CN117901650A - 通过解释电池水平充电响应进行早期热失控检测的方法 - Google Patents

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Abstract

一种预测电池组中热失控事件的车辆、系统和方法。车辆包括具有多个电池单元的电池组。系统包括传感器和处理器。测量车辆电池组的电池单元的参数。处理器配置为根据参数确定电池单元的充电响应，根据充电响应确定热失控事件的可能性，并基于可能性控制车辆的操作以防止热失控事件。

Description

通过解释电池水平充电响应进行早期热失控检测的方法
技术领域
本主题公开涉及在车辆中使用的电池组的操作，并且特别涉及用于预测电池组处热失控事件的开始以便能够防止该事件发生的系统和方法。
背景技术
用于车辆的电池组包括向车辆提供电力的多个电池单元。当一个电池单元中发生的短路产生热量导致相邻电池单元中的短路时，会在电池组中发生热失控，从而产生额外的热量，导致一连串的短路。用于检测热失控何时开始的方法留给采取预防措施的时间很少。因此，期望提供一种在热失控事件发生之前预测热失控事件的方法。
发明内容
在一示例性实施例中，公开了一种防止电池组中的热失控事件的方法。在电池组充电期间，测量电池组的电池单元的参数。根据参数确定电池单元的充电响应。根据充电响应确定热失控事件的可能性。基于可能性控制电池组的操作以防止热失控事件。
除了这里描述的一个或多个特征之外，该参数是电流、电压和温度中的至少一个。充电响应是电池单元的充电速率。该方法还包括通过执行确定用于在预先指定的电压范围上对电池单元充电的充电时间和确定在预先指定的时间跨度期间跨越的电压中的至少一个来确定充电速率。该方法还包括使用绝对阈值和变化阈值之一来确定可能性。在参数是电压的实施例中，该方法还包括根据电压的测量值来确定电压-时间面积。该方法还包括在以下中的至少一个期间测量参数：电池单元的充电的恒压阶段；电池单元的放电阶段；以及当电池组静息时的自放电。
在另一示例性实施例中，公开了一种用于防止车辆中发生热失控事件的系统。该系统包括传感器和处理器。测量车辆电池组的电池单元的参数。处理器配置为根据参数确定电池单元的充电响应，根据充电响应确定热失控事件的可能性，并基于可能性控制车辆的操作以防止热失控事件。
除了这里描述的一个或多个特征之外，参数是电流、电压和温度中的至少一个。充电响应是电池单元的充电速率。处理器还配置成通过执行确定用于在预先指定的电压范围上对电池单元充电的充电时间和确定在预先指定的时间跨度期间跨越的电压中的至少一个来确定充电速率。处理器还配置成使用绝对阈值和变化阈值之一来确定可能性。在参数是电压的实施例中，处理器还配置成根据电压的测量值来确定电压-时间面积。处理器还配置成在以下中的至少一个期间测量参数：电池单元的充电的恒压阶段；电池单元的放电阶段；以及当电池组静息时的自放电。
在又一示例性实施例中，公开了一种车辆。该车辆包括具有多个电池单元的电池组、用于测量电池单元的参数的传感器和处理器。处理器配置为根据参数确定电池单元的充电响应，根据充电响应确定热失控事件的可能性，并基于可能性控制车辆的操作以防止热失控事件。
除了这里描述的一个或多个特征之外，参数是电流、电压和温度中的至少一个。充电响应是电池单元的充电速率。处理器还配置成通过执行确定用于在预先指定的电压范围上对电池单元充电的充电时间和确定在预先指定的时间跨度期间跨越的电压中的至少一个来确定充电速率。处理器还配置成使用绝对阈值和变化阈值之一来确定可能性。在参数是电压的实施例中，处理器还配置成根据电压的测量值来确定电压-时间面积。处理器还配置成在以下中的至少一个期间测量参数：电池单元的充电的恒压阶段；电池单元的放电阶段；以及当电池组静息时的自放电。
当结合附图时，从以下详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，其中：
图1示出了根据示例性实施例的车辆；
图2示出了说明性实施例中的电池单元的电路图；
图3示出了具有不同电池健康水平的电池单元在充电事件期间的电池电压的曲线图；
图4示出了说明在预先指定的电压范围上基于充电时间测量充电速率的方法的曲线图；
图5示出了说明基于在预先指定的时间跨度期间实现的电压范围测量充电速率的方法的曲线图；
图6示出了说明用于平滑电压测量值以减少电池电压偏移和噪声影响的方法的曲线图；
图7示出了用于在充电事件期间确定电压的方法的流程图；
图8示出了当车辆的电池静息时用于确定电池单元的放电速率的方法的流程图；
图9示出了在不同充电参数下不同健康的电池单元的充电时间的曲线图；以及
图10示出了根据充电参数预测热失控事件的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
