热失控检测方法和警告系统与流程

1.本公开涉及检测和减缓车辆电池组单元(battery pack cell)的热失控。


背景技术：

2.电路短路是机动车辆系统中使用的电池组单元热失控的最常见原因。短路通常始于初级单元短路，随后在5-10秒的时间内单元温度逐渐升高。短路可能会产生热失控，其定义为放热反应，为单元产生足够的热量，并可能使电池组点燃。
3.电池单元短路的原因可能是车辆碰撞、过快充电、公路上飞扬的碎屑、车辆停放在极端环境温度下或者电池单元制造缺陷。用于检测和识别短路，并避免在短路开始后5至10秒的时间段内或之后发生热失控的系统还尚不清楚。
4.因此，虽然当前的机动车辆电池组设计实现了其预期目的，但仍需要一种新的、改进的系统和方法用于检测和减缓机动车辆电池组单元中发生的短路和热失控。


技术实现要素：

5.根据若干方面，一种用于检测单元热失控的方法包括：将具有多个单元的电池组定位在机动车辆中；以预定采样速率测量多个单元的单元电压；以及确定单元表面温度升高时或在其之前，单元电压是否降低和转变，以指示开始单元短路，从而指示热失控事件。
6.在本公开的另一方面，该方法还包括在测量单元电压之前，确认机动车辆停止。
7.在本公开的另一方面，该方法还包括：确定单元温度是否达到约70℃；以及确定在单元温度达到约70℃后，单元温度是否在约5秒内快速上升至约500℃，从而确定电池单元热失控事件开始。
8.在本公开的另一方面，该方法还包括通过将单元电压的总和减去最小单元电压，确定多个单元的所有单元电压的平均值。
9.在本公开的另一方面，该方法还包括：计算多个单元中的各个单元的单元电压关于时间的导数；以及使单元电压的导数传递到缓冲器。
10.在本公开的另一方面，该方法还包括应用多个单元的单元电压关于时间的导数，计算快速傅里叶变换功率谱。
11.在本公开的另一方面，该方法还包括应用功率谱计算所释放能量。
12.在本公开的另一方面，该方法还包括：在单元短路开始后，确定功率谱是否超过预定谱阈值；以及在超过预定阈值之后启动警报。
13.在本公开的另一方面，该方法还包括在启动警报后，启动包括以下至少一项动作：停止电池组的充电操作；释放电池组压力；使冷却剂开始流入电池组；通过智能电话向车辆操作员传达警告；将电池组的状态传送到基于云的远程安全服务；以及联系应急服务。
14.在本公开的另一方面，该方法还包括在单元短路开始后并且在单元电压降低和单元电压快速转变的时间段内，以及随着单元表面温度升高，继续分析单元电压和单元表面温度。
15.根据若干方面，一种用于检测单元热失控的方法包括：将具有多个单元的电池组定位在机动车辆中；以预定采样速率测量多个单元的单元电压；以及确定是否多个单元中的至少一个单元发生单元短路。
16.在本公开的另一方面，该方法还包括通过应用离散小波变换(discrete wavelet transformation，dwt)的可缩放小波滤波器，将单元电压的信号分解成多个信号时域尺度。
17.在本公开的另一方面，该方法还包括：使单元电压信号通过小波滤波器；以及应用尺度函数区分和去除预先指定为噪声的信号的频率。
18.在本公开的另一方面，该方法还包括应用尺度函数将第一高频提取部分分成第一高频分量并且将第一低频提取部分分成第一低频分量。
19.在本公开的另一方面，该方法还包括：将来自第一低频提取部分的低频分量减半；以及生成1级系数。
20.在本公开的另一方面，该方法还包括：计算多个单元中的各个单元的单元电压关于时间的导数；应用多个单元的单元电压关于时间的导数，计算快速傅里叶变换功率谱；应用功率谱计算所释放能量，并且如果在单元短路开始后功率谱超过预定阈值，则启动警报。
21.在本公开的另一方面，该方法还包括确定在单元表面温度升高时，单元电压是否降低和转变，以指示开始单元短路。
22.根据若干方面，一种用于检测单元热失控的方法包括：确认机动车辆停止；以预定采样速率测量机动车辆的电池组的多个单元的单元电压；确定单元电压是否开始降低和转变，以指示发生单元短路；以及如果单元温度达到约70℃，则发出信号，以指示发生电池单元热失控事件。
