一种基于电压安全边界和温度安全边界的锂电池安全度估算方法及装置与流程

本发明涉及电池安全度判断领域，特别是涉及一种基于电压安全边界和温度安全边界的锂电池安全度估算方法及装置。
背景技术：
：随着全球市场电动汽车商品化步伐的日益加快，对高功率和高能量动力电池需求迅速增加，而电池的安全性也越来越受到人们的关注。尤其是近几年，锂电池自燃、爆炸等事故的新闻时有发生，锂电池的安全性愈发受到重视。目前，我国锂电池在技术研发层面尚处于初始阶段，在安全性方面依旧存在诸多问题。锂离子电池是一个复杂的电化学系统，电池的失效机理复杂，其失效模式受诸多因素影响，比如所处的环境温度、放电深度、充放电电流等。虽然电池的状态参数如电压、电流、温度等可以实时测量，其内阻、容量、soc等参数也可以通过实测参数经过计算得到，但是电池的安全性无法测量，且是一个受多因素影响的随时变化的量，安全性的保障也是电池系统正常应用的前提条件。电池安全性量化问题也成了当前电池应用研究和安全性研究的一个重点和难点。国内学者在电池安全性量化研究方面目前较少，主要集中在针对电池故障诊断方法方面。故障诊断只是在电池出现故障之后，才对故障问题作出判断，它并不能预防电池故障的发生。实际上，电池故障的行成是一个逐渐变化的过程，如能在电池使用过程中对其进行安全性评估，给出量化指标，这对于预防电池事故发生、保障使用者生命安全具有重要作用。如何做到实时准确的安全估算，一直是锂离子动力电池组设计过程中存在的一个瓶颈性难题。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明提供了一种基于电压安全边界和温度安全边界的锂电池安全度估算方法及装置，能够直观的估算并实时显示电池的安全程度，解决了锂动力电池安全性判断的难题。本发明一方面提供了一种基于电压安全边界和温度安全边界的锂电池安全度估算方法，包括如下步骤：确定电池的电压安全边界bu和电池的温度安全边界bt；在时间间隔内获取电池电压采集值和电池温度采集值；根据电池的电压安全边界bu、标准工作电压和所述电池电压采集值得到电池的电压安全系数su；根据电池的温度安全边界bt、标准工作温度和所述电池温度采集值得到电池的温度安全系数st；根据ss＝ω1*su+ω2*st估算电池安全度，其中，ss为电池的安全度，ω1和ω2分别为电池电压的权重系数和电池温度的权重系数。进一步的，所述电池的电压安全度系数su为：式中，us为标准工作电压，bu为电压安全边界，ui为第i个时间间隔得到的电池电压采集值。进一步的，所述电压安全边界bu的确定方法包括：收集在不同电流倍率下、soh属于[1％，100％]的电压边界样本，并将所述样本分为训练集和测试集；建立支持向量回归方程：式中，其中f(x)为通过所述回归方程估算的电压安全边界bu的数值，为向量系数，xi为电池soh及电流倍率c样本的支持向量，b为回归方程参数，k(x,xi)为核函数；将训练集输入所述回归方程中，得到任意soh及电流倍率c下的bu值。进一步的，电池温度安全系数st为：式中，ts为标准工作温度，bt为温度安全边界，t为第i个时间间隔得到的电池温度采集值。进一步的，所述温度安全边界bt的确定方法包括：收集在不同电流倍率下、soh属于[1％，100％]的温度边界样本，并将所述样本分为训练集和测试集；建立支持向量回归方程：式中，f(y)为通过所述回归方程估算的温度边界bt的数值，为向量系数，y为电池soh及电流倍率c样本的支持向量，c为回归方程参数，k(y,yi)为核函数；将所述训练集输入所述回归方程中，计算可以得到任意soh及电流倍率c下的bt值。进一步的，所述电池电压的权重系数ω1的获取方法包括如下步骤：获取所述电池电压安全系数的特征值fu和对应变量总方差d(u)；通过得到电池电压方差的贡献率σu；将电池电压方差的贡献率σu归一化后得到所述电池电压的权重系数ω1。