一种基于超声导波传感器的锂离子电池热失控预警方法与流程

1.本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种基于超声导波传感器的锂离子电池热失控预警方法。


背景技术：

2.锂离子电池凭借能量密度大、功率密度大、寿命长和无记忆效应等诸多优点被广泛应用于电动汽车动力系统。然而以热失控为代表的电池安全事故时有发生，造成了人员伤亡和财产损失，影响着整个电动汽车市场的蓬勃发展。
3.在锂离子电池的实际使用过程中，热失控的发生是非常迅速且不可预知的。滥用情况是电池热失控发生的主要来源，可将其分为机械滥用（挤压、跌落、浸泡等）、电滥用（强制过充、过放和短路等）和热滥用（火灾、热冲击和过热等）。当这些滥用超过电池可容许的范围时，电池内部发生副反应并伴随着温度的升高。随后，电池内部发生sei膜分解、阳极
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电解液反应、电解液分解和隔膜融化等一系列反应，最终引发电池热失控。
4.电池热失控诱因较多且机理复杂，但最直观的表现是温度的升高。温度传感器可以检测电池表面温度的变化，进而对电池热失控进行预警。但在实际应用中，通常为多个电池单体共用一个温度传感器；同时在大倍率放电情况下，电池内部与表面的温差可达20℃。因此，应用温度传感器不能及时诊断热失控的发生。有必要扩展锂离子电池的检测维度，发掘新的感知与热失控预警方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有热失控诊断技术的不足，提出了一种基于超声导波传感器的锂离子电池热失控预警方法。以一定的时间间隔对工作中的电池进行超声波测量，并计算每次测量的tof和sa；若重复出现相邻两次测量的tof和sa差商同时超过阈值，则诊断电池发生热失控。本发明提出的预警方法同时检测多种热失控物理现象，包括气体产生、电极分层和温度升高；相较于检测电池表面温度升高来判断热失控，基于超声导波的检测方法具有更好的及时性和可靠性。同时超声导波传感器具有体积小、质量轻和检测范围广的优点，便于集成在电池管理系统中。
6.本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的：一种基于超声导波传感器的锂离子电池热失控预警方法，包括以下步骤：s1.选取锂离子电池，将超声导波传感器固定在锂离子电池同侧的表面，并将传感器连接微控制器芯片；s2.选取若干如s1所述集成超声导波传感器的锂离子电池，进行若干完整的充放电循环，期间超声导波传感器定时激励并接受穿过锂离子电池的超声波信号，通过微控制器芯片在线采集超声导波信号；s3.微控制器芯片计算每次测量的飞行时间tof和振幅sa，计算相邻两次测量的tof和sa的差商，选取绝对值最大的差商，作为锂离子电池热失控预警的阈值；
s4.在锂离子电池的实际工作过程中，通过超声导波传感器定时激励并接受穿过锂离子电池的超声波信号，微控制器芯片计算相邻两次测量的tof和sa差商，若该值重复超过s3中确定的阈值，则发出热失控预警信号。
7.其中，所述的超声导波传感器包括：一对超声波脉冲发射片、超声波脉冲接收片；超声波脉冲发射片、超声波脉冲接收片分别固定在锂离子电池同一表面的两端；将超声波脉冲发射片和超声波脉冲接收片还分别与微控制器芯片进行通信连接；微控制器芯片定时发出指令，控制超声导波传感器发出脉冲激励并接收响应信号；超声导波传感器感知的信号发送至微控制器芯片进行超声信号的实时处理。
8.所述微控制器芯片对超声波脉冲发射片的激励脉冲为方波或余弦波；超声导波频率取值范围为100
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300khz之间，脉宽取值范围为1
‑
5微秒。
9.一个所述微控制器芯片连接单个锂离子电池的一对超声波脉冲发射片、超声波脉冲接收片，或者连接多个锂离子电池的若干对超声波脉冲发射片、超声波脉冲接收片。
10.进一步的，所述的步骤s2包括以下子步骤：s201.对若干锂离子电池采用先恒流后恒压cccv的方法将锂离子电池充电至荷电状态soc为100%，静置后，采用恒流cc放电方法对锂离子电池进行完全放电；期间微控制器芯片定时发送指令，控制超声导波传感器以一定时间间隔发射并接收穿过锂离子电池的超声波信号，并将接收到的超声波信号通信至微控制器芯片；s202.重复步骤s201所述充放电循环，至锂离子电池容量衰减至初始容量的80%。
11.所述的步骤s3包括以下子步骤：s301.微控制器芯片计算每次超声波测量的tof和sa；s302.将相邻两次超声波测量得到的tof和sa进行差商计算，其计算公式如下：其中，下标k和k
