一种实时监测锂离子电池交流阻抗的系统及热失控预警方法

1.本发明属于锂离子电池安全领域，涉及一种实时监测锂离子电池交流阻抗的系统及锂离子电池热失控预警技术方法。


背景技术：

2.随着全球能源危机和全球变暖等问题，许多发达国家已经开始大规模开发和利用绿色清洁能源，如太阳能和风能等。然而，这种周期性能源需要一种强大的储能介质来将能量储存起来，并在合适的时间释放出来，从而起到削峰填谷的作用。锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长等优点，被大量应用于电动汽车和储能设备。因此，对锂离子电池安全性的研究已经成为一个热点问题。传统的热失控预警方法是基于对电压、电流、温度和产气量的测量，通过一些系列的模型算法，融合多维度的参数来预警热失控。然而，电动汽车或储能系统是由数成百上千个单体电池组成的，要监测每个电池的电流、电压和温度非常困难，这就带来了一系列非常严重的问题。例如，当模组中的热敏电阻距离热失控电池较远的情况下，监测到温度超过报警阈值时，热失控通常已经进入了不可逆阶段；同理，采用气体探测器来对锂离子电池热失控预警时，由于锂离子电池安全阀打开后，内部的有机和无机气体扩散需要时间，当传感器监测到气体浓度超过阈值时，热失控可能已经发生了；在锂离子电池并联模组中采用电压下降来对锂离子电池热失控进行预警时，无法对并联模组中单体电池电压进行监测，对上百伏的串联模组进行监测时，单节电池电压的掉落在模组上反应的并不明显。因此，找到一种能实时监测锂离子电池运行状态的参量，并能对锂离子电池热失控进行有效预警的方法是至关重要的。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种实时监测锂离子电池交流阻抗的系统及热失控预警方法，通过搭建锂离子电池交流阻抗监测及热失控预警系统，实时监测锂离子电池交流阻抗的变化，在热失控发生前有效地进行了预警。
4.为了实现上述目的，本发明使用了以下技术方案：
5.一种实时监测锂离子电池交流阻抗的系统，包括依次连接的实验装置、信号采集元件、数据采集装置及在线监测预警系统。所述实验装置包括锂离子电池及加热装置，锂离子电池和加热装置固定在一起；所述信号采集元件包括热电偶及开尔文测试线；所述数据采集装置包括温度采集设备及交流阻抗采集设备；所述在线监测预警系统包括上位机。热电偶布置在锂离子电池中部，开尔文测试线分别连接锂离子电池的正极极耳和锂离子电池的负极极耳；热电偶依次连接温度采集设备和上位机；开尔文测试线依次连接交流阻抗采集设备和上位机。所述早期热失控预警方法通过上位机实时在线监测锂离子电池内部交流阻抗，通过交流阻抗变化规律进行热失控三级预警。
6.所述的实验装置包括锂离子电池单体(模组)和加热装置，加热装置为电加热装置，包括但不局限于加热棒，绝热加速量热仪(arc)等。其中，锂离子电池单体(模组)通过高
纯度镍带进行连接，锂离子电池和加热装置可以通过缠绕铁丝的方式进行固定或通过锂离子电池固定模具进行固定。
7.所述的信号采集元件使用热电偶进行温度信号的采集，温度采集点为锂离子电池中部，使用开尔文测试线进行电信号的采集，两个开尔文夹分别与锂离子电池的正负极极耳连接，其中，开尔文测试线的开尔文夹使用镀金工艺，可以有效降低测量误差。
8.所述数据采集装置使用多通道温度数据采集设备接收热电偶传递的电信号并转换为温度信号；使用1khz交流阻抗采集设备将开尔文测试线传递的电信号转换为交流阻抗信号。
9.所述的在线监测及预警系统，使用上位机对数据采集装置采集的数据进行处理和可视化操作，其中，数据处理的方式包括温度和交流阻抗的阈值判断、求一阶导数。求一阶导数的方法由以下公式计算：
[0010][0011][0012]
其中，r
slope
为交流阻抗的斜率，r
t 1
和r
t
分别为t 1时刻和t时刻锂离子电池交流阻抗的值，t
slope
为温度的斜率，t
t 1
为t 1时刻的温度，t
t
为t时刻的温度，δt为采样时间。
[0013]
所述的数据处理方式，其特征在于，当锂离子电池的交流阻抗在150s内连续下降超过2mω时，上位机发出三级预警；在三级预警发出后，当锂离子电池的交流阻抗斜率r
slope
由负值变为正值，温升速率大于0.2℃/s时发出二级预警；当锂离子电池的交流阻抗斜率r
slope
值超过10mω/s时发出一级预警。
[0014]
优选地，所述的加热装置为100w的圆柱型加热棒，尺寸为直径
×
高度(18mm
×
65mm)，所述的锂离子电池为18650三元电池模组，固定装置为两根直径为1mm的铁丝。
