一种自适应锂电保护方法及系统与流程

本发明涉及锂电保护，特别涉及一种基于群体行为模式识别的充自适应锂电保护方法及系统。

背景技术：

1、随着便携式电子设备的普及，充电宝的使用场景正从单人单设备向多人多设备环绕演变。在朋友聚会、家庭共用、办公室共享等社交充电场景中，一台充电宝同时或先后服务于多个用户与设备，呈现出端口插拔高频化、负载需求多样化、热分布复杂化及群体行为动态化的特征。

2、强制性国家标准gb 47372—2026《移动电源安全技术规范》已于2026年3月31日正式发布，将于2027年4月1日起全面实施。新国标从电池安全、整机电路防护、智能管理三大维度提出了更为严格的要求，对充电宝在群体化、多设备使用场景下的安全保护能力提出了更高标准。

3、目前，现有充电宝锂电保护技术在应对上述社交充电场景时，主要存在以下不足：

4、第一，保护参数出厂固定，无法随群体接入行为动态适配。现有充电宝的过流、短路保护阈值出厂预设后固定不变。在聚会场景下多台设备短时间内集中接入，各设备充电握手阶段的浪涌电流叠加，极易触发短路或过流保护误动作，导致充电宝输出被误切断。系统无法提前感知“人群正在聚集充电”这一行为模式并主动调整保护边界。

5、第二，对负载快速变化缺乏预判性保护。多台设备集中拔除时，充电宝内部dc-dc电路经历负载快速卸载，输出端可能出现瞬态电压上冲，反向冲击充电宝内部电芯。现有充电宝的过压保护响应时间固定，无法在识别到“散场”信号后主动加速响应。散场后若充电宝被塞入包中，密闭空间散热条件急剧恶化，充电宝电芯温升加速，现有方案无法预判并提前调整输出。

6、第三，放电管理粗放，未区分使用模式。现有充电宝对所有放电会话执行相同的放电管理策略，未识别“轮流应急补电”与“独家长时供电”的模式差异。在轮流借用场景下，充电宝电芯被频繁浅放，放电深度波动大，sei膜承受反复机械应力；同时用户通常赶时间使用快充，高倍率放电加剧充电宝电芯极化损伤。现有方案未根据场景差异调整放电深度限制和放电倍率控制。

7、综上所述，现有充电宝锂电保护技术在应对社交充电场景时，存在保护参数静态化、对负载变化缺乏预判、放电管理粗放等系统性不足。亟需一种能够融合群体行为模式识别的自适应锂电保护方案，以满足新国标gb 47372—2026对充电宝安全管理的更高要求。

技术实现思路

1、一种自适应锂电保护方法，包括以下步骤：

2、s1：实时监测各usb端口的插拔事件，获取接入设备的身份标识；

3、s2：建立端口层与设备层解耦的双层统计量架构，为每个端口及每个设备分别维护事件间隙统计量，所述统计量至少包括事件间隙的均值与标准差；设备接入时，若存在该设备的历史统计量，则以该历史统计量作为端口当前统计量的初始值；设备拔除时，将端口当前统计量回写至该设备的档案记录中；

4、s3：根据各端口事件的时间间隔与当前统计量的偏离程度进行动态聚类，识别当前群体充电行为模式，并基于识别结果输出至少包含保护边界调整幅度的场景预调整指令；

5、s4：将硬件保护触发信号、温度管理轮询信号与所述场景预调整指令按预设优先级进行仲裁，输出最终执行指令；

6、s5：设备拔除后，更新该设备的档案信息及统计量，并记录本次更新时间戳；

7、s6：根据所述最终执行指令或硬件触发信号，执行至少包含可恢复软关断和需借助专用维护接口复位的硬件自锁的多级锂电保护动作，所有保护动作作用于充电宝内部锂电芯。

8、进一步的，一种自适应锂电保护方法，步骤s1中，具体步骤如下：

9、s11.数据采集：通过usb端口电压检测电路实时监测各端口的电气状态变化，当端口输出电压发生跳变时记录一次事件，事件数据结构至少包括事件发生的时间戳、事件类型、端口编号、设备标识；通过部署于电芯表面及usb端口下方的ntc温度传感器实时采集温度数据，生成热场分布矩阵；

