一种柔性锂离子电池安全管理方法及系统与流程

本发明属于锂离子电池技术领域，特别是涉及一种柔性锂离子电池安全管理方法及系统。

背景技术：

锂离子电池是电动汽车和储能行业的关键储能与功率元器件，随着锂离子电池的大规模应用，其安全事故也层出不穷，业界对电池的安全管理需求也越来越高。安全性对整车能效、续航、安全甚至是乘客生命都有着重要的影响。

电池内部正、负极活性物质以及电解液等在滥用条件下甚至正常条件下均会发生化学反应，电池内电化学反应速率随温度升高而加剧，当反应异常进行时会导致电池温度升高，加剧内部反应，生产更过气体与热，电池内部气压升高，导致电池鼓包、温度升高，最终发生着火或爆炸。

现有的安全管理装置主要通过检测电池单体的电压、电流、温度等信号对电池进行检测和管理，缺少针对电池组电池温度和电池组电池应变的故障检测手段以及针对性的安全管理系统。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种柔性锂离子电池安全管理方法及系统，能够对锂离子电池组进行安全管理和故障报警并排除传感器误差的干扰，有助于提高软包型锂离子电池的安全和寿命。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种柔性锂离子电池安全管理方法，包括步骤：

s100，检测电池单体单侧表面的温度采集点，组成一个温度数组；检测电池单体表面的应变采集点，组成一个应变数组；

s200，获取同一时刻电池组中各电池单体表面的最高温度timax和最低温度timin，并设定电池组最高温度tmax和最低温度tmin；

s300，获取同一时刻电池组中各电池单体表面的最大应变βimax和最小应变βimin，并设定电池组的最大应变βmax、最小应变βmin、以及电池单体的原始厚度β；

s400，循环检测，根据实时电池单体表面最高温度、电池单体表面最大温差、电池组最高温度和电池组最大温差；根据电池单体表面最大应变、电池单体表面最大应变差、电池组最大应变和电池组最大应变差；经过故障检测算法得到故障结果并进行报警。

进一步的是，以电池单体中央为中心点布置一个温度传感器，在中心点与左右两侧中点处各布置一个温度传感器，在中心点与电池单体上端中点靠近正负极耳处分别布置一个温度传感器，在电池单体下端与正负极耳对称位置分别布置一个温度传感器；检测第i个电池单体单侧表面7个温度采集点，组成一个温度数组:[ti1,ti2,ti3,ti4,ti5,ti6,ti7],获取电池组工作时同一时刻第i个电池单体表面的最高温度timax和最低温度timin，设定电池组最高温度tmax和最低温度tmin；循环检测，根据实时电池单体表面最高温度、电池单体表面最大温差、电池组最高温度和电池组最大温差，经过故障检测算法得到温度故障结果；

以电池单体中央为中心点布置一个应变传感器，在电池单体的上下左右四端与中心点的中点处各布置一个应变传感器；检测第i个电池单体表面5个应变采集点，组成一个应变数组:[βi1,βi2,βi3,βi4,βi5],获得电池组工作时同一时刻第i个电池单体表面的最大应变βimax和最小应变βimin，并设定电池组的最大应变βmax、最小应变βmin、以及电池单体的原始厚度β；根据电池单体表面最大应变、电池单体表面最大应变差、电池组最大应变和电池组最大应变差，经过故障检测算法得到应变故障结果。

进一步的是，对整个电池组的温度和应变进行故障检测时，由电池监控器接收采集装置发送的电池组温度信号和应变信号，根据同一电池单体相邻两温度传感器温度和应变相近的原理，建立传感器故障检测模型；

判断第i个电池单体对应位置的温度和应变量是否异常的特征参数δtsi_和δβsi_，δtsi_＝|tsi-tsi+1|，δβsi_＝|βsi-βsi+1|；其中，tsi和βsi是第i个电池单体对应位置的表面温度和应变，tsi+1和δβsi+1是第i+1个电池单体对应位置的表面温度和应变；

计算各电池单体的δtsi-和δβsi_并分别由大到小依次排序构成温度和应变量序列；

定义四分位距xiqr＝xq3-xq1；其中，上四分位数xq3与下四分位数xq1分别是所述序列的第25％个值与第75％个值；

当采集装置实时采集的温度和应变量序列中出现采集点在xi>xq3+1.5xiqr或xi<xq1-1.5xiqr时视为故障值；结合基于信号的时间序列获取和预测与实际差值，获得电池组进行故障结果。

