锂离子电池内部短路检测方法及检测判据设置、验证方法与流程

1.本发明属于锂离子电池安全技术领域，涉及基于多信号融合的锂离子电池内部短路检测方法及检测判据设置、验证方法。


背景技术：

2.锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长等独特优势成为了电化学储能电站和电动汽车的首选。在不断扩大的应用需求驱动下，锂离子电池产业得到了快速发展，特别是单体能量密度不断增加、成本不断下降、总出货量不断提升。
3.然而，储能电站和电动汽车方兴未艾，锂离子电池使用率飞速增长的背后表现出显著的安全问题。因此，如何准确地检测锂离子电池内部短路故障成为保证储能电站和电动汽车发展的首要问题。
4.目前已有一些研究成果可用于电池内部短路故障检测，但多是仅利用电压信号或者仅利用温度信号实现故障检测的，存在内部短路检测可靠性低的问题。理由如下：对仅利用电压信号的方法，常常将电压的骤降作为检测标准，但并非仅内部短路故障存在电压骤降的故障特征，即内部短路故障与电压骤降存在充分非必要的关系。仅利用温度信号的方法也会在上述电压信号方法的弊端，即检测的可靠性低下，此外，温度的传递存在一定的迟滞特性，用于内部短路检测时，这类往往检测快速性不佳。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中的不足，本技术提供基于多信号融合的锂离子电池内部短路检测方法及检测判据设置、验证方法，具备足够的检测可靠性。
6.为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
7.锂离子电池内部短路检测判据设置方法，通过n次穿刺短路实验，确定基于多信号融合的检测判据阈值，实现检测判据阈值初始化，所述方法包括以下步骤：
8.步骤1：采用穿刺一体机对锂离子电池进行内部短路实验，实验过程中实时采集电池的电压信号和voc、co和c2h5f气体信号，并记录气体信号的析出时间和析出后浓度变化情况；
9.步骤2：根据实验数据计算每次试验的电压变化率、voc和c2h5f的析出时间差时间差内voc总浓度，co和c2h5f的析出时间差时间差内co总浓度；
10.步骤3：从步骤2的计算结果中筛选得到电压变化率阈值、voc总浓度阈值、co总浓度阈值，实现检测判据阈值初始化。
11.本发明进一步包括以下优选方案：
12.优选地，所述n≥1000。
13.优选地，步骤1中，穿刺一体机选用直径6mm的钢针，设置30mm/s的针刺速度和300mm的针刺行程，利用夹具将电池固定在穿刺一体机中央，运行穿刺一体机，刺透电池，钢
针停留在电池内600s后拔出。
14.优选地，步骤1中，将电压传感器直接连接在电池正负极耳，气体传感器与气管一端相连，另一端贴近于电池表面；
15.优选地，通过电压传感器采集电压信号，通过气体传感器气体信号，并记录气体信号的析出时间和析出后浓度变化情况。
16.优选地，步骤2中，电压变化率dv的计算公式为：
[0017][0018]
式中，v表示电池电压，k表示电压采样点序号，t表示采样间隔，计算式为：
[0019][0020]
式中，fv是电压采样频率；
[0021]
voc和c2h5f析出时间差的计算公式为：
[0022][0023]
式中，是c2h5f析出时间，t
voc
是voc析出时间，所述析出时间表示气体浓度从无到有对应的时间；
[0024]
voc总浓度的计算公式为：
[0025][0026]
式中，c
voc
是voc总浓度，c
voc
(k)是k时刻的voc气体浓度，n
voc
是内的voc采样点数，计算式为：
[0027][0028]
式中，fg是气体采样频率；
[0029]
同理，co和c2h5f的析出时间差与co总浓度的计算公式为：
[0030][0031][0032]
式中，t
co
是co的析出时间，c
co
是co总浓度，c
co
(k)是k时刻的co气体浓度，n
co
是内的co采样点数，计算式为：
[0033][0034]
优选地，步骤3中，筛选步骤2中最小的电压变化率、voc总浓度和co 总浓度计算值，设置为电压变化率阈值、voc总浓度阈值、co总浓度阈值，实现检测判据阈值初始化。
[0035]
本发明还提供锂离子电池内部短路检测判据验证方法，通过穿刺短路实验来验证判据是否能够满足检测要求，所述检测判据验证方法包括以下步骤：
[0036]
