一种基于主动热扰动响应的电池包内部热失控源定位方法

本发明属于电池包热失控，具体是指一种基于主动热扰动响应的电池包内部热失控源定位方法。

背景技术：

1、新能源汽车动力电池包通常布置于车辆底部，其内部包括底部防护板、箱体壳体、液冷板、模组支架、导热界面材料以及多个电芯或模组。电池发生内部短路、过充、机械挤压或外部加热后，热失控首先在电池包内部形成，而消防救援人员和外部灭火装备能够直接观测的通常仅为电池包外壳。因此，在实施穿刺直注或定点冷却前，需要先根据外部可测信息判断内部发生热失控的电芯或模组区域。

2、现有新能源汽车火灾定位方法主要采用红外热像仪、可见光相机、双目视觉、结构光、激光雷达或毫米波雷达获取车辆底部和电池包外壳信息。一般先识别热图中的高温区、最高温像素或温升较快区域，再通过相机标定、点云配准或车辆三维模型映射，将图像坐标转换为车辆坐标或机器人坐标；部分方案进一步根据机械臂可达范围和车辆结构信息生成穿刺点。

3、另一类已有技术采用热源反演方法，根据物体表面的稳态或瞬态温度场、等温线或有限温度测点，结合均匀介质假设、等温球模型、有限元模型、热网络模型或机器学习模型估计物体内部热源的位置或强度。还有部分电池故障定位方法根据电池表面温度序列提取时空特征，通过神经网络识别异常单体或异常区域。

4、上述技术能够实现电池包区域识别、外壳热点检测或一般物体内部热源估计，但其应用前提通常是外部边界热流已知或相对稳定、被测结构与热参数明确、表面热点主要由内部热源形成。但是现有技术存在以下不足：

5、（1）表面热点与内部热失控源不对应：电池包外壳温度受到底板横向导热、液冷板、加强筋、空气间隙和层间接触热阻共同影响，表面最高温点可能明显偏离内部失控电芯的垂直投影位置。只根据最高温像素或温升速率，通常只能确定外壳热异常区域，难以得到热源深度、发热强度和对应模组。

6、（2）火场外部边界热作用未知：外部火焰直接加热、高温烟气对流、周围高温部件辐射及金属外壳反射均可能在热图中形成高温区域；灭火水雾和气流又会造成局部降温。该类外部热作用随时间和空间快速变化，容易将伪热点误判为内部热失控源。

7、（3）普通逆热传导反演可辨识性不足：不同位置、不同深度和不同强度的内部热源可能产生相近的表面温度分布。当内部热源、外部热流和局部热物性同时未知时，反演问题容易出现多解、病态和对测量噪声敏感，单纯增加优化算法或深度学习模型不能从根本上解决观测信息不足的问题。

8、（4）固定模型难以适应火灾现场：车辆可能发生倾斜、碰撞变形和电池包移位，火灾还会改变表面发射率、接触热阻及局部导热性能。依赖预存理想车型模型或均匀介质假设的定位方法难以稳定适用于不同车型和受损状态。

9、（5）定位结果缺乏主动复核和置信度评价：现有方法通常输出单一坐标，当观测受到火焰波动或遮挡影响时，系统无法判断当前定位是否足以支持后续穿刺等高风险作业，也缺少通过主动施加已知热扰动来获得新增物理信息并复核定位结果的机制。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种基于主动热扰动响应的电池包内部热失控源定位方法，以解决现有技术主要依据电池包外壳表面热点进行判断，难以区分内部持续热源与外部火焰、高温烟气或金属反射形成的伪热点，以及内部热源反演可辨识性不足、定位结果缺少可信度评价的问题。

2、为实现上述目的，本发明一种基于主动热扰动响应的电池包内部热失控源定位方法，该方法应用于主动热扰动响应的电池包内部热失控源定位系统，该系统包括移动承载与姿态调节机构、主动冷却模块、传感与冷却一体化探头、外部热环境采集单元、控制计算模块及结果输出接口；

