一种锂离子电池老化热失控风险预测的方法

本发明涉及电池检测技术，具体涉及一种锂离子电池老化热失控风险预测的方法。

背景技术：

1、近年来，新能源汽车起火燃烧的热失控事故屡见报道，既危及消费者的生命财产安全，又影响了大众对电动汽车的信任与接受度，给新能源汽车市场的后续推进造成严重阻碍。热失控由许多条件触发，如热、电和机械滥用条件。电池模块中单个电池热失控引发的高温，会触发相邻电池发生热失控，导致热失控传播，热失控的传播会导致整个锂离子电池系统和周围环境发生热失控，导致灾难性火灾或者爆炸，而且火灾发生时间短，危害大，带来不可估量的损失。

2、目前，通过检测已经发生热失控时动力电池的体积变化，来判断电池是否发生了热失控是常用技术手段，而上述方法是基于热失控已经发生的情况下。无法对热失控进行预测。因此，在热失控发生之前，对其进行准确预测具有重要意义。

3、现有技术“冯能莲；董士康；丰收；李德壮.一种预防锂离子电池热失控的方法[p].北京：cn201910419129.9,2019-08-09”涉及一种预防锂离子电池热失控的方法，电池管理系统通过数据采集装置对锂离子电池的各个参数温度、温升速率、电压、内阻、电池容量进行检测，并进行数据采集，对得到的数据在处理器中进行处理分析，对当前电池是否将要触发热失控做出判断。若得出电池将要触发热失控，则开启电池管理系统中的冷却装置对电池进行冷却。若出现紧急突发状况，直接预警并切断电源。其实施例主要提供如下技术方案：

4、第一是检测电池的温度，当电池温度超过60℃时，即超过了电池的正常工作温度，电池开始进入高温工作状态，需要对电池进行冷却以防止电池的温度继续升高。当电池的温度超过90℃时，判定电池内部的sei膜开始高温分解，内部自产热开始，此时需要对电池降温冷却，直至电池温度恢复到正常工作温度50℃以内。

5、第二是检测电池的温升速率，当温升速率超过10℃/min时，判定电池内产热开始，此时需要对电池的降温冷却。

6、第三是检测电池电压，高温条件下，电池的负极电压升高，正极电压降低，整体电压降低，电池电压超过0.5v/s，判定电池内部出现分解反应，此时需要对电池进行冷却。若电池电压发生突降，低于放电截止电压，则电池可能已发生短路。此时需要马上切断电源，并进行预警。

7、第四是检测电池内阻，一是若电池的内阻变化大于80％，则判定电池将要触发热失控，此时需要对电池进行冷却。二是检测电池的交流阻抗，锂离子电池的交流阻抗主要包含两部分：实数部分z’和虚数部分z”。阻抗的实数部分和虚数部分整合成为两部分：振幅z，以及z’和z”之间的夹角j，夹角j与温度相关性很大，电池温度变化50℃，夹角j变化可达到20°，因此监测夹角j的变化可以监测锂离子电池内部温度变化。当夹角j变化达到4°/min，即当温升速率超过10℃/min时，判定电池内部温升速率超过10℃/min，将要触发热失控，此时需要管理系统对电池进行冷却。

8、第五是检测电池的容量，在电池内部化学热反应开始之前，会发生一个高温容量衰减的过程，当容量发生衰减＞30％时，则判定电池将要触发热失控，此时需要对电池进行冷却。

9、以上条件作为独立条件或者逻辑组合条件，判定电池热失控的发生，可以实现电池热失控早期探索预警，步骤第一到第五均在现有技术中可查。

10、现有技术采集的数据过多，检测难度大，需要的机器多，成本过高，难以实现日常预防热失控的要求。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种锂离子电池老化热失控风险预测的方法，具体实施步骤如下：

2、第一步：利用简化的多层热模型，将电池分为多个热阻节点，通过能量守恒实现电池表面温度与内部温度的监测与估计；

3、采用简化的多层热模型，将电池三维网格化，每个网格均为大小相同的小立方体，共分为n个小立方体，假设每个小立方体的内部和表面温度相同；

4、每个热节点相当于一个小立方体，将每个热节点采用能量守恒方程联系起来，通过表面温度计算内部温度，公式如下：

5、

6、式中，rpx、rqy、rrz分别是沿x、y、z轴传导的每个小立方体的热阻，在相同方向上，每个小立方体的热阻相等，p∈[1,a],q∈[1,b],r∈[1,c]，a,b,c分别为沿x、y、z方向上小立方体的个数，t(i,j,k)为小立方体温度，下标i、j、k分别表示温度立方体在x、y、z方向上的位置；

7、一个对流表面的温度计算公式为:

8、

9、式中，rvy、tamp分别为y轴的对流热阻和环境温度，tamp通过测量获得；

10、相邻两个对流表面的温度计算公式为：

11、

12、式中，rvz为z轴的对流热阻；

13、相邻的三个对流表面的温度计算公式为：

14、

15、式中，rvx为x轴的对流热阻；

16、rvx、rvy、rvz数值通过测量获得；

17、采用扩展的集总参数模型和遗忘因子递推最小二乘法对沿x、y、z轴传导的热阻rx、ry、rz进行计算，

18、

19、锂离子电池的能量守恒方程为：

20、

21、式中，m为电池总质量，cp为电池比热容，tin为待求电池内部温度，i为电池电流，et为平衡电势的温度系数，h为电池对流换热系数，a为电池表面积，tsurf为电池表面温度，r为待估计电池热阻；

22、将式(7)离散化，得到式(8)：

23、mcp(tin(k)-tin(k-1))＝i(k)2r+i(k)tin(k)et-ha(tsurf(k)-tamp)  (8)

24、式中，tin(k)、i(k)、tin(k)、tsurf(k)、分别表示i、tin、tsurf离散化后的离散量，k表示离散参数；

25、含有遗忘因子的最小二乘法计算公式如下：

26、

27、式中，y(k)为观测量，θ(k)为待估计的参数，为已知的变量参数，k(k)为系数、p(k)为误差值，λ为遗忘因子；

28、将式(8)和式(9)联合，得到：

29、

30、式中，表示已知变量参数是由i(k)和i(k)tin(k)组成的矩阵，θ(k)＝[r,et]表示待估计参数θ(k)是由待估计参数r和et组成的矩阵；

31、依据公式(9-10)，通过递推方法求得tin(k)和r(k)，r(k)即为电池热阻r，tin(k)即为待求电池内部温度；

32、电池的表面温度tsurf在x、y、z三个方向上数值不同，该温度通过测量获得；在x、y、z三个方向上分别测得不同的表面温度tsurf之后，代入公式(7-10)，计算获得三个方向上热阻r的值rx、ry、rz；将rx、ry、rz代入公式(5)，获得rpx、rqy、rrz的数值；再将rpx、rqy、rrz代入公式(1-4)，获得小立方体温度t(i,j,k)；

33、取tin(k)＝max(t(i,j,k))作为电池内部温度，tin(k)随时间变化；

34、第二步：监测电池温度tin(k)；单次充放电后若低于80℃，则未达副反应温度，可正常运行，仅需冷却；

35、观测电池温度tin(k)；当电池单次充放电后，电池温度tin(k)低于80℃时，电池虽然处于高温状态，但未达到副反应发生温度，可以正常运行，此时对电池进行冷却即可；

36、第三步：电池温度tin(k)超过80℃时，引入风险指数评估，确保电池安全使用；

37、当电池温度tin(k)超过80℃时，计算风险指数β；定义“到达副反应阈值温度的快慢”无量纲量，作为风险指数的具体表征，计算公式为：

38、β＝tall/t80℃  (11)

39、式中，tall为电池单次放电的总时间；t80℃为电池单次放电过程中温度达到sei膜分解阈值温度80℃的时间；

40、记电池隔膜的熔点为tsep，在带有风险指数的温升曲线图上，根据tsep的到达时刻得到对应的临界风险指数βsep；记未考虑隔膜熔断时的热失控发生临界温度为tp，其对应的临界风险指数为βp，则

41、β＝min{βsep,βp}  (12)

42、取βsep与βp的最小值作为β的最终数值；得到电池的表面温度和环境温度后，计算电池的内部温度，得到电池的最高温度，通过电池不同的放电时间，计算测得不同的电池开始发生副反应的时间；

43、第四步：根据风险指数，对电池采取不同策略：80～120℃正常运行，对电池进行冷却处理；120～200℃时，对电池进行冷却处理，注意潜在热失控；超过200℃时，建议更换电池以防热失控；

44、当电池温度处于80～120℃时，风险指数β处于1～2之间，对电池进行冷却即可；当电池温度处于120～200℃时，风险指数处于2～3.2之间，此时电池发生正负极与电解液反应等副反应，风险指数较高，需要对电池进行冷却处理，同时注意可能发生热失控；当电池温度高于200℃，风险指数大于3.2，电池发生电解液分解副反应，电池温度上升很快，随时可能发生副反应，此时建议切断电源进行更换电池，避免热失控的发生。

45、在本发明的一个实施例中，rvx、rvy、rvz取值范围为10-15。

46、在本发明的另一个实施例中，λ取值范围为0.9～1。

47、在本发明的一个具体实施例中，λ取值为0.95。

48、在本发明的另一个具体实施例中，i(k)的初始值为0，tin(k)的初始值为环境温度，r(k)的初始值设为0.001，k(k)的初始值设为1，p(k)的初始值设为0.5。

49、本发明方法用于解决当前锂电池热失控预防需要软件模拟，实验测量，成本要求过高的问题。本发明旨在实现老化致电池热失控的预测防治无需再凭依软件的存在，满足日常使用过程中进行安全检查的便捷性需求。只需要检测单次充放电过程中电池的温度，推算风险指数β，即可分析电池的安全状况。本发明成本较低，效果较好。