‑
1分别代表第k次和k
‑
1次测量，t代表时间；s303.选取上述绝对值最大的tof和sa差商结果，并分别记为、；s304.诊断热失控发生的阈值a、b分别定义为：其中，n为安全系数，为3
‑
10。
12.所述的子步骤s301中的tof计算方法包括采用互相关分析法，sa由采集信号的最大振幅或累积振幅计算。
13.所述的步骤s4具体包括：在锂离子电池实际使用过程中，以固定时间间隔实施超声波测量，时间间隔为5
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10秒；计算每次超声导波测量对应的tof和sa，并将相邻两次超声波测量的tof和sa进行差
商运算；若连续发生：则微控制器芯片发出热失控预警信号。
14.本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于超声导波传感器的锂离子电池热失控预警方法，对实际使用中的锂离子电池实施超声波测量，并计算的tof和sa，根据tof和sa的差商重复超过阈值来诊断锂离子电池热失控。本发明所述的方法有三点优势：第一，锂离子电池的热失控直接导致内部温度升高和电极分层，这都促使超声波特征tof快速增加；同时热失控期间还伴随着内部气体的产生，这将削弱接收到超声波信号的振幅；因此，本方法判断热失控的依据充足，具有很好的及时性和可靠性；第二，所使用的超声导波传感器频率为100khz数量级，具有体积小、质量轻和检测范围广的优点，便于集成在锂离子电池管理系统；第三，本发明不需要复杂的算法，仅通过简单的差商运算即可实现锂离子电池热失控的预警。
附图说明
15.图1为本发明的方法流程图；图2a为本发明超声导波传感器与微控制器芯片布置主视示意图；图2b为本发明超声导波传感器与微控制器芯片布置俯视示意图；图3a为互相关分析法的参考信号与偏移信号振幅的关系；图3b为互相关分析法的参考信号与偏移信号振幅相关度的关系。
16.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1
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锂离子电池 2
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超声波脉冲发射片 3
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超声波脉冲接收片 4
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微控制器芯片。
具体实施方式
17.下面结合附图进一步详细地描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
18.如图1所示，一种基于超声导波传感器的锂离子电池热失控预警方法，包括以下步骤：s1.选取若干锂离子电池，将超声导波传感器固定在锂离子电池同侧的表面，连接微控制器芯片；如图2a和图2b所示，一种超声导波传感器包括：一对超声波脉冲发射片2、超声波脉冲接收片3；将超声波脉冲发射片2、超声波脉冲接收片3分别固定在锂离子电池1同一表面的两端，并进行固化处理；固定可使用环氧树脂，固化时间一般不小于5个小时，所述锂离子电池1为软包电池或方壳电池；将超声波脉冲发射片2、超声波脉冲接收片3分别与一个微控制器芯片4进行通信连接；
重复上述安装方法，为若干锂离子电池均安装超声导波传感器；工作模式为：微控制器芯片定时发出指令，控制超声导波传感器发出脉冲激励并接收响应信号；超声导波传感器感知的信号发送至微控制器芯片进行超声信号的实时处理。
19.具体地，所述微控制器芯片对超声波脉冲发射片的激励脉冲可为方波或余弦波，但不仅限于以上形式；超声导波频率取值范围可选为100
‑
300khz之间，脉宽取值范围可为1
‑
5微秒。
20.具体地，所述微控制器芯片可连接单个锂离子电池的一对超声波脉冲发射片、超声波脉冲接收片，也可连接多个锂离子电池的若干对超声波脉冲发射片、超声波脉冲接收片；所述若干锂离子电池实现超声导波测量，其目的是采集若干锂离子电池的超声波数据，避免单一锂离子电池超声波测量的偶然性。
21.s2.选取若干如s1所述集成超声导波传感器的锂离子电池，进行若干完整的充放电循环，期间超声导波传感器定时激励并接受穿过锂离子电池的超声波信号，通过微控制器芯片在线采集超声导波信号；s201.对若干锂离子电池采用先恒流后恒压cccv的方法将锂离子电池充电至荷电状态soc为100%，静置后，采用恒流cc放电方法对锂离子电池进行完全放电。期间微控制器芯片定时发送指令，控制超声导波传感器以一定时间间隔发射并接收穿过锂离子电池的超声波信号，并将接收到的超声波信号通信至微控制器芯片。