3、所述移动承载与姿态调节机构包括移动底盘、升降机构、姿态调节机构以及位置与姿态反馈单元，用于承载定位系统进入车辆底部空间，并调节传感与冷却一体化探头相对于动力电池包外壳的工作高度、观测距离、观测角度及喷射方向，同时向控制计算模块反馈探头的位置和姿态信息；

4、所述主动冷却模块包括冷却介质源、压力调节组件、快速响应阀、流量调节阀、输送管路以及用于获取冷却介质温度、压力和流量的检测组件，并与传感与冷却一体化探头中的冷却喷头连通；

5、所述传感与冷却一体化探头安装于移动承载与姿态调节机构末端，包括探头防护壳体、红外热像仪、结构传感器、测距传感器、候选热点区域冷却喷头、参考区域冷却喷头、第一冷却支路、第二冷却支路以及探头连接座；红外热像仪用于连续获取动力电池包外壳动态温度场；结构传感器用于获取电池包外壳三维轮廓、表面深度及局部结构信息；测距传感器用于校核探头与电池包外壳之间的实际距离；候选热点区域冷却喷头和参考区域冷却喷头分别通过第一冷却支路和第二冷却支路与主动冷却模块连通，用于分别向候选热点区域h和参考区域r施加短时冷却脉冲；探头连接座用于将传感与冷却一体化探头安装于移动承载与姿态调节机构末端；

6、所述外部热环境采集单元包括辐射热流传感器、环境温度传感器、烟气温度传感器、火焰图像采集装置和风速传感器中的一种或多种；

7、所述控制计算模块分别与移动承载与姿态调节机构、主动冷却模块、传感与冷却一体化探头、外部热环境采集单元及结果输出接口通信连接，并包括数据同步与坐标统一、候选热点识别与跟踪、参考区域匹配、主动冷却控制、冷却边界标定、外部热作用分离、瞬态传热建模、内部热源反演计算、一致性分析以及定位置信度评价功能。

8、作为本发明进一步的方案：包括以下步骤：

9、步骤s1：建立电池包固定坐标系并完成多源数据配准；

10、步骤s2：采集初始动态温度场并确定候选热点区域h；

11、步骤s3：匹配参考区域r；

12、步骤s4：向候选热点区域h和参考区域r施加主动冷却脉冲；

13、步骤s5：采集降温和温度恢复过程；

14、步骤s6：估计并分离外部边界热作用；

15、步骤s7：建立电池包分层瞬态传热模型；

16、步骤s8：反演内部热源参数；

17、步骤s9：计算定位置信度并进行复核。

18、作为本发明进一步的方案：所述步骤s1中，移动承载与姿态调节机构进入车辆底部并到达预定观测位置后，传感与冷却一体化探头中的结构传感器获取动力电池包外壳及其邻近车身结构的点云或深度信息，并从中识别电池包边缘、箱体角点、安装螺栓、加强筋或车身纵梁等在短时间内位置相对稳定的结构特征；控制计算模块根据所述稳定的结构特征建立电池包固定坐标系σb，并将该坐标系作为后续动态温度场叠加、冷却喷头对准及内部热源定位的统一空间基准；

19、所述步骤s2中，控制计算模块首先根据图像饱和程度、烟雾或水雾遮挡、保护窗口污染以及强反射等因素识别可信度较低的温度像素，并降低其在后续分析中的权重或予以剔除；

20、随后，控制计算模块在电池包固定坐标系σb内对温度异常连通区域进行连续跟踪，计算区域平均温度、温升速率、空间温度梯度、高温持续时间、热点面积变化率以及热点中心移动速度等特征，并对上述特征进行归一化和加权处理，得到候选热点评分；控制计算模块将评分超过设定阈值且持续达到设定时间要求的连通区域确定为候选热点区域；对于位置随火焰摆动、外部反射或观测角度变化而明显移动的异常区域，降低其空间稳定性评价，以减少外部火焰或金属反射形成的伪热点进入后续主动诊断过程。

