一种用于磷酸铁锂电池的多时间尺度综合预警方法与流程

时，给出压差故障分值1分，执行步骤四，
16.当所述电压差δu大于电压差中等故障阈值δu2且小于电压差严重故障阈值δu3时，给出压差故障分值2分，执行步骤四，
17.当所述电压差δu大于电压差严重故障阈值δu3时直接进行报警；
18.将所述电压差异变化率u
rate
与电压差异变化率轻微故障阈值u
rate1
，电压差异变化率中等故障阈值u
rate2
和电压差异变化率严重故障阈值u
rate3
进行比较；
19.当电压差异变化率u
rate
大于变化率轻微故障阈值u
rate1
且小于变化率中等故障阈值u
rate2
时，并且持续此状态大于6s时，给出压差故障分值1分，执行步骤四，
20.当电压差异变化率u
rate
大于变化率中等故障阈值u
rate2
且小于变化率严重故障阈值u
rate2
时，并且持续此状态大于6s时，给出压差故障分值2分，执行步骤四，
21.当电压差异变化率u
rate
大于变化率严重故障阈值u
rate3
时直接进行报警；
22.将电池单体产热内阻差值δr与产热内阻差值故障阈值δrmax进行比较；
23.当电池单体产热内阻差值δr大于产热内阻差值故障阈值δrmax时，给出内阻差值故障分值1分；
24.将电池组内电池单体的最高温度t
max
与温度峰值严重故障阈值进行比较；
25.当电池组内电池单体的最高温度t
max
大于温度峰值严重故障阈值t
max3
时，直接进行报警；
26.将电池组内电池单体的最高温度变化率dt
max
与温度峰值变化率严重故障阈值dt
max3
进行比较；
27.当电池组内电池单体的最高温度变化率dt
max
大于温度峰值变化率严重故障阈值dt
max3
，并且持续超过60s时，直接进行报警；
28.将电池组内电池单体的荷电状态的平均差异δsoc分别与电池剩余电量轻微故障阈值δsoc1、电池剩余电量中等故障阈值δsoc2、电池剩余电量严重故障阈值δsoc3进行比较；
29.当荷电状态的平均差异δsoc大于电池剩余电量轻微故障阈值δsoc1，且小于电池剩余电量中等故障阈值δsoc2时，给出剩余电量故障分值1分，执行步骤四，
30.当荷电状态的平均差异δsoc大于电池剩余电量中等故障阈值δsoc2，且小于电池剩余电量严重故障阈值δsoc3时，给出剩余电量故障分值2分，执行步骤四，
31.当电池单体的荷电状态的平均差异δsoc大于电池剩余电量严重故障阈值δsoc3时，直接进行报警；
32.步骤四、将压差故障分值、内阻差值故障分值和剩余电量故障分值相加获得综合故障分值，并判断综合故障分值是否达到3，若是，则直接进行报警，否则，输出故障等级，进行预警。
33.进一步地，本发明中，电池单体产热内阻差值δr的计算方法为：
34.利用公式：
35.δr＝r
ω_max
‑
r
ω_min
36.计算获得电池单体产热内阻差值δr，其中，r
ω_max
为电池单体最大产热内阻，r
ω_min
为电池单体最小产热内阻。
37.进一步地，本发明中，电池单体最大产热内阻r
ω_max
和电池单体最小产热内阻r
ω_min
的求取方法相同，通过公式：
38.r
ω
(k)＝r
ω
(k
‑
1) p(k)
·
φ(k)
·
ε(k)
39.计算获得，其中，r
ω
(k)为温度k时，电池单体的产热内阻，r
ω
(k
‑
1)为温度为k
‑
1时，电池单体的产热内阻；p(k)为温度k时，电流数据滤波后的协方差矩阵；
[0040][0041]
p(k
‑
1)为温度k
‑
1时的电流数据滤波后的协方差矩阵，φ(k)为温度k
‑
1时滤波电流数据，β＝0.9995，φ(k)＝γ
·
φ(k
‑
1) φ(k)，φ(k)＝i(k)
·
i(k)/36000，i(k)为温度为k时，电池内部电流；φ(k)
t
表示矩阵φ(k)的转置；ε(k)为估计误差；
[0042][0043][0044][0045][0046][0047]
y2＝t；
[0048]
y1＝t
‑
t
∞
；
[0049]
其中，t
∞
为环境温度，t为电池温度，γ＝0.9999，h＝8wm
