基于VOC气体的锂离子电池异常状态的评估方法及系统与流程

基于voc气体的锂离子电池异常状态的评估方法及系统
技术领域
1.本发明属于锂离子电池安全技术领域，特别是涉及基于voc气体的锂离子电池异常状态评估方法及系统。


背景技术：

2.随着锂离子电池制作工艺和封装水平的不断增高，锂离子电池的取得了越来越多的应用。离子电池本身存在着不能忽视的安全隐患，随着锂离子电池能量密度等指标的提高，锂离子电池的安全性问题也越发尖锐。考虑到电池异常时伴随着电压、内阻、温度等多种参数的变化，并伴随有特征气体的生成，将此类参数作为故障识别参数，引入电池异常状态评估机制，是目前提升电池安全性的一个重要手段。
3.锂离子电池的电解液由一种锂盐和两种或以上溶剂组成的，锂盐取lipf6，而溶剂则取乙烯碳酸酯ec配搭线性碳酸酯dmc、dec、emc构成。其中，ec、dmc、dec、emc都属于挥发性有机物，当锂离子电池出现异常时，溶剂会进行化学反应，电池内部压力不断增大，随即泄气阀被顶开，然后直接挥发出voc气体。因此，能否利用voc气体对锂离子电池异常状态进行评估成为亟需解决问题。
4.目前针对利用气体信号实现漏液故障诊断的研究相对匮乏。王春力,贡丽妙,亢平,等人在2018年发表于《储能科学于技术》的《锂离子电池储能电站早期预警系统研究》中指出，锂离子电池会析出co和h2，设计了预警方法，但并未提出具体的异常状态评估方法。郑洁民，雷占秀，张世洋等在2020年授权的发明专利《一种电动汽车动力电池箱漏液控制系统及控制方法》(专利号cn107959066b)提到利用气体信号的变化率进行锂离子电池故障诊断，但该发明未提出利用何种气体信号进行，同时信号繁琐的转变过程使得该发明复杂性极高。总体而言，利用气体信号进一步设计出准确性好、可靠性高、便于实现地锂离子电池状态异常评估方法仍是锂离子电池安全保障的重要工作。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供基于voc气体的锂离子电池异常状态的评估方法及系统。
6.本发明采用如下的技术方案：
7.基于voc气体的锂离子电池异常状态的评估方法包括以下步骤：
8.步骤1：设置voc浓度阈值s1、时间间隔
△
t和采样频率f，并通过对实验锂离子电池的高温故障模拟对voc气体浓度轻度异常阈值s2和重度异常阈值s3、voc气体浓度变化率的阈值k进行设置；
9.步骤2：使用voc气体监测系统对待检测锂离子电池释放的voc气体浓度值c
k
进行检测；当voc气体浓度值c
k
满足连续b 1个采样点均大于阈值s1，即[c
k
,c
k 1
...,c
k b
]＞s1时，进入步骤3，否则重复步骤2；
[0010]
步骤3：根据步骤2所得的voc气体浓度值，计算时间间隔
△
t内待检测锂离子电池
的voc气体浓度变化率k以及voc气体总浓度值s；
[0011]
步骤4：比较步骤3中voc气体浓度变化率k与相应阈值k的关系以及s与s2的关系，当k>k且s>s2时，判定为轻度异常，如此时选择继续检验锂离子电池，则进入步骤5，否则结束此次检测并输出轻度异常；当k<k或s<s2，则返回步骤2重新监测；
[0012]
步骤5：如在步骤4计算得到k>k的时间ts内s的值大于s3，则结束此次检测并输出重度异常；否则结束此次检测并输出轻度异常。
[0013]
在步骤1中，voc浓度阈值s1设置为0ppm、所述采集时间间隔
△
t取为1s、所述采样频率f取为10hz。
[0014]
步骤1包括以下内容：
[0015]
步骤101：以3a恒电流、0.5c放电倍率对实验锂离子电池进行充电，直至实验锂离子电池电压为3.65v；
[0016]
步骤102：以恒电压即3.65v继续对其充电，直到实验锂离子电池的截止电流低于60ma且放电倍率小于0.01c，并将电池静置1小时；
[0017]
步骤103：将电池放入温控箱，初始温度的选择范围为[23℃,27℃]，然后以5摄氏度每分钟的速率升温至最终温度，其范围为[140℃，160℃]，并保持1h以上；
[0018]
