状况，即每分钟温度自然变化的表达式为ΔT_n＝α(T₀-T_c)，其中T₀表示环境温度，T_c表示电池温度，电池自发热的每分钟温度变化为ΔT_c＝βL，其中β表示参数系数，L表示电池工作电流，得到温度变化曲线T_c＝∫(α(T₀-T_c)+βL)dt；通过建立的温度曲线模型结合外部加热模块根据比热容公式确定电池升温所需的能量的表达式为Q＝k₀ΔT；集合能量转换效率和加热功率，对应的电池热能增量表达式为Q′＝ηPt，得到外部加热给电池带来的温度变化的表达式为ΔT＝kPt，其中k表示结合电池质量、比热容、能量转换效率得到的参数，t表示加热时间，P表示加热功率，Q表示能量消耗，ΔT表示加热带来的温度变化，最终得到电池温度曲线模型的表达式为T′_c＝∫(α(T₀-T_c)+βL+kP)dt，从而提升了对锂电池过热检测的准确性。

可选地，热失控报警模块还包括电池电量估算单元，电池荷电状态SOC用于表征电池所剩可用容量即在固定电流下放电，当前电池所剩余的可放电电量与总的可充电电量的比值的表达式为其中Q₁表示电池在计算时刻的剩余电量，Q₀表示电池的总容量；

采用安时积分法对SOC进行估算，预设电池的初始SOC值为SOC₀，则当前的SOC₁值为其中c_t表示电池的额定容量，η表示与电池温度和放电倍率有关的影响因子，I表示电池的充放电电流。

本实施例中，将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，其中，锂电池成像包括图像灰度化、图像腐蚀与膨胀，包括：对彩色图像每个像素点的R、G、B分量进行统计，取三个分两种亮度最大的分量作为图像的灰度值，对三个分量的亮度值进行平均，将平均值作为图像的灰度值；预设A为原始图像，a为图像A中的元素，B为结构元素，b为结构元素原点，则图像腐蚀和膨胀的表达式分别为膨胀和/> 其中A被b平移后的结果表示为A_b＝{a+b|a∈A}。

需要说明的是，建立电池热模型需要电池内外的热平衡为 其中ρ表示电池密度，C_p表示平均热容量，T表示电池温度，Q_AH表示单位体积的热量累积，Q_gen表示电池运行过程中的产热量，Q_dis表示热量散失；预设电池温度时恒定的，则产热速率的表达式为/> 其中i表示单位体积的电流，iV表示电功率，U_j，avg表示在平均组成下反应j的开路电位，提升了系统的工作稳定性。

参阅图2，本发明还提供了一种锂电池过热保护方法，包括以下步骤：

S1：将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，其中，锂电池成像包括图像灰度化、图像腐蚀与膨胀；

S2：对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取；

S3：对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，其中，先判断图像中是否出现高温区域，若电池表面出现高温区域且高温区域位于电池电极处，则判断为电池处于外部短路状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积未超过预设像素点，则判断为电池处于内部隔膜热刺穿状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积超过预设像素点，则判断为电池处于过充状态；

S4：根据判断出电池所处状态后验，进入热失控报警检测模块，若电池表面高温区域面积大小和面积变化率达到热失控报警阈值，则进行热失控报警并显示电池异常情况。

本实施例中，若图像中有比较明显的局部亮度变化，就可以利用这些变化特征对图像进行边缘检测，实现对图像的分割，图像中相邻灰度区域边界的灰度值是不连续的，就可以使用微分算子对图片进行边缘检测。电池的过充、外部短路和内部隔膜热刺穿等，电池的过充是指电池充电时，充电的电压超过了设定的电压，电池的外部短路是指电池的正负极直接接触，造成了电池电路的短路，电池的内部隔膜热刺穿指的是当电池收到了尖锐物体等外物作用时，导致电池某个区域突然发生短路，电池的过充由于升温过快危险性较大，电池的外部短路如果及时受到干预，能够抑制住电池的热失控，电池发生内部隔膜热刺穿时升温速度较为均匀，在有效时间内做出干预也能及时的抑制住电池的热失控。通过对锂电池热失控状态的检测准确率较高，能够实现对电池的实时监控和热失控报警。提高了锂电池热成像对热失控进行检测的精准度，从而有效地对锂电池进行过热保护。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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)

1.一种锂电池过热保护系统，其特征在于，包括：

图像采集模块，用于将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，其中，锂电池成像包括图像灰度化、图像腐蚀与膨胀；