23.在本公开的另一方面，该方法还包括：计算多个单元中的各个单元的单元电压关于时间的导数；应用多个单元的单元电压关于时间的导数，计算快速傅里叶变换功率谱；应用功率谱计算所释放能量，并且如果在单元短路开始后功率谱超过预定阈值，则启动警报。
24.在本公开的另一方面，该方法还包括：使单元电压信号通过小波滤波器；应用尺度函数将单元电压信号的第一高频提取部分分成第一高频分量，并且将第一低频提取部分分成第一低频分量；以及区分和去除预先指定为噪声的信号的频率。
25.从本文提供的描述中，进一步的适用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体实例仅用于说明目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
26.本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
27.图1是根据典型方面的具有包括多个单独单元的多个电池单元模块的电池组的示意图；
28.图2是呈现了单元电压与时间和单元表面温度的关系曲线图表；
29.图3是用于确定单元热失控事件的方法步骤的流程图；
30.图4是呈现了单元电压随时间变化(以秒为单位)的导数范围的曲线图表；
31.图5是呈现了计算出的功率谱与时间(以秒为单位)的关系曲线图表；
32.图6是呈现了单元电压相对于时间(以秒为单位)的曲线图表；
33.图7是呈现了应用50ms的采样速率时，功率谱相对于时间(以秒为单位)的曲线图
表；
34.图8是提供了利用离散小波变换(dwt)确定是否发生单元热失控事件的方法步骤的流程图；
35.图9是单元电压相对于时间(以秒为单位)的曲线图表，用于确定电池组充电操作期间的热失控状况；以及
36.图10是应用dwt确定电压噪声电平随时间(以秒为单位)变化的曲线图表，用于确定在充电操作期间tra单元电压1级分解信号。
具体实施方式
37.以下描述本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本公开、应用或用途。
38.参考图1，应用热失控检测方法和警告系统10分析一个或多个电池单元模块(例如，第一模块12)的单元，电池单元模块各自具有多个串联连接的单元，在典型方面包括第一单元14、第二单元16以及在一个典型方面大约高达第十六单元18。多个单元模块然后串联连接以形成具有第一模块12、第二模块22、第三模块24直至第n模块26的典型模块组20。多个模块组(例如模块组20)然后串联连接以形成具有多个模块和多个单元的电池组28。
39.电池组28被定位在使用由电池组28产生的电力运行的机动车辆30中。电池组28的单元在需要时充电，在运行过程受到监控，并使用控制器32进行控制。该控制器32可与电池组28一起设置或单独安装在机动车辆30中。根据若干方面，控制器32可以包括一个或多个计算机，计算机各自具有一个或多个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的指令。存储器是非暂时性计算机可读介质。
40.参考图2并再次参考图1，曲线图表34呈现了单元电压与时间和单元表面温度的关系。因为电池组28由许多单元组成，所以单元中的任何一个，或者两个或多个单元以及两个或多个模块都可能起火。因此，本公开的算法分别应用于电池单元。在曲线图表34中描绘了示例性热失控过程，其标识了每个时间段38(以秒为单位)的单元电压36并且提供了单元表面温度39。单元电压40通常基本上是稳定的，并且单元表面温度42在单元正常运行期间随时间非常缓慢地上升，直到在所示的实例中在大约407秒处发生单元短路44。紧接着单元短路44之后，单元电压46降低并迅速转变，并且单元表面温度升高，导致气体从电池单元中产生并释放。在单元短路44后大约7.9秒的时间段50之后，单元电压48迅速下降，如在大约415秒的典型时间处所示。
