一种过充电导致锂电池热失控的早期预警方法与系统

1.本发明涉及电池安全的技术领域，尤其是指一种过充电导致锂电池热失控的早期预警方法与系统。


背景技术：

2.锂电池被广泛应用于各种便携式设备、消费类电子产品和电池储能系统，但层出不穷的电池热失控问题一直令人担忧。电池热失控是指电池内部快速产热导致温度骤升超过两百度，并引发火灾和爆炸现象的行为。热滥用、电滥用和机械滥用三种条件均会诱发电池热失控的发生。据统计，在现实生活中的大部分电池热失控是由电气故障所导致的，即电滥用情况。其中，过充电诱发的电池热失控是主要因素。
3.在过充电诱发电池热失控的早期，电池内部石墨负极表面有大量锂析出并与电解液反应，使得电池内部内阻变大同时产生大量热量。通过外部连接的监测设备，可以观察到该阶段电池的电压信号和温度信号突然升高。发生热失控过程的锂电池电压和温度曲线中可观测到出现三次较为明显凸起的电压和温度小峰，第一次小峰表示电池内部负极发生析锂反应，第二次小峰表示负极析出的锂与电解液发生反应，第三次小峰表示电池内部发生多种副反应。根据试验统计，出现三次小峰后电池将出现热失控现象，而出现前两次小峰则有一定概率发生热失控，只有一次小峰不发生热失控。
4.利用电池过充电期间出现这些小峰，可以做到电池发生热失控的早期预警。然而，选择合适的小峰特征极为困难，这些小峰之间的差异极小，如何做到判断准确，提取出小峰之间的特征并利用特征进行预警非常关键。当前存在的早期预警系统大多采用的是单一来源的数据，或是采用第一次小峰做热失控的早期预警，主要存在以下的问题：
5.1、获取的电压信号和温度信号数据无法进行实时分析，导致热失控预警不够及时；
6.2、提取的热失控早期特征不够明显，可能会发生误报热失控现象，导致控制动作提前介入，造成不必要的经济损失；
7.3、实时获取的数据波动性较大，影响电池算法对于电池热失控行为的判断。
8.本专利将锂电池电压信号和温度信号耦合，将小峰之间的差异放大，得到新指标作为锂电池热失控早期特征值。锂电池热失控早期特征值随时间变化的曲线中出现的第二次小峰被利用作为预警指标，最大限度保证热失控前的预警准确性并且保证充足的时间提前对热失控进行控制。


技术实现要素：

9.本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种过充电导致锂电池热失控的早期预警方法，能够实时分析获取的锂电池电压信号和温度信号，将锂电池热失控早期特征放大，并基于放大后的锂电池热失控早期特征进行提前预警，能够为避免锂电池发生热失控增加一层保护机制，进一步可适用于各种需要实时监测锂电池状态的场景
中。
10.本发明的第二目的在于提供一种过充电导致锂电池热失控的早期预警系统。
11.本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种过充电导致锂电池热失控的早期预警方法，包括以下步骤：
12.1)利用实时采集的锂电池在过充电状态下的电压信号和温度信号，实时计算出锂电池在过充电状态下的温度升高速率和电压升高速率；
13.2)对实时计算出锂电池在过充电状态下的温度升高速率和电压升高速率进行噪声数据处理，得到温度升高速率处理值和电压升高速率处理值；
14.3)利用温度升高速率处理值和电压升高速率处理值，建立锂电池热失控早期特征值方程，计算锂电池热失控早期特征值；
15.4)对锂电池热失控早期特征值进行数据平滑处理，得到锂电池热失控早期特征值处理值；
16.5)根据锂电池热失控早期特征值处理值计算得出锂电池热失控早期特征值变化率值；
17.6)利用锂电池热失控早期特征值和锂电池热失控早期特征值变化率值，确定锂电池热失控早期预警条件，当满足锂电池热失控早期预警条件时，发出锂电池热失控早期预警，否则回到步骤1)继续计算。
18.进一步，在步骤1)中，实时采集的锂电池在过充电状态下的电压信号和温度信号分别表示为ti和ui，ti表示第i时刻锂电池温度，ui表示第i时刻锂电池电压；
