一种基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估方法及装置与流程

本发明涉及电池安全度评估领域，特别是涉及一种基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估方法及装置。

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。

电动汽车在中国正处于快速发展新阶段，电动汽车的发展带动了动力电池产业的发展。然而，近几年电池自燃、爆炸等事故频发，人们越来越关注新能源汽车电池系统的安全性。一旦电池达到了某种临界条件，例如过电压，过温度，低寿命，如不及时采取相应的安全防范措施，电池热失控势必导致安全性事故。如何做到实时准确的对电池安全性的量化估算，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，本发明根据锂离子动力电池在使用过程中发生关键故障的概率，提供了一种基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估方法。

一种基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估方法，包括以下步骤：

确定电池安全状态变化原因的时间序列，确定电池历史正常状态的时间序列；

计算待测电池安全状态变化原因的关联维数和电池正常状态的关联维数，进而得到所述电池安全状态变化时关联维数的时间曲线和电池正常状态时关联维数的时间曲线；

将所述电池安全状态变化时关联维数的时间曲线和电池正常状态时关联维数的时间曲线对比，得到电池安全状态变化原因的曲线偏离度；

根据所述电池安全状态变化原因的曲线偏离度，通过加权运算得到电池安全度；

输出电池的安全度数值和在该安全度数值下的电池安全状态原因。

进一步的，所述电池安全状态变化原因包括电池电压异常、电池电流异常和电池表面温度异常，所述电压异常时间序列、电池电流异常时间序列和电池表面温度异常时间序列分别定义为电压异常父序列、电流异常父序列和表面温度异常父序列。

进一步的，所述电池电压异常、电池电流异常和电池表面温度异常的原因包括针刺挤压重物冲击、压力过大、电解液泄漏和荷电量异常，所述刺挤压重物冲击、压力过大、电解液泄漏和荷电量异常定义为子序列，所述子序列划分在所述父序列之下。

进一步的，所述电池安全状态变化原因的时间序列获取方法包括：

以等距间隔周期分别对电压异常父序列、电流异常父序列和表面温度异常父序列进行采样，获得时间序列{xu}、{xi}和{xt}；

利用延迟坐标法重构相空间，得到新的序列{yu}、{yi}和{yt}。

进一步的，所述电池安全状态变化原因的关联维数包括电压关联维数du、电流关联维数di和

温度关联维数dt；

所述电压关联维数du通过下式获得：

其中，c(ru)为新的电压异常父序列的关联积分，ru为新的电压异常父序列的相空间球半径；

所述电流关联维数di通过下式获得：

其中，c(ri)为新的电流异常父序列的关联积分，ri为新的电流异常父序列的相空间球半径；

所述温度关联维数dt通过下式获得：

其中，c(rt)为新的温度异常父序列的关联积分，rt为新的温度异常父序列的相空间球半径。

进一步的，所述新的电压异常父序列的关联积分c(ru)、新的电流异常父序列的关联积分c(ri)和新的温度异常父序列的关联积分c(rt)分别通过下式获取：

其中n为时间序列的长度。

进一步的，所述电池安全度sos为：

其中，x1、x2和x3分别为电压曲线偏离度、电流曲线偏离度和温度曲线偏离度，ω1、ω2和ω3分别为电压权重系数、电流权重系数和温度权重系数。

进一步的，所述基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估方法包括将安全度数值划分的步骤，建立安全度对照表，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；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。。

本发明第二方面提供一种基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估装置，包括：

估算模块，用以根据权利要求1-8任意权利要求所述的一种基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估方法估算电池当前状态的安全度；

显示模块，用以显示电池当前状态下的安全度信息。

进一步的，所述一种基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估装置包括区间匹配模块，用以建立安全度对照表，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；将估算模块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。

如上所述，本发明提供的一种基于关联维数模型的锂离子动力电池安全度评估方法，具有如下效果：

1、本发明实现了电池安全度的实时量化评估和输出，应用于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，为电池安全性判断提供了有效性指标。

2、本发明的正常状态下的关联积分和关联维数可以通过专家知识和电池管理系统中的数据得到，结合实际工况数据，不断地对所述电池正常状态和异常状态下关联积分和关联维数进行修正，增加评估可靠性。