进一步的，所述电池温度的权重系数ω2的获取方法包括如下步骤：获取所述电池温度安全系统的特征值ft和对应变量的总方差d(t)；通过得到电池温度方差的贡献率σt；将所述电池温度方差的贡献率σt归一化后得到所述电池电压的权重系数ω2。进一步的，所述电池为单体电池或电池串并联组成的电池包；所述电池为铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池或化学电源。本发明第二方面提供一种基于电压安全边界和温度安全边界的锂电池安全度估算装置，包括：电压采集单元，用以实时采集电池电压；温度采集单元，用以实时采集电池温度；通讯单元，将所述电压采集单元采集的电池电压和所述温度采集单元采集的电池温度送至控制单元中；控制单元，对所述电池电压和电池温度分别进行预处理得到电池电压采集值和电池温度采集值，利用本发明第一方面所述的基于电压和温度特性锂电池安全度估算方法计算得到电池安全度；显示单元，用以显示电池安全度信息。进一步的，所述控制单元的预处理过程包括如下步骤：设定固定时间间隔，将在固定时间间隔内采集的电池电压最大值和电池电压最小值去除，将剩余电池电压数据取平均值作为电池电压采集值，并进行记录，将在固定时间间隔内采集的电池温度最大值和电池温度最小值去除，将剩余电池温度数据取平均值作为电池温度采集值，并进行记录。如上所述，本发明提供的一种基于电压和温度特性的锂电池安全度估算方法及装置，具有如下效果：1、本发明实现了电池安全度的实时量化估算和显示，应用于在电池使用过程中各种电池在各种状态下的安全度的评估，解决了现有技术中不能实时预警电池的安全性这一技术瓶颈问题，为使用过程中的电池安全程度判断提供了有效性指标。2、本发明仅使用电压和温度两个变量估算电池安全度，这两个变量能较全面反映电池工作状态，易于采集，参数少，模型简单，可方便更新计算结果，具有实时性。3、现有技术中的锂动力电池安全性的研究主要研究出厂时的安全性，对电池安全性评估都是以电池出厂时的安全指标为主要参考条件，对于电池在工况下的循环使用条件下的安全性相对较少，而电池在工况实际运行中，存在老化、衰退的情况，大量实践和研究证明，电池的安全性随着循环使用逐渐下降。随着电池soh的下降，电池对电气滥用的忍受程度也逐渐下降；电压安全边界和温度安全边界能够定量体现电池在循环使用中电池因老化、衰退造成的安全性的变化，这样估算的电池sos更满足工况条件，本发明使用电压安全边界变量和温度安全边界变量参与估算电池安全度，实现电池安全都的精确实时估算。4、本发明采用svr确定电池电压安全边界和电池温度安全边界，svr具有小样本、高纬度计算的有点，运算速度快、不会陷入“维数灾难”、占用系统内存小的优点，实现电池安全度的实时精确估算。5、本发明适用于各种电池的安全度估算，适用性广且硬件电路易实现。附图说明图1为本发明具体实施例的电池安全度估算装置的原理框图；图2为本发明具体实施例的电池安全度估算方法流程图；图3为本发明中1c倍率下进行燃爆实验，bu随soh变化图；图4为本发明中1c倍率下进行燃爆实验，bt随soh变化图；图5为本发明具体实施例的电池安全度、电池电压和电池温度等高线图；图6为标准电压附近的安全度等高线图；具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。现有技术中与电池安全相关的研究主要围绕故障诊断技术展开，这些方法针对于在电池发生故障后对电池出现故障的原因进行诊断，根据诊断结果对电池进行改进，该种方法实质上并不能预防电池故障的发生，但在电池使用过程中，电池的故障行为是一个逐渐变化的过程，很多情况下再电池故障行为并未明显表现出来时电池便已将达到燃烧爆炸这种极端时效情况，会对人员和财产造成很大损失，本实施例提供了一种基于电压安全边界和温度安全边界的锂电池安全度估算装置，在实际应用过程中，所述电池为单体电池或电池串并联组成的电池包。