一种锂离子电池全寿命周期下的分级安全预警方法

摘要

本发明涉及一种锂离子电池全寿命周期下的分级安全预警方法，该方法针对不同SOH的锂离子电池将其热失控过程根据表面温度的温升率分为多个阶段，分析不同SOH锂离子电池在热失控过程中不同阶段外部特征参数的演变规律。利用外部特征参数的演变规律，制定了一种针对不同SOH锂离子电池安全分级预警控制策略。该控制策略可将锂离子电池状态分为安全、三级预警、二级预警和一级预警和热失控临界五个阶段，并针对不同阶段给出了相应的安全控制措施。

权利要求

1.一种锂离子电池全寿命周期下的分级安全预警方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、在实验室条件下获取不同SOH状态下的锂离子电池，并针对不同SOH状态下的锂离子电池进行热失控实验，记录锂离子电池在热失控过程中的电压、温度实验数据；

S2、基于由步骤S1获取的所述实验数据，根据电池热失控过程中的温度及温升率，分别将不同SOH状态下的锂电池的热失控过程划分为若干阶段；

S3、基于由步骤S2划分的若干阶段，分析不同阶段中温度与电压的演变规律，确定并提取热失控时的温度特征参数与电压特征参数，分析所述特征参数与SOH的关系，获取电池全寿命周期下热失控时的温度、电压特征参数的演变规律；

S4、根据实际运行时锂离子电池测量或估计的容量、内阻参数进行SOH在线计算；

S5、根据由步骤S1‑S3确定的热失控时的温度特征参数与电压特征参数，针对由S4计算得到的SOH，分别执行不同的安全分级预警以及危险排除措施。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中所述的获取不同SOH状态下的锂离子电池采用加速老化方法；热失控实验采用过充、过放、针刺、挤压、高温、内短路、外短路方法；在不同热失控实验中，保持不同SOH状态下的锂电池所处外部环境中的湿度、温度、电量外部条件一致。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中在实验条件下获取的锂电池SOH状态的下限为80％。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中将不同SOH状态下的锂电池的热失控过程划分为若干阶段，具体包括：针对不同SOH状态下的锂电池，采集锂电池上包括正极极耳、负极极耳、电池中心多个不同位置的温度并进行微分处理，选取温度变化率最大位置的温度及温生率作为分析热失控过程的对象；

针对温升率随温度的变化曲线，绘制温度分布相图进行分析；综合考虑温升率变化曲线与温度分布相图，将对应SOH状态下的锂电池整个热失控过程划分为若干阶段。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3具体包括：针对所划分的热失控过程的不同阶段，分别计算热失控发生时的电池最大表面温差MTD：

MTD(t)＝Maxmium|Ti(t)‑Tj(t)|其中，t表示时间，Ti、Tj分别表示最大或最小温度值；

在各阶段中以达到最大表面温差时的电压最为电压特征参数，并以各阶段终点时的温度作为温度特征参数；

通过拟合的方法分别拟合热失控各阶段终点对应的温度特征值与SOH关系曲线：|T_I|＝aT1|SOH|+bT1|T_II|＝aT2|SOH|+bT2|T_III|＝aT3|SOH|+bT3|T_max|＝aTn|SOH|+bTn其中，T_I，……，T_max分别表示各阶段的温度特征值，aT1，……，aTn、bT1，……，bTn分别表示拟合系数；

