一种锂离子电池单体热失控风险评价方法及装置与流程

1.本技术涉及储能液态锂离子电池应用技术领域，尤其涉及一种锂离子电池单体热失控风险评价方法及装置。


背景技术：

2.随着全球能源资源可预见的枯竭以及严峻的经济形势，世界对清洁能源的重视程度日益提升。同时，我国也提出了双碳政策以应对技术布局与产业化的需求。其中，储能技术是连接清洁能源供给侧与需求侧的桥梁，完善的储能技术是清洁能源产业化的关键要素。
3.锂离子电池储能是储能行业的主流的解决方案，占据了绝大部分市场份额。然而，受某些不可抗因素(如不可检测的制造缺陷)影响，锂离子电池一定概率上会出现热失控。为了避免热失控出现造成生命财产损失，需要电池管理系统拥有提前预测热失控的能力，以预警并避免热失控的发生。
4.目前，学界与行业内皆没有完善的方案来实现对热失控的早期预警。普遍采用基于统计理论方法或基于大数据的方法来评估电池的热失控风险。然而，电池在热失控早期会出现可以预见的变化。但这些方法与技术局限在电池输出信号，缺乏电化学机理的支撑，未能深入探究电池热失控早期的内部状态变化，不足以准确预测电池热失控风险。