图像处理模块，用于对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取；

电池状态检测模块，用于对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，其中，先判断图像中是否出现高温区域，若电池表面出现高温区域且高温区域位于电池电极处，则判断为电池处于外部短路状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积未超过预设像素点，则判断为电池处于内部隔膜热刺穿状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积超过预设像素点，则判断为电池处于过充状态；

热失控报警模块，用于根据判断出电池所处状态后验，进入热失控报警检测模块，若电池表面高温区域面积大小和面积变化率达到热失控报警阈值，则进行热失控报警并显示电池异常情况。

2.根据权利要求1所述的锂电池过热保护系统，其特征在于，对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，包括：

采用多尺度多维度多物理场算法MSMD建立锂电池模型的颗粒域、电极域和电池单元域三个相互独立的求解域，每个域内均有独立的坐标系对该域中的求解变量进行计算，计算时间短多尺度多维度多物理场算法MSMD的NTGK模型并融入热滥用模型，则电池的导热微分方程为 其中ρ表示电池密度，K表示电池导热率，T表示温度，Q_t表示电化学生热模型中的热源，c_p表示空气比热容，热源的表达式为Q_t＝Q_r+Q_s+Q_j+Q_p，Q_r为电池电化学反应的产热的表达式为/> V表示电池电压，U表示拟合电压-电流密度曲线得到的截距，J_r表示电化学反应产生的体积电流传输速率的表达式为Y表示拟合电压-电流密度曲线得到斜率的倒数，H_n表示电池额定容量，H_r表示电池充放电中获取U与Y参数的电池容量，Vo表示单个电池活性区域的体积；

电流密度用面积形式表征的表达式为J＝Y(V_P-V_N-U)，其中J表示电池面积电流传输率，V_P表示正电极电位，V_N表示负电极电位，Y和U均与放电深度有关且需要逆合成放电深度的函数，放电深度的关系式为 Y和U分别为放电深度DOD的函数，对应的表达式为/>其中，令上式中的大括号内为U₀和Y₀，即U₀为/>Y₀为/>U₀和Y₀均为25℃时的值，T表示所处环境的开氏温标值，T_r为25℃，C₁和C₂表示确定U和Y的温度依赖性的常数，即温度修正系数；

Q_j表示电池充放电过程中的焦耳热的表达式为Q_j＝I²R_j；Q_p表示电池的极化热，电池中有电流流过时，会使电位偏移平衡电位，产生极化内阻，极化内阻产生的热量即为极化热；Q_s表示电池的副反应热，包括电解液的分解、正负极的变性、SEI膜的产生和分解。

3.根据权利要求2所述的锂电池过热保护系统，其特征在于，SEI膜的分解反应发生在电极，反应发生温度在90～120℃范围，对应的方程为S_SEI＝H_SEIW_cR_SEI和/>其中，H_SEI表示反应的单位放热量，W_c表示碳的含量，R_SEI表示反应速率，A_SEI表示反应的频率因子，E_a,SEI表示反应活化能，R表示通用气体常数，m_SEI表示反应级数，C_SEI表示SEI中不稳定锂所占的比值。

4.根据权利要求1所述的锂电池过热保护系统，其特征在于，对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取，包括：

电池热成像中的不同温度对应不同的颜色，将外部短路、内部隔膜热刺穿和过充时的电池热成像进行灰度化，图像灰度等级G的取值范围为0≤G≤255，不同的灰度等级对应热成像中不同的颜色。

5.根据权利要求4所述的锂电池过热保护系统，其特征在于，采集电池过充、外部短路和内部隔膜热刺穿三种情况下表面声纹过程的表面高温区域面积变化情况，采用高斯逼近模型、多项式模型、正弦模型对面积变化情况进行拟合，高斯逼近模型的表达式为其中待估参数a₁表示高斯曲线的峰值，b₁表示峰值对应的坐标位置，c₁表示标准差；

多项式拟合模型的表达式为y＝P₀xⁿ+P₁x^n-1+P₂x^n-2+P₃x^n-3+...+P_n，其中，P₀、P₁...P_n表示多项式系数，正弦拟合的表达式为y'＝a₁*sinb₁x+c₁，其中，a₁、b₁和c₁表示正弦系数，将实测数据和推理数据之间相隔系数的平方值记为R的表达式为R的值越接近1则表示数据拟合的月成功；