以及，拟合热失控各阶段终点对应的电压特征值与SOH关系曲线：|V_I|＝aV1|SOH|+bV1|V_II|＝aV2|SOH|+bV2|V_III|＝aV3|SOH|+bV3|V_max|＝aVn|SOH|+bVn其中，V_I，……，V_max分别表示各阶段的温度特征值，aV1，……，aVn、bV1，……，bVn分别表示拟合系数。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4中，根据实际运行时锂离子电池的电压、电流、温度、内阻参数进行SOH在线估计，基于以下公式：式中，Qnew为新电池的充、放电容量；Qactual为电池老化后的充、放电容量；Rnew为新电池的内部阻抗；Ractual为老化后的电池内部阻抗；QEOL为生命终止时的电池容量；REOL为锂离子电池寿命终止时的内部阻抗。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S5中根据温度特征参数与电压特征参数，针对计算得到的SOH，确定锂电池所处的不同安全等级，针对不同安全等级所对应的危险程度，分别执行警报提醒、切断电源、降温处理、灭火准备的相应安全控制措施。

说明书

一种锂离子电池全寿命周期下的分级安全预警方法

技术领域

[0001] 本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子动力电池全寿命周期下的分级安全预警方法方法。

背景技术

[0002] 随着锂离子电池在商用市场的广泛应用，其安全问题以及所引发的事故也逐渐受到本领域内的重视。目前，本领域中对于锂离子电池的安全预警、防护和管理方面尚处于研
究探索阶段，还没有形成一个有效的评价体系。锂离子电池热失控并安全事故的情况最为
常见，根据诱因的不同大致可分为电滥用、机械滥用和热滥用三种。针对三种滥用情况，本
领域技术人员对锂离子电池的安全预警及防护设计已做了一定的研究，但由于锂离子电池
的热失控行为在实际应用会随着电池老化而发生变化，因此目前的锂离子电池安全预警研
究还不能较好的适用于锂离子电池全寿命，无法对锂离子电池全寿命周期下进行有效的预
警。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明提供了一种锂离子电池全寿命周期下的分级安全预警方法，旨在解决现有技术中由于未考虑电池老化对热失控造成影响，使得预警系统无法对锂离子电
池全寿命周期下有效安全预警的技术问题。本发明所提供的方法具体包括以下步骤：

[0004] S1、在实验室条件下获取不同SOH状态下的锂离子电池，并针对不同SOH状态下的锂离子电池进行热失控实验，记录锂离子电池在热失控过程中的电压、温度等实验数据；

[0005] S2、基于由步骤S1获取的所述实验数据，根据电池热失控过程中的温度及温升率，分别将不同SOH状态下的锂电池的热失控过程划分为若干阶段；

[0006] S3、基于由步骤S2划分的若干阶段，分析不同阶段中温度与电压的演变规律，确定并提取热失控时的温度特征参数与电压特征参数，分析所述特征参数与SOH的关系，获取电
池全寿命周期下热失控时的温度、电压特征参数的演变规律；

[0007] S4、根据实际运行时锂离子电池测量或估计的容量、内阻等参数进行SOH在线计算；

[0008] S5、根据由步骤S1‑S3确定的热失控时的温度特征参数与电压特征参数，针对由S4计算得到的SOH，分别执行不同的安全分级预警以及危险排除措施。

[0009] 进一步地，步骤S1中所述的获取不同SOH状态下的锂离子电池采用加速老化等方法；热失控实验采用过充、过放、针刺、挤压、高温、内短路、外短路等多种方法；在不同热失
控实验中，保持不同SOH状态下的锂电池所处外部环境中的湿度、温度、电量等外部条件一
致。

[0010] 进一步地，步骤S1中在实验条件下获取的锂电池SOH状态的下限为80％。根据国家标准，动力电池的SOH下降到80％以下将会视为报废。因此，实验选用若干SOH不同的锂离子
电池作为实验及分析对象，且SOH都在80％以上。需要指出的是，为避免实验量过大，选用的
不同SOH电池的不宜过多，并通过数据拟合的方式获取全寿命周期下的实验数据。

[0011] 进一步地，步骤S2中将不同SOH状态下的锂电池的热失控过程划分为若干阶段，具体包括：

[0012] 针对不同SOH状态下的锂电池，采集锂电池上包括正极极耳、负极极耳、电池中心等多个不同位置的温度并进行微分处理，选取温度变化率最大位置的温度及温生率作为分
析热失控过程的对象；