根据示例性实施例，图1示出了车辆100。车辆100可以是混合动力车辆、电动车辆或依靠高压电池操作的任何车辆。车辆100包括电气系统102，其包括电池组104和使用电池组提供的电力运行的一个或多个电气负载106。电池组104可以包括多个电池单元108a-108n和一个或多个传感器(未示出),其获得电池组和电池单元的参数的测量值。如图1所示，车辆被插入充电站110，其对电池组104和电池单元108a-108n充电。
车辆100还包括控制器112。控制器112可包括处理电路，该处理电路可包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适部件。控制器112可包括存储指令的非暂时性计算机可读介质，当由控制器112的一个或多个处理器处理时，该指令执行预测热失控事件并基于预测控制车辆100、电气系统102、电池组104、电池单元108a-108n和/或电气负载106的操作的方法，并根据本文详述的一个或多个实施例发送警告信号或采取预防措施。
图2示出了说明性实施例中的电池单元的电路图200。电路图200包括开路电压VOC和电池单元的内阻Ri。电池单元包括扩散层，其基于扩散层电阻Rd和扩散层电容Cd引入扩散层电压Vd。可以在节点202和204之间进行电池单元的电压测量V(t)。在节点202和204之间示出了短路电阻Risc。短路电阻Risc代表电池单元的内部短路，尤其是在潜在的热失控事件之前。内部短路可能由许多因素引起，比如电池异常、阳极撕裂、熔化等。内部短路的位置可以在电池单元内变化，并且内部短路的幅度可以基于电池的健康状况而变化。当电池单元健康且没有短路时，短路电阻Risc为无穷大(即Risc＝∞)。当存在完全短路时，Risc＝0。这里的方法在完全短路发生之前测量各水平的短路电阻。
施加的充电电流It示出为在节点202处被施加到电池单元。根据基尔霍夫定律，内部电流Ii与施加的充电电流It和通过电池单元中的短路而损失的短路电流Iisc相关，如方程(1)所示：
It＝Ii+Iisc方程(1)
测量的电压Vt与进入电池单元的内部电流Ii的量有关，如方程(2)所示：
Vt＝Voc+RintIi+Vd方程(2)
当没有短路时(即Risc＝∞)，短路电流Iisc为零，内部电流等于施加的充电电流(即Ii＝It)。当存在完全短路时(即Risc＝0)，短路电流Iisc等于It，内部电流为零(即Ii＝0)。
图3示出了具有不同电池健康水平的电池单元在充电事件期间的电池电压的曲线图300。沿横坐标显示时间(以105秒为单位),沿纵坐标显示电池电压，单位为伏特(V)。出于说明的目的，示出了三条充电曲线。第一充电曲线302示出了没有短路的完全健康电池单元的充电(例如Risc＝∞)。第二充电曲线304示出了第一故障电池单元的充电。短路电阻表明电池单元的健康状况。对于第一个故障电池，短路电阻(例如Risc＝100Ω)表明可能发生热失控事件。第三充电曲线306示出了第二故障电池单元的充电。由于第二故障电池单元的短路电阻(例如Risc＝10Ω)小于第一故障电池单元的短路电阻，热失控甚至更有可能。相对于这些曲线，可以测量各种充电响应。在一实施例中，充电响应可以是充电速率。
图4示出了说明在预先指定的电压范围上基于充电时间测量充电速率的方法的曲线图400。时间以秒(105秒)为单位沿横坐标显示，电池电压以伏特(V)为单位沿纵坐标轴显示。出于说明的目的，示出了图3的第一充电曲线302。为了获得充电时间，首先预先指定电压范围Vs。电压范围Vs在其下端由第一电压(Vini)界定，在其上端由第二电压(Vfin)界定。充电期间监控电池电压。当电池电压上升到第一电压Vini以上时，记录第一时间戳。当电池电压上升到第二电压Vfin以上时，记录第二时间戳。根据第一时间戳和第二时间戳确定在预先指定范围上充电的持续时间ΔT。(即ΔTdur＝tfin–tini)。然后可以使用预先指定的电压范围Vs和持续时间ΔT来确定充电速率。
图5示出了说明基于在预先指定的时间跨度期间实现的电压范围来测量充电速率的方法的曲线图500。沿横坐标显示时间(以105秒为单位),沿纵坐标显示电池电压，单位为伏特(V)。出于说明的目的，示出了图3的第一充电曲线302。为了测量电压范围，首先预先指定时间跨度ΔT。时间跨度ΔT被定义在第一时间tini和第二时间tfin之间。在充电期间，在预先指定的时间跨度ΔT内，以多个时间间隔δt测量电压。当充电时间首次超过第一时间tini时，记录第一电压Vini，当充电时间首次超过第二时间tfin时，记录最终电压Vfin。时间跨度内的电压跨度Vs由这些电压决定(Vs＝Vfin–Vini)。可以使用Vs和持续时间ΔT来确定电池单元的充电速率。