19.实时计算的锂电池在过充电状态下的温度升高速率ci表示为：
[0020][0021]ci
表示第i时刻锂电池的温度升高速率，t
i-1
表示第i-1时刻锂电池温度，ti表示第i时刻，t
i-1
表示第i-1时刻；
[0022]
实时计算的锂电池在过充电状态下的电压升高速率表示为：
[0023][0024]vi
表示第i时刻锂电池的电压升高速率，u
i-1
表示第i-1时刻锂电池电压。
[0025]
进一步，在步骤2)中，噪声数据处理按以下规则进行：
[0026]
当ci《0时，令ci＝0；
[0027]
当vi《0时，令vi＝0；
[0028]ci
表示第i时刻锂电池的温度升高速率，vi表示第i时刻锂电池的电压升高速率。
[0029]
进一步，在步骤3)中，建立的锂电池热失控早期特征值方程如下：
[0030][0031]
wi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值；ci表示第i时刻锂电池的温度升高速率，vi表示第i时刻锂电池的电压升高速率；α、β、γ表示相关系数，根据锂电池类型进行赋值。
[0032]
进一步，在步骤4)中，对锂电池热失控早期特征值进行数据平滑处理，是指对一组包含n个连续的锂电池热失控早期特征值的数据组求平均值，该平均值定义为电芯热失控
早期特征值处理值；建立数据平滑方程如下：
[0033][0034]
xi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值处理值，w
i-n
、w
i-n 1
、
…
、w
i-1
分别表示第i-n、i-n 1、
…
、i-1时刻锂电池热失控早期特征值，n表示平均次数。
[0035]
进一步，在步骤5)中，锂电池热失控早期特征值变化率值计算方程如下：
[0036][0037]bi
表示第i时刻锂电池热失控早期特征值变化率值，xi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值处理值，x
i-1
表示第i-1时刻锂电池热失控早期特征值处理值，ti表示第i时刻，t
i-1
表示第i-1时刻。
[0038]
进一步，在步骤6)中，锂电池热失控早期预警条件的确定包括以下步骤：
[0039]
6.1)通过对大量出厂的特定锂电池样本进行过充电导致锂电池热失控的测试，进行结果数据统计，得到锂电池热失控早期特征值处理值随时间变化的曲线，曲线中第一次小峰平均峰值为a，第二次小峰平均峰值为b，确定电芯热失控前特征临界值a，计算公式如下：
[0040][0041]
6.2)根据步骤4)中获取的锂电池热失控早期特征值处理值和步骤5)中获取的锂电池热失控早期特征值变化率值，确定锂电池热失控早期预警条件如下：
[0042]
条件1，xi》a，xi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值处理值；
[0043]
条件2，bi＝0，bi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值变化率值；
[0044]
当同时满足锂电池热失控早期预警条件1和条件2时，发出热失控预警；当不能同时满足锂电池热失控早期预警条件1和条件2时，不发出预警并回到步骤1)继续计算。
[0045]
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种过充电导致锂电池热失控的早期预警系统，包括：
[0046]
温度与电压升高速率计算模块，利用实时采集的锂电池在过充电状态下的电压信号和温度信号，实时计算出锂电池在过充电状态下的温度升高速率和电压升高速率；
[0047]
噪声数据处理模块，对实时计算出锂电池在过充电状态下的温度升高速率和电压升高速率进行噪声数据处理，得到温度升高速率处理值和电压升高速率处理值；
[0048]
热失控早期特征值计算模块，利用温度升高速率处理值和电压升高速率处理值，建立锂电池热失控早期特征值方程，计算锂电池热失控早期特征值；