[0013] 针对温升率随温度的变化曲线，绘制温度分布相图进行分析；综合考虑温升率变化曲线与温度分布相图，将对应SOH状态下的锂电池整个热失控过程划分为若干阶段。

[0014] 进一步地，步骤S3具体包括：

[0015] 针对所划分的热失控过程的不同阶段，分别计算热失控发生时的电池最大表面温差MTD：

[0016] MTD(t)＝Maxmium|Ti(t)‑Tj(t)|

[0017] 其中，t表示时间，Ti、Tj分别表示最大或最小温度值；

[0018] 在各阶段中以达到最大表面温差时的电压最为电压特征参数，并以各阶段终点时的温度作为温度特征参数；

[0019] 通过拟合的方法分别拟合热失控各阶段终点对应的温度特征值与SOH关系曲线：

[0020]

[0021] 其中，T_I，……，T_max分别表示各阶段的温度特征值，aT1，……，aTn、bT1，……，bTn分别表示拟合系数；

[0022] 以及拟合热失控各阶段终点对应的电压特征值与SOH关系曲线：

[0023]

[0024] 其中，V_I，……，V_max分别表示各阶段的温度特征值，aV1，……，aVn、bV1，……，bVn分别表示拟合系数。

[0025] 进一步地，步骤4中，根据实际运行时锂离子电池的电压、电流、温度、内阻等参数进行SOH在线估计，并传递至S5中用于全寿命周期下的分级安全预警方法的建立。具体的，
SOH定义为电池容量和内部阻抗的变化，表达方式有两种：

[0026]

[0027]

[0028] 式中Qnew为新电池的充、放电容量；Qactual为电池老化后的充、放电容量；Rnew为新电池的内部阻抗；Ractual为老化后的电池内部阻抗。

[0029] 为了在[0,1]区间表达电池的SOH状态，上式可变换为：

[0030]

[0031]

[0032] 式中QEOL为生命终止时的电池容量，一般认为当电池容量衰减为80％的初始容时电池寿命终止。同理，REOL为锂离子电池寿命终止时的内部阻抗。通过容量测试、内阻测试等
方法直接测量获取Qactual和Ractual。需要指出的是，上述Qactual和Ractual的获取不限于直接测
量获取，包括基于模型估计、基于数据驱动估计获取。

[0033] 进一步地，步骤S5中根据温度特征参数与电压特征参数，针对计算得到的SOH，确定锂电池所处的不同安全等级，针对不同安全等级所对应的危险程度，分别执行警报提醒、
切断电源、降温处理、灭火准备等相应的安全控制措施。

[0034] 上述本发明所提供的方法，相对于现有技术至少具有以下有益效果：

[0035] 1)、针对锂离子电池全寿命周期下的热失控行为，相较于针对特定寿命下的锂离子电池，其适用性与实用性更加的广泛；

[0036] 2)、通过实验室全寿命周期下热失控实验加锂离子电池在线SOH估计的方法，将离线分析与在线应用相结合，降低了系统的复杂性，提高了预警方案的可行性；

[0037] 3)、针对全寿命周期下电池热失控的每个危险等级都给出相应控制策略，在保障电池安全的状态下，最大程度的实现了资源的合理利用。

附图说明

[0038] 图1为本发明整体步骤流程图；

[0039] 图2电热失控过程中温升率的变化曲线；

[0040] 图3为热失控阶段划分示意图；

[0041] 图4不同SOH下温度特征参数变化示意图；

[0042] 图5不同SOH下电压特征参数变化示意图；

[0043] 图6安全预警阶段划分示意图。

具体实施方式

[0044] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0045] 本发明所提供的一种锂离子电池全寿命周期下的分级安全预警方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

[0046] S1、在实验室条件下获取不同SOH状态下的锂离子电池，并针对不同SOH状态下的锂离子电池进行热失控实验，记录锂离子电池在热失控过程中的电压、温度等实验数据；