‑2k
‑1，as＝0.029m2，m＝0.515kg，c
p
＝1100jkg
‑
1k
‑
1，i为工况下测得电流，β＝0.9995，δt＝1，上角标t为对矩阵进行转置操作。
[0050]
进一步地，本发明中，电压差异变化率其中，t为时间。
[0051]
进一步地，本发明中，最高温度变化率其中，t2和t1均为温度采样时间，设置时间间隔t2‑
t1＝1s。
[0052]
进一步地，本发明中，电压差轻微故障阈值δu1的取值为0.05v，电压差中等故障阈值δu2的取值为0.08v，电压差严重故障阈值δu3的取值为0.1v。
[0053]
进一步地，本发明中，电压差异变化率轻微故障阈值u
rate1
的取值为0.003v/s，电压差异变化率中等故障阈值u
rate2
的取值为0.01v/s，电压差异变化率严重故障阈值u
rate3
的取值为0.05v/s。
[0054]
进一步地，本发明中，产热内阻差值故障阈值δrmax的取值为0.005ω，电池剩余电量轻微故障阈值δsoc1的取值为0.03，电池剩余电量中等故障阈值δsoc2的取值为0.06，电池剩余电量严重故障阈值δsoc3的取值为0.1。本发明不依赖已有的故障数据进行逐一判断，而是依靠电池组间电池状态的一致性偏离识别，实现电池的故障检测与安全预警。该策略能够对不同时间尺度下故障情况分别实现小时级、分钟级和秒级的预警。
[0055]
对于等效内阻较小、短时间尺度的故障，电压差异值较大，采样误差的影响较小，基于电压一致性偏离估计的预警策略能够有很好的预警效果。基于荷电状态一致性偏离估
计的预警算法可以在电压预警后进一步对故障的等级进行确定。基于温度一致性偏离估计的预警算法能够对基于电压一致性偏离估计的预警策略进行辅助，从而实现更快达到报警状态的效果。同时针对于等效内阻极小的情况，基于温度一致性偏离估计的预警策略能够对故障电池明显的自产热进行检测，从而独立实现预警功能。对于等效内阻较大，长时间尺度的情况，由于受到磷酸铁锂电池较长的电压平台的影响，基于电压一致性偏离和温度一致性偏离的策略效果不佳，而此时基于荷电状态一致性的策略具有较好的效果。将温度一致性偏离和荷电状态一致性偏离综合的预警策略能够有效的提高预警速度。
附图说明
[0056]
图1是本发明所述用于磷酸铁锂电池的多时间尺度综合预警方法的流程图；
[0057]
图2模组中电池单体发生阻值为5ω内短路故障实验预警效果分析图。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0060]
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种用于磷酸铁锂电池的多时间尺度综合预警方法，
[0061]
该方法包括：
[0062]
设置电池的电压差轻微故障阈值δu1，电压差中等故障阈值δu2，电压差严重故障阈值δu3；
[0063]
电压差异变化率轻微故障阈值u
rate1
，电压差异变化率中等故障阈值u
rate2
，电压差异变化率严重故障阈值u
rate3
；
[0064]
电池温度峰值严重故障阈值t
max3
，电池温度峰值变化率严重故障阈值dt
max3
，电池产热内阻差值故障阈值δr
max
；
[0065]
电池剩余电量轻微故障阈值δsoc1、电池剩余电量中等故障阈值δsoc2、电池剩余电量严重故障阈值δsoc3；
[0066]
多时间尺度综合预警方法，具体为：
[0067]
步骤一、实时采集磷酸铁锂电池中每个电池单体的端电压、温度和剩余电量；
[0068]
步骤二、计算所有电池单体的平均端电压u
mean
，提取电池单体端电压的最低电压值u
min
，计算电压差δu＝u
mean
‑
u
min
和电压差异变化率u
rate
；
[0069]
同时提取电池单体最高温度值t
max
，计算最高温度变化率dt
max
和电池单体产热内阻差值δr；
[0070]
同时还提取电池单体的最小剩余电量soc
min
，计算最小剩余电量soc
min
与电池组内电池的平均荷电状态socmean差值，获得平均差异δsoc；