图6示出了说明用于平滑电压测量值以减少电池电压偏移和噪声影响的方法的曲线图600。为了说明的目的，使用预先指定的时间跨度的方法获得测量值。然而，这里公开的方法可以与预先指定的电压跨度或其他参数的方法一起使用。以时间间隔δt获得电压测量值Vi(t),直到预先指定的时间跨度完成。一旦获得了所有的电压测量值Vi(t),就对它们进行处理，以使用方程(3)确定平滑的和偏移校正的电压V(t)：
其中，是时间跨度(tini)开始时的初始电压读数。
图7示出了用于在充电事件期间确定电压V(t)的方法的流程图700。在框702中，接收所选电池单元的电压测量值Vi(t),并且使用方程(4)从电压测量值Vi(t)确定电压-时间面积Avi(t)：
在框704中，接收电池组的一组电池单元(N个电池单元)的电压测量值，并使用方程(4)为多个电池单元中的每个确定电压-时间面积Avj(t)。在框706中，计算N个电池单元的平均电压-时间面积，如方程(5)所示：
在加法器708，确定所选电池单元的电压-时间面积和平均电压时间面积之间的差值，从而获得差值面积ΔAv(t)。在框710中，差值面积被转换成差值电压ΔVs(t)。转换包括将差值面积乘以倍数g，再除以时间跨度ΔT，如方程(6)所示：
在框712中，平均电压-时间面积Av,ave(t)被转换成平均电压Vav(t)。在加法器714中，将平均电压和差值电压相加以确定电压跨度Vs(t)。所有的变量都是连续计算的，并且可以用各种方式进行采样和解释。面积Avi(t)和ΔAv(t)可用于捕捉每个时间步长的电压响应变化。ΔVs(t)和ΔT在每个采样间隔计算，它们的比值(ΔVs(t)/ΔT)与内部短路(即Risc)的幅度有关。
在充电期间，充电电流通常在开始时很高，并随着充电的继续而降低。当电池单元快充满时，充电进入恒压阶段，其中充电电流变得非常小，以抵消电阻损耗，从而保持恒定电压。如参照图8讨论，本文公开的方法可以在充电的任何阶段、在恒压阶段以及当电池单元静息时执行。
图8示出了用于当车辆的电池处于静息时确定电池单元的放电速率的方法的流程图800。在没有充电电流的静息期间，电池单元将自然地经历自放电。然而，内部短路的电池单元会比健康电池单元经历更大的自放电。在框802中，接收所选电池单元的电压测量值Vi(t),并用于输出电池单元的电压-时间面积Avi(t)。在测量间隔δt内获得电压测量值。电压测量值用于确定平均初始电压其用于使用方程(4)创建面积。在框804中，使用方程(6)，电压-时间面积除以总时间ΔT并乘以倍数g。在框806中，从电池组的每个其他电池单元确定面积。在框808中，使用方程(5)，面积用于确定平均面积。在框810中，通过将平均电压-时间面积除以总时间ΔT并乘以倍数g来获得平均电压降。在框812中，将所选电池单元的电压降与电池组的平均电压降进行比较，以便确定短路的可能性或可能导致热失控事件的可能性。虽然关于自放电阶段进行了讨论，但是该方法也可以在电池单元的任何放电阶段使用，例如在车辆操作期间。
使用电压曲线下面积方法，健康电池组电池的电压曲线下面积在静息期间将近似为零，因为放电速率较慢，并且相关的电压曲线随时间基本是水平的。不健康电池单元的电压曲线下面积将是非零的，这样放电速率更快，因此相关的电压曲线随时间降低。该面积的大小将指示不健康电池单元的衰减速率，其与不健康电池单元内的内部短路的大小直接相关。
图9示出了在不同充电参数下不同健康状况的电池单元的充电时间的曲线图900。电池单元的充电时间可能与电池单元的短路电阻直接相关。电池单元充电所需的时间越长，电池的健康就越差。不同的案例号沿横坐标显示，时间以秒为单位沿纵坐标轴显示。每个案例号表示电池单元的不同充电条件，例如不同的充电电压、不同的充电电流、不同的充电温度、不同的充电电阻等。出于说明的目的，选择了案例#3。健康电池单元(Risc＝∞)的充电时间902约为5120秒。第一故障电池单元(Risc＝100Ω)的充电时间904约为5150秒。第二故障电池单元(Risc＝10Ω)的充电时间906约为5135秒。图9所示的充电时间可用于预测热失控事件的可能性。虽然图9示出了充电时间，但是可以制作类似的图表，示出在预先指定的时间跨度期间获得的电压跨度。
图10示出了根据充电参数预测热失控事件的方法的流程图1000。对于流程图1000，充电参数被选择为电压。然而，应当理解，在替代实施例中，充电参数可以是时间、电流、温度等。在框1002中，在充电事件之前的时间获得单独的充电条件，例如电池电压和电流曲线。在框1004中，建立充电事件或场景，例如通过将车辆插入充电站。在框1006中，选择测量场景，例如使用预先选择的时间跨度，并建立相关参数(例如ΔT、tini、tfin、面积)。