41.同时在大约415秒时，达到大约70℃的阈值单元温度，之后单元温度迅速上升52，确定为开始电池单元热失控(thermal runaway，tra)事件54。在tra事件54期间，在单元温度达到并超过70℃的阈值温度(定义为开始tra事件54)之后的大约5至10秒内，单元温度达到500℃或更高。在单元短路44发生之后，并且在大约415秒处单元电压48迅速下降后的大约2至3秒内，单元电压56达到大约零伏。热失控检测方法和警告系统10在单元短路44开始时，和在单元电压46降低和快速转变的时间段50内，并随着单元表面温度上升，执行tra事件54的电压和热数据的分析，更详细的描述参考图3。
42.参考图3并再次参考图2，首先注意到，当确认机动车辆30停止时(包括机动车辆30处于停车模式，以及当机动车辆30例如在红绿灯或停车标志处时)，热失控检测方法和警告系统10是可操作的。在车辆未运行时，以预定时间间隔或采样速率，分别查询各个不同模块
(例如第一模块12)的电池组28的单元(例如第一单元14、第二单元16、第三单元60直至第十六单元18)。例如，以0.05秒的采样速率查询每个电池单元。在对每个单元进行每次查询时，测量开路单元电压v
oc
(t)。在所呈现的实例中，获得第一单元14的开路单元电压v
oc1
(t)62。
43.在获得所有单元(如第一单元14、第二单元16、第三单元60直至第十六单元18)的开路单元电压之后，在平均值确定步骤64中，计算所有开路单元电压的平均值，并且从开路单元电压的平均值中减去最小开路单元电压。确定平均开路单元电压并减去最小开路单元电压，以允许消除与其余单元电压显著不同的测得的单元电压的影响。为了获得平均开路单元电压，使用以下方程1：
44.方程1：
45.vmean(t)＝1/(n-1){[∑1^nvoc_i(t)]-min(voc_i(t))}
[0046]
其中：n＝单元数。
[0047]
仅在初始停车或停车时以及在初始停车或停车之后的大约2至3分钟内，需要使用上述方程1去除电池单元电压。在针对剩余电池的去除时间段之后，最小值v
oc
(t)基本上等于最小单元电压，并且平均电压可以被设定为基本上等于零。
[0048]
在平均值确定步骤64完成之后，或者如果平均电压基本上等于零，则在导数步骤68中确定每个电压的导数66，其中使用方程2对每个单元计算测得的单元电压关于时间的导数：
[0049]
方程2：
[0050]
dv
oci
(t)/dt。
[0051]
然后，在缓冲步骤70中缓冲每个单元的公式2的结果。缓冲步骤70可以应用具有例如单元电压100的点缓冲器72的移动缓冲窗口。单元电压采样速率可以是例如t＝0.05秒。在每个增量处，丢弃缓冲器72的第一点，并添加一个新点。缓冲器72是应用检测时间与鲁棒性之间的折衷校准，因为缓冲器尺寸越小，可以越快地检测到问题，而较大的缓冲器尺寸提供更准确的判定。
[0052]
在应用每个缓冲器之后，在功率谱计算步骤74中执行快速傅立叶变换，以使用方程3计算功率谱：
[0053]
方程3：
[0054][0055]
其中在频率处的功率谱值。
[0056]
然后，利用上述计算出的功率谱值，使用方程4计算在采样时间k处释放的能量δe：
[0057]
方程4：
[0058]
其中n＜100
[0059]
是从能量计算中去除的噪声项，其中i定义为预定频率阈值，高于预定频率阈值的频率被认为是需从能量计算中去除的噪声值。
[0060]
参考图4，并再次参考图2和图3，曲线图表78呈现了电压80随时间82(以秒为单位)变化的单元电压的导数的典型范围。单元电压84的导数中的扰动标识了在大约407秒时发生单元短路，以及大约415秒处出现的导数86的峰值。
[0061]
参考图5，并再次参考图1至图4，曲线图表88呈现了计算出的功率谱90与时间92(以秒为单位)的关系。功率谱90可以用于在检测到热失控事件后设置警报条件。例如，在407秒时单元短路开始后的大约0.6秒的功率谱值96处，超过警报阈值94。
[0062]
参考图6并再次参考图1至图5，在曲线图表98中呈现了机动车辆停车和充电过程中单元电压突然变化而引起的失控状况。曲线图表98呈现了单元电压100相对于时间102(以秒为单位)的关系。正常或良好的单元电压104在时间上基本是平坦的。与良好的单元电压104相比，失控单元电压106从2601.5秒处检测到的isc(internal short circuit，内部短路)108开始，随后出现快速电压扰动，之后在2607.9秒处发生tra 110。