[0071]
步骤三、将所述电压差δu与电池的电压差轻微故障阈值δu1，电压差中等故障阈
值δu2和电压差严重故障阈值δu3进行比较；
[0072]
当所述电压差δu大于电压差轻微故障阈值δu1且小于电压差中等故障阈值δu2时，给出压差故障分值1分，执行步骤四，
[0073]
当所述电压差δu大于电压差中等故障阈值δu2且小于电压差严重故障阈值δu3时，给出压差故障分值2分，执行步骤四，
[0074]
当所述电压差δu大于电压差严重故障阈值δu3时直接进行报警；
[0075]
将所述电压差异变化率u
rate
与电压差异变化率轻微故障阈值u
rate1
，电压差异变化率中等故障阈值u
rate2
和电压差异变化率严重故障阈值u
rate3
进行比较；
[0076]
当电压差异变化率u
rate
大于变化率轻微故障阈值u
rate1
且小于变化率中等故障阈值u
rate2
时，并且持续此状态大于6s时，给出压差故障分值1分，执行步骤四，
[0077]
当电压差异变化率u
rate
大于变化率中等故障阈值u
rate2
且小于变化率严重故障阈值u
rate2
时，并且持续此状态大于6s时，给出压差故障分值2分，执行步骤四，
[0078]
当电压差异变化率u
rate
大于变化率严重故障阈值u
rate3
时直接进行报警；
[0079]
将电池单体产热内阻差值δr与产热内阻差值故障阈值δrmax进行比较；
[0080]
当电池单体产热内阻差值δr大于产热内阻差值故障阈值δrmax时，给出内阻差值故障分值1分；
[0081]
将电池组内电池单体的最高温度t
max
与温度峰值严重故障阈值进行比较；
[0082]
当电池组内电池单体的最高温度t
max
大于温度峰值严重故障阈值t
max3
时，直接进行报警；
[0083]
将电池组内电池单体的最高温度变化率dt
max
与温度峰值变化率严重故障阈值dt
max3
进行比较；
[0084]
当电池组内电池单体的最高温度变化率dt
max
大于温度峰值变化率严重故障阈值dt
max3
，并且持续超过60s时，直接进行报警；
[0085]
将电池组内电池单体的荷电状态的平均差异δsoc分别与电池剩余电量轻微故障阈值δsoc1、电池剩余电量中等故障阈值δsoc2、电池剩余电量严重故障阈值δsoc3进行比较；
[0086]
当荷电状态的平均差异δsoc大于电池剩余电量轻微故障阈值δsoc1，且小于电池剩余电量中等故障阈值δsoc2时，给出剩余电量故障分值1分，执行步骤四，
[0087]
当荷电状态的平均差异δsoc大于电池剩余电量中等故障阈值δsoc2，且小于电池剩余电量严重故障阈值δsoc3时，给出剩余电量故障分值2分，执行步骤四，
[0088]
当电池单体的荷电状态的平均差异δsoc大于电池剩余电量严重故障δsoc3时，直接进行报警；
[0089]
步骤四、将压差故障分值、内阻差值故障分值和剩余电量故障分值相加获得综合故障分值，并判断综合故障分值是否达到3，若是，则直接进行报警，否则，输出故障等级，进行预警。
[0090]
本实施方式中，实时采集每个电池单体的端电压、温度和剩余电量的数据，并实时计算所有电池单体的平均端电压u
mean
，提取电池单体的端电压的最低电压值u
min
，计算电压差δu＝u
mean
‑
u
min
和电压差异变化率u
rate
，提取电池单体的最高温度值，计算最高温度变化率dt
max
和电池单体产热内阻差值δr；提取电池单体的最小剩余电量数值soc
min
，计算电池
的荷电状态的平均差异δsoc；并实时判断计算出来的数据是否超过阈值，所述阈值分为轻微、中等和严重三个等级，多个数据计算后分别与阈值比较，在计算的数据大于对应的严重等级阈值时，直接进行报警，若是大于对应的轻微等级阈值或中等等级阈值时进行记分，将多个数据判断后的记分相加，若是大于或等于3，直接进行报警，这样有效的保证综合考虑电池单体的所有数据变化，实现快速报警，有效的保证了报警速度。
[0091]