10、s12.设备标识获取：系统获取接入设备的身份标识，所述身份标识基于设备硬件信息及电气响应特征生成。对于支持usb pd协议的设备，通过discover identity命令获取唯一id；对于不具备数据通信能力的纯充电负载，系统通过检测其接入时的等效直流阻抗、端口电压上升沿陡度及d+/d-静态偏置电压，组合生成该设备的电气指纹（临时标识），该指纹在同一充电宝本地有效，用于建立短期统计档案；

11、s13.插拔事件队列管理：每个usb端口维护独立循环队列，每条记录包含时间戳、事件类型、设备标识、事件发生时设备电量百分比；

12、s14.充电宝自身电量监测与低电量降级：系统通过库仑计实时监测充电宝电芯的剩余电量，当充电宝自身电量低于20%时，系统自动执行降级策略：暂停全局归并计算，端口统计量继续更新但不再触发新场景识别，已有场景标记继续生效但不进入冷却期，所有端口输出电流限制为额定值的50%，直至充电宝电量恢复至30%以上；

13、s15.虚接与无效接入检测：系统在检测到端口接入事件后，启动充电电流监测窗口：若10秒内端口输出电流持续低于50ma，判定为虚接或无效接入，该事件不进入统计量更新流程；若30秒内仍无有效充电电流，系统自动关闭该端口输出；

14、s16.并发事件处理时序：系统维护全局事件时间戳计数器；当多个端口在10ms内同时产生事件时，按端口编号从小到大依次处理，同一端口的拔除事件优先于接入事件处理，所有事件的时间戳统一为该10ms窗口的起始时间戳。

15、进一步的，一种自适应锂电保护方法，步骤s2中，具体步骤如下：

16、s21.统计量定义与初始化：端口层统计量ω_port = {μ_p, σ_p, n, t_last,state}绑定充电宝物理端口，存储于ram，初始值μ0=180秒，σ0=120秒；设备层统计量{μ_d,σ_d, timestamp}绑定设备标识，存储于充电宝内部flash档案库；

17、s22.统计量同步规则：设备插入时，若档案存在且更新时间戳距当前≤7天，将端口统计量重置为档案值；设备拔除时，将端口统计量覆盖写入该设备档案；端口连续空闲超过7天时自动重置为出厂默认值；

18、s23.统计量冷启动处理：端口统计量初始化后，前3个事件不执行场景判定，系统执行保守保护策略：消隐时间固定为默认值的1.3倍，130μs，短路阈值保持默认值；当n≥3且σ变化率<5%连续3次更新时，切换至完整场景识别模式；

19、s24.偏差压缩自适应更新律：当新事件到达时，系统计算与同一端口上一事件的间隔δt，采用偏差压缩自适应更新律更新端口统计量：

20、μ_new = μ_old + β × (δt - μ_old) / (1 + |δt - μ_old| / σ_old)

21、σ_new = σ_old + β × (|δt - μ_old| - σ_old) / (1 + |δt - μ_old| /σ_old)

22、其中，μ_new为更新后的事件间隙均值，单位为秒，μ_old为更新前的事件间隙均值，单位为秒，σ_new为更新后的事件间隙标准差，单位为秒，σ_old为更新前的事件间隙标准差，单位为秒，δt为当前事件与同一端口上一事件的时间间隔，单位为秒，β为学习率，无量纲，取值范围0.1~0.2，σ设有下限值，单位为秒，以防止计算溢出，|δt - μ_old|为差值绝对值，单位为秒；该更新律中分母1 + |δt-μ|/σ在δt严重偏离均值无论是过大还是过小时均自动产生衰减权重，抑制更新步长，防止单次极端异常值大幅污染统计量；