步骤104：将voc气体监测系统插入温控箱内对实验锂离子电池释放的voc气体浓度值c
k
进行检测；当voc气体浓度值c
k
满足连续b 1个采样点均大于阈值s1，即[c
k
,c
k 1
...,c
k b
]＞s1时，进入步骤105，否则重复步骤104；
[0019]
步骤105：计算voc气体浓度在
△
t内的气体浓度变化率k
dc
；
[0020]
步骤106：重复步骤101
‑
104，对dc个相同型号的锂离子电池进行针刺模拟并计算它们的气体浓度变化率，取小于所有锂离子电池气体浓度变化率的最大正整数为voc气体浓度变化率阈值k，所有电池从第c
k b
个浓度值起
△
t内所产生的总voc气体浓度的平均值为轻度异常阈值s2；取s2的4
‑
6倍为s3的值。
[0021]
在步骤3中，待检测锂离子电池的voc气体浓度变化率k的计算方法为：
[0022][0023]
其中，c
k n b
为c
k b
后第n个voc气体浓度，n＝
△
t
×
f。
[0024]
在步骤3中，voc气体总浓度值s的计算方法为：
[0025][0026]
在步骤5中，所述时间ts取2000s。
[0027]
本发明还公开了基于voc气体的锂离子电池异常状态评估方法的锂离子电池异常状态决策系统，包括上位机、voc气体传感器，锂离子电池、实际运行负载以及can总线，其特征在于：
[0028]
上位机与voc气体传感器相连接，用于气体浓度值的存储和处理，同时显示本发明方法的漏液故障诊断判定结果；voc气体传感器利用预留的气管与实际运行负载相连，用于实时监测voc气体的浓度值；锂离子电池与实际运行负载连接，以模拟锂离子电池工作情况；can总线用于连接上位机以及voc气体传感器，并完成两者间数据传输。
[0029]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，基于voc气体的锂离子电池异常状态评估方法及系统，具有可靠性高，反应迅速，施行简单的特点，能够在线对锂离子电池的异常状态进行评估，从而有效地对锂离子电池状态进行预警，避免因锂离子电池进一步异常程度加剧引起的事故。
[0030]
附图说明
[0031]
图1是锂离子电池异常状态评估方法的系统图；
[0032]
图2是锂离子电池异常状态评估方法的流程框图；
[0033]
图3是voc气体浓度值的趋势图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
[0035]
图1示出本发明所提供的用于执行上述锂离子电池漏液故障诊断方法的系统图，包括上位机、voc气体传感器，锂离子电池、实际运行负载以及can总线。
[0036]
其中，所述上位机与voc气体传感器相连接，用于气体浓度值的存储和处理，同时显示本发明方法的漏液故障诊断判定结果；所述voc气体传感器利用预留的气管与实际运行负载相连，用于实时监测voc气体的浓度值；所述锂离子电池与实际运行负载连接，以模拟锂离子电池工作情况，实际运行负载是用电设备，在本发明中使用电阻充当负载；所述can总线用于连接上位机以及voc气体传感器，并完成两者间数据传输。
[0037]
本发明的锂离子电池异常状态评估方法的流程框图如图2所示，包括以下步骤：
[0038]
步骤1：设置voc浓度的阈值s1、时间间隔
△
t和采样频率f，并通过对实验锂离子电池的高温故障模拟对voc气体浓度轻度异常阈值s2和重度异常阈值s3、voc气体浓度变化率的阈值k进行设置；
[0039]
在本实施例中，因voc不是大气中的固有气体，所以s1取0ppm，意味着一旦有voc，即代表电池就出现问题；采集时间间隔
△
t取为1s和采样频率f取为10hz。本领域的技术人员可以根据实际情况对这三个参数进行设置，s1取值越大、时间间隔越长、频率越低则准确率越低。
[0040]
对实验锂离子电池的高温模拟包括以下内容：
[0041]
步骤101：以3a恒电流、0.5c放电倍率对实验锂离子电池进行充电，直至实验锂离子电池电压为3.65v；
[0042]
