基于端面压力检测的电池热失控综合预警方法及系统

1.本发明涉及锂离子电池安全预警与防护领域，尤其是涉及一种基于端面压力检测的锂离子电池热失控综合预警方法及系统。


背景技术：

2.传统化石燃料大量消耗的能源危机、与大气污染的双重压力，促使电动化逐渐成为汽车发展的主流方向，汽车动力系统电动化的主要特征之一便是电能代替化学能作为主要的能量供给形式，锂离子动力电池凭借高能量密度和长循环寿命等优势，作为电动汽车主要动力来源。
3.然而锂离子电池电源系统的应用易受到环境、工况等因素限制，低温、快充等极端工作环境、工作状况会导致老化、热失控等一系列问题，外在表现为胀气鼓包，甚至起火、爆炸，这些问题对锂离子动力电池组/电池包的性能、使用寿命甚至是安全性有着重大影响，因此，对锂离子动力电池在各工作环境、各工况下的使用过程进行机理性研究对锂离子动力电池的宏观调控、管理起着十分重要的指导作用。
4.目前，对锂离子电池在各工作、失效状态下的内部机理研究、检测及预警方式较为单一，多为外部物理测量，如电流、电压及温度测量，但实际锂离子动力电池热失控失效机理极其复杂，诱因可分为机械滥用、电滥用、热滥用及内部缺陷等因素，单靠外在物理测量有着较大的误差与滞后性，因此现有热失控预警技术无法为逃生、处理、消防灭火提供足够的时间，往往造成较为严重的后果。
5.因此，随着容量要求不断提高，锂离子动力电池的能量密度、功率密度和容量不断攀升，这一趋势给极端工况下工作的锂离子电池系统安全性提出了重大挑战，基于更为准确、贴合实际的内部反应原理的检测、预警手段将成为锂离子电池系统安全性取得实质提升的必然选择。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于端面压力检测的电池热失控综合预警方法及系统。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种基于端面压力检测的电池热失控综合预警方法，包括以下步骤：
9.1)采集电池端面压力，若电池端面压力上升超过设定阈值时则判定为电池处于热失控早期自产热状态，进行步骤2)；
10.2)对电池进行降温冷却并持续设定时间后进行步骤3)；
11.3)结合端面压力、电池表面温度以及电压综合判断电池是否处于热失控状态，并进行预警。
12.所述的步骤2)中，结合电池热管理系统和空调系统共同进行早期联合强制冷却，实现最大程度的温升抑制效果，用以使电池恢复至可正常使用状态。
13.所述的早期联合强制冷却具体为：
14.增大电池的液冷冷却剂流量并且增大车内或储能电站内空调系统的制冷功率。
15.所述的步骤2)中，设定的时间为10s。
16.所述的步骤3)中，当出现端面压力增长率超过设定阈值、电池表面温度增长率超过设定阈值以及电压下降速率超过设定阈值中的任一现象时，则判断电池处于热失控状态，此时电池热管理系统无法阻断电池热失控，通知驾驶员或储能电站工作人员迅速撤离并呼叫消防部门，并开启电池系统灭火装置，否则电池继续当前工作状态。
17.所述的步骤1)中，热失控早期自产热状态具体为电池开始自产热至热失控触发之间的状态。
18.所述的电池端面压力以及电池表面温度数据在检测前均根据电池系统所选电芯在出厂前的测试数据，考虑电池在正常使用工况充放电过程中的产热以及由呼吸效应所造成的形变和压力变化，对设定的端面压力阈值以及电池表面温度增长率阈值进行修正，以实现准确判断。
19.一种电池热失控综合预警系统，该系统包括用以采集电池端面压力的压力传感器以及与压力传感器连接的用以实现电池热失控早期自产热状态和热失控状态判断的处理器。
20.所述的压力传感器的布设具体为：
21.电池系统中多个串联的电池单体由两端夹板通过设有预紧力的螺栓或通过钢带捆扎构成模组，沿电池单体排列方向在边缘处的电池单体与夹板或钢带间设置压力传感器，用以准确测得锂离子电池自产热膨胀及内部反应产气鼓包造成的端面压力增量。
22.考虑电池热失控过程温度过高，为防止压力传感器失效，对压力传感器外部进行耐高温绝缘保护，实现实时动态监控。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
24.一、当电池环境温度到达自产热反应温度，电池内部电极材料、电解液及添加剂等活性物质反应放热，此过程开始产生一定量的气体，但尚未触发热失控，本发明通过对电池端面压力的检测判断电池是否处于热失控早期自产热阶段，并及时采取降温等措施抑制温度持续上升至热失控触发温度，本发明能够实现锂离子电池热失控早期预警，相较于现有预警检测手段所做响应更为提前，能争取到更多逃生、处理的时间。
25.二、本发明充分考虑了锂离子电池热失控反应机理，对电池充放电产热升温及充放电过程“呼吸效应”对检测和判断所造成的影响进行修正。