[0049]
数据平滑处理模块，对锂电池热失控早期特征值进行数据平滑处理，得到锂电池热失控早期特征值处理值；
[0050]
热失控早期特征值变化率值计算模块，根据锂电池热失控早期特征值处理值计算得出锂电池热失控早期特征值变化率值；
[0051]
热失控早期预警条件确定模块，利用锂电池热失控早期特征值和锂电池热失控早期特征值变化率值，确定锂电池热失控早期预警条件，当满足锂电池热失控早期预警条件时，发出锂电池热失控早期预警，否则回到温度与电压升高速率计算模块继续计算。
[0052]
进一步，在所述温度与电压升高速率计算模块中，实时采集的锂电池在过充电状态下的电压信号和温度信号分别表示为ti和ui，ti表示第i时刻锂电池温度，ui表示第i时刻锂电池电压；
[0053]
实时计算的锂电池在过充电状态下的温度升高速率ci表示为：
[0054][0055]ci
表示第i时刻锂电池的温度升高速率，t
i-1
表示第i-1时刻锂电池温度，ti表示第i时刻，t
i-1
表示第i-1时刻；
[0056]
实时计算的锂电池在过充电状态下的电压升高速率表示为：
[0057][0058]vi
表示第i时刻锂电池的电压升高速率，u
i-1
表示第i-1时刻锂电池电压；
[0059]
在所述噪声数据处理模块中，噪声数据处理按以下规则进行：
[0060]
当ci《0时，令ci＝0；
[0061]
当vi《0时，令vi＝0；
[0062]
在所述热失控早期特征值计算模块中，建立的锂电池热失控早期特征值方程如下：
[0063][0064]
wi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值；α、β、γ表示相关系数，根据锂电池类型进行赋值；
[0065]
在所述数据平滑处理模块中，对锂电池热失控早期特征值进行数据平滑处理，是指对一组包含n个连续的锂电池热失控早期特征值的数据组求平均值，该平均值定义为电芯热失控早期特征值处理值；建立数据平滑方程如下：
[0066][0067]
xi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值处理值，w
i-n
、w
i-n 1
、
…
、w
i-1
分别表示第i-n、i-n 1、
…
、i-1时刻锂电池热失控早期特征值，n表示平均次数；
[0068]
在所述热失控早期特征值变化率值计算模块中，锂电池热失控早期特征值变化率值计算方程如下：
[0069][0070]bi
表示第i时刻锂电池热失控早期特征值变化率值，x
i-1
表示第i-1时刻锂电池热失控早期特征值处理值。
[0071]
进一步，在所述热失控早期预警条件确定模块中，锂电池热失控早期预警条件的确定包括以下步骤：
[0072]
通过对大量出厂的特定锂电池样本进行过充电导致锂电池热失控的测试，进行结果数据统计，得到锂电池热失控早期特征值处理值随时间变化的曲线，曲线中第一次小峰平均峰值为a，第二次小峰平均峰值为b，确定电芯热失控前特征临界值a，计算公式如下：
[0073][0074]
根据数据平滑处理模块中获取的锂电池热失控早期特征值处理值和热失控早期特征值变化率值计算模块中获取的锂电池热失控早期特征值变化率值，确定锂电池热失控早期预警条件如下：
[0075]
条件1，xi》a，xi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值处理值；
[0076]
条件2，bi＝0，bi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值变化率值；
[0077]
当同时满足锂电池热失控早期预警条件1和条件2时，发出热失控预警；当不能同时满足锂电池热失控早期预警条件1和条件2时，不发出预警并回到温度与电压升高速率计算模块继续计算。
[0078]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0079]