进一步的是，系统温度信号的时间序列获取方法为：

其中，tsi(kt)是当前采样周期测得的第i个电池单体的表面温度，tsi((k-1)t)是上一采样周期测得的第i个单体表面温度；

由于电池散热装置的作用及测量误差，会导致温度信号具有一定的波动性；通过计算时间区间内温度量时间导数的标准差消除误差波动；

温度量时间导数的消抖表示方式：

其中，dtsi((k-99)t)/dt,...,dtsi(kt)/dt分别是100个采样周期内的温度量时间导数，fluc(dtsi(kt)/dt)是导数的标准差。

进一步的是，电池监控器采用的预测温度与实际温度的差值获取方法为：

锂离子电池的温度取决于自身产热与对外界散热；由于正常状态下锂离子电池生热量和温度远小于热失控状态，因此根据锂离子电池对外界散热主要取决于热对流，基于上述分析建立热力学模型：

其中，m为锂离子电池单体的质量，c为锂离子电池单体的比热容，ti^p为第i个锂离子电池单体的温度预测值，qgen_i为第i个锂离子电池单体的总生热速率，qrad_i为第i个锂离子电池单体的总散热速率；

由锂离子电池newman模型得到锂离子电池的生热包括焦耳热、不可逆副反应生热和可逆熵变生热；其中，焦耳热与可逆熵变生热在电池的全寿命周期一直存在，不可逆的副反应生热为严重老化导致的自发生热；预测温度用于对电池的不正常状态进行判断时，焦耳热与可逆热之和定义为模型中的生热速率：

其中，i为第i个锂离子电池单体的电流，ei为开路电压，tsi为表面温度，是熵变因子；

电池的散热主要受对流传热作用：

qrad＝ha(tsi-tref)

其中，tsi为第i个单体的实际表面温度，tref为对流换热面的环境温度，a为对流换热面积即电池表面积，h是换热系数；

得到预测温度的线性微分方程：

得到离散化的预测温度递推表达式：

得到基于电池实际温度与预测温度差的故障信号：

进一步的是，在进行故障检测算法时，每次电池监控器开机时，进行一次传感器故障检测；在所述故障检测过程中，若检测到未发生传感器故障，则继续进行温度和应变信号采集；若检测到发送传感器故障，则发送故障信息并暂时将相邻的电池单体采集信号作为该电池单体的采集信号。

另一方面，本发明还提供了一种柔性锂离子电池安全管理系统，包括集成了温度传感器和应变传感器的柔性采集装置、电池监控器、电池组散热装置、电源和负载；所述柔性采集装置装配于电池组内各电池单体表面，采集各电池单体的温度和应变信号；所述电池监控器通过获得的应变和温度信号完成数据处理，依据故障检测算法对电源及负载管理的电池充放电和电池组散热装置进行实时控制并排除传感器误差干扰。

进一步的是，所述柔性采集装置包括多层fpc柔性基板、规则地分布在fpc柔性基板两面的温度传感器和应变传感器、连接fpc柔性基板内外电路的焊盘、安装在fpc柔性基板底部的排座、以及连接各传感器和排座的软排线。

进一步的是，所述温度传感器在电池表面的采集位置为：以电池单体中央为中心点对应fpc柔性基板上布置一个温度传感器，在电池单体中心点与左右两侧中点对应fpc柔性基板上处各布置一个温度传感器，在电池单体中心点与上端中点靠近正负极耳处对应fpc柔性基板上分别布置一个温度传感器，在电池单体下端与正负极耳对称位置处对应fpc柔性基板上分别布置一个温度传感器；柔性采集装置正反两面的温度传感器分布方式相同；温度传感器排布方式既能较为全面地检测包含两个极耳在内的整个电池表面的温度分布又能准确地监测电池表面的最高温度点。

所述应变传感器在电池表面的采集位置为：以电池单体中央为中心点对应fpc柔性基板上布置一个应变传感器，电池单体的上下左右四端与中心点的中点处对应fpc柔性基板上各布置一个应变传感器；应变传感器排布方式既能全面地检测整个电池组各电池单体表面的应变程度，又能准确地监测，能够准确感应电池表面鼓包应变最大点。