3、本发明采用引起电池状态变化的最重要的因素的关联维数和安全偏离度算法，降低了估算误差。

4、本方法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，应用场合较多。

附图说明

图1为本发明具体实施例的锂离子动力电池安全度评估流程图；

图2为本发明具体实施例的父序列与子序列的划分示意图；

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。

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却非常接近燃烧爆炸这种极端情况，当电池出现燃烧或爆炸的情况时，其破坏力之大、作用迅速会对人员和财产造成很大损失，现有电池标准规定电池的安全性是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；

本实施例的一种基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估方法，所述电池安全度是指定量地描述其在使用过程中的安全程度称为电池安全度；具体如图1所示，包括以下步骤：

s1、确定电池安全状态变化原因的时间序列，确定电池历史正常状态的时间序列；

所述锂离子动力电池可以为三元材料锂离子电池、磷酸铁锂电池、钴酸锂电池，锂离子动力电池的形状可以是方形的、圆柱形、软包方形、塑壳方形。

本实施例所述的关联维数g-p算法的时间序列是基于非常规的故障原因导致电池重要参数值发生非常规变化提取出来的时间序列，其可分为可直接测量、间接测量、未知量三种序列。可直接测量序列主要包括针刺挤压重物冲击、电压过高、电流过大、压力过大、电解液泄漏、表面温度过高；间接测量序列主要包括荷电量、电池内阻过大；未知量则指除去上述原因后其他导致电池发生故障的因素，具体的电池安全度序列集如表1和图2所示。

表1电池安全度序列集

本实施例将电池电压异常、电池电流异常和电池表面温度异常作为电池安全状态变化内因，将电池安全度变化的原因归为父序列，即将电压异常时间序列、电池电流异常时间序列和电池表面温度异常时间序列分别定义为电压异常父序列、电流异常父序列和表面温度异常父序列，将电池受到内外部影响产生变化归为子序列，即将刺挤压重物冲击、压力过大、电解液泄漏和荷电量异常定义为子序列，所述子序列划分在所述父序列之下。

在实际安全度估算过程中，子序列并不是固定的，而是现有技术的相关方法结合历史数据进行更新与修正，所述更新和修正的方法可以直接通过数据关联统计完成，也可以采用现有的相关分类算法得以实现。

本实施例所述电池安全状态变化原因的时间序列获取方法包括：

s11、以等距间隔周期分别对电压异常父序列、异常父序列和表面温度异常父序列进行采样，获得时间序列{xu}、{xi}和{xt}；

s12、利用延迟坐标法重构相空间，得到新的序列{yu}、{yi}和{yt}。理论认为在无噪声无限长的一维时间序列重构时，可以取任意的延迟时间值，然而，实际上一般的时间序列都是含有噪声、长度有限，那么想要将相空间的特征量提取出来必须选择合适的值，时间延迟值选取方法有多种，本实施例利用自相关函数方法选择，将自相关函数的第一个零点作为延迟时间值。

s2、计算待测电池安全状态变化原因的关联维数和电池正常状态的关联维数，进而得到所述电池安全状态变化时关联维数的时间曲线和电池正常状态时关联维数的时间曲线；

所述电池正常状态下各序列关联维数的时间曲线根据电池管理系统中的历史数据，以及结合专家经验分析得到；所述待测电池安全状态变化原因的关联维数的获取方法包括：

s21、根据下列式子分别计算新的电压异常父序列的关联积分c(ru)、新的电流异常父序列的关联积分c(ri)和新的温度异常父序列的关联积分c(rt)：

其中，n为时间序列的长度。

s22、分别计算包括电压关联维数du、电流关联维数di和温度关联维数dt；

所述电压关联维数du通过下式获得：

其中，c(ru)为新的电压异常父序列的关联积分，ru为新的电压异常父序列的相空间球半径；

所述电流关联维数di通过下式获得：

其中，c(ri)为新的电流异常父序列的关联积分，ri为新的电流异常父序列的相空间球半径；

所述温度关联维数dt通过下式获得：

其中，c(rt)为新的温度异常父序列的关联积分，rt为新的温度异常父序列的相空间球半径。

s3、将所述电池安全状态变化时关联维数的时间曲线和电池正常状态时关联维数的时间曲线对比，得到电池安全状态变化原因的曲线偏离度；

将一段时间内计算得出的实时电压、电流、表面温度的关联维数拟合成函数曲线，与电池正常状态下电压、电流、表面温度的关联维数函数曲线相比较，根据函数曲线的重合以及接近的程度定义大小为0-1的偏离度，可利用函数曲线的斜率、偏差等参数来具体量化偏离度。0代表两类曲线完全重合，1则代表两类曲线完全不重合且没有共点，并且三大类父序列的偏离度各占故障原因的1/3，从而可利用加权相加的方式计算实时关联维数与正常状态下关联维数总偏离度。