SSR表示预测数据与原始数据均值之差的平方和，SSR的表达式为其中w_i表示系数，/>表示预测数据，/>表示原始数据均值；SST表示原始数据和均值之差的平方和的表达式为/> 其中，w_i表示系数，y_i表示原始数据，/>表示原始数据均值之差；SSE表示拟合数据和原始数据对应点误差的平方和，和方差的数值越接近0则表示数据拟合的越成功，SSE的表达式为 其中w_i表示系数，y_i表示原始数据，/>表示预测数据，将误差均方根记为RMSE的表达式为/>误差均方根的值越小表示数据拟合的越成功。

6.根据权利要求1所述的锂电池过热保护系统，其特征在于，热失控报警模块包括电池温度模型构建单元，建立电池温度变化模型，使用参数α来表示电池温度自然冷却状况，即每分钟温度自然变化的表达式为ΔT_n＝α(T₀-T_c)，其中T₀表示环境温度，T_c表示电池温度，电池自发热的每分钟温度变化为ΔT_c＝βL，其中β表示参数系数，L表示电池工作电流，得到温度变化曲线T_c＝∫(α(T₀-T_c)+βL)dt；

通过建立的温度曲线模型结合外部加热模块根据比热容公式确定电池升温所需的能量的表达式为Q＝k₀ΔT；

集合能量转换效率和加热功率，对应的电池热能增量表达式为Q'＝ηPt，得到外部加热给电池带来的温度变化的表达式为ΔT＝kPt，其中k表示结合电池质量、比热容、能量转换效率得到的参数，t表示加热时间，P表示加热功率，Q表示能量消耗，ΔT表示加热带来的温度变化，最终得到电池温度曲线模型的表达式为T'_c＝∫(α(T₀-T_c)+βL+kP)dt。

7.根据权利要求6所述的锂电池过热保护系统，其特征在于，热失控报警模块还包括电池电量估算单元，电池荷电状态SOC用于表征电池所剩可用容量即在固定电流下放电，当前电池所剩余的可放电电量与总的可充电电量的比值的表达式为其中Q₁表示电池在计算时刻的剩余电量，Q₀表示电池的总容量；

采用安时积分法对SOC进行估算，预设电池的初始SOC值为SOC₀，则当前的SOC₁值为其中c_t表示电池的额定容量，η表示与电池温度和放电倍率有关的影响因子，I表示电池的充放电电流。

8.根据权利要求1所述的锂电池过热保护系统，其特征在于，将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，其中，锂电池成像包括图像灰度化、图像腐蚀与膨胀，包括：

对彩色图像每个像素点的R、G、B分量进行统计，取三个分两种亮度最大的分量作为图像的灰度值，对三个分量的亮度值进行平均，将平均值作为图像的灰度值；

预设A为原始图像，a为图像A中的元素，B为结构元素，b为结构元素原点，则图像腐蚀和膨胀的表达式分别为膨胀和A⊕B＝{a+b|a∈A,b∈B}∪A_b，其中A被b平移后的结果表示为A_b＝{a+b|a∈A}。

9.根据权利要求1所述的锂电池过热保护系统，其特征在于，建立电池热模型需要电池内外的热平衡为其中ρ表示电池密度，C_p表示平均热容量，T表示电池温度，Q_AH表示单位体积的热量累积，Q_gen表示电池运行过程中的产热量，Q_dis表示热量散失；

预设电池温度时恒定的，则产热速率的表达式为 其中i表示单位体积的电流，iV表示电功率，U_j,avg表示在平均组成下反应j的开路电位。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述的锂电池过热保护系统的锂电池过热保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

将采集到的锂电池成像载入到图像处理模块，其中，锂电池成像包括图像灰度化、图像腐蚀与膨胀；

对电池热成像进行图像处理，对电池高温区域位置特征进行分析和提取；

对电池高温区域面积变化情况进行计算得到电池异常情况，其中，先判断图像中是否出现高温区域，若电池表面出现高温区域且高温区域位于电池电极处，则判断为电池处于外部短路状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积未超过预设像素点，则判断为电池处于内部隔膜热刺穿状态；若电池表面出现高温区域，高温区域位于电池壳体处且高温区域的面积超过预设像素点，则判断为电池处于过充状态；

根据判断出电池所处状态后验，进入热失控报警检测模块，若电池表面高温区域面积大小和面积变化率达到热失控报警阈值，则进行热失控报警并显示电池异常情况。