并且，所述电池为铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池或化学电源，本实施例的所述电池采用3.7v/1250mah三元材料18650型锂离子电池，所述估算装置如图1所示，包括：温度采集单元200，用以实时采集电池温度数据，本实施例的温度采集单元为采用温度传感器max6613；电压采集单元300，用以实时采集电池电压数据，本实施例的电压采集单元为采样芯片ltc6802；电池作为一种电化学体系，当电池工作状态不同时，电池内部电化学反应不同，现有技术中会采用一些技术指标作为衡量电池性能优劣的主要参数，通常包括电池容量、能量密度、充放电倍率、电压寿命、内阻、自放电、工作温度，但在电池工作过程中，电池温度和电压最能直观的反映出此时的电池状态，这两个指标的变化可以在很大程度上反应电池的反应异常程度，并且这两个指标数据采集手段也更为成熟，因此，本申请利用温度采集单元和电压采集单元分别采集电池的温度信息和电压信息，用以后续的电池安全度计算。通讯单元400，将所述电压采集单元采集的电池电压和所述温度采集单元采集的电池温度送至控制单元中，本实施例的通讯单元采用pca82c250标准外接电路；控制单元500，对所述电池电压和电池温度分别进行预处理得到电池电压采集值和电池温度采集值以及svr运算得到c、soh与bu、bt的回归关系，用以计算得到电池安全度数值，实际应用中，所述控制单元500可以根据实际需要采用现有模块搭载本实施例的电池健康度计算程序，用以实现电池健康度的计算，本实施例的用于锂动力电池的健康度计算，所以本实施例的控制单元500采用国产evbcm-8133电池管理主控模块，所述国产evbcm-8133电池管理主控模块与通讯单元400采用can总线通讯方式建立通讯连接；在实际应用中，所述控制单元可以是msp430单片机、51单片机、dsp、tms单片机、stm32单片机、pic单片机、avr单片机、stc单片机、freescale系列单片机等控制电池充放电源的充放电，所述单片机可以通过串口或总线的方式与充放电源连接。显示单元600，用以显示电池安全度信息、电压、电流、报警信号、放电时间、容量和安全度预警信息等信息，本实施例采用车载模拟负载lb-42kw-230vdc，所述显示单元可以是台式机、笔记本电脑、led液晶显示屏及um12864液晶显示屏等，所述显示单元600与控制单元可以选择rs232、rs485、rs422串行通讯接口或以太网传输或者can总线传输。如图1所示，温度采集单元200和电压采集单元300分别连接电池100，所述温度采集单元200和电压采集单元300的输出端通过通讯单元400接入控制单元400中，控制单元400将估算得到的安全度信息送至显示单元600中予以显示电池的健康数值。所述控制单元400建立了安全度对照表，所述安全度对照表由若干安全区间构成，安全区间对应当前时刻的电池安全情况。电池的安全性指电池在使用过程中不燃烧、不爆炸、不产生有毒有害气体、不会对使用者造成伤害，定量地描述其在使用过程中的安全程度称为电池安全度。本实施例所述控制单元500用以计算得到所述电池安全度数值，但在实际应用过程成，为了让使用者更为直观和明确的使用安全度，所述控制单元500中设有判断单元，将得到的安全度数值与所述安全区间匹配，得到当前时刻的电池安全情况，当估算的安全度数值满足所述安全度区间时，提供不同的预警信息，判断单元判断电池当前安全度所属的安全度区间，进而判断此时的电池状态，并通过显示单元600以百分制方式显示当前电池的安全度数值以及相应的电池预警信息。本实施例的分段如下：表1电池安全阶段、安全度范围及预警信息。