1、本发明利用实时获取的锂电池温度信号和电压信号进行过充电导致的锂电池热失控早期预警分析，能够做到实时监测，快速发现，准确预警，可适用于各种需要实时监测锂电池状态的场景中。
[0080]
2、与其它过充电导致锂电池热失控的早期预警方法相比，本发明对过充电导致锂电池热失控的两种早期信号特征进行耦合后放大处理，使得特征的识别与提取更加便捷准确，减少了热失控误判的概率。
[0081]
3、本发明对实时计算出锂电池在充电状态下的温度升高速率和电压升高速率进行噪声数据处理，对锂电池热失控早期特征值进行数据平滑处理，大大减少了异常数据的干扰，使得特征提取过程更加精准。
[0082]
4、本发明选择了恰当的过充电导致锂电池热失控早期预警条件，给后续热失控控制措施的介入以及人员和财产转移预留了足够的时间。
[0083]
5、本发明能够为避免过充电导致锂电池发生的热失控增加一层保护机制，能够有效减少锂电池发生热失控的概率。
附图说明
[0084]
图1为本发明方法实施流程图。
[0085]
图2为实时获取的过充电导致锂电池热失控的温度信号与电压信号图。
[0086]
图3为噪声数据处理后的温度升高速率处理值和电压升高速率处理值图。
[0087]
图4为实时计算的锂电池热失控早期特征值图。
[0088]
图5为实时计算的锂电池热失控早期特征值处理值图。
[0089]
图6为锂电池热失控前特征临界值a示意图。
[0090]
图7为本发明系统架构图。
具体实施方式
[0091]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0092]
实施例1
[0093]
如图1所示，本实施例公开了一种过充电导致锂电池热失控的早期预警方法，通过
实时获取并分析锂电池数据，充分考虑并提取过充电导致锂电池热失控的早期特征，最大限度保证过充电导致锂电池热失控前的预警准确性并且保证充足的时间提前对热失控进行控制，其包括以下步骤：
[0094]
1)利用实时采集的锂电池在过充电状态下的电压信号和温度信号，分别表示为ti和ui，ti表示第i时刻锂电池温度，ui表示第i时刻锂电池电压。如图2所示为某个特定实施例中获取的过充电导致锂电池热失控的全过程温度和电压信号曲线，温度急速上升的阶段锂电池发生热失控现象。因此，锂电池热失控预警信号应当在发生热失控的早期发出。
[0095]
基于获取的锂电池温度信号和电压信号，初步提取出信号特征，实时计算的锂电池在过充电状态下的温度升高速率ci表示为：
[0096][0097]ci
表示第i时刻锂电池的温度升高速率，t
i-1
表示第i-1时刻锂电池温度，ti表示第i时刻，t
i-1
表示第i-1时刻。
[0098]
实时计算的锂电池在过充电状态下的电压升高速率表示为：
[0099][0100]vi
表示第i时刻锂电池的电压升高速率，u
i-1
表示第i-1时刻锂电池电压。
[0101]
2)为消除异常值对于锂电池热失控早期特征提取的影响，此时需要对步骤1)中计算出的ci和vi值进行噪声数据处理，噪声数据处理按以下规则进行：
[0102]
当ci《0时，令ci＝0；
[0103]
当vi《0时，令vi＝0。
[0104]
如图3所示为经过噪声数据处理后的两个特征值ci和vi，从图中可以发现，两个特征值数据抖动较大，温度升高速率值曲线中并未出现小峰，而电压升高速率值中出现多个小峰，且前几个小峰之间的差异极小。接下来需要对初步处理的这两个特征值进行进一步处理。
[0105]
3)将锂电池的温度升高速率处理值和电压升高速率处理值两个特征值进行耦合，利用如下方程计算锂电池热失控早期特征值：
[0106][0107]
wi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值；α、β、γ表示相关系数，根据锂电池类型进行赋值。在本实施例中，相关系数α、β、γ分别赋值为1、1、36000。通过调整相关系数，可以进一步放大锂电池热失控早期特征，使得后期特征提取更加简单。
[0108]
