电池包的热失控预警方法及系统与流程

1.本技术涉及电池包技术领域，具体涉及一种电池包的热失控预警方法及系统。


背景技术：

2.电池包的热失控预警系统通过检测电池包内的温度、电压、烟雾等信号，并采用相关的热失控预警策略或建立电池火灾预警模型，从理论上监测并预警电池包的热失控状态。
3.现有的预警策略包括电压和温度组合预警策略，其可靠性严重依赖于设定的阈值，但在实际工况中，由于电池包发生热失控的原因较为多样化，而现有的预警策略较为简单，难以根据少数的预警阈值精确预警电池包的热失控状态。并且电池包的预警阈值难以确定，预警阈值严苛时无法及时报警，会导致预警系统漏报，增加了安全风险；预警阈值放松时，容易误触发热失控报警，导致预警系统发生误报。
4.为此，亟待研发一种预警的精确性高、且误报、漏报风险小的预警系统。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术旨在提供一种预警的精准性高，误报风险小的电池包的热失控预警方法及系统。
6.根据本技术实施例的第一方面，提供电池包的热失控预警方法，包括：
7.获取电池包的特征信息；
8.利用热失控预测策略判断所述电池包是否处于潜在热失控状态；
9.在所述电池包处于潜在热失控状态下，通过热失控判定策略判断所述电池包是否处于热失控状态。
10.优选的，所述热失控预测策略的条件包括：
11.在实时空气温度大于空气温度阈值，且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态下，该状态的持续时间≥第一时间阈值；
12.和/或在实时电芯温度大于第一电芯温度阈值且实时电芯温升速率大于电芯温升速率阈值的状态下，该状态的持续时间≥第二时间阈值；
13.和/或电池管理系统中的硬线处于高电平状态；
14.和/或接收到热失控的风险信息。
15.优选的，所述利用热失控预测策略判断所述电池包是否处于潜在热失控状态包括：若所述热失控预测策略的条件中的至少一项成立，则判定所述电池包处于所述潜在热失控状态。
16.优选的，所述接收到热失控的风险信息包括：
17.接收到至少存在潜在热失控风险的风险等级信息；
18.所述风险等级信息至少包括利用潜在热失控模型分析得出的不存在热失控风险和潜在热失控风险。
19.优选的，所述热失控判定策略的条件包括：
20.在实时空气温度大于空气温度阈值且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态下，该状态的持续时间≥第一时间阈值，
21.且实时电芯温度大于第二电芯温度阈值的持续时间≥第三时间阈值；
22.和/或在实时空气温度大于空气温度阈值，且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态下，该状态的持续时间≥第一时间阈值，
23.以及实时电芯电压小于电芯电压阈值的持续时间≥第四时间阈值；
24.和/或在电芯的采样信号出现故障的情况下，以及在实时空气温度大于空气温度阈值，且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态下，该状态的持续时间≥第一时间阈值；
25.和/或在同一电池模组内，实时电芯温度大于第二电芯温度阈值的持续时间≥第三时间阈值，且实时电芯电压小于电芯电压阀值的持续时间≥第四时间阈值；
26.和/或在同一电池模组内，实时电芯温升速率大于电芯温升速率阈值的持续时间≥第五时间阈值，且实时电芯电压小于电芯电压阈值的持续时间≥第四时间阈值；
27.和/或在电池包的绝缘性能降低的情况下，实时电芯温度大于第二电芯温度阈值的持续时间≥第三时间阈值，且电芯温升速率大于电芯温升速率阈值的持续时间≥第五时间阈值，且实时电池模组温差值＞电池模组温差阈值；
28.和/或至少两个电池模组的实时电芯温度大于模组温度阈值的持续时间≥第六时间阈值，且至少两个电池模组的实时模组温升速率大于模组温升速率阈值的持续时间≥第七时间阈值；
29.所述通过热失控判定策略判断所述电池包是否处于热失控状态包括：
30.若所述热失控判定策略的条件中的至少一项成立，则判定所述电池包处于热失控状态。
31.优选的，还包括：在所述电池包处于潜在热失控状态下，提高所述获取电池包的特征信息的采样速率。
32.优选的，还包括：在所述电池包处于热失控状态下，执行预警措施。