步骤1：设置电压安全阈值、电压采样频率、气体采样频率，采用上述的检测判据设置方法对电压变化率阈值、voc总浓度阈值、co总浓度阈值进行初始化；
[0037]
步骤2：采用穿刺一体机对锂离子电池进行内部短路实验，实验过程中实时采集电池的电压信号和voc、co和c2h5f气体信号，并记录气体信号的析出时间和析出后浓度变化情况；
[0038]
步骤3：计算电压变化率、voc和c2h5f的析出时间差时间差内voc总浓度，co和c2h5f的析出时间差时间差内co总浓度；
[0039]
步骤4：根据电压判据和综合判据，将电压值、步骤3计算值与步骤1对应的阈值比较，根据其能否对锂离子电池内部短路做出正确判断，验证判据是否能够满足检测要求。
[0040]
本发明还提供锂离子电池内部短路检测方法，包括：
[0041]
步骤1：设置电压安全阈值、电压采样频率、气体采样频率，分别采用上述的检测判据设置方法和检测判据验证方法对电压变化率阈值、voc总浓度阈值、 co总浓度阈值进行初始化和验证；
[0042]
步骤2：实时采集电池运行过程中的电压信号和气体信号，并记录气体信号的析出时间和析出后浓度变化情况；
[0043]
步骤3：计算电压变化率、voc和c2h5f的析出时间差时间差内voc总浓度，co和c2h5f的析出时间差时间差内co总浓度；
[0044]
步骤4：将实时采集的电压值代入电压判据，满足电压判据则输出电池异常，进入步骤5，不满足则返回步骤2；
[0045]
步骤5：将步骤3得到的电压变化率最大值、voc总浓度、co总浓度代入综合判据，满足综合判据则输出电池发生内部短路故障，发出报警信号；若不满足则提示进行其它故障检测。
[0046]
优选地，所述电压安全阈值根据锂离子电池固有电压范围设置；
[0047]
所述电压采样频率、气体采样频率根据传感器标准设置。
[0048]
优选地，将电池电压安全阈值、电压变化率阈值、voc总浓度阈值、co总浓度阈值依次记为r1、r2、r3、r4；
[0049]
步骤4中，当实时采集的电压值小于电池电压安全阈值，即满足式(9)电压判据，则认为电池出现异常：
[0050]
v＜r1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)。
[0051]
优选地，步骤5中，将步骤3得到的电压变化率最大值、voc总浓度、co 总浓度分别与对应阈值进行比较，若均高于对应阈值，即满足式(10)～(12)综合判据，则认为电池发生内部短路故障，发出报警信号；
[0052]
dv＞r2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0053]cvoc
＞r3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0054]cco
＞r4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)。
[0055]
优选地，r1为2v，电压采样频率、气体采样频率均取为1hz。
[0056]
优选地，r2为0.5，r3为250ppm、r4为30ppm。
[0057]
本技术所达到的有益效果：
[0058]
本发明通过采集电压信号和气体信号，提出基于多信号融合的检测判据设置、验证方法，实现了高可靠性、高准确度的锂离子电池内部短路故障检测，本发明方法原理简
单，易于实现，也不需要高昂的计算成本，具有大规模推广的潜力，可为储能电站和电动汽车等锂离子电池主要应用场景的安全运行提供强有力的保证。
附图说明
[0059]
图1是穿刺一体机中锂离子电池内部短路故障的场景图；
[0060]
图2是锂离子电池内部短路检测方法的流程示意图；
[0061]
图3是短路检测时锂离子电池的电压波形图；
[0062]
图4是短路检测时锂离子电池的电压变化率图；
[0063]
图5是短路检测时锂离子电池的voc和c2h5f浓度变化图；
[0064]
图6是短路检测时锂离子电池的co和c2h5f浓度变化图。
具体实施方式
[0065]
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。
[0066]
本发明的锂离子电池内部短路检测判据设置方法，通过n次穿刺短路实验，确定基于多信号融合的检测判据阈值，实现检测判据阈值初始化，具体实施时， n≥1000；