安全阶段安全度数值范围显示预警信息10-20电池达到严重危险程度220-40电池达到危险程度340-60电池存在潜在危险460-80电池状态一般580-100电池状态良好本实施例所述安全度分段方法通过对电池的大量实验以及电池的基本参数进行划分，本实施例中的电池安全度数值为百分制形式，所述电池安全度数值分为若干区间，当电池的安全度数值位于[80,100]区间内时，表明此时电池的状体良好，可以继续使用，当电池的安全度数值位于[60,80区间内时，表明此时电池状态一般，需要使用者稍加留意，当电池的安全度数值位于[40，60)区间内时，表明此时电池存在潜在危险，在使用过程中需要使用者多加注意，当电池的安全度数值位于[20，40)区间内时，此时电池已经达到危险程度，此时应停止使用并将更换电池，当电池的安全度数值位于[0,20)区间内时，表面电池达到严重危险程度，表明已经出现燃烧爆炸情况或极易引起燃烧和爆炸，此时应根据实际需要采取紧急处理方式将电池拆卸并妥善转移。本实施例所述的一种基于电压安全边界和温度安全边界的锂电池安全度估算方法具体包括如下步骤：s1、确定电池的电压安全边界bu和电池的温度安全边界bt；s11、获取电压安全边界bu；s111、收集在不同电流倍率下、soh属于[1％，100％]的电压边界样本，并将所述样本分为训练集和测试集；本实施例在电流倍率分别为1c、2c、3c的情况下进行电池燃爆实验，上述每种电流倍率下，在电池soh属于[1％,100％]内，每隔1％的soh进行恒流充电直至电池燃烧、爆炸或出现有毒气体为止，记录此时的电压为该soh下的电压安全边界bu，进而获取电池倍率为1c、2c、3c情况下，且soh属于[1％,100％]内每隔1％下的电压安全边界bu的数据样本。每个电流倍率下的燃爆实验共100个样本数据，选择其中80个数据为训练集，其余20个为测试集；s112、利用支持向量回归(svr)计算得到回归方程如下：其中f(x)为通过所述回归方程估算的电压安全边界bu的数值，为向量系数，xi为电池soh及电流倍率c样本的支持向量，b为回归方程参数，k(x,xi)为核函数，具体为：其中λ为核参数；s113、将所述电压安全边界bu的数值、倍率c、电池健康度soh的训练集输入所述回归方程中进行训练，建立电池健康度soh、电流倍率c与电压安全边界bu的回归关系。s12、获取温度安全边界bt；s121、收集在不同电流倍率下、soh属于[1％，100％]的温度边界样本，并将所述样本分为训练集和测试集；在电流倍率为1c、2c、3c的情况下进行电池燃爆实验。上述每种电流倍率下，在电池soh属于[1％,100％]内，每隔1％soh进行恒流充电直至电池燃烧、爆炸或出现有毒气体为止，记录此时的温度为该soh下的温度安全边界bt，即可获取电池倍率为1c、2c、3c且soh属于[1％,100％]内每隔1％下的温度安全边界bt的数据样本。每个倍率下的燃爆实验共100个样本数据，其中80个数据为样本训练集，20个为测试集；s122、利用svr计算得到回归方程为：式中，f(y)为通过所述回归方程估算的温度边界bt的数值，为向量系数，y为电池soh及电流倍率c样本的支持向量，c为回归方程参数，k(y,yi)为核函数；本实施例所述核函数k(y,yi)为多项式核函数，具体为：其中为λ核参数。s123、将所述温度安全边界bt的数值、倍率c、电池健康度soh的训练集输入所述回归方程中进行训练，建立电池健康度soh、电流倍率c与温度安全边界bt的回归关系。s2、实时采集电池电压和电池温度；本实施例的温度采集单元200和电压采集安远300对电池信息的采集频率为10ms/次，控制单元500通过通讯单元400接收采集到的原始电池电压信息{u1，u2…ul…}和原始电池温度信息{t1,t2…tl…}；s3、通过滤波得到较为准确的实时电压和温度数据，所述滤波方法可以是算术平均值滤波、滑动平均滤波法和中位值平均滤波法以及各种基于数字信号的滤波方法，本实施例的滤波方法为：设定固定时间间隔为100ms，将在固定时间间隔100ms内采集的电池电压最大值和电池电压最小值去除，将剩余电池电压数据取平均值作为电池电压采集值{u1，u2…ui,…}，并进行记录；将在固定时间间隔内采集的电池温度最大值和电池温度最小值去除，将剩余电池温度数据取平均值作为电池温度采集值{t1，t2…ti,…}，并进行记录。