33.根据本技术实施例的第二方面，提供一种电池包的热失控预警系统，包括
34.动力电池系统，所述动力电池系统包括具有采样监控单元和主控单元的电池管理系统；
35.所述采样监控单元用于获取电池包的特征信息，利用热失控预测策略判断所述电池包是否处于潜在热失控状态；
36.所述主控单元在所述电池包处于潜在热失控状态下，通过热失控判定策略判断所述电池包是否处于热失控状态；
37.后台预警系统，用于在所述电池包至少存在潜在热失控风险时，向所述动力电池系统发送热失控的风险信息；
38.预警提示系统，用于在所述电池包处于热失控状态下，执行预警措施。
39.优选的，所述采用监控单元包括在所述电池包处于潜在热失控状态下唤醒所述主控单元的异常自唤醒电路。
40.优选的，所述后台预警系统包括热失控预测模块，所述热失控预测模块用于利用
潜在热失控模型分析所述电池包的风险等级。
41.本技术先通过热失控预测策略结合特征参数和风险等级信息判断电池包的潜在热失控状态；在潜在热失控状态下，利用热失控判定策略结合温度、温升速率、电压中的多种特征参数以及通讯状态和绝缘状态的特性判断电池包的热失控状态，预警的精准性高，误报、漏报的风险低，能够提高电池包的安全性能。
附图说明
42.图1为热失控预警系统的结构示意图；
43.图2为电池包状态转换的结构示意图。
具体实施方式
44.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的方法和装置的例子。
45.电池包的热失控预警方法，具体包括以下步骤：
46.s020,获取电池包的特征信息；
47.s040，利用热失控预测策略判断所述电池包是否处于潜在热失控状态；
48.s060，在所述电池包处于潜在热失控状态下，通过热失控判定策略判断所述电池包是否处于热失控状态。
49.本技术的方案采用组合式热失控预警策略来分析电池包的特征参数，因策略中具有多种判定条件，能够根据特征参数的多种组合分析电池包的状态，检测更加精准，能够降低误报风险，提高电池包的安全性能。
50.下面结合具体的应用场景，对本技术的方案进行拓展说明。
51.在本实施例中，该预警方法能够应用于如图1中的预警系统中，该预警系统包括动力电池系统，动力电池系统中包括电池组和电池管理系统。
52.s020，获取电池包的特征信息；
53.电池管理系统包括采样监控单元。采样监控单元包括信号采集电路，信号采集电路通过各种传感器连接电池组，以实时检测电池组的特征参数。
54.在本实施例中，信号采集电路的芯片优选用nxp公司的mc33771芯片。传感器包括用于检测电芯温度的第一温度传感器、用于检测模组温度的第二传感器、用于检测空气温度的第三温度传感器以及用于检测电芯电压的电压传感器。第三温度传感器为空气温度传感器，第三温度传感器具有多个安装点，如在电池包的中部和/或电池包上的防爆阀附近和/或电池包箱体的角落。选用空气温度传感器代替常规预警系统中的智能传感器，可直接将第三温度传感器接入信号采集电路的温度监测口，无需增加附属电路，简化了预警系统的复杂程度，降低了成本，且结构简单，方便推广。
55.电池管理系统还包括主控单元，主控单元与采样监控单元之间优选用菊花链实现信息交互。
56.采样监控单元中还设有异常自唤醒电路，异常自唤醒电路优选用fault硬线连接至主控单元的电源模块。在正常状态下，硬线输出低电平，采样监控单元处于低功耗模式；
当采样监控单元检测到异常信号时，硬线输出高电平，采样监控单元处于高功耗模式，异常自唤醒电路在硬线处于高电平状态时唤醒主控单元，即使在泊车状态下也能够实现热失控预警，保证整车安全。
57.本实施例的特征信息包括电池参数(实时电芯温度、实时电芯温升速率、电芯温度异常的持续时间、实时电芯电压、电芯电压异常的持续时间、实时模组温度、模组温度异常的持续时间、实时模组的温升速率、模组温升异常的持续时间、实时空气温度、实时空气温度、实时空气温升速率、空气温度异常的持续时间等)、绝缘状态、硬线的电平状态以及电池包的安全状态指数。
58.s040，利用热失控预测策略判断所述电池包是否处于潜在热失控状态。
59.本实施例中的热失控预测策略的条件包括：
60.在实时空气温度大于空气温度阈值且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态下，实时空气温度大于空气温度阈值且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态的持续时间≥第一时间阈值；