23、s25.自适应边界判定阈值：定义自适应归属系数γ = (δt - μ) / (σ + ε)，其中γ为自适应归属系数，无量纲，δt为当前事件与上一事件的时间间隔，单位为秒，μ为当前事件间隙均值，单位为秒，σ为当前事件间隙标准差，单位为秒，ε为防止除零的极小常数，单位为秒，取值0.1；边界判定阈值c1、c2随σ动态调整：当σ < 10秒时c1=1.2、c2=2.2；当σ >120秒时c1=1.8、c2=2.8；其余情况c1=1.5、c2=2.5，其中c1、c2均为无量纲阈值常数；判定规则：γ ≤ c1时事件归属于当前端口子簇；c1 < γ ≤ c2时进入悬停状态，所述悬停状态是指当前事件归属不确定的临时等待区间，系统在悬停期间不封存当前子簇、保留归并可能性；同时启动悬停计时器，计时时长设为2×μ，单位为秒，若计时器超时仍无新事件到达，则强制封存该子簇；若在计时器到期前有新事件到达且新事件的γ值落入c1以内，则解除悬停状态并将新事件归入当前子簇；γ > c2时立即封存当前子簇并开启新子簇；

24、s26.事件防抖过滤：若与队尾最近事件间隔小于500ms且事件类型相反，判定为物理抖动，不进入主统计量更新流程，但以低权重因子w=0.1计入统计量修正系数；

25、s27.全局事件簇归并器：各端口封存的子簇提交至全局归并器进行跨端口协同归并；全局归并器维护活跃全局簇列表g_list及全局统计量μ_global和σ_global，初始值与端口级统计量一致，μ0=180秒，σ0=120秒，采用与端口级相同的偏差压缩自适应更新律进行更新；归并逻辑：子簇时间中点t_mid落在现有全局簇的[t_first - δt, t_last + δt]范围内（δt = 2 × μ_global）则归并，否则新建全局簇；当全局簇的最后一次归并时间超过3 × σ_global时，触发场景识别；

26、s28.三类场景识别与置信度量化：

27、模式a多端口突增负载接入保护模式：多端口突增负载接入保护模式的触发条件为：n_in ≥ 3 且 n_in/(n_in+n_out) ≥ 0.7 且 ρ ≤ 120秒/次；其中，当 n_in ≥ 2时，ρ = t_duration / (n_in - 1)；当 n_in ≤ 1 时，因不满足 n_in ≥ 3 的必要条件，该模式不触发，ρ 不参与判定；当 n_in ≤ 1 时，不满足计数阈值条件，该模式不触发，ρ无需计算。，其中n_in为全局簇内接入事件总数，无量纲整数，n_out为全局簇内拔出事件总数，无量纲整数，ρ为平均接入间隔，单位为秒/次，t_duration为全局簇首尾时间跨度，单位为秒；置信度c_surge = min(1.0, 0.6 + 0.1×n_in + α × (t0/ρ))，其中t0=1秒,α为无量纲经验系数，取值为0.05, 则 t0/ρ无量纲，c_surge为多端口突增负载接入保护置信度，无量纲，取值范围[0,1]，min(1.0, ·)表示置信度上限截断；保护动作：消隐时间延长δt_blank = 50μs × c_surge，其中δt_blank为消隐时间延长量，单位为微秒，50μs为最大延长幅度，单位为微秒；短路阈值上调比例 δi_short_ratio = 0.05 × c_surge，c_surge无量纲，执行时实际短路阈值 = 默认短路阈值 × (1 + δi_short_ratio)；预触发态：当2 ≤ n_in < 3且ρ ≤ 60秒/次时，按c_pre = 0.5 × (n_in/3)执行相应比例的轻度预调整，其中c_pre为预触发态置信度，无量纲，取值范围(0, 0.5]，以与满触发态置信度c_surge相区分；

28、模式b多端口突降负载卸载保护模式：触发条件n_out ≥ 2 且 n_out/(n_in+n_out) ≥ 0.7；置信度c_drop = min(1.0, 0.5 + 0.2×n_out)，其中c_drop为多端口突降负载卸载保护置信度，无量纲，取值范围[0,1]，n_out为全局簇内拔出事件总数，无量纲整数；保护动作：过压保护响应时间从常规100ms加速至t_ovp = 50ms + (1 - c_drop) ×50ms，其中t_ovp为过压保护响应时间，单位为毫秒，50ms为响应时间下限，单位为毫秒；所有端口空闲后进入深度休眠的延迟时间从常规30秒缩短至5秒；加速度传感器检测到充电宝被移动时，判定条件为：三轴合成加速度幅值 > 5m/s²且该状态持续200ms以上，以滤除搬运过程中的轻微震动及误触发，剩余端口输出电流降至额定值的70%；