[0063]
参考图7并再次参考图1至图6，在充电操作期间图6的状况呈现在曲线图表112中，该曲线图表呈现了应用50ms的采样速率时功率谱114相对于时间116(以秒为单位)的关系。类似于图5，功率谱114可以用于在检测到isc和热失控事件后设置警报条件。例如，在2601.5秒处检测到isc(内部短路)之后的大约2秒的功率谱值120处，超过警报设定阈值118，在大约2607.9秒处发生tra。
[0064]
当超过警报设定阈值时，可以采取或者可以发生若干动作。这些动作可以包括：1)可以发送信号以停止充电操作；2)可以打开电池组减压阀以释放电池组压力；3)可以发送信号以开始减缓行动，根据若干方面，减缓行动包括使冷却的冷却剂开始流入电池组；4)可以通过操作员的智能电话发送信号以传达警告；5)可以发送信号至基于云的车辆通信系统，基于云的车辆通信系统可以是例如自动地向如911服务等紧急服务报警；6)可以呼叫消防服务。
[0065]
可以使用时间序列信号的离散小波变换(dwt)代替fft计算电池电压的功率谱。与fft相比，dwt通过可缩放小波滤波器将信号分解成多个信号时域尺度。小波滤波器可以被缩放以将预先指定为噪声的特定信号频率分离。dwt提供了一种工具，用于检测tra事件期间可能发生的信号突变。多个小波可以是该应用的潜在候选者。
[0066]
参考图8并再次参考图1至图7，dwt可以按照如下方式应用。单元电压信号通过小波滤波器122，然后尺度函数124作用在其上。在尺度函数124中，从小波滤波器122接收的输入信号126在第一高频提取部分128中被分割和缩放为第一高频分量，并且在第一低频提取部分130中被缩放为第一低频分量。将来自第一低频提取部分130的低频分量信号减半并用于生成1级系数132。将第一高频提取部分128产生的高频分量减半，并转发到第二高频提取部分134，信号在该第二高频提取部分134被缩放为第二高频分量，并且在第二低频提取部分136中被缩放为第二低频分量。将来自第二低频提取部分136的低频分量信号减半并用于生成2级系数。将第二高频提取部分134产生的高频分量减半，并在需要时转发到附加的高频提取部分和低频提取部分，以便在需要时产生3级系数。因此，dwt用于从单元电压信号中提取高频噪声分量。
[0067]
可以使用以下方程5和方程6计算dwt系数：
[0068]
方程5：
[0069][0070]
方程6：
[0071][0072]
参考图9并再次参考图1至图8，曲线图表138标识了电池组充电操作期间的热失控状况。曲线图表138示出了单元电压140相对于时间142(以秒为单位)的关系。单元电压曲线144指示在2600秒的时间处开始短路146。在短路146发生之后，单元电压144振荡或转变，并且在短路146之后的大约0.2秒，开始单元排气148。在电压振荡结束之后，单元电压144显著下降，并且在大约2607秒处出现的电压点150处，电池单元完全进入燃烧阶段。
[0073]
参考图10，并再次参考图1至图9，曲线图表152呈现了在充电操作期间使用dwt识别tra单元电压电平1的分解信号。曲线图表152显示了电压噪声电平154随着时间156(以秒为单位)的变化。噪声电平阈值158标识了正常单元噪声电平的边界。在大约2601秒处检测到单元短路160，由噪声电平超过阈值158指示。tra162在大约2607秒处开始。
[0074]
本公开的热失控检测方法和警告系统10可以按照如下方式应用：应用于单元电压导数时间序列的突变检测方法；使用fft估计移动窗口中电压导数的功率谱；使用rms估计在移动窗口中电压导数的功率谱；使用多个诊断阈值的阵列检测热失控；应用于单元电压导数的突变检测；估计电压导数离散小波变换(dwt)谱的能量。
[0075]
本公开的热失控检测方法和警告系统10提供了若干优点。这包括早期检测方法，其可以在小于1-2秒内检测可能的故障模式。早期检测可以用于提示即刻警告，并且可以启动热失控减缓系统。
[0076]
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不背离本公开的主旨的变型旨在落入本公开的范围内。此类变型不应视为背离了本公开的精神和范围。