[0067]
所述方法具体包括以下步骤：
[0068]
步骤1：采用穿刺一体机对锂离子电池进行内部短路实验，实验过程中实时采集电池的电压信号和voc(volatile organic compounds，挥发性有机化合物)、 co和c2h5f气体信号，并记录气体信号的析出时间和析出后浓度变化情况；
[0069]
即开展短路实验，记录必要信号，分别是电压信号，3种气体信号voc、 co和c2h5f的析出时间和析出后浓度变化情况。析出就是从无到有，例如正常情况应该是上面3种气体都是0ppm，只要出现大于0ppm就是析出。
[0070]
具体实施时，图1为穿刺一体机中实现锂离子电池内部短路故障的场景图。穿刺一体机选用了直径6mm的钢针，并设置了30mm/s的针刺速度和300mm的针刺行程。由图1(a)可见，锂离子电池通过夹具被固定在穿刺一体机箱体的中央。电压传感器连接于电池的正负极耳处，用于实时采集电压信号，同时，气管贴近于电池表面，用于实时采集气体信号，气体信号包括voc、co和c2h5f。进一步地，运行穿刺一体机，刺透电池，钢针停留在电池内600s后拔出，如图1(b) 所示
[0071]
步骤2：根据实验数据计算每次试验的电压变化率、voc和c2h5f的析出时间差时间差内voc总浓度，co和c2h5f的析出时间差时间差内co总浓度；
[0072]
具体的，电压变化率dv的计算公式为：
[0073][0074]
式中，v表示电池电压，k表示电压采样点序号，t表示采样间隔，计算式为：
[0075]
[0076]
式中，fv是电压采样频率；
[0077]
voc和c2h5f析出时间差的计算公式为：
[0078][0079]
式中，是voc和c2h5f析出时间差，是c2h5f析出时间， t
voc
是voc析出时间，所述析出时间表示气体浓度从无到有对应的时间；
[0080]
voc总浓度的计算公式为：
[0081][0082]
式中，c
voc
是voc总浓度，c
voc
(k)是k时刻的voc气体浓度，n
voc
是内的voc采样点数，计算式为：
[0083][0084]
式中，fg是气体采样频率；
[0085]
同理，co和c2h5f的析出时间差与co总浓度的计算公式为：
[0086][0087][0088]
式中，t
co
是co的析出时间，c
co
是co总浓度，c
co
(k)是k时刻的co气体浓度，n
co
是内的co采样点数，计算式为：
[0089][0090]
步骤3：从步骤2的计算结果中筛选得到电压变化率阈值、voc总浓度阈值、co总浓度阈值，实现检测判据阈值初始化。
[0091]
具体的，筛选步骤2中最小的电压变化率、voc总浓度和co总浓度计算值，设置为电压变化率阈值、voc总浓度阈值、co总浓度阈值，实现检测判据阈值初始化。
[0092]
本发明的锂离子电池内部短路检测判据验证方法，通过穿刺短路实验来验证判据是否能够满足检测要求，即通过穿刺短路实验对设置的检测判据阈值进行有效性验证；
[0093]
所述检测判据验证方法包括以下步骤：
[0094]
步骤1：设置电压安全阈值、电压采样频率、气体采样频率，采用上述的检测判据设置方法对电压变化率阈值、voc总浓度阈值、co总浓度阈值进行初始化；
[0095]
步骤2：采用穿刺一体机对锂离子电池进行内部短路实验，实验过程中实时采集电池的电压信号和voc、co和c2h5f气体信号，并记录气体信号的析出时间和析出后浓度变化情况；
[0096]
步骤3：采用上文公式计算电压变化率、voc和c2h5f的析出时间差时间差内voc总浓度，co和c2h5f的析出时间差时间差内co总浓度；
[0097]
步骤4：根据电压判据和综合判据，将电压值、步骤3计算值与步骤1对应的阈值比较，根据其能否对锂离子电池内部短路做出正确判断，验证判据是否能够满足检测要求。
[0098]
如图2所示，本发明的锂离子电池内部短路检测方法，包括以下步骤：
[0099]
步骤1：设置电压安全阈值、电压采样频率、气体采样频率，分别采用上述的检测判据设置方法和检测判据阈值验证方法对电压变化率阈值、voc总浓度阈值、co总浓度阈值进行初始化和验证；
[0100]
初始化后对设置的阈值再次通过短路实验验证的原因是实验室环境下只能通过这样的方式触发短路，而对于已经投运的电池，现场短路是不可能的，因此需事先验证检测判据阈值的设置有效性。基于此，对于投运的电池，只要代入短路实验得到的数据阈值即可。
