基于H2浓度的锂离子电池热失控早期预警方法及系统

本发明属于锂离子电池安全技术领域，特别是涉及基于h2浓度的锂离子电池热失控早期预警方法及系统。

背景技术：

随着锂离子电池的不断推广和应用，锂离子电池的安全问题凸显出来。热失控故障是锂离子电池最严重的故障，也是所有故障的最终体现形式。由于锂离子电池在受到过热、短路、挤压或过度充放电等滥用时，会在热行为、电化学行为上表现出一系列副反应，这些副反应的产热会引起电池温度升高，温度升高进而引起一系列变化，这些变化会促进温度继续升高，最终导致破坏性的后果，这种行为被称为热失控。

锂离子电池因其自身和外部条件导致热失控并最终燃烧的整个过程，都伴随着可燃气体缓慢释放、泄压、电解液和反应气体释放、快速分解产生烟雾、高热至火焰的产生。电池系统一般处于稳态的电池包环境，相对正常稳态环境，其采集的上述数据呈现稳态变化特性，而一旦热失控产生，势必引起气象、烟雾、温度和光敏传感器的数据异常变化。因此，设计出适用于锂离子电池热失控故障的诊断方法尤为重要。研究表明，锂离子电池热失控前会析出h2，但是目前尚缺少具体利用h2实现热失控的早期预警方法。因此，能否利用h2气体对锂离子电池的热失控故障进行预警成为亟需解决问题。

目前针对利用气体信号实现热失控故障预警的研究相对匮乏。王春力,贡丽妙,亢平,等人在2018年发表于《储能科学与技术》期刊的《锂离子电池储能电站早期预警系统研究》中指出，锂离子电池会析出co和h2，但并未提出具体的热失控预警方法。当前，利用h2进行锂离子电池机械滥用故障诊断的研究尚处于空白。鉴于此，利用h2气体信号进一步设计出可靠性高、原理简单、容易实现和推广的热失控预警方法仍是锂离子电池安全保障的重要工作。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种锂离子电池热失控早期预警方法的模拟平台，包括上位机、h2气体监测系统，锂离子电池、温控箱以及can总线。

本发明采用如下的技术方案：

基于h2浓度的锂离子电池热失控早期预警方法包括以下步骤：

步骤1：设置h2浓度的阈值s1、时间间隔△t和采样频率f，并通过对实验锂离子电池的高温故障模拟对h2气体浓度阈值s2、h2气体浓度变化率的阈值k进行设置；

步骤2：使用h2气体监测系统对待检测锂离子电池释放的h2气体浓度值ck进行检测；当h2气体浓度值ck满足连续b+1个采样点均大于阈值s1，即[ck,ck+1...,ck+b]＞s1时，进入步骤3，否则重复步骤2；

步骤3：计算时间间隔△t内h2气体的总浓度值s和变化率k；

步骤4：比较步骤3中h2气体总浓度值s和浓度变化率k与相应阈值s2和k的关系；如果s>s2且k>k，则发出故障信号，否则返回步骤2继续监测。

步骤1包括以下内容：

步骤101：先以3a恒电流、0.5c放电倍率对锂离子电池进行充电，直至电压达到3.65v；

步骤102：以恒电压即3.65v对该锂离子电池进行充电，直到锂离子电池的截止电流低于n3且其放电倍率小于n4；

步骤103：将锂离子电池静置1小时以上；

步骤104：将电池放入温控箱，初始温度的设置为n1摄氏度，然后以n2摄氏度每分钟的速率升温至150摄氏度，并保持1h；

步骤105：将h2气体监测系统插入温控箱内对h2气体情况进行监测；当h2气体浓度值ck满足连续b+1个采样点均大于阈值s1，即[ck,ck+1...,ck+b]＞s1时，进入步骤106，否则重复步骤105；

步骤106：计算h2气体浓度在△t内的气体浓度变化率kdc；

步骤107：重复步骤101-106，对dc个相同型号的锂离子电池进行针刺模拟并计算它们的气体浓度变化率，取小于所有锂离子电池气体浓度变化率的最大正整数为h2气体浓度变化率阈值k，所有电池从第ck+b个浓度值起△t内所产生的总h2气体浓度的平均值为h2浓度阈值s2。

步骤102中的n3为60ma，n4为0.01c。

步骤104中的n1的取值范围为[20,30],优选25；n2的取值范围为[5,10]，优选5。

h2浓度阈值s1取为0ppm，浓度阈值s2取为50ppm，h2气体浓度变化率阈值k取为7ppm/s，△t取为1s和采样频率f取为10hz。

在步骤2中，b的值为2。

在步骤3中，通过以下公式计算h2气体的总浓度值s和浓度值变化率k：

其中，n为△t内的采样点数，计算方法为：

n＝△t×f

ck+n+b为ck+b后第n个h2气体浓度值。

本发明还公开了一种基于h2浓度的锂离子电池热失控早期预警方法的锂离子电池热失控早期预警系统，包括上位机、温控箱、h2气体监测系统、锂离子电池、can总线，其特征在于：

锂离子电池放置于温控箱内；

温控箱用于触发热失控故障，通过can总线与上位机相连，并利用预留气管与h2气体监测系统相连；

h2气体传感器用于实时监测h2气体的浓度值，并通过can总线与上位机相连；

上位机用于气体浓度值的存储和处理，同时显示本发明方法的预警判定结果。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，原理简单，可靠性好，易于推广，能够可靠地在线预警锂离子电池的热失控故障，为热失控故障的防护和进一步干预提供良好基础，能够有效地避免因热失控故障导致的重大安全事故。