4)对锂电池热失控早期特征值进行数据平滑处理，得到锂电池热失控早期特征值处理值。如图4所示为本实施例中实时计算出的锂电池热失控早期特征值变化曲线，从图中可发现，热失控早期特征值的曲线中出现两个非常明显的小峰，但由于此时曲线的波动性较大，特征提取依然比较困难，因此需要对数据进行平滑处理。数据平滑处理，是指对一组包含n个连续的锂电池热失控早期特征值的数据组求平均值，该平均值定义为锂电池热失控早期特征值处理值。建立数据平滑方程如下：
[0109][0110]
xi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值处理值，w
i-n
、w
i-n 1
、
…
、w
i-1
分别表示第i-n、i-n 1、
…
、i-1时刻锂电池热失控早期特征值，n表示平均次数。在本实施例中，n取值为20，平滑处理后的曲线如图5所示。从图5中可以发现，锂电池热失控早期特征值曲线上的小峰可以较为方便地进行提取。
[0111]
5)根据锂电池热失控早期特征值处理值计算得出锂电池热失控早期特征值变化率值，计算方程如下：
[0112][0113]bi
表示第i时刻锂电池热失控早期特征值变化率值，x
i-1
表示第i-1时刻锂电池热失控早期特征值处理值。
[0114]
6)由于不同类型的锂电池所提取出的热失控早期特征有所差异，在本实施例中通过对大量特定款锂电池提前进行过充电导致锂电池热失控的测试，进行结果数据统计，得到锂电池热失控早期特征值处理值随时间变化的曲线，曲线中第一次小峰平均峰值为a，第二次小峰平均峰值为b，确定锂电池热失控前特征临界值a，计算公式如下：
[0115][0116]
如图6所示，为锂电池热失控前特征临界值a示意图，临界值的取值可以根据实际锂电池测试情况上下进行浮动。在本实施例中，临界值取值为500。
[0117]
根据步骤4)中获取的锂电池热失控早期特征值处理值和步骤5)中获取的锂电池热失控早期特征值变化率值，确定锂电池热失控早期预警条件如下：
[0118]
条件1，xi》500；
[0119]
条件2，bi＝0；
[0120]
当同时满足锂电池热失控早期预警条件1和条件2时，发出热失控预警；当不能同时满足锂电池热失控早期预警条件1和条件2时，不发出预警并回到步骤1)继续计算。
[0121]
在本实施例中，在第二个小峰上升段监测到满足条件1，并且在第二个小峰峰值处监测到满足条件2。同时满足两个条件，即发出热失控早期预警信号，提醒即将发生热失控，并可在此时介入控制措施，以减少热失控造成的损失。
[0122]
实施例2
[0123]
如图7所示，本实施例公开了一种过充电导致锂电池热失控的早期预警系统，包括以下功能模块：
[0124]
温度与电压升高速率计算模块，利用实时采集的锂电池在过充电状态下的电压信号和温度信号，实时计算出锂电池在过充电状态下的温度升高速率和电压升高速率；
[0125]
噪声数据处理模块，对实时计算出锂电池在过充电状态下的温度升高速率和电压升高速率进行噪声数据处理，得到温度升高速率处理值和电压升高速率处理值；
[0126]
热失控早期特征值计算模块，利用温度升高速率处理值和电压升高速率处理值，建立锂电池热失控早期特征值方程，计算锂电池热失控早期特征值；
[0127]
数据平滑处理模块，对锂电池热失控早期特征值进行数据平滑处理，得到锂电池
热失控早期特征值处理值；
[0128]
热失控早期特征值变化率值计算模块，根据锂电池热失控早期特征值处理值计算得出锂电池热失控早期特征值变化率值；
[0129]
热失控早期预警条件确定模块，利用锂电池热失控早期特征值和锂电池热失控早期特征值变化率值，确定锂电池热失控早期预警条件，当满足锂电池热失控早期预警条件时，发出锂电池热失控早期预警，否则回到温度与电压升高速率计算模块继续计算。
[0130]
在所述温度与电压升高速率计算模块中，实时采集的锂电池在过充电状态下的电压信号和温度信号分别表示为ti和ui，ti表示第i时刻锂电池温度，ui表示第i时刻锂电池电压；
[0131]