在框1008中，获得相关的电压测量值。测量值以时间间隔δt获得。此时可以对噪声和电压偏移进行补偿。可以获得所选电池单元和N个电池单元的组的电压测量值。在框1010中，从测量值中提取相关参数(例如ΔVs、面积A)。可以获得所选电池单元和N个电池单元的组的参数。在框1012中，执行参数的后调节。后调节可以包括融合多个事件和充电场景的参数结果。在框1014中，电压被映射到预测热失控的可能性等级。然后，通过将可能性等级与可变标准(框1016)或绝对标准(框1018)进行比较，可能性等级可用于预测热失控事件。
在框1016中，使用可变标准来预测热失控事件。获得电池单元的可能性等级和电池组(或N个电池单元)的可能性等级。组可能性等级用于建立平均可能性和相对于平均可能性的可变阈值。将电池单元的可能性等级与可变阈值进行比较，以预测热失控事件并产生警告信号。
在框1018中，使用绝对标准来预测热失控事件。可以基于阶段长度、电压范围、充电电流和温度来建立绝对阈值。将电池单元的可能性等级与绝对阈值进行比较，以确定预测热失控事件并产生警告信号。
在框1020中，警告信号被输出给车辆的驾驶员或用户。此外，可以采取预防措施，例如结束充电过程、断开电池组、隔离高风险的电池单元等。
术语“一”和“一个”并不表示数量限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。术语“或”是指“和/或”,除非上下文另有明确说明。在整个说明书中对“一方面”的引用意味着结合该方面描述的特定元素(例如特征、结构、步骤或特性)包括在本文描述的至少一个方面中，并且可以存在或不存在于其他方面中。此外，应当理解，所描述的元素可以在各个方面以任何合适的方式进行组合。
当诸如层、膜、区域或衬底的元件被称为在另一个元件“上”时，它可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”时，不存在中间元件。
除非在此有相反的说明，所有的测试标准都是截止本申请的提交日的最新有效标准，或者，如果要求优先权，测试标准出现的最早优先权申请的提交日。
除非另有定义，否则本文使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的相同含义。
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且等同物可以替代其元件。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种防止电池组中热失控事件的方法，包括：
在电池组充电期间测量电池组的电池单元的参数；
根据参数确定电池单元的充电响应；
根据充电响应确定热失控事件的可能性；以及
基于可能性控制电池组的操作以防止热失控事件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参数是以下中的至少一个：(i)电流；(ii)电压；以及(iii)温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述充电响应是所述电池单元的充电速率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参数是电压，还包括根据电压的测量值来确定电压-时间面积。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在以下中的至少一个期间测量所述参数：(i)所述电池单元的充电的恒压阶段；(ii)电池单元的放电阶段；以及(iii)当所述电池组静息时的自放电。
6.一种用于防止车辆中发生热失控事件的系统，包括：
传感器，用于测量车辆的电池组的电池单元的参数；
处理器，其配置为：
根据参数确定电池单元的充电响应；
根据充电响应确定热失控事件的可能性；以及
基于可能性控制车辆的操作以防止热失控事件。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述参数是以下中的至少一个：(i)电流；(ii)电压；以及(iii)温度。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述充电响应是所述电池单元的充电速率。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述参数是电压，其中，所述处理器还配置为根据电压的测量值来确定电压-时间面积。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器还配置成在以下中的至少一个期间测量所述参数：(i)所述电池单元的充电的恒压阶段；(ii)电池单元的放电阶段；以及(iii)当所述电池组静息时的自放电。
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