[0047] S2、基于由步骤S1获取的所述实验数据，根据电池热失控过程中的温度及温升率，分别将不同SOH状态下的锂电池的热失控过程划分为若干阶段；

[0048] S3、基于由步骤S2划分的若干阶段，分析不同阶段中温度与电压的演变规律，确定并提取热失控时的温度特征参数与电压特征参数，分析所述特征参数与SOH的关系，获取电
池全寿命周期下热失控时的温度、电压特征参数的演变规律；

[0049] S4、根据实际运行时锂离子电池测量或估计的容量、内阻等参数进行SOH在线计算；

[0050] S5、根据由步骤S1‑S3确定的热失控时的温度特征参数与电压特征参数，针对由S4计算得到的SOH，分别执行不同的安全分级预警以及危险排除措施。

[0051] 在本发明的一个优选实施方式中，步骤S1在实验室条件下获取不同SOH状态下的锂离子电池，并针对不同SOH状态下的锂离子电池进行热失控实验，并记录电压、温度数据。
具体的，通过加速老化等方案获取不同程度下SOH下的目标锂离子电池，并且针对不同SOH
状态下的锂离子电池，进行过充、过放、针刺、挤压、高温、内短路、外短路等多种热失控实
验，实验过程中利用数据采集仪采集电池热失控过程中电压与温度数据。在不同热失控实
验中，需要保持不同SOH电池所处的外部环境，如湿度、温度、电量等一致。

[0052] 此外，针对不同SOH的电池，需要分析多组热失控实验数据。具体的，根据国家标准，动力电池的SOH下降到80％以下将会视为报废。因此，实验选用若干SOH不同的锂离子电
池作为实验及分析对象，且SOH都在80％以上。需要指出的是，为避免实验量过大，选用的不
同SOH电池的不宜过多，并通过数据拟合的方式获取全寿命周期下的实验数据，具体的方法
将在S3中详细阐述。

[0053] 在步骤S2中，对热失控实验获取的温度曲线进行微分处理，得到表面温度温升率的变化曲线，根据温升率的大小，将热失控前分为若干阶段。此外，为了更好地反映热失控
过程中表面温度温升率的变化情况，分析温升率随温度的变化曲线，绘制温度分布相图进
行分析。综合考虑温升率变化曲线与温度分布相图，将整个热失控分为若干阶段。特别的，
以过充电热失控获得的实验数据进行为例，图2(a)为温度和温升率随SOC的变化曲线，根据
温升率，本实施例中将热失控分为r_I、r_II和r_III三个阶段。图2(b)为相应的温度分布相
图，在阶段I时，温升率小于T1℃/min；当过充至阶段II时，温升率快速上升至T2℃/min。而
随着过充电的持续进行，温升率迅速上升，在电池热失控发生之前，温升率高达近T3℃/
min。综合图2(a)和(b)的结果，根据表面温度温升率的变化情况(r_III＞r_II＞r_I)，可将
整个过充电热失控过程分为四个阶段，如图3所示。

[0054] 需要指出的时，实验过程中温度的采集将会采集电池上多个点的温度，包括正极极耳、负极极耳、电池中心等，温度分析采用的温度选用温度变化率最大的采集点的温度。
上述例子中由于选用了过充电热失控实验数据，为了避免过充电倍率对实验数据分析的影
响，温升图和电压变化图选用了与SOC作为电池的横坐标。针对高温热失控、机械热失控等
其他热失控方式可用时间作为温升图和电压变化图的横坐标。