技术实现要素：

5.本发明的目的是储能液态锂离子电池应用技术领域，提出一种锂离子电池单体热失控风险评价方法及装置。
6.本技术第一方面提出了一种锂离子电池单体热失控风险评价方法，其特征在于，包括：
7.获取预设时间段内电池工况数据，所述电池工况数据包含测量电压与负载电流，根据所述负载电流并基于电化学老化模型获取参考固体电解质界面sei膜电阻与输出电压；
8.根据所述输出电压与所述测量电压对电化学性能模型进行参数辨识，获取真实sei膜电阻；
9.根据所述参考sei膜电阻与所述真实sei膜电阻计算电池的热失控风险系数；
10.根据所述热失控风险系数评价电池安全风险等级。
11.可选的，所述获取参考sei膜电阻包括：
12.获取参考sei膜厚度δδ
sei
，公式化如下：
[0013][0014]
其中，为sei膜的摩尔体积，为老化过程的反应速率，公式化如下：
[0015]
[0016]
其中，i
0，side
表示老化过程交换电流密度，α
c，side
表示正极的锂离子传递系数，f为法拉第常数，r表示理想气体常数，t表示温度，η
side
为电池老化过程反应过电势，η
side
公式化如下：
[0017]
η
side
＝ηn+u
n-u
ref，side
，
[0018][0019]
其中φs为电极电势，φe为电解液液相电势，u
ref，side
为老化过程平衡电势，为参考sei膜电阻。
[0020]
根据所述参考sei膜厚度δδ
sei
获取所述参考sei膜电阻，公式化如下：
[0021][0022]
其中，r
sei，0
为sei膜电阻初始值，k
sei
为sei膜的电子电导率。
[0023]
可选的，根据所述输出电压与所述测量电压对电化学性能模型进行参数辨识，获取真实sei膜电阻包括：
[0024]
获取所述输出电压与真实sei膜电阻的表达式，公式化如下：
[0025][0026]
式中v为所述输出电压，u
p
，un分别为正负极开路电压，φe(l)，φe(0)分别为在正负极集流体位置的电解液电势，i为负载电流，a
s，n
为材料比表面积，ln为电极储能材料厚度，η
p
，ηn分别为正负极过电势。
[0027]
根据所述测量电压与所述输出电压获取误差函数，公式化如下：
[0028]ev
＝v
m-v
[0029]
其中，ev为用于参数辨识算法的电压误差，vm为所述测量电压，v为所述输出电压。
[0030]
根据所述表达式和所述误差函数辨识获取真实sei膜电阻。
[0031]
可选的，所述根据所述参考sei膜电阻与真实sei膜电阻计算电池的热失控风险系数，包括：
[0032][0033]
其中，δr
sei
为基于参数辨识得到的所述真实sei膜电阻的变化量，为基于电化学老化模型得到的所述参考sei膜电阻的变化量。
[0034]
可选的，所述根据所述热失控风险系数评价电池安全风险等级包括：
[0035]
若r
tr
小于第一阈值，评价电池安全风险等级为热失控一级告警；
[0036]
若r
tr
大于等于第一阈值且小于第二阈值，评价电池安全风险等级为热失控二级告警；
[0037]
若r
tr
大于等于第二阈值且小于第三阈值，评价电池安全风险等级为热失控三级告警；
[0038]
若r
tr
大于等于第三阈值且小于等于第四阈值，评价电池安全风险等级为正常等级；
[0039]
若r
tr
大于第三阈值，评价电池安全风险等级为热失控四级告警。
[0040]
本技术第二方面提出了一种锂离子电池单体热失控风险评价装置，其特征在于，包括：
[0041]
获取模块，用于获取预设时间段内电池工况数据，所述电池工况数据内包含测量电压与负载电流，根据所述负载电流并基于电化学老化模型获取参考固体电解质界面sei膜电阻与输出电压；
[0042]
辨识模块，用于根据所述输出电压与所述测量电压对电化学性能模型进行参数辨识，获取真实sei膜电阻；
[0043]
计算模块，用于根据所述参考sei膜电阻与真实sei膜电阻计算电池的热失控风险系数；
[0044]
评估模块，用于根据所述热失控风险系数评价电池安全风险等级。
[0045]
本技术第三方面，提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述第一方面中任一所述的方法。
[0046]
本技术第四方面，提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一所述的方法。
[0047]
本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
[0048]
基于电化学原理，计算电池无热失控风险时的参考sei膜电阻，接着基于工作数据，利用参数辨识得到真实sei膜电阻，并计算电池热失控风险系数评价电池安全状态，提高了热失控风险评价的准确性与可靠性，且易量化。
[0049]
本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
[0050]
本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0051]
图1是根据本技术示例性实施例示出的一种锂离子电池单体热失控风险评价方法的流程图；
[0052]
图2是根据本技术示例性实施例示出的一种锂离子电池单体热失控风险评价方法的流程图；
[0053]
图3是根据本技术示例性实施例示出的一种锂离子电池单体热失控风险评价方法的流程图；
[0054]
图4是根据本技术示例性实施例示出的一种锂离子电池单体热失控风险评价装置的框图；
[0055]
图5是一种电子设备的框图。
具体实施方式
[0056]
下面详细描述本技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
[0057]
图1是根据本技术示例性实施例示出的一种锂离子电池单体热失控风险评价方法的流程图，如图1所示
[0058]
步骤101，获取预设时间段内电池工况数据，所述电池工况数据包含测量电压与负载电流，根据所述负载电流并基于电化学老化模型获取参考固体电解质界面sei膜电阻与输出电压。
[0059]
在液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体却是li+的优良导体，li+可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”。
[0060]
本实施例中，电化学老化模型可以量化sei膜的体积与电阻值，预设时间段根据当前时刻至前合理时间段的电池工作为准。
[0061]
一种可能的实施例中，取当前时刻前30分钟时间电池工况数据。
[0062]
步骤102，根据所述输出电压与所述测量电压对电化学性能模型进行参数辨识，获取真实sei膜电阻。
[0063]
本实施例中，将输出电压与测量电压作为模型惩罚函数来辨识获取真实sei电阻。
[0064]
步骤103，根据所述参考sei膜电阻与所述真实sei膜电阻计算电池的热失控风险系数；公式化如下：
[0065][0066]
其中，δr
sei
为基于参数辨识得到的所述真实sei膜电阻的变化量，为基于电化学老化模型得到的所述参考sei膜电阻的变化量。
[0067]
步骤104，根据所述热失控风险系数评价电池安全风险等级。
[0068]
本实施例中，根据r
tr
与预先规定的阈值对比来评价电池安全风险等级。
[0069]
若r
tr
小于第一阈值，评价电池安全风险等级为热失控一级告警；
[0070]
若r
tr
大于等于第一阈值且小于第二阈值，评价电池安全风险等级为热失控二级告警；
[0071]
若r
tr
大于等于第二阈值且小于第三阈值，评价电池安全风险等级为热失控三级告警；
[0072]
若r
tr
大于等于第三阈值且小于等于第四阈值，评价电池安全风险等级为正常等级；
[0073]
若r
tr
大于第三阈值，评价电池安全风险等级为热失控四级告警。
[0074]
一种可能的实施例中，第一阈值取-1、第二阈值取0、第三阈值取0.5、第四阈值取2。
[0075]
本技术实施例中，基于电化学原理，计算电池无热失控风险时的参考sei膜电阻，接着基于工作数据，利用参数辨识得到真实sei膜电阻，并计算电池热失控风险系数评价电池安全状态，提高了热失控风险评价的准确性与可靠性。