26.三、本发明所提出综合预警方法及系统仅需在现有电池系统基础上添加一个压力传感器，具有安装、维护方便、成本低等优点。
27.四、本发明基于压力传感器响应快、灵敏度高等特点，实现锂离子电池组各电池单体状态的实时监测。
28.五、本发明所用传感、检测技术无须外加电源、不发热、无噪声，可同时满足商用车对电池管理系统噪声、能耗和安全性等方面的需求。
29.六、本发明能够实现对现有锂离子电池热失控及热失控蔓延力学机理的补充与修正，为锂离子电池的设计和电池系统的管理、防护提供理论支持。
附图说明
30.图1为本发明进行检测及预警的方法流程图。
31.图2为电池热失控综合预警系统的结构示意图。
32.图3为锂离子电池热失控内部温度-电压曲线示意图。
33.图4为锂离子电池热失控端面压力曲线示意图。
34.图中标记说明：
35.1、压力传感器，2、锂离子电池，3、电池模组夹具。
具体实施方式
36.为使本专业领域技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细阐述。
37.实施例
38.如图1所示，本发明提供一种基于端面压力检测的电池热失控综合预警方法，该方法包括以下步骤：
39.第一步：基于端面压力异常上升信号判定为热失控早期自产热状态；
40.第二步：加大电池系统液冷冷却剂流量、车内或储能电站内空调系统制冷功率；
41.第三步：待电池系统冷却10s进行第四步判断；
42.第四步：若端面压力或电池表面温度仍然猛增或电压出现骤降，则通知驾驶员或储能电站工作人员迅速撤离并呼叫消防部门，开启电池系统灭火装置；若端面压力及电池表面温度无持续猛增现象且电压无骤降现象，则进行第五步；
43.第五步：继续当前工作状态。
44.第二步中，本发明能够在锂离子电池自产热与热失控触发之间的阶段，通过及时高效降温抑制其持续升温可使该节电池单体恢复至可正常使用状态，并且能够通过采用加大电池热管理系统及整车空调系统联合强制冷却，实现最大程度的抑制效果。
45.第四步中，若采用联合强制冷却手段最大功率冷却十秒仍然无法抑制电池温度持续上升，则判定为该车或储能电站现有热管理系统无法阻断系统热失控。
46.判定依据需综合考虑热失控过程表面温度上升、端面压力上升或电池端电压骤降等现象，实现综合准确的判断。
47.如果端面压力、温度、电压三项监测量中的任意一项指标异常时，热失控综合预警系统开启灭火部分并通知驾驶员、工作人员撤离，保证无人员伤亡，同时可实现早期与消防部门的联系，尽可能减少经济损失；若三项指标均无异常现象，可继续当前工作状态。
48.如图2所示，本发明还给出供一种基于端面压力检测的电池热失控综合预警系统，具体为：
49.将电池系统中电池单体由两端夹板及两侧侧板通过螺栓设有预紧力构成模组，或由钢带捆扎构成模组，沿电池单体排列方向设置压力传感器，以便准确测得锂离子电池自产热膨胀及内部反应产气鼓包造成的端面压力增量。
50.当电池环境温度到达自产热反应温度，电池内部电极材料、电解液及添加剂等活性物质反应放热，此过程开始产生一定量的气体，但尚未触发热失控，本发明所提出的热失控综合预警系统通过对热失控早期自产热阶段电池端面压力增量的检测，能够及时采取降
温等措施抑制温度持续上升至热失控触发温度。
51.另外，本发明所提出的热失控综合预警系统检测电池端面压力变化量基于电池系统所选电芯出厂前所做测试数据，充分考虑电池在正常使用工况充放电过程中产热及充放电过程中“呼吸效应”所造成的形变，并由上述复杂变量对检测、预警过程端面压力进行补充、修正，以实现准确判断。
52.考虑到膨胀过程力及热量沿电池单体排列方向传递，将压力传感器布置于电池组边缘与夹具或钢带之间可实现对电池模组动态工况过程中任意一节电池单体热失控状态的准确检查及判断。
53.本例中，考虑锂电池热失控过程温度过高，为防止压力传感器失效，本发明对压力传感器外部进行耐高温绝缘保护(本例中采用云母片绝热)，以便在实时动态过程实现监控与预警。
54.需作出解释的是，如图4所示，本实施例中锂离子电池端面压力在热失控过程分为以下三个阶段：
55.阶段1：温度升高及轻微反应产气造成的压力升高阶段；
56.阶段2：锂离子电池鼓包膨胀挤开夹具的压力松弛阶段；
57.阶段3：热失控剧烈反应造成的压力猛增阶段。
58.本发明能够实时准确地检测锂离子电池系统热失控情况，对车用及储能电站锂离子电池机理研究、模型构建和安全提升设计有着十分重要的意义，并且结合图3与图4可知，本发明采用的基于端面压力的预警判断相较于目前科学研究及实用技术的温度骤升与电压骤降的方法提前了约500-900s，能够为热失控早期预警及处理争取足够多的逃生、消防灭火时间，极大程度减小财产损失，并杜绝伤亡。
59.以上所述仅为本发明的具体实施方法而已，并不能限制本发明，凡是在本发明的精神与原则之内，均包含在本发明的保护范围之内。