附图说明

图1是锂离子电池热失控故障早期预警系统图；

图2是锂离子电池热失控故障诊断方法的流程框图；

图3是锂离子电池电压变化图；

图4是热失控触过程中h2气体浓度值变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

图1示出本发明所提供的用于执行上述锂离子电池失控故障早期预警系统图，包括上位机、温控箱、h2气体监测系统、锂离子电池、can总线。

其中，锂离子电池放置于温控箱内；温控箱用于触发热失控故障，并通过can总线与上位机相连，并利用预留气管与h2气体监测系统相连；h2气体传感器用于实时监测h2气体的浓度值，并通过can总线与上位机相连；上位机用于气体浓度值的存储和处理，同时显示本发明方法的预警判定结果。

本发明的锂离子电池热失控故障诊断方法的流程框图如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：设置h2浓度的阈值s1、时间间隔△t和采样频率f，并通过对实验锂离子电池的高温故障模拟对h2气体浓度阈值s2、h2气体浓度变化率的阈值k进行设置；

在本实施例中，因h2不是大气中的固有气体，所以s1取0ppm，意味着一旦有h2，即代表电池就出现问题；采集时间间隔△t取为1s和采样频率f取为10hz。本领域的技术人员可以根据实际情况对这三个参数进行设置，s1取值越大、时间间隔越长、频率越低则准确率越低。

对锂离子电池进行高温故障模拟包括以下步骤：

步骤101：先以3a恒电流、0.5c放电倍率对锂离子电池进行充电，直至锂离子电池的电压达到3.65v；

步骤102：以恒电压即3.65v对该锂离子电池进行充电，直到锂离子电池的截止电流低于n3且其放电倍率小于n4；

在本实施例中，n3为60ma，n4为0.01c

步骤103：将锂离子电池静置1小时以上；

步骤104：将电池放入温控箱，初始温度的设置为n1摄氏度，然后以n2摄氏度每分钟的速率升温至150摄氏度，并保持1h。其中，n1的取值范围为[20,30],在本实施例中取25；n2的取值范围为[5,10],在本实施例中取5；

步骤105：将h2气体监测系统插入温控箱内对h2气体情况进行监测；当h2气体浓度值ck满足连续b+1个采样点均大于阈值s1，即[ck,ck+1...,ck+b]＞s1时，进入步骤106，否则重复步骤105；

步骤106：计算h2气体浓度在△t内的气体浓度变化率kdc；

其中,ck+n+b为ck+b后第n个h2气体浓度值，n＝△t×f；

步骤107：重复步骤101-106，对dc个相同型号的锂离子电池进行针刺模拟并计算它们的气体浓度变化率，取小于所有锂离子电池气体浓度变化率的最大正整数为h2气体浓度变化率阈值k，所有电池从第ck+b个浓度值起△t内所产生的总h2气体浓度的平均值为h2浓度阈值s2。

dc的取值应大于50。在本实施例中，dc为50。

h2浓度阈值s2的计算方法为：

表示第j个相同型号的锂离子电池从第第ck+b个浓度值起△t内所产生的总h2气体浓度。

本实施例中，s2取50ppm，k取7ppm/s。

步骤2：使用h2气体监测系统对待检测锂离子电池释放的h2气体浓度值ck进行检测；当h2气体浓度值ck满足连续b+1个采样点均大于阈值s1，即[ck,ck+1...,ck+b]＞s1时，进入步骤3，否则重复步骤2；

假定0s时开始加热，故障持续时间3600s，图3示出锂离子电池的电压变化趋势。锂离子电池正负极短路是其热失控的重要标志，而正负极短路体现在电压下降为0，因此将电压的下降为0对应的时间视为热失控的发生时间，故在本实施例中，约在1830s时发生热失控。图4是h2浓度值变化趋势图，由图4可见，h2析出时间在547s，当h2气体浓度值ck满足连续b+1个采样点均大于阈值s1＝0ppm的条件，即满足以下公式时，进入步骤3：

[ck,ck+1...,ck+b]＞s1

其中，k代表浓度值的采样序号，ck,ck+1...,ck+b表示连续b+1点的h2气体浓度值。在本实施例中，b的值取2。

步骤3：计算时间间隔△t内h2气体的总浓度值s和变化率k。

通过以下公式计算所采样点数总个数n的值：

n＝△t×f

在本实施例中n＝10，根据n的值，通过以下公式计算h2气体的总浓度值s：

通过以下公式计算h2气体浓度变化率k:

其中，ck+n+b为ck+b后第n个h2气体浓度值。

在本实施例中，在1000s左右时，s超过50ppm；在1434s左右时，k大于7ppm/s。

步骤4：比较步骤3中h2气体总浓度值和浓度的变化率与相应阈值s2和k的关系。在1434s时，s大于50ppm且k大于7ppm/s，即满足以下公式：

(s>s2)且(k>k)

判定锂离子电池将发生热失控故障，随即发出预警信号，否则返回步骤2。

传统方法多利用电压越过2v的电压下限进行热失控故障判断，由图3可知1830s时传统方法才能反应热失控，而本文1434s就能预警热失控，足足提前了近400s，因此所提方法的预警效果更好。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。