进一步的是，所述电池组散热装为强制风冷、水冷、热管和相变材料冷却介质。

采用本技术方案的有益效果：

本发明能够对锂离子电池组进行安全管理和故障报警并排除传感器误差的干扰，有助于提高软包型锂离子电池的安全和寿命；

本发明中通过柔性采集装置装配于电池组内各电池单体表面，既可以精简电池包空间，又能确保在车辆运行时稳定准确地采集各电池单体的温度和应变信号；

本发明中电池监控器通过故障检测算法对采集的电池组各电池单体的应变和温度信息实时监控并排除传感器误差干扰，若检测到传感器故障，则暂时将其相邻的单体温度视为该单体温度；筛选出异常信号并故障报警以确保电池组的安全性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的一种柔性锂离子电池安全管理方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中一种柔性锂离子电池安全管理系统的装配示意图；

图3为本发明实施例中一种柔性锂离子电池安全管理系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种柔性锂离子电池安全管理方法，包括步骤：

s100，检测电池单体单侧表面的温度采集点，组成一个温度数组；检测电池单体表面的应变采集点，组成一个应变数组；

s200，获取同一时刻电池组中各电池单体表面的最高温度timax和最低温度timin，并设定电池组最高温度tmax和最低温度tmin；

s300，获取同一时刻电池组中各电池单体表面的最大应变βimax和最小应变βimin，并设定电池组的最大应变βmax、最小应变βmin、以及电池单体的原始厚度β；

s400，循环检测，根据实时电池单体表面最高温度、电池单体表面最大温差、电池组最高温度和电池组最大温差；根据电池单体表面最大应变、电池单体表面最大应变差、电池组最大应变和电池组最大应变差；经过故障检测算法得到故障结果并进行报警。

作为上述实施例的优化方案，以电池单体中央为中心点布置一个温度传感器，在中心点与左右两侧中点处各布置一个温度传感器，在中心点与电池单体上端中点靠近正负极耳处分别布置一个温度传感器，在电池单体下端与正负极耳对称位置分别布置一个温度传感器；检测第i个电池单体单侧表面7个温度采集点，组成一个温度数组:[ti1,ti2,ti3,ti4,ti5,ti6,ti7],获取电池组工作时同一时刻第i个电池单体表面的最高温度timax和最低温度timin，设定电池组最高温度tmax和最低温度tmin；循环检测，根据实时电池单体表面最高温度、电池单体表面最大温差、电池组最高温度和电池组最大温差，经过故障检测算法得到温度故障结果；

以电池单体中央为中心点布置一个应变传感器，在电池单体的上下左右四端与中心点的中点处各布置一个应变传感器；检测第i个电池单体表面5个应变采集点，组成一个应变数组:[βi1,βi2,βi3,βi4,βi5],获得电池组工作时同一时刻第i个电池单体表面的最大应变βimax和最小应变βimin，并设定电池组的最大应变βmax、最小应变βmin、以及电池单体的原始厚度β；根据电池单体表面最大应变、电池单体表面最大应变差、电池组最大应变和电池组最大应变差，经过故障检测算法得到应变故障结果。

作为上述实施例的优化方案，对整个电池组的温度和应变进行故障检测时，由电池监控器接收采集装置发送的电池组温度信号和应变信号，根据同一电池单体相邻两温度传感器温度和应变相近的原理，建立传感器故障检测模型；

判断第i个电池单体对应位置的温度和应变量是否异常的特征参数δtsi_和δβsi_，δtsi_＝|tsi-tsi+1|，δβsi_＝|βsi-βsi+1|；其中，tsi和βsi是第i个电池单体对应位置的表面温度和应变，tsi+1和δβsi+1是第i+1个电池单体对应位置的表面温度和应变；

计算各电池单体的δtsi_和δβsi_并分别由大到小依次排序构成温度和应变量序列；

定义四分位距xiqr＝xq3-xq1；其中，上四分位数xq3与下四分位数xq1分别是所述序列的第25％个值与第75％个值；

当采集装置实时采集的温度和应变量序列中出现采集点在xi>xq3+1.5xiqr或xi<xq1-1.5xiqr时视为故障值；结合基于信号的时间序列获取和预测与实际差值，获得电池组进行故障结果。