22.s202.重复步骤s201所述充放电循环，至锂离子电池容量衰减至初始容量的80%。
23.s3.微控制器芯片计算每次测量的飞行时间tof和振幅sa，计算相邻两次测量的tof和sa的差商，选取绝对值最大的差商，作为锂离子电池热失控预警的阈值；s301.微控制器芯片计算每次超声波测量的tof和sa；s302.将相邻两次超声波测量得到的tof和sa进行差商计算，其计算公式如下：其中，下标k和k
‑
1分别代表第k次和k
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1次测量，t代表时间；s303.选取上述绝对值最大的tof和sa差商结果，并分别记为、；s304.诊断热失控发生的阈值a、b分别定义为：其中，n为安全系数，一般可选3
‑
10。
24.具体地，所述的子步骤s301中的tof计算方法包括但不仅限于互相关分析法。互相关分析法精准地确定不同超声波测量之间的tof偏移量。如图3a和图3b所示，选定锂离子电池早期循环测得的tof作为参考信号；随后，对给定的超声波信号相对于参考信号施加一个偏移，并计算参考信号与被偏移信号的振幅相关度。最大的振幅相关度对应的偏移量即为
tof偏移量，互相关分析法用公式可表示为：其中，f是参考信号，g是给定的超声波信号，是超声波时间偏移量，t是时间；所述sa由采集信号的最大振幅或累积振幅计算。具体的实施例采用的是累积振幅，累积振幅可表示为：其中，t1和t2分别是超声波信号的起始时间和终止时间。
25.s4.在锂离子电池的实际工作过程中，通过超声导波传感器定时激励并接受穿过锂离子电池的超声波信号，微控制器芯片计算相邻两次测量的tof和sa差商，若该值重复超过s3中确定的阈值，则发出热失控预警信号；在锂离子电池实际使用过程中，以固定时间间隔实施超声波测量，时间间隔可选为5
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10秒；计算每次超声导波测量对应的tof和sa，并将相邻两次超声波测量的tof和sa进行差商运算。若连续发生：则微控制器芯片发出热失控预警信号。
26.需要说明的是：在锂离子电池实际使用过程中，超声波特征tof和sa呈现有规律的变化；随着充电过程的进行，tof呈现降低的趋势而sa整体呈现升高的趋势；对于放电过程，恰好相反；但在几秒的超声波测量时间间隔内，锂离子电池正常使用引起的超声波信号变化较微小，与热失控引起的变化相比可近似忽略。因此，tof和sa的差商可以作为判定锂离子电池热失控的依据。此外，本专利检测热失控的准确性不会受到锂离子电池老化的影响。
27.按照上述步骤可在锂离子电池发生热失控时，及时做出预警，避免进一步的人员伤亡和财产损失。
28.在本专利的实施例中，以nmc软包电池为实验对象，在30℃的环境下进行实验。按照本发明所述方法，使用hysol e20hp结构环氧粘合剂将超声导波传感器固定在锂离子电池表面，固化时间为24小时；使用的超声导波传感器为压电陶瓷晶片，其直径为6.35mm和厚度为0.254mm，频率为125khz。随后，为确定热失控的阈值，对5个软包电池进行cccv充电和cc放电过程；cccv阶段的恒流充电电流为1c，上限截至电压为4.2v，下限截至电流为c/20；静置时间为15分钟；cc放电过程的电流仍为1c，下限截至电压为3.0v。在充放电过程中每10秒完成一次超声波测量，采用互相关分析法计算tof，选用累积振幅表征sa；热失控阈值中的安全系数取5。在锂离子电池的实际工作中，每隔10秒完成一次超声波测量；在本实施例中，如果连续三次出现tof和sa的差商结果超过阈值，则微控制器芯片发出热失控预警信号。因此，本方法预计在热失控发生后的1分钟左右及时做出预警。
29.综上，本发明提出了一种基于超声导波传感器的锂离子电池热失控预警方法，使用小体积的超声导波传感器实施测量，根据采集到的信号计算出tof、sa和其差商结果，与阈值比较进而对锂离子电池热失控进行预警。该监测锂离子电池热失控的过程，本质上是监测多种热失控现象，即锂离子电池内部温度升高、产气和电极分层；克服传统方法中监测热失控单一现象的不及时性和难以集成在锂离子电池管理系统中的局限性，所涉及的方法具有非常明显的实用价值。
30.以上所述仅是针对本发明的较佳实施例而已，并不局限于本发明，凡在本发明的构思之内所作出的推演、变形或替换方案也包含在本发明的保护范围之内。