本发明中，同时采用基于电压一致性偏离的预警策略、荷电状态一致性偏离估计的预警策略和基于电压差异变化率一致性的预警策略实现对磷酸铁锂电池的多时间尺度综合预警；
[0092]
基于电压一致性偏离的预警策略，针对长时间尺度的故障等级，故障等效内阻阻值较小，效果不明显。基于温度一致性偏离估计的策略虽然能够快速的检出异常，但是由于温度是相对间接的物理量，要受到环境条件及电池模组中电池空间分布的影响，所以此时很难根据产热内阻的差异对不同的故障等级进行区分。基于荷电状态一致性偏离估计的预警策略具有很好的效果，尽管对发生故障电池的状态估计值要略微滞后于实际该电池的状态，但仍优于其他两种策略。而对于此种长时间尺度的故障情况，所提出的综合预警策略能够实现小时等级的预警。
[0093]
基于电压一致性偏离的预警策略，针对中时间尺度的故障等级，故障等效内阻阻值合适，有着很好的效果，能够实现早期预警的效果并且能对故障等级进行划分。在故障发生1246s后，基于温度一致性偏离的预警策略给出了预警信号，综合预警策略实现预警功能。此时基于荷电状态一致性偏离的预警策略仍能够单独实现预警功能，但尽管根据电压一致性偏离的预警策略对状态估计算法的参数进行了调整，但该策略的速度相较于电压和温度一致性偏离的综合预警策略仍较慢。而对于此种中时间尺度的故障情况，所提出的综合预警策略能够实现分钟等级的预警。
[0094]
基于电压一致性偏离的预警策略，较为危险的短时间尺度的故障等级，由于内部极大的短路电流存在，通过设置的快速上升通路能够在1s内实现预警功能。而基于温度一致性的预警策略也能够在故障发生后270s检测到异常的温升速率，将故障位置于严重故障等级。根据电压差异变化率一致性的预警策略结果，荷电状态估计算法的参数进行了调整，此时基于荷电状态的预警策略能够在故障发生后191s达到故障位信号为3，发出报警信号。此时对于短时间尺度的严重故障，综合预警策略能够实现秒级别的预警。并在电池发生严重故障导致局部热失控和喷阀前提前实现预警。
[0095]
进一步地，本实施方式中，电池单体产热内阻差值δr的计算方法为：
[0096]
利用公式：
[0097]
δr＝r
ω_max
‑
r
ω_min
[0098]
计算获得电池单体产热内阻差值δr，其中，r
ω_max
为电池单体最大产热内阻，r
ω_min
为电池单体最小产热内阻。
[0099]
进一步地，本实施方式中，电池单体最大产热内阻r
ω_max
和电池单体最小产热内阻r
ω_min
的求取方法相同，通过公式：
[0100]
r
ω
(k)＝r
ω
(k
‑
1) p(k)
·
φ(k)
·
ε(k)
[0101]
计算获得，其中，r
ω
(k)为温度k时，电池单体的产热内阻，r
ω
(k
‑
1)为温度为k
‑
1时，电池单体的产热内阻；p(k)为温度k时，电流数据滤波后的协方差矩阵；
[0102][0103]
p(k
‑
1)为温度k
‑
1时的电流数据滤波后的协方差矩阵，φ(k)为温度k
‑
1时滤波电流数据，β＝0.9995，φ(k)＝γ
·
φ(k
‑
1) φ(k)，φ(k)＝i(k)
·
i(k)/36000，i(k)为温度为k时，电池内部电流；φ(k)
t
表示矩阵φ(k)的转置；ε(k)为估计误差；
[0104][0105][0106][0107][0108][0109]
y2＝t；
[0110]
y1＝t
‑
t
∞
；
[0111]
其中，t
∞
为环境温度，t为电池温度，γ＝0.9999，h＝8wm
‑2k
‑1，as＝0.029m2，m＝0.515kg，c
p
＝1100jkg
‑
1k
‑
1，i为工况下测得电流，β＝0.9995，δt＝1，上角标t为对矩阵进行转置操作。
[0112]
进一步地，本实施方式中，电压差异变化率其中，t为时间。
[0113]
进一步地，本实施方式中，最高温度变化率其中，t2和t1均为温度采样时间，设置时间间隔t2‑
t1＝1s。
[0114]
进一步地，本实施方式中，电压差轻微故障阈值δu1的取值为0.05v，电压差中等故障阈值δu2的取值为0.08v，电压差严重故障阈值δu3的取值为0.1v。
[0115]