作为上述实施例的优化方案，系统温度信号的时间序列获取方法为：

其中，tsi(kt)是当前采样周期测得的第i个电池单体的表面温度，tsi((k-1)t)是上一采样周期测得的第i个单体表面温度；

由于电池散热装置的作用及测量误差，会导致温度信号具有一定的波动性；通过计算时间区间内温度量时间导数的标准差消除误差波动；

温度量时间导数的消抖表示方式：

其中，dtsi((k-99)t)/dt,...,dtsi(kt)/dt分别是100个采样周期内的温度量时间导数，fluc(dtsi(kt)/dt)是导数的标准差。

作为上述实施例的优化方案，电池监控器采用的预测温度与实际温度的差值获取方法为：

锂离子电池的温度取决于自身产热与对外界散热；由于正常状态下锂离子电池生热量和温度远小于热失控状态，因此根据锂离子电池对外界散热主要取决于热对流，基于上述分析建立热力学模型：

其中，m为锂离子电池单体的质量，c为锂离子电池单体的比热容，ti^p为第i个锂离子电池单体的温度预测值，qgen_i为第i个锂离子电池单体的总生热速率，qrad_i为第i个锂离子电池单体的总散热速率；

由锂离子电池newman模型得到锂离子电池的生热包括焦耳热、不可逆副反应生热和可逆熵变生热；其中，焦耳热与可逆熵变生热在电池的全寿命周期一直存在，不可逆的副反应生热为严重老化导致的自发生热；预测温度用于对电池的不正常状态进行判断时，焦耳热与可逆热之和定义为模型中的生热速率：

其中，i为第i个锂离子电池单体的电流，ei为开路电压，tsi为表面温度，是熵变因子；

电池的散热主要受对流传热作用：

qrad＝ha(tsi-tref)

其中，tsi为第i个单体的实际表面温度，tref为对流换热面的环境温度，a为对流换热面积即电池表面积，h是换热系数；

得到预测温度的线性微分方程：

得到离散化的预测温度递推表达式：

得到基于电池实际温度与预测温度差的故障信号：

在进行故障检测算法时，每次电池监控器开机时，进行一次传感器故障检测；在所述故障检测过程中，若检测到未发生传感器故障，则继续进行温度和应变信号采集；若检测到发送传感器故障，则发送故障信息并暂时将相邻的电池单体采集信号作为该电池单体的采集信号。

为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图2和图3所示，本发明还提供了一种柔性锂离子电池安全管理系统，包括集成了温度传感器和应变传感器的柔性采集装置、电池监控器、电池组散热装置、电源和负载；所述柔性采集装置装配于电池组内各电池单体表面，采集各电池单体的温度和应变信号；所述电池监控器通过获得的应变和温度信号完成数据处理，依据故障检测算法对电源及负载管理的电池充放电和电池组散热装置进行实时控制并排除传感器误差干扰。

作为上述实施例的优化方案，所述柔性采集装置包括多层fpc柔性基板、规则地分布在fpc柔性基板两面的温度传感器和应变传感器、连接fpc柔性基板内外电路的焊盘、安装在fpc柔性基板底部的排座、以及连接各传感器和排座的软排线。

作为上述实施例的优化方案，所述温度传感器在电池表面的采集位置为：以电池单体中央为中心点对应fpc柔性基板上布置一个温度传感器，在电池单体中心点与左右两侧中点对应fpc柔性基板上处各布置一个温度传感器，在电池单体中心点与上端中点靠近正负极耳处对应fpc柔性基板上分别布置一个温度传感器，在电池单体下端与正负极耳对称位置处对应fpc柔性基板上分别布置一个温度传感器；柔性采集装置正反两面的温度传感器分布方式相同；温度传感器排布方式既能较为全面地检测包含两个极耳在内的整个电池表面的温度分布又能准确地监测电池表面的最高温度点。

所述应变传感器在电池表面的采集位置为：以电池单体中央为中心点对应fpc柔性基板上布置一个应变传感器，电池单体的上下左右四端与中心点的中点处对应fpc柔性基板上各布置一个应变传感器；应变传感器排布方式既能全面地检测整个电池组各电池单体表面的应变程度，又能准确地监测，能够准确感应电池表面鼓包应变最大点。

作为上述实施例的优化方案，所述电池组散热装为强制风冷、水冷、热管和相变材料冷却介质。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。