21、作为本发明进一步的方案：所述步骤s3中，具体包括以下步骤：控制计算模块根据结构传感器获得的局部结构信息以及可获得的车型结构数据确定材料和结构差异，并结合红外热像仪采集的冷却前温度变化以及外部热环境采集单元获得的辐射热流、环境温度、烟气温度、火焰位置和风速等信息确定两个区域的外部受热差异，将各差异量归一化后计算参考区域匹配代价；从满足冷却喷头可达性及安全约束的区域中选择匹配代价较小且不具有持续内部发热特征的区域作为参考区域r；当参考区域r在后续诊断过程中出现持续异常升温、外部受热状态发生明显变化或其与候选热点区域h的匹配程度低于设定要求时，重新执行步骤s3进行参考区域匹配；

22、所述步骤s4中，控制计算模块根据候选热点区域h和参考区域r在电池包固定坐标系σb中的三维位置，通过移动承载与姿态调节机构调整传感与冷却一体化探头的位置和姿态，使候选热点区域冷却喷头和参考区域冷却喷头分别对准候选热点区域h和参考区域r，并使冷却作用范围覆盖预设观测区域。

23、5.根据权利要求1所述的基于主动热扰动响应的电池包内部热失控源定位方法，其特征在于，所述步骤s5中，红外热像仪在冷却前基线阶段、冷却作用阶段以及快速响应阀关闭后的温度恢复阶段，连续采集候选热点区域h和参考区域r的动态温度场，并使温度数据与主动冷却模块的阀门状态和冷却参数保持统一时间基准；控制计算模块分别提取候选热点区域h和参考区域r的区域平均温度、中心温度、最大温降、平均冷却速率、停止冷却后的初始回温速率、恢复时间常数、冷却影响半径、径向温度分布以及回温中心移动等响应特征；根据两个冷却支路实际获得的等效冷却边界热流、作用面积、局部热物性及外部受热条件，对候选热点区域h和参考区域r的冷却响应进行归一化处理，以削弱两个区域因实际冷却强度不同造成的响应差异；在此基础上计算候选热点区域h与参考区域r之间的差分瞬态温度响应；当候选热点区域h对应位置内部存在持续热源时，停止冷却后内部热量将继续向外壳传递，使该区域的回温速率、恢复时间以及热扩散形态与主要由外部火焰瞬时加热、周围热辐射或红外反射形成的伪热点产生差异；所获得的差分瞬态温度响应及相关特征作为后续外部边界热作用分离和内部热源反演的主要观测量。

24、作为本发明进一步的方案：所述步骤s6中，控制计算模块根据参考区域r的温度响应，并结合外部热环境采集单元获得的辐射热流、环境温度、烟气温度、风速、火焰位置及周围高温物体分布等信息，估计候选热点区域h受到的外部边界热作用；参考区域r获得的外部热作用根据候选热点区域h与参考区域r之间的空间距离、表面法向、火焰方位以及随时间变化的外部环境状态进行映射修正，并与候选热点区域h的实测动态温度响应联合分析，从而削弱共同外部边界热作用的影响，获得主要由内部持续热源引起的温度响应；当参考区域r出现持续异常升温、外部火焰或烟气状态发生突变，或者h/r外部受热相似度低于设定阈值时，重新执行步骤s3。

25、作为本发明进一步的方案：所述步骤s7中，控制计算模块根据结构传感器获取的动力电池包外壳三维轮廓、表面深度和表面变形信息，并结合可获得的车型结构数据建立电池包分层瞬态传热模型；所述模型至少包括外壳或底部防护结构层、热传递界面层以及电化学发热单元层，并可根据动力电池包实际结构设置空气间隙、导热胶、液冷板、支撑结构及模组壳体结构层；模型外边界施加步骤s6得到的外部边界热作用和步骤s4获得的等效冷却边界热流；模型参数校准与内部热源参数反演分阶段进行；控制计算模块首先利用参考区域r的温度响应以及冷却和恢复阶段的实测数据，对局部热扩散率、层间接触热阻和换热系数等参数进行校准；模型参数满足设定校准要求后予以固定，并将固定后的分层瞬态传热模型用于后续内部热源参数反演，从而降低模型参数与热源参数同时求解造成的反演病态性；

