一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统和方法

本发明涉及锂离子动力电池热失控与热安全领域，尤其是涉及一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统和方法。

背景技术：

1、锂离子动力电池凭借其比能量、循环寿命等方面的优势在交通运输、消费类电子产品、储能系统中已获得广泛认可和量产利用。然而，随着市场和用户对电池能量密度持续提出更高的要求，采用高镍三元正极材料的高比能电池热稳定性有所降低，大大增加了热失控引发的安全事故风险。因此，电动汽车、储能电站的发展需求对锂离子电池系统的热安全的预警与安全防护提出了更高的要求。

2、目前，对锂离子电池系统热失控预警的方法主要有两种，一是基于部分电池表面测点温度的方法；二是基于电池电压下降的方法。

3、然而，对于锂离子电池系统热失控的预警，大多存在“不计成本”、“滞后性严重”等特点，电压预警法预警时长较短且仅适用于串联电池系统，目前没有效果较好、可推广的方法。

4、此外，因为热失控过程反应机理非常复杂，不同材料体系电池间存在较大差异，目前尚无较为可靠的普适性安全防护方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统和方法，采用麦克风获取电池包音频信号判断电池系统是否需要加强散热或进行灭火。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、根据本发明的第二方面，提供了一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统，该系统包括设置在电池包内的麦克风，设置在电池包下方的液冷子系统、设置在电池包上方的灌注灭火子系统和电池管理子系统；

4、所述电池包括电池包壳体、锂电池组以及与锂电池组连接的电池组子系统；

5、所述电池管理子系统分别与所述麦克风、液冷子系统和灌注灭火子系统与电池管理子系统无线连接，通过所述麦克风检测到的电池组子系统的音频信息控制所述液冷子系统和灌注灭火子系统进行安全防护。

6、优选地，所述麦克风包括设置在电池包中部上方的全指向型mems硅麦克风、设置在电池包角部的四角指向型mems硅麦克风。

7、优选地，所述液冷子系统为基于液冷板的液冷子系统，所述液冷板设置与电池包下方。

8、优选地，所述电池管理子系统通过控制液冷子系统中冷却液的流速增快或温度降低对电池包进行冷却控制。

9、优选地，所述灌注子系统包括灭火剂存储器和喷头，所述电池管理子系统控制所述灌注灭火子系统打开开关，灭火剂从所述灌注灭火子系统的喷头中喷出，灌注到锂电池组上。

10、优选地，灭火剂为全氟己酮/七氟丙烷灭火剂。

11、优选地，所述电池包边框封边处采用楔形结构边缘的缓冲垫。

12、根据本发明的第二方面，提供了一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护方法，采用任一项所述的系统，该方法包括以下步骤：

13、步骤1、电池管理子系统通过麦克风采集反应电池组子系统中声波强度变化的音频数据；

14、步骤2、基于声波强度变化计算实时相对声强级；

15、步骤3、电池管理子系统判断电池子系统相对声强级是否大于预警阈值，若是，则执行步骤4，若否，则执行步骤5；

16、步骤4、电池管理子系统判断电池子系统的声波强度幅值是否大于热失控阈值，若否，则控制液冷子系统增强散热，若是，电池管理子系统启动灌注灭火子系统；

17、步骤5、继续当前工作状态。

18、优选地，所述声波强度幅值的表达式为：

19、

20、其中，i(t)为降噪处理后所提取t时刻的声强级，i0为初始静置状态下的声强级，window_length为用于分析的窗长大小。

21、优选地，所述预警阈值和热失控阈值根据锂电池组所选电池材料体系、容量大小、封装形式，以及锂电池组在各类工况及失效情况下测定。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、(1)本发明采用麦克风获取电池系统的实时固定时间窗内相对声强级的最大值，可以进行电池系统中任意一节电池热失控安全预警，同时采用的预警阈值、热失控阈值与电池系统的参数相关，可满足各种封装方式、容量大小、材料体系电池的热失控蔓延阻断安全防护，适用范围广。

24、(2)本发明基于电池自身热失控过程演变机制，利用电池失效过程自身特点发挥作用，能够在发生热失控前及时处理、实现单体热失控的抑制及极端情况下电池系统热失控蔓延的阻断。

25、(3)本发明利用现有电池系统常规设计拓展，便于安装、维护，仅需增加麦克风、喷头等元件，加工装配简单方便。

技术特征：

1.一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统，其特征在于，该系统包括设置在电池包(1)内的麦克风(2)，设置在电池包(1)下方的液冷子系统(3)、设置在电池包(1)上方的灌注灭火子系统(4)和电池管理子系统(5)；

2.根据权利要求1所述的一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统，其特征在于，所述麦克风(2)包括设置在电池包(1)中部上方的全指向型mems硅麦克风、设置在电池包(1)角部的四角指向型mems硅麦克风(22)。

3.根据权利要求1所述的一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统，其特征在于，所述液冷子系统(3)为基于液冷板的液冷子系统，所述液冷板设置与电池包(1)下方。

4.根据权利要求3所述的一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护方法，其特征在于，所述电池管理子系统(5)通过控制液冷子系统(3)中冷却液的流速增快或温度降低对电池包(1)进行冷却控制。

5.根据权利要求1所述的一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统，其特征在于，所述灌注子系统(4)包括灭火剂存储器和喷头，所述电池管理子系统(5)控制所述灌注灭火子系统(4)打开开关，灭火剂从所述灌注灭火子系统(4)的喷头中喷出，灌注到锂电池组(12)上。

6.根据权利要求5所述的一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统，其特征在于，灭火剂为全氟己酮/七氟丙烷灭火剂。

7.根据权利要求1所述的一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统，其特征在于，所述电池包(1)边框封边处采用楔形结构边缘的缓冲垫。

8.一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护方法，采用权利要求1～6任一项所述的系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护方法，其特征在于，所述声波强度幅值的表达式为：

10.根据权利要求8所述的一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护方法，其特征在于，所述预警阈值和热失控阈值根据锂电池组(1)所选电池材料体系、容量大小、封装形式，以及锂电池组(12)在各类工况及失效情况下测定。

技术总结
本发明涉及一种基于声学信号检测处理的电池包安全防护系统和方法，该系统包括设置在电池包内的麦克风，设置在电池包下方的液冷子系统、设置在电池包上方的灌注灭火子系统和电池管理子系统；所述电池包括电池包壳体、锂电池组以及与锂电池组连接的电池组子系统；所述电池管理子系统分别与所述麦克风、液冷子系统和灌注灭火子系统与电池管理子系统无线连接，通过所述麦克风检测到的电池组子系统的音频信息控制所述液冷子系统和灌注灭火子系统进行安全防护。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、可靠性高、加工方便、实时性强等优点。

技术研发人员：陈思琦,朱哲慧,魏学哲,张立军,戴海峰
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15