61.和/或在实时电芯温度大于第一电芯温度阈值且实时电芯温升速率大于电芯温升速率阈值的状态下，实时电芯温度大于第一电芯温度阈值且实时电芯温升速率大于电芯温升速率阈值的状态的持续时间≥第二时间阈值；
62.和/或电池管理系统中的硬线处于高电平状态；
63.和/或接收到热失控的风险信息。
64.具体的，热失控预测策略包括四组条件：
65.条件一为实时空气温度＞75℃，且实时空气温升速率＞5℃/s，持续3s；
66.条件二为任意一个mc33771芯片的fault硬线处于高电平状态；
67.条件三为实时电芯温度＞65℃，且实时电芯温升速率＞1℃/s，持续5s；
68.条件四为接收到热失控的风险信息。
69.需要说明的是，当电池包满足热失控预测策略中的至少一组条件时，即判定电池包处于潜在热失控状态。
70.本实施例的热失控预警方法增加了潜在热失控状态的判定的步骤，通过增加潜在热失控状态的判定过程，能够进一步降低误报风险。
71.在潜在热失控状态下，采样监控单元加快信号的采集速率。例如，常规状态时，信号采集速率通常是秒级别，但进入潜在热失控状态后，采集速率将提升到100ms级别，以便于快速捕捉电池包内的信号变化。
72.一些实施例中，在潜在热失控状态下，电池管理系统能够请求整车控制器开启冷却系统，主动对电池包降温；以及限制电池包的功率，避免车辆在极端工况下运行，降低电池包进一步升级为热失控状态的概率。
73.如图2所示，当电池包处于潜在热失控状态后，若电池包不符合热失控判定策略的条件，且符合解锁条件时，则解锁潜在热失控状态，退回常规状态。若电池包符合热失控判定策略的条件，则判定电池包处于热失控状态，电池管理系统通过软件锁存热失控状态，锁存热失控状态后必须通过人工将uds指令清除后方可解锁。
74.解锁潜在热失控状态的解锁条件为电池包在一段时间内的电芯温度、空气温度、电压、硬线状态、绝缘状态等信息无异常，具体包括：电池温度＜50℃，且温度加速度＜0，持
续300s；和/或空气温度和空气温度差值＜10℃，持续300s；和/或电压在2.8v～4.2v之间，持续300s；和/或硬线输出低电平，持续300s；和/或绝缘功能正常；和/或不再接收到热失控的风险信息。
75.在本实施例中，热失控的风险信息由后台预警系统提供，电池管理系统依次通过can总线和车载网联终端与后台预警系统进行信息交互。汽车在启动时会发送车辆的vin、电池编码及特征参数等电池包信息到后台预警系统，以保证后台预警系统对汽车的追溯性。
76.后台预警系统包括热失控预测模块和热失控通知模块，热失控预测模块中预存有潜在热失控模型，潜在热失控模型结合电池包的温度(隔膜开始收缩时的温度、发生热失控的温度等)、电压、电流、内阻等热失控试验数据和电芯、模组的组成方式以及电池包的热传导和热辐射特性等多种因素，在matlab软件中进行特征值抽取和训练形成。其中，通过建立模型预测电池包的安全系数以及风险等级的原理为现有常规技术，本实施例中不再赘述。
77.热失控预测模块通过潜在热失控模型综合电池包特征信息和历史使用情况，输出安全状态指数(sos)，并根据安全状态指数设定热失控的风险等级。具体的，当sos≥80％时，定义为不存在热失控风险；当10％≤sos＜80％，定义为潜在热失控风险；当5％≤sos＜10％时，定义为热失控无扩散风险，即电池包发生了热失控，但该热失控已经得到控制；当sos＜5％以下时定义为热失控扩散风险，即热失控无法得到有效控制，有起火爆炸的风险。
78.在本实施例中，当后台警示系统检测到电池包至少存在潜在热失控风险时，即sos＜80％时，后台预警系统向电池管理系统发送热失控的风险信息。
79.具体的，当sos＜80％时，后台预警系统通过4g/5g网络发送热失控的风险信息给车载网联终端，车载网联终端接收到失控的风险信息后转发给电池管理系统，电池管理系统接收到后台的失控的风险信息后，进入潜在热失控状态。
80.本技术不但能够通过空气的温度信息、电芯的温度信息和硬线的电平状态判定潜在热失控状态，还能够根据后台预警系统的热失控风险信号判定电池包处于潜在热失控状态，精准性高。
81.本实施例中，后台预警系统利用潜在热失控模型分析得出不存在热失控风险、潜在热失控风险、热失控无扩散风险和热失控无扩散风险的风险等级信息。并将热失控的风险信息(sos＜80％)反馈到电池管理系统，由电池管理系统作热失控的最终决策。