步骤102：以恒电压即3.65v继续对其充电，直到实验锂离子电池的截止电流低于60ma且放电倍率小于0.01c，并将电池静置1小时；
[0043]
步骤103：将电池放入温控箱，初始温度的选择范围为[20℃,25℃]，然后以5摄氏度每分钟的速率升温至最终温度，其范围为[140℃，160℃]，并保持1h以上；
[0044]
在本实施例中，初始温度设定为25℃,最终温度为150℃。
[0045]
步骤104：将voc气体监测系统插入温控箱内对实验锂离子电池释放的voc气体浓度值c
k
进行检测；当voc气体浓度值c
k
满足连续b 1个采样点均大于阈值s1，即[c
k
,c
k 1
...,
c
k b
]＞s1时，进入步骤105，否则重复步骤104；
[0046]
步骤105：计算voc气体浓度在
△
t内的气体浓度变化率k
dc
；
[0047][0048]
其中,c
k n b
为c
k b
后第n个voc气体浓度值，n＝
△
t
×
f；
[0049]
步骤105：重复步骤101
‑
104，对dc个相同型号的锂离子电池进行针刺模拟并计算它们的气体浓度变化率，取小于所有锂离子电池气体浓度变化率k
dc
的最大正整数为voc气体浓度变化率阈值k，所有电池从第c
k b
个浓度值起
△
t内所产生的总voc气体浓度的平均值为轻度异常阈值s2；取s2的4
‑
6倍为重度异常阈值s3的值。
[0050]
dc的取值应大于50。在本实施例中，dc为50。
[0051]
voc浓度阈值s2的计算方法为：
[0052][0053]
表示第j个相同型号的锂离子电池从第第c
k b
个浓度值起
△
t内所产生的总voc气体浓度。
[0054]
在本实施例中，s2取为50ppm，s3取为200ppm，voc气体浓度变化率阈值k取为5ppm/s。
[0055]
步骤2：使用voc气体监测系统对待检测锂离子电池释放的voc气体浓度值c
k
进行检测；当voc气体浓度值c
k
满足连续b 1个采样点均大于阈值s1，即[c
k
,c
k 1
...,c
k b
]＞s1时，进入步骤3，否则重复步骤2；
[0056]
在本实施例中，假定0s时开始加热，故障持续时间3600s，图3示出voc浓度值变化趋势图，由图3可见，voc析出时间在416s，之后可以判断出voc气体浓度值c
k
,c
k 1
...,c
k b
满足了连续b 1点均大于阈值s1＝0ppm的条件，即：
[0057]
[c
k
,c
k 1
...,c
k b
]＞s1
[0058]
其中，k代表浓度值的采样序号，c
k
,c
k 1
...,c
k b
表示连续b 1点的voc气体浓度值。在本实施例中，b的值取2。
[0059]
步骤3：根据步骤2所得的voc气体浓度值，计算时间间隔
△
t内待检测锂离子电池的voc气体浓度变化率k以及voc气体总浓度值s。
[0060]
利用以下公式计算待检测锂离子电池的voc气体浓度变化率k：
[0061][0062]
其中，c
k n b
为c
k b
后第n个voc气体浓度值，n＝
△
t
×
f。
[0063]
利用以下公式计算待检测锂离子电池所释放的voc气体总浓度值：
[0064][0065]
步骤4：比较步骤3中voc气体浓度变化率k与相应阈值k的关系以及s与s2的关系，
当k>k且s＞s2时，判定为轻度异常，如此时选择继续检验锂离子电池，则进入步骤5，否则结束此次检测并输出轻度异常；当k<k或s≤s2时，则返回步骤2重新监测；
[0066]
在本实施例中，在969s时，s大于50ppm且k大于5ppm/s，即当(s>s2)&(k>k)时，判定为轻度异常。
[0067]
步骤5：如在步骤4计算得到k>k的时间ts内s的值大于s3，则结束此次检测并输出重度异常；否则输出轻度异常并结束此次检测。
[0068]
ts的值应取大于2000s，在本实施例中选择2000s；
[0069]
在1730s时，s超过了200ppm，即(s>s3)&(k>k)时，判定为重度异常。
[0070]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。