进一步地，本实施方式中，电压差异轻微变化率故障阈值u
rate1
的取值为0.003v/s，电压差异变化率中等故障阈值u
rate2
的取值为0.01v/s，电压差异变化率严重故障阈值u
rate3
的取值为0.05v/s。
[0116]
进一步地，本实施方式中，产热内阻差值故障阈值δrmax的取值为0.005ω，电池剩余电量轻微故障δsoc1的取值为0.03，电池剩余电量中等故障δsoc2的取值为0.06，电池剩余电量严重故障δsoc3的取值为0.1。
[0117]
上述所有阈值均是针对磷酸铁锂电池通过大量热失控实验数据标定的，对于预警效果的分析通过5ω的模组内短路等效替代实验数据实现，如图2所示。对内短路阻值采用不同的预警策略达到预警效果的预警时间进行了分析，进而对综合预警策略进行评价。
[0118]
具体实施例：
[0119]
对于单体内短路阻值为5ω的情况，此时短路内阻阻值较小，基于电压一致性的预警策略效果不明显，单独实现预警需要耗时48000s以上。基于产热内阻一致性的策略虽然能够快速的检出异常，但是由于温度是相对间接的物理量，要受到环境条件及电池模组中
电池空间分布的影响，所以此时很难根据产热内阻的差异对不同的故障等级进行区分。此时，基于荷电状态一致性的预警策略具有很好的效果，尽管对发生内短路电池的状态估计值要略微滞后于实际该电池的状态，但从预警时间来看基于荷电状态的预警策略故障位达到3时，时间为19142s，相对基于电压一致性的策略仍很快。基于综合预警的策略将荷电状态和温度一致性预警策略的结果相加，相对荷电状态的单种策略预警能够提前2000s达到报警状态。
[0120]
结合图2进行说明，基于温度一致性的预警策略，通过电池组内温度最高电池的温度tmax及其变化率dtmax和产热内阻差值δr作为预警特征变量，当最高温度tmax达到阈值50℃或最高温度变化率dtmax持续60s超过阈值0.2℃/min时认为此时电池组已经出现了明显的自产热现象，电池发生了严重的内短路，直接跳转至严重故障状态。同时对于温度一致性差异不明显的状况，使用产热内阻差值δr作为判断依据，当δr大于0.005ω时，即认为发生了自产热现象。由于产热内阻的值会随着内短路发生的时间进行累积，所以很难通过产热内阻差值δr进行对不同阻值量级的内短路进行区分。故基于温度一致性的预警策略只设置了轻微故障和严重故障两个故障状态进行区分。基于荷电状态一致性的预警策略，采用荷电状态差异δsoc作为预警特征参数，分别设置了0.03，0.06，0.1三个值作为由初始状态向轻微故障状态，中等故障状态，严重故障状态转移的阈值。
[0121]
基于电压一致性的预警策略，采用电压差异变化率urate，电压差异δu和模组中电压最低电池端电压umin作为预警特征参数。设置电压差异变化率urate大于0.003v，0.01v，0.05v为轻微故障状态，中等故障状态和严重故障状态间转移的阈值。并针对工况电流发生变化后，电压采样时间不一致导致存在一段较高的电压差异变化率导致误报的情况，设置了持续时间为6s的等待状态，当处于等待状态中检测到一个反向的幅值相近的电压差异变化率即返回，防止误报情况的发生。同时，基于电压差异变化率的判断对soc估计中ukf算法的参数进行了更新，以加速估计算法的收敛。设置δu的三个阈值0.05v，0.08v，0.1v，依次为轻微故障状态，中等故障状态和严重故障状态间转移的阈值。并设置了一条对于严重内短路状态的快速上升通路，即当umin小于1.5v时认为此时电池发生了严重的内短路故障，状态可由正常状态直接跳转为严重故障状态。
[0122]
综合预警的实现通过两方面实现，一方面是前文中所述的根据电压差异变化率状态对荷电状态估计算法的参数进行更新以达到更快收敛的效果。另一方面是将三种内短路预警策略的故障位进行求和，并设置故障位之和达到3时为报警状态，选择该阈值为3的原因是由每种预警算法都能单独触发报警信号，防止由于热失控过程某种传感器出现故障导致无法报警的情况。
[0123]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。