82.需要说明的是，风险等级的级数可根据实际需求调整，但是风险等级至少包括无热失控风险和存在热失控风险两种等级。
83.s060，在所述电池包处于潜在热失控状态下，通过热失控判定策略判断所述电池包是否处于热失控状态。
84.电池管理系统的主控单元还包括热失控决策模块，热失控判定策略的相关计算由热失控决策模块完成。
85.本实施例中的热失控判定策略包括七组条件，若特征信息符合热失控判定策略中的至少一组条件时，则判定所述电池包处于失控热状态。
86.在本实施例中，热失控判定策略的条件一：
87.在实时空气温度大于空气温度阈值且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态下，实时空气温度大于空气温度阈值且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的
状态的持续时间≥第一时间阈值，
88.且实时电芯温度大于第二电芯温度阈值的持续时间≥第三时间阈值。
89.具体的，当电池包内的实时空气温度＞75℃，实时空气温升速率＞5℃/s，持续时间≥3s，以及实时电芯温度＞75℃，持续时间≥3s时，则判定电池包处于热失控状态。
90.热失控判定策略的条件二：
91.在实时空气温度大于空气温度阈值，且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态下，实时空气温度大于空气温度阈值，且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态的持续时间≥第一时间阈值，以及实时电芯电压小于电芯电压阈值的持续时间≥第四时间阈值。
92.具体的，当电池包内的实时空气温度＞75℃，实时空气温升速率＞5℃/s，持续时间≥3s；且实时电芯电压＜1.0v，持续时间≥3s时，则判定电池包处于热失控状态。
93.热失控判定策略的条件三：
94.在电芯的采样信号出现故障的情况下，以及在实时空气温度大于空气温度阈值且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态下，实时空气温度大于空气温度阈值且实时空气温升速率大于空气温升速率阈值的状态的持续时间≥第一时间阈值。
95.具体的，在电芯的采样信号出现故障的情况下，当电池包内的实时空气温度＞75℃，实时空气温升速率＞5℃/s，持续时间≥3s时，则判定电池包处于热失控状态。
96.需要说明的是，由于电池包发生热失控时会损坏电池包内的零部件及线束，导致电池包采样信号出现故障的情况，其中，电芯的采样信号出现故障包括电芯电压信号和/或电芯温度信号出现故障。
97.在一些实施例中，为降低采样信号出现故障的风险，电池包内用于供电和通信的线束上包裹有防火层(硅氧布)，降低线束出现烧断或熔断短接的概率，保证线束在1000℃的高温环境下，至少持续工作60s。
98.热失控判定策略的条件四：
99.在同一电池模组内，所述实时电芯温度大于第二电芯温度阈值的持续时间≥第三时间阈值，
100.且所述实时电芯电压小于电芯电压阀值的持续时间≥第四时间阈值。
101.具体的，当同一电池模组内的实时电芯温度＞75℃，持续时间≥3s；且实时电芯电压＜1.0v，持续时间≥3s时，则判定电池包处于热失控状态。
102.热失控判定策略的条件五：
103.在同一电池模组内，实时电芯温升速率大于电芯温升速率阈值的持续时间≥第五时间阈值，且实时电芯电压小于电芯电压阈值的持续时间≥第四时间阈值。
104.具体的当同一电池模组内的实时电芯温升速率＞1℃/s，持续时间≥5s；
105.且实时电芯电压＜1.0v，持续时间≥3s时，则判定电池包处于热失控状态。
106.热失控判定策略的条件六：
107.在电池包的绝缘性能降低的情况下，实时电芯温度大于第二电芯温度阈值的持续时间≥第三时间阈值，
108.且电芯温升速率大于电芯温升速率阈值的持续时间≥第五时间阈值，
109.以及实时电池模组温差值＞电池模组温差阈值。
110.具体的，电池包内的绝缘性能降低的状态下，当电池包内的实时电芯温度＞75℃，持续时间≥3s；且电芯温升速率＞1℃/s，持续时间≥5s；以及模组温度的差值＞30℃时，则判定电池包处于热失控状态。
111.热失控判定策略的条件七：