将父序列电压，电流，表面温度的偏离度设置为x1、x2和x3，在电池管理系统中测出的最大值对应的父序列即为影响电池安全的主要因素，再追究到其下子序列的偏离度，即可具体得知电池安全的主要因素。

s4、根据所述电池安全状态变化原因的曲线偏离度，通过加权运算得到电池安全度；

所述电池安全度sos为：

其中，x1、x2和x3分别为电压曲线偏离度、电流曲线偏离度和温度曲线偏离度，ω1、ω2和ω3分别为电压权重系数、电流权重系数和温度权重系数，本实施例中三个参数同等重要的，所以，本实施例中的电压权重系数、电流权重系数和温度权重系数均为1，所述电压权重系数、电流权重系数和温度权重系数的大小有专家经验和电池管理系统的历史数据确定，可以随工况数据的不断迭代更新修正。

s5、输出电池的安全度数值和在该安全度数值下的电池安全状态原因。

在利用该专利原理评估动力电池安全度时，代入相关原因实时变化的关联维数，再进行电池安全度函数计算，当有多种故障因素同时存在时，也可通过偏离度的大小判断主要原因及次要原因，再利用主要因素突出法的加权计算方法，结合相关的专家经验，对各因素综合分析得到其造成的电池安全度降低的总体概率，根据再利用公式以及电池安全度的对应表的数据显示电池的安全状态，即可提示使用者电池目前的安全状态。

s6、建立安全度对照表，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；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。。

本实施例将电池安全度划分成5个区间，分别代表电池当前状态下的安全程度，具体如表2所示，表格中细化了不同安全等级下的安全度百分比。关联维数g-p算法的锂离子动力电池安全度评估方法，表中，第一列为电池的安全度数值；第二列为电池的安全程度，安全度越接近于1，代表电池越安全；安全度越接近于0，电池也就越大概率发生安全事故。

如表2所示，当电池的安全度数值位于[0.8,1]范围内时，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[0.6,0.8)范围内时，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[0.4，0.6)范围内时，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[0.2，0.4)范围内时，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[0,0.2)范围内时，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。

表2电池安全度对应表

本发明综合电池的各种常见故障原因发生的概率，通过关联维数g-p算法以及安全隶属度的计算，得到的一个电池安全状态的百分比，通过安全度，使用者可以及时的了解到锂离子动力电池的安全状态，及时做出自己的判断，减少并避免不必要的电池危害。

本实施例的一种基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估装置，包括：

估算模块，用以根据权利要求1-8任意权利要求所述的一种基于关联维数的锂离子动力电池安全度评估方法估算电池当前状态的安全度；

区间匹配模块，用以建立安全度对照表，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；将估算模块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。

显示模块，用以显示电池当前状态下的安全度信息；所示显示模块可以采用现有的显示装置予以实现。

所述估算模块和区间匹配模块可以集成在一种电子设备中，具体包括处理器和存储器，存储器中存储实施例中的电池安全度估算方法和区间匹配指令，处理器用以调用所述指令用以执行本发明实施例所述的电池安全度估算方法和区间匹配指令；所述估算模块和区间匹配模块可以分别为两种电子设备，两种电子设备分别包括处理器和存储器，估算模块的电子设备中的存储器中存储实施例中的电池安全度估算方法指令，处理器用以调用所述指令用以执行本发明实施例所述的电池安全度估算方法指令，区间匹配模块的电子设备中的存储器中存储实施例中的安全度区间匹配指令，处理器用以调用所述指令用以执行本发明实施例所述的安全度区间匹配指令。

上述的存储器中的指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中，即本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在实际应用中，所述处理器可以是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。

上述是对本发明实现流程做简要的一些说明，主要目的在于简单介绍清楚发明的应用涵义。其次，本发明的安全隶属度函数并不是固定不变的，它的提出方法还有很多，具体情况具体讨论。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。