[0015]
优选地，所述的热电偶为k型热电偶，测温范围为0～1000℃，误差为
±
2.5℃。
[0016]
优选地，所述的交流阻抗采集设备，交流阻抗测量范围为0.1μω-200ω，电压测量范围为0.01v～100v，测试信号频率为交流1khz，精度为：
±
0.5％。
[0017]
优选地，温度采集设备为24通道无纸记录仪，可以实时测量并储存多通道温度数据。
[0018]
优选地，无纸记录仪和交流阻抗采集设备与上位机间通过rs485通讯线连接，通过上位机的软件进行数据可视化和预警。
[0019]
优选地，上位机为操作系统为windows 10系统的计算机，cpu为酷睿i5-6300hq，4核4线程，内存大小8gb。
[0020]
本发明的有益效果是：
[0021]
本发明的锂离子电池交流阻抗实时监测系统及热失控预警方法，结构合理，实验数据采集精度较高，数据采集和分析系统使用方便，并能保证测试精度，预警效果良好。使用该系统能够实现不同材料体系的锂离子电池单体(模组)热滥用工况下的热失控预警。通过对锂离子电池单体(模组)的交流阻抗实时监测和分析，能够在锂离子电池电压掉落和安全阀打开前进行有效预警，且效果明显，弥补了锂离子电池模组中温度和电压传感器数量不足对热失控预警带来的影响。
附图说明
[0022]
图1为锂离子电池交流阻抗实时监测系统及热失控预警流程图；
[0023]
图2为实施例1中热失控温度变化曲线；
[0024]
图3为实施例1中热失控交流阻抗-电压变化曲线；
[0025]
图4为实施例1中阻抗斜率变化曲线；
[0026]
图5为实施例2中实时阻抗监测及热失控预警示意图。
[0027]
图中，1-锂离子电池，2-加热装置，3-高纯度镍带，4-固定装置，5-热电偶，6-开尔文测试线，7-温度采集设备，8-交流阻抗采集设备，9-上位机。
具体实施方式
[0028]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0029]
图1所示为一种锂离子电池交流阻抗实时监测系统及预警方法。如图1所示，所述监测系统包括依次连接的实验装置、信号采集元件、数据采集装置及在线监测预警系统。所述实验装置包括锂离子电池及加热装置；加热装置为电加热装置，包括但不局限于加热棒，绝热加速量热仪(arc)等。所述信号采集元件包括热电偶及开尔文测试线；所述数据采集装置包括温度采集设备及交流阻抗采集设备；所述在线监测预警系统包括上位机。所述早期热失控预警方法通过上位机实时在线监测锂离子电池内部交流阻抗，通过交流阻抗变化规律进行热失控三级预警。其中，锂离子电池通过高纯度镍带进行连接，锂离子电池和加热装置可以通过缠绕铁丝的方式进行固定或通过锂离子电池固定模具进行固定。所述的信号采集元件使用热电偶进行温度信号的采集，温度采集点为锂离子电池中部，使用开尔文测试线进行电信号的采集，两个开尔文夹分别与锂离子电池的正负极极耳连接，其中，开尔文测试线的开尔文夹使用镀金工艺，可以有效降低测量误差。所述数据采集装置使用多通道温度数据采集设备接收热电偶传递的电信号并转换为温度信号；使用1khz交流阻抗采集设备将开尔文测试线传递的电信号转换为交流阻抗信号。所述的在线监测及预警系统，使用上位机对数据采集装置采集的数据进行处理和可视化操作，其中，数据处理的方式包括温度和交流阻抗的阈值判断、求一阶导数。求一阶导数的方法由以下公式计算：
[0030][0031][0032]
其中，r
slope
为交流阻抗的斜率，r
t 1
和r
t
分别为t 1时刻和t时刻锂离子电池交流阻抗的值，t
slope
为温度的斜率，t
t 1
为t 1时刻的温度，t
t
为t时刻的温度，δt为采样时间。
[0033]
热失控预警流程包括：当锂离子电池的交流阻抗在150s内连续下降不超过2mω时，无热失控风险；当锂离子电池的交流阻抗在150s内连续下降超过2mω时，上位机发出热失控三级预警；在热失控三级预警发出后，当锂离子电池的交流阻抗斜率r
slope
由负值变为正值，温升速率大于0.2℃/s时发出热失控二级预警；当锂离子电池的交流阻抗斜率r
slope
值超过10mω/s时发出热失控一级预警。
[0034]
优选地，所述的加热装置2为100w的圆柱型加热棒，尺寸为直径
×
高度(18mm
×
65mm)，所述的锂离子电池1为18650三元电池模组，固定装置4为两根直径为1mm的铁丝。固定装置4用于将锂离子电池1和加热装置2固定在一起。
[0035]
优选地，所述的热电偶5为k型热电偶，测温范围为0～1000℃，误差为