29、模式c单端口短时循环充放保护模式：触发条件同一端口接入-拔出交替对≥3次，且单次接入时长≤0.3×μ_history，其中μ_history优先取该端口历史平均充电时长，单位为秒），若无则取该设备在任意端口的历史平均时长，单位为秒，若均无则取系统默认值3600秒；置信度c_cycle = min(1.0, 0.4 + 0.1×交替对数)，其中c_cycle为单端口短时循环充放保护置信度，无量纲，取值范围[0,1]，交替对数为同一端口上以接入事件开始、以拔出事件结束的完整接入-拔出配对的累计次数（无量纲整数）；保护动作：放电深度限制不超过70%；充电宝自身电量降至30%时降流至0.5a并发出电量不足提醒；充电宝自身电量<40%时输出功率限制为10w以内；

30、s29.冷却期与冲突解决：场景触发后进入冷却期t_cool = min(300, 2×t_duration)秒，其中t_cool为冷却期时长，单位为秒，t_duration为全局簇首尾时间跨度，单位为秒，min(300, ·)表示冷却期上限截断至300秒；冷却期内落入旧触发簇时间窗的事件不重复触发；冲突解决规则：多端口突降负载卸载保护模式 > 多端口突增负载接入保护模式 > 单端口短时循环充放保护模式。

31、进一步的，一种自适应锂电保护方法，步骤s4中系统按三级优先级仲裁：第一优先级为硬件保护触发信号，一旦有效立即封锁所有端口输出；第二优先级为热管理轮询指令，激活时对放宽幅度乘以衰减因子(1 - 温度超调比例)进行连续压缩，其中温度超调比例 =(t_current - t_threshold) / (t_max - t_threshold)，无量纲，t_current为当前实测温度，单位为℃，t_threshold为热管理触发温度阈值，单位为℃，取值为55℃，t_max为过热保护上限温度，单位为℃，取值为75℃；所述温度管理轮询信号以1hz周期检测电芯温度，当任一温度传感器测得温度达到55℃时激活，回落至50℃以下持续10秒后解除；第三优先级为行为模式预调整指令；各优先级指令按顺序执行，高优先级指令可覆盖低优先级指令。

32、进一步的，一种自适应锂电保护方法，步骤s5中设备拔除后更新档案：温升速率采用加权移动平均（r_new = 0.7×r_old + 0.3×r_session），其中r_new为更新后的温升速率，单位为℃/min，r_old为历史温升速率，单位为℃/min，r_session为本轮充电会话温升速率，单位为℃/min；累计充电次数自增；下次接入时距当前≤7天则热启动，超过7天重置为出厂值；档案库最多存储50台设备档案；

33、系统维护两级异常日志区：环形日志区容量50条记录所有异常事件循环覆盖，永久日志区容量10条仅记录深度禁用和硬件自锁两类严重异常事件，写入后永不覆盖直至产品报废；当永久日志区写满10条后，后续新产生的深度禁用或硬件自锁事件仅记录事件类型与时间戳至环形日志区，永久区不再追加写入。

34、系统根据累计循环次数、平均放电深度、平均放电倍率、累计高温运行时间综合推算等效循环次数：

35、等效循环次数 = n_cycles × (dod_avg/100%)^0.8 × (c_rate_avg/0.5c)^0.5 × (1 + t_high_hours/1000)