[0076]
图2是根据本技术示例性实施例示出的一种锂离子电池单体热失控风险评价方法的流程图，如图2所示，步骤101还包括：
[0077]
步骤201，获取参考sei膜厚度δδ
sei
，公式化如下：
[0078][0079]
其中，为sei膜的摩尔体积，为老化过程的反应速率，公式化如下：
[0080][0081]
其中，i
0，side
表示老化过程交换电流密度，α
c，side
表示正极的锂离子传递系数，f为法拉第常数，r表示理想气体常数，t表示温度，η
side
为电池老化过程反应过电势，η
side
公式化如下：
[0082]
η
side
＝ηn+u
n-u
ref，side
，
[0083][0084]
其中φs为电极电势，φe为电解液液相电势，u
ref，side
为老化过程平衡电势，为参考sei膜电阻。
[0085]
其中，α
c，side
的数值为0.5，f的数值为96487c/mol，r的数值为8.314j
·
mol-1
·
k-1。
[0086]
步骤202，根据所述参考sei膜厚度δδ
sei
获取所述参考sei膜电阻，公式化如下：
[0087][0088]
其中，r
sei，0
为sei膜电阻初始值，k
sei
为sei膜的电子电导率。
[0089]
本技术实施例中，根据电化学老化模型获取了参考sei膜厚度和参考sei膜电阻。
[0090]
图3是根据本技术示例性实施例示出的一种锂离子电池单体热失控风险评价方法的流程图，如图3所示，步骤102还包括：
[0091]
步骤301，获取所述输出电压与真实sei膜电阻的表达式，公式化如下：
[0092][0093]
式中v为所述输出电压，u
p
，un分别为正负极开路电压，φe(l)，φe(0)分别为在正负极集流体位置的电解液电势，i为负载电流，a
s，n
为材料比表面积，ln为电极储能材料厚度，η
p
，ηn分别为正负极过电势。
[0094]
步骤302，根据所述测量电压与所述输出电压获取误差函数，公式化如下：
[0095]ev
＝v
m-v
[0096]
其中，ev为用于参数辨识算法的电压误差，vm为所述测量电压，v为所述输出电压。
[0097]
根据所述表达式和所述误差函数辨识获取真实sei膜电阻。
[0098]
本实施例中，通过遗传算法来实时辨识真实sei膜电阻，辨识可以得到的参数有：正负极开路电压：“u
p
，u
n”，正负极集流体位置的电解液电势φe(l)-φe(0)，正负极过电势：“η
p
,η
n”，以及真实sei膜电阻值r
sei
。
[0099]
本技术实施例中，根据电化学性能模型以及测量电压，辨识获取真实sei膜电阻，以获取电池内部真实物理状态。
[0100]
图4是根据本技术示例性实施例示出的一种锂离子电池单体热失控风险评价装置的框图，包括：
[0101]
获取模块410，用于获取预设时间段内电池工况数据，所述电池工况数据内包含测量电压与负载电流，根据所述负载电流并基于电化学老化模型获取参考固体电解质界面sei膜电阻与输出电压；
[0102]
辨识模块420，用于根据所述输出电压与所述测量电压对电化学性能模型进行参数辨识，获取真实sei膜电阻；
[0103]
计算模块430，用于根据所述参考sei膜电阻与真实sei膜电阻计算电池的热失控风险系数；
[0104]
评估模块440，用于根据所述热失控风险系数评价电池安全风险等级。
[0105]
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
[0106]
图5示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备300的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
[0107]
如图5所示，设备500包括计算单元501，其可以根据存储在只读存储器(rom)502中的计算机程序或者从存储单元508加载到随机访问存储器(ram)503中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在ram 503中，还可存储设备500操作所需的各种程序和数据。计算单元501、rom 502以及ram 503通过总线504彼此相连。输入/输出(i/o)接口505也连接至总线504。
[0108]
设备500中的多个部件连接至i/o接口505，包括：输入单元506，例如键盘、鼠标等；输出单元507，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元508，例如磁盘、光盘等；以及通信单元509，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元509允许设备500通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
[0109]
计算单元501可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元501的一些示例包括但不限于中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、各种专用的人工智能(ai)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(dsp)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元501执行上文所描述的各个方法和处理，例如语音指令响应方法。例如，在一些实施例中，语音指令响应方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元508。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom 502和/或通信单元509而被载入和/或安装到设备500上。当计算机程序加载到ram 503并由计算单元501执行时，可以执行上文描述的语音指令响应方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元501可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行语音指令响应方法。
[0110]
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、负载可编程逻辑设备(cpld)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算
机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
[0111]
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
[0112]
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0113]
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，crt(阴极射线管)或者lcd(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
[0114]
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(lan)、广域网(wan)、互联网和区块链网络。
[0115]
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与vps服务("virtual private server"，或简称"vps")中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
[0116]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0117]
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。