112.至少两个电池模组的实时电芯温度大于模组温度阈值的持续时间≥第六时间阈值，
113.且至少两个电池模组的实时模组温升速率大于模组温升速率阈值的持续时间≥第七时间阈值。
114.具体的，当电池包内至少两个电池模组的实时电芯温度＞75℃，持续时间≥3s；以及至少两个电池模组温升速率＞1℃/s，持续时间≥5s时，则判定电池包处于热失控状态。
115.由于不同电池包的结构、型号以及电芯的串并联方式等多种组成因素均存在差异，因此，本实施例中的阈值可根据实际需求进行调整。
116.本实施例的热失控判定策略的条件结合了温度、温升速率、电压中的多种特征参数以及通讯状态和绝缘状态的特性判断电池包的热失控状态，能够提高判断的精准性，降低误报风险，提高电池包的安全性能。
117.在本实施例中，预警方法还包括：s080，在判定所述电池包处于失控热状态后执行预警措施。
118.在本实施例中，预警措施由预警提示系统执行，预警提示系统通过can总线与电池管理系统连接，预警提示系统包括整车控制器、车身控制器、与整车控制器连接的组合仪表，以及与车身控制器连接的车门和报警灯。
119.当电池包处于热失控状态时，电池管理系统通过硬线和can总线两种方式唤醒整车控制器，整车控制器唤醒后接收到电池热失控信号后锁存热失控信号，按照对应的故障等级进行整车故障处理，然后通过硬线唤醒车身控制器和组合仪表，同时将热失控信号传递到车身can总线。
120.组合仪表收到热失控信号时，点亮电池故障等和系统故障灯，并且文字提示司乘人员逃生。车身控制器收到热失控信号时，立即解锁车门，并且控制报警灯光闪烁。后台预警系统接收到电池热失控信号时，电池热失控通知模块以短信的方式紧急通知售后人员和车主。
121.本技术还提供如下的实施例：
122.本实施例还提供了一种电池包的热失控预警系统，该预警系统包括：
123.动力电池系统，包括具有采样监控单元和主控单元的电池管理系统；
124.所述采样监控单元用于获取电池包的特征信息；
125.所述主控单元利用热失控预测策略判断所述电池包是否处于潜在热失控状态；在所述电池包处于潜在热失控状态下，通过热失控判定策略判断所述电池包是否处于热失控状态；
126.后台预警系统，用于在所述电池包至少存在潜在热失控风险时，向所述动力电池系统发送热失控的风险信息；
127.预警提示系统，用于在所述电池包处于热失控状态下，执行预警措施。
128.其中，采样监控单元包括在电池包处于潜在热失控状态下唤醒主控单元的异常自
唤醒电路。
129.后台预警系统包括热失控预测模块，热失控预测模块用于利用潜在热失控模型分析电池包的风险等级。
130.关于上述实施例中的动力电池系统、后台预警系统和预警提示系统的组成以及执行操作的具体步骤已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处不再详细阐述说明。
131.可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
132.需要说明的是，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
133.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
134.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
135.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
136.此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
137.上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
138.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
139.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
140.本技术并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本技术并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。