±
2.5℃。
[0036]
优选地，所述的交流阻抗测试设备，交流阻抗测量范围为0.1μω-200ω，电压测量范围为0.01v～100v，测试信号频率为交流1khz，精度为：
±
0.5％。
[0037]
优选地，温度采集设备7为24通道无纸记录仪，可以实时测量并储存多通道温度数据。
[0038]
优选地，无纸记录仪和交流阻抗采集设备8与上位机间通过rs485通讯线连接，通过上位机的软件进行数据可视化和预警。
[0039]
优选地，上位机为操作系统为windows 10系统的计算机，cpu为酷睿i5-6300hq，4核4线程，内存大小8gb。
[0040]
实施例1
[0041]
以某圆柱型三元锂离子电池为例，对该锂离子电池单体以100w加热功率进行加热，详细地对本发明作出描述。方法的建立分为四个步骤部分：
[0042]
步骤一，将锂离子电池正负极用高纯度镍带焊接出极耳，将100w加热棒与锂离子电池用铁丝捆绑牢固。
[0043]
步骤二，将热电偶布置在锂离子电池中部，使用高温胶绝缘胶带将热电偶固定并缠绕实验装置一圈，将开尔文测试线分别连接锂离子电池的正负极极耳。
[0044]
步骤三，将热电偶和开尔文测试线分别连接到无纸记录仪和交流阻抗采集设备上，将rs485通讯线连接到上位机。
[0045]
步骤四，打开上位机数据可视化软件界面，开启100w加热棒，记录锂离子电池热失控过程中的温度和交流阻抗变化曲线并进行在线预警。
[0046]
图2为实施例1中热失控温度变化曲线；图3为实施例1中热失控交流阻抗-电压变化曲线；图4为实施例1中阻抗斜率变化曲线。通过实施例1验证，本发明所述的锂离子电池交流阻抗实时监测系统可以有效对锂离子电池热失控过程同的特征参量进行采集，并能够在锂离子电池热失控前及时有效进行预警。在本次实施例中，热失控预警系统可以在130s时进行热失控三级预警，在217s时进行热失控二级预警，在335s时进行热失控一级预警。本次实施例中，热失控发生时间为472s，本方法可以在130s时进行热失控三级预警，比热失控时间提前342s(5分钟以上)，并且在温度和电压传感器缺失时仍能有效预警。
[0047]
实施例2
[0048]
以某圆柱型满电三元锂离子电池1
×
3串联模组为例，对该锂离子电池串联模组中某一电池以100w加热功率进行加热，详细地对本发明作出描述，图5为实时阻抗监测及热失控预警示意图。如图5所示，所述监测系统包括依次连接的实验装置、信号采集元件、数据采集装置及在线监测预警系统。
[0049]
所述实验装置包括锂离子电池1及加热装置2；加热装置2为电加热装置。
[0050]
所述信号采集元件包括热电偶5及开尔文测试线6。
[0051]
所述数据采集装置包括温度采集设备7及交流阻抗采集设备8。
[0052]
所述在线监测预警系统包括上位机9。
[0053]
一种实时监测锂离子电池交流阻抗的热失控预警方法的建立分为四个步骤部分：
[0054]
步骤一，将锂离子电池1正负极用高纯度镍带3连接成为串联模组，并将锂离子电池模组正负极用高纯度镍带焊接出极耳，将100w加热棒与锂离子电池模组用铁丝捆绑牢固。所述铁丝为固定装置4。所述100w加热棒为加热装置2。
[0055]
步骤二，将热电偶5布置在锂离子电池1中部，使用高温胶绝缘胶带将热电偶5固定并缠绕实验装置一圈，将开尔文测试线6分别连接锂离子电池1的正负极极耳。
[0056]
步骤三，将热电偶5连接到无纸记录仪上，将开尔文测试线6连接到交流阻抗采集设备8上，然后将无纸记录仪和交流阻抗采集设备8分别通过rs485通讯线连接到上位机9。温度采集设备7为无纸记录仪。
[0057]
步骤四，打开上位机数据可视化软件界面，开启100w加热棒，记录锂离子电池热失控过程中的温度和交流阻抗变化曲线并进行在线预警。
[0058]
通过实施例2验证，本发明所述的锂离子电池交流阻抗实时监测系统可以有效对锂离子电池模组热失控过程同的特征参量进行采集，并能够在锂离子电池热失控前及时有效进行预警。在本次实施例中，热失控预警系统可以在180s时进行热失控三级预警，在398s时进行热失控二级预警，在471s时进行热失控一级预警。本次实施例中，热失控发生时间为712s，本方法可以在180s时进行热失控三级预警，比热失控时间提前532s(5分钟以上)，并且在温度和电压传感器缺失时仍能有效预警，此方法在锂离子电池模组中也有很好的适用性。
[0059]
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。