实时计算的锂电池在过充电状态下的温度升高速率ci表示为：
[0132][0133]ci
表示第i时刻锂电池的温度升高速率，t
i-1
表示第i-1时刻锂电池温度，ti表示第i时刻，t
i-1
表示第i-1时刻；
[0134]
实时计算的锂电池在过充电状态下的电压升高速率表示为：
[0135][0136]vi
表示第i时刻锂电池的电压升高速率，u
i-1
表示第i-1时刻锂电池电压。
[0137]
在所述噪声数据处理模块中，噪声数据处理按以下规则进行：
[0138]
当ci《0时，令ci＝0；
[0139]
当vi《0时，令vi＝0。
[0140]
在所述热失控早期特征值计算模块中，建立的锂电池热失控早期特征值方程如下：
[0141][0142]
wi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值；α、β、γ表示相关系数，根据锂电池类型进行赋值。
[0143]
在所述数据平滑处理模块中，对锂电池热失控早期特征值进行数据平滑处理，是指对一组包含n个连续的锂电池热失控早期特征值的数据组求平均值，该平均值定义为电芯热失控早期特征值处理值；建立数据平滑方程如下：
[0144][0145]
xi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值处理值，w
i-n
、w
i-n 1
、
…
、w
i-1
分别表示第i-n、i-n 1、
…
、i-1时刻锂电池热失控早期特征值，n表示平均次数。
[0146]
在所述热失控早期特征值变化率值计算模块中，锂电池热失控早期特征值变化率值计算方程如下：
[0147][0148]bi
表示第i时刻锂电池热失控早期特征值变化率值，x
i-1
表示第i-1时刻锂电池热
失控早期特征值处理值。
[0149]
在所述热失控早期预警条件确定模块中，锂电池热失控早期预警条件的确定包括以下步骤：
[0150]
通过对大量出厂的特定锂电池样本进行过充电导致锂电池热失控的测试，进行结果数据统计，得到锂电池热失控早期特征值处理值随时间变化的曲线，曲线中第一次小峰平均峰值为a，第二次小峰平均峰值为b，确定电芯热失控前特征临界值a，计算公式如下：
[0151][0152]
根据数据平滑处理模块中获取的锂电池热失控早期特征值处理值和热失控早期特征值变化率值计算模块中获取的锂电池热失控早期特征值变化率值，确定锂电池热失控早期预警条件如下：
[0153]
条件1，xi》a，xi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值处理值；
[0154]
条件2，bi＝0，bi表示第i时刻锂电池热失控早期特征值变化率值；
[0155]
当同时满足锂电池热失控早期预警条件1和条件2时，发出热失控预警；当不能同时满足锂电池热失控早期预警条件1和条件2时，不发出预警并回到温度与电压升高速率计算模块继续计算。
[0156]
综上所述，本发明充分考虑了过充电导致锂电池热失控的早期信号特征，对温度信号和电压信号两组特征进行耦合，对过充电导致锂电池热失控的早期信号特征进行放大处理，使得热失控早期特征的识别与提取更加便捷准确，减少了热失控误判的概率，给热失控控制预留了足够的时间。
[0157]
本发明利用实时获取的信号数据进行分析，能够比较及时有效的对锂电池热失控进行预警，能够应用于多种需要实时监测电池是否发生过充电导致的热失控场景，包括但不限于电动车、电动汽车、消费类电子产品、储能电站等。
[0158]
本发明使用的过充电导致锂电池热失控的早期预警方法与系统，可适用于各种类型的锂电池，包括但不限于锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池、钛酸锂电池等。适用于各种封装类型的锂电池，包括但不限于圆柱形锂电池、软包锂电池、方形硬壳锂电池等。
[0159]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。