s4、所述电池电压采集值与标准工作电压us进行比较，结合电压安全边界bu得到电池的电压安全系数su：式中，us为标准工作电压，ui为第i个时间间隔得到的电池电压采集值，bu为电压安全边界，为电池在当前soh状态下的电压安全边界数值。电压安全系数表征了动力电池当前处于的工作状态，在电池正常工作状态下最小值为0，该数值越接近0证明电池工作状态越异常。s5、所述电池温度采集值与标准工作温度进行比较，结合温度安全边界获得温度的安全系数得到电池的温度安全系数st；式中，ts为标准工作温度，ti为第i个时间间隔得到的电池温度采集值，bt为电压安全边界，为电池在当前soh状态下的温度安全边界数值。电压安全系数表征了动力电池当前处于的工作状态，在电池正常工作状态下最小值为0，该数值越接近0证明电池工作状态越异常。电池的电压安全系数与温度安全系数任何一个数值过低时，电池的工作状态都很危险，因此采用增加权重变量，增加电压安全系数与温度安全系数在过低时对电池安全度的影响力。根据电压安全系数与温度安全系数，与零接近的程度，本实施例利用主成分分析法获得当前电池电压安全系数与温度安全系数与当前电池安全度的相关性。具体如步骤s6和步骤s7所示。s6、获取电池电压的权重系数ω1，具体包括如下步骤：s61、获取所述电池电压安全系数数据集合{su1，su2,…}的特征值fu和对应变量总方差d(u)；s62、通过得到电池电压方差的贡献率σu；s63、将电池电压方差的贡献率σu归一化后得到所述电池电压的权重系数ω1。s7、获取电池温度的权重系数ω2，具体包括如下步骤：s71、获取所述电池温度安全系统数据集合{st1，st2,…}的特征值ft和对应变量的总方差d(t)；s72、通过得到电池温度方差的贡献率σt；s73、将所述电池温度方差的贡献率σt归一化后得到所述电池电压的权重系数ω2。s8、根据ss＝ω1*su+ω2*st估算电池安全度，其中，ss为电池的安全度。在实际的应用中，针对不同的动力电池系统，应采用不同的标准电压和标准温度，同时根据不同的电池选取不同的电压和温度阈值，才能得出更有效的电池安全度。通过采用分析电池工况下电压、温度与标准值之间的差异，在电池理想工作状态下ss为一百分。因此，通过测试得到的动力电池安全度ss的值越趋近于一百，表征电池此时的安全性的越高；得到的动力电池安全度ss的值越低，表征在此条件下此动力电池模块的发生危险的可能性越高。在实际的应用中，针对不同的动力电池系统，应采用不同的标准电压和标准温度，同时根据不同的电池选取不同的电压和温度阈值，才能得出更有效的电池安全度。通过采用分析电池工况下电压、温度与标准值之间的差异，在电池理想工作状态下ss为一百分。因此，通过测试得到的动力电池安全度ss的值越趋近于一百，表征电池此时的安全性的越高；得到的动力电池安全度ss的值越低，表征在此条件下此动力电池模块的发生危险的可能性越高。s9、判断电池当前安全度所属的数值，进而判断此时的电池状态，并通过显示单元600以百分制方式显示当前电池的安全度数值以及相应的电池预警信息；本实施例的电池安全度估算结果绘制的等高线如图5和图6所示，图5中，横坐标为电池电压，纵坐标为电池温度，在不同的电压和温度下的安全度以等高线图的形式表现在图中，其中，图6为标准电压附近的等高线图，由图可见，本实施例的电池安全度估算装置和方法能够对电池安全度进行准确的估算，并且估算精度高，实时性强。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属
技术领域：
中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。当前第1页12