36、其中，n_cycles为累计充放电循环次数，无量纲整数，每次放电深度dod≥50%时计为1次完整循环；当dod<50%时，按折算循环数 = dod/50%进行比例折算，无量纲，所有折算值累加后向下取整作为n_cycles的统计值；dod_avg为平均放电深度，无量纲百分比，c_rate_avg为平均放电倍率，单位为c，取实际有效放电会话的平均值，初始默认值0.2c，t_high_hours为电芯温度超过45℃的累计运行小时数，单位为小时，指数0.8和0.5均为无量纲常数，100%为满放基准值，无量纲百分比，0.5c为基准放电倍率，单位为c，1000为高温时间的归一化因子，单位为小时；每完成100次循环后自动校准，将实际容量衰减率与公式预测衰减率对比，偏差超过±10%时，~~固定指数0.8不变，仅~~对指数0.8与指数0.5进行双参数协同微调，微调采用梯度下降法，步长均为0.01；指数0.5的调整范围限制为[0.3,0.7]，指数0.8的调整范围限制为[0.7,0.9]，该基准值及波动范围基于锂离子电池sei膜生长及活性物质损失与放电深度(dod)关联性的电化学模型确定；当等效循环次数≥500时触发第二级深度禁用。

37、进一步的，一种自适应锂电保护方法，步骤s6中系统设置三级保护：

38、第一级软关断：触发条件电芯电压超过4.30v，单位为伏特或电芯温度超过65℃（单位：℃）；mcu关闭输出端口，led黄色快闪；待温度回落至55℃以下且电压回落至4.25v以下并保持30秒后自动恢复；

39、第二级深度禁用：触发条件电芯电压持续超过4.35v达5秒、或电芯温度持续超过75℃达10秒、或等效循环次数超过500次；写入非易失禁用标志至flash，关闭输出端口，led红色呼吸灯效；售后可通过uart接口复位；

40、第三级硬件自锁：触发条件包括独立硬件保护比较器检测到电芯电压超过4.5v、电芯温度超过80℃，或输出回路瞬时电流超过预设硬件短路阈值；直接驱动输出回路保护开关关断并自锁，需返厂维修；

41、系统将状态信号反馈至s5档案更新模块，完成完整闭环。

42、一种自适应锂电保护系统，包括：

43、多源感知模块：采集端口插拔事件、设备标识、充电宝自身电量、温度数据及加速度传感信号；

44、双层统计量管理单元：维护端口层与设备层统计量及同步逻辑；

45、场景识别引擎：运行事件间隙聚类与全局归并算法，输出场景置信度；

46、保护参数预调整执行器：根据场景结果调整消隐时间、过压保护响应时间、放电深度阈值及功率上限；

47、仲裁与冲突解决单元：执行多场景优先级仲裁及温度补偿压缩；

48、异常日志与安全年限推算单元：维护两级异常日志，推算等效循环次数并执行校准；

49、三级保护状态机：管理软关断、深度禁用、硬件自锁的状态转换。

50、本发明的有益效果：

51、1.本发明通过实时监测群体充电行为并动态识别多端口突增接入、突降卸载及单端口短时循环充放三类典型社交充电模式，基于置信度分数对保护参数进行连续化预调整，实现了充电宝锂电保护从被动响应到群体行为预判驱动的主动预适应升级；

52、2.本发明通过事件间隙统计量动态聚类使窗口边界由数据统计显著性自动决定，并通过全局归并器实现跨端口协同归并，实现了对用户随机插拔节奏的精准适应与群体行为的整体感知，避免了固定时间窗下的碎片化漏报；

53、3.本发明通过端口层与设备层解耦的双层统计量架构及偏差压缩自适应更新律，实现了统计量的持续自学习与设备档案的智能迁移，使新设备接入后即插即用、快速收敛；

54、4.本发明通过场景置信度连续化控制，实现了保护参数调整幅度的平滑过渡，避免了传统阈值触发方式下的参数突变与系统震荡；

55、5.本发明通过三级递进式保护体系与三级优先级仲裁机制，实现了安全性与用户利益的最优平衡，其中软关断自动恢复、深度禁用可售后重置、硬件自锁作为极端故障兜底保障；

56、6.本发明通过两级异常日志管理实现关键安全信息持久化存储，并通过综合考虑循环次数、放电深度、放电倍率及高温运行时间推算等效循环次数，实现了电芯健康状态的科学评估与安全使用年限的准确预判，完全满足gb 47372—2026强制性要求。