26、步骤s8中，在一次主动冷却脉冲及其后续温度恢复过程构成的短时诊断窗口内，将内部热源等效发热功率设置为恒定值或分段恒定值；在较长连续观测过程中，将内部热源等效发热功率表示为随时间变化的函数；单一内部热源的待反演参数包括内部热源在电池包平面内的位置、热源深度或所在结构层、等效发热功率以及等效作用范围；

27、控制计算模块在步骤s7获得的固定参数分层瞬态传热模型中改变候选内部热源参数，正向计算动力电池包外壳动态温度场及h/r差分瞬态温度响应，并通过最小化模型计算结果与实测结果之间的偏差确定内部热源参数；反演过程中设置热源功率非负、热源位置处于可能的电芯或模组区域、能量守恒、相邻时刻热源位置和功率连续等物理约束；对于存在多个内部热源的情况，将内部热源表示为多个非负局部热源的叠加，并结合稀疏约束及电芯拓扑相邻关系确定热源数量及各热源参数；反演过程中采用迭代优化方式更新内部热源参数，并根据预设收敛条件判断是否终止迭代；当相邻两次迭代的目标函数变化量小于设定阈值、目标函数值满足设定精度要求，或者迭代次数达到预设最大迭代次数时，终止反演过程，并将当前满足约束条件且目标函数值最小的内部热源参数作为反演结果。

28、作为本发明进一步的方案：步骤s9中，控制计算模块根据红外热像仪测温误差、表面发射率误差、冷却边界标定误差、结构热参数误差以及外部边界热作用估计误差生成多组扰动样本，并针对各组扰动样本分别执行步骤s8的内部热源参数反演；控制计算模块根据多次反演获得的空间坐标分布确定内部热源位置置信区间，并结合反演目标函数残差、有效温度像素比例、不同观测位置反演结果的一致性以及模型参数敏感性形成综合定位置信度；当最大区域定位概率达到设定阈值且位置置信区间满足设定要求时，将定位结果发送至结果输出接口；当定位概率低于设定阈值、位置置信区间超过允许范围，或者主动诊断过程中外部火焰、高温烟气等环境状态发生明显变化时，控制计算模块调整传感与冷却一体化探头的观测位置，重新匹配参考区域r或调整主动冷却脉冲参数，再次执行相应诊断步骤并进行内部热源反演；多次定位结果可通过贝叶斯更新或加权融合获得最终定位结果；最终由结果输出接口输出内部热失控源的三维位置、深度区间、等效发热功率、作用范围、对应电芯或模组区域、定位概率、位置置信区间及结果有效时间戳。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明通过向候选热点区域及匹配参考区域施加参数可测、边界输入可标定的短时冷却脉冲，使仅依赖自然温度变化的被动观测转化为已知冷却作用下的瞬态热响应辨识；通过获取两个区域的温降、回温和空间扩散过程，并结合外部热环境信息进行差分分析，可削弱外部火焰、高温烟气、周围热辐射、金属反射及灭火水雾等因素对表面热点判断的干扰。冷却换热标定模型能够将介质温度、质量流量、压力、喷射距离和角度等可测参数转换为逆热传导所需的等效冷却边界热流，增加内部热源位置、深度和等效发热功率的有效辨识信息；同时，通过利用参考区域的冷却—恢复响应对分层瞬态传热模型参数进行校准并固定，再进行内部热源参数反演，可降低模型参数与热源参数同时求解造成的反演多解和病态问题。通过红外温度场与三维结构数据的深度相关配准及现场校正，可减小近距离视差、机器人移动、车辆倾斜及电池包局部变形造成的空间偏差；通过对测量误差、边界条件误差及模型参数误差进行扰动反演，可获得区域定位概率和位置置信区间，并在置信度不足时调整观测位置、参考区域或冷却参数进行复核。因此，本发明能够在不拆解电池包的条件下较可靠地确定内部热失控源的空间位置、深度、等效发热功率及作用范围，并对定位结果的可信程度进行评价，为后续安全穿刺、定点直注和持续冷却提供目标依据。