[0101]
具体实施时，电压安全阈值r1是根据所用锂离子电池固有电压范围确定的，对于常用的磷酸铁锂电池来说，其下限截止电压为2v，即r1为2v；
[0102]
电压变化率阈值r2、voc总浓度阈值r3与co总浓度阈值r4是经过大量短路实验确定。最终r2取为0.5，r3取为250ppm、r4取为30ppm；
[0103]
电压采样频率fv、气体采样频率fg是根据商业传感器标准确定的，本发明具体实施例时，fv和fg均取为1hz。
[0104]
步骤2：实时采集电池运行过程中的电压信号和气体信号，并记录气体信号的析出时间和析出后浓度变化情况；
[0105]
记穿刺一体机开始运行的时刻为0s，钢针复归的时刻为600s。
[0106]
图3为锂离子电池的电压波形图，根据图3，电压在0～15s电池电压维持在 3.5v，15s时电压瞬间跌落至1.5v，随后恢复至2.5v并伴随强烈的波动，15～127 s，电压在波动中下降至0v附近。图4给出锂离子电池的电压变化率，根据图4， 15s附近，即电压瞬间跌落后的短时间内，电压变化率存在显著的波动。图5为锂离子电池的voc和c2h5f浓度变化图，根据图5，voc和c2h5f的析出时间分别在8s和60s。8s时，voc率先析出，8～60s，voc浓度快速上升至100ppm 附近，随后，voc浓度先是迅速增加，然后在达到最大值后趋于平稳。图6是锂离子电池的co和c2h5f浓度变化图，根据图6，co的析出时间在15s，随后浓度先逐渐增加，再快速增加，最后趋于平稳并逐渐衰减。
[0107]
步骤3：计算电压变化率、voc和c2h5f的析出时间差时间差内voc总浓度，co和c2h5f的析出时间差时间差内co总浓度；
[0108]
根据公式(1)到(8)，15s后短时间内计算得到的最大电压变化率为dv＝0.87，即短路检测时，选取一段时间内计算出的所有电压变化率的最大者用于判断；
[0109]
voc和c2h5f的析出时间差为52s，voc在内的总浓度c
voc
约为2500ppm，co和c2h5f的析出时间差为45s，co在内的总浓度c
co
约为300ppm。
[0110]
步骤4：将实时采集的电压值代入电压判据，满足电压判据则输出电池异常，进入步骤5，不满足则返回步骤2；
[0111]
当实时采集的电压值小于电池电压安全阈值，即满足式(9)，则认为电池出现异常：
[0112]
v＜r1
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(9)
[0113]
步骤5：将步骤3得到的电压变化率最大值、voc总浓度、co总浓度代入综合判据，满足综合判据则输出电池发生内部短路故障，发出报警信号；若不满足则提示进行其它故障
检测，具体的：
[0114]
将步骤3得到的电压变化率最大值、voc总浓度、co总浓度分别与对应阈值进行比较，若均高于对应阈值，即满足式(10)～(12)，则认为电池发生内部短路故障，发出报警信号；
[0115]
dv＞r2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0116]cvoc
＞r3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0117]cco
＞r4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)。
[0118]
步骤4和5实施如下：
[0119]
根据本实施例在步骤1中的初始化阈值结果，即r1＝2v、r2＝0.5、r3＝250ppm、 r4＝30ppm，与实时采集的电池电压、步骤3中得到的电压变化率、voc总浓度和co总浓度，实施如下内短路检测：
[0120]
首先，由图3可知，电池电压在15s时突然跌落至1.2v，低于2v，即式(9) 得到满足，因此认为电池出现异常。
[0121]
其次，在判断电池出现异常的短时间内，电池电压最大变化率0.87大于0.5，即式(10)得到满足，同时地，在时间差内，2500ppm远大于25ppm且300ppm远大于30ppm，即式(11)和(12)同时得到满足。
[0122]
最后，可靠地判定电池发生短路故障，发出报警。
[0123]
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。