[0055] 在步骤S3中，不同阶段的温度和电压特征参数提取包括以下步骤：

[0056] 1)最大表面温差变化分析：根据采集的实验温度数据，很容易计算得到过充热失控过程中表面温度的最大温差变化情况。

[0057] MTD(t)＝Maxmium|Ti(t)‑Tj(t)|

[0058] 其中t为时间。特别的，以图3锂离子电池的在过充电热失控实验中最大表面温差与电压的变化曲线为例。按照S2中的阶段划分方法，不同SOH锂离子电池在过充电热失控实
验过程中四个阶段对应的特征温度和电压分别为：设定第一温度特征值T_I、设定第二温度
特征值T_II、设定第三温度特征值T_III、第一电压特征值V_I、第二电压特征值V_II、第三
电压特征值V_III。对比四组不同SOH锂离子电池在过充电热失控过程中最大表面温度差。
在过充开始初期，温差均较小，但是随着过充过程的持续进行，温差逐渐增大，并且最大表
面温差随着老化程度的增加而增大。但值得注意的是，四组锂离子电池的最大表面温差均
在阶段II末期达到10℃，也就是电压达到V_II时，电池的最大表面温差达到10℃。因此，V_
II可作为安全预警过程中的电压特征参数。当过充电热失控发生时，最大温差随着老化程
度逐渐降低，这可能是因为老化严重的电池内部储存的电能减少。

[0059] 2)电压和温度变化分析：按照S2中的阶段划分方法，获取不同阶段对应的电压、电流参数值，结合数据拟合的方式分析相同阶段时不同SOH下参数值的变化规律。需要指出的
是，上述数据拟合方式包括线性插值、多项式拟合但不限于最小二乘拟合、样条插值。

[0060] 热失控各阶段末期对应的温度值T_I、T_II和T_III以及T_max与电池SOH的拟合曲线，公式如下：

[0061] |T_I|＝aT1|SOH|+bT1

[0062] |T_II|＝aT2|SOH|+bT2

[0063] |T_III|＝aT3|SOH|+bT3

[0064] |T_max|＝aT4|SOH|+bT4

[0065] 热失控过程中四组电池对应的不同阶段电压V_I、V_II和V_III和SOH的拟合曲线，公式如下：

[0066] |V_I|＝aV1|SOH|+bV1

[0067] |V_II|＝aV2|SOH|+bV2

[0068] |V_III|＝aV3|SOH|+bV3

[0069] 对比分析不同SOH电池的温度变化情况：当温度小于T_I时，四组电池均处于安全阶段；四组电池在阶段II的温度虽然均小于T_II，因此，对不同SOH锂离子电池，T_I可作为
过充阶段I的特征温度；阶段II和III的特征温度分别为|T_II|和|T_III|。在安全预警过程
中，可根据锂离子电池的SOH进行计算获取具体数值。

[0070] 对比分析四组电池的电压变化情况：根据电压在阶段I逐渐增大，在阶段II变化缓慢，以及在阶段III急剧增加的变化趋势，而且无法确定具体的数值，因此，|V_I|、|V_II|和
|V_III|可分别作为阶段I的特征电压。

[0071] 在步骤S4中，SOH定义为电池容量和内部阻抗的变化，表达方式有两种：

[0072]

[0073]

[0074] 式中Qnew为新电池的充、放电容量；Qactual为电池老化后的充、放电容量；Rnew为新电池的内部阻抗；Ractual为老化后的电池内部阻抗。

[0075] 为了在[0,1]区间表达电池的SOH状态，上式可变换为：

[0076]

[0077]

[0078] 式中QEOL为生命终止时的电池容量，一般认为当电池容量衰减为80％的初始容时电池寿命终止。同理，REOL为锂离子电池寿命终止时的内部阻抗。通过容量测试、内阻测试等
方法直接测量获取Qactual和Ractual。需要指出的是，上述Qactual和Ractual的获取不限于直接测
量获取，包括基于模型估计、基于数据驱动估计获取。

[0079] 在步骤S5中，结合上述对不同SOH热失控特征参数的提取和分析结果，针对不同SOH的电池，以95％SOH电池过充电热失控为例，具体的预警策略及安全控制策略如下：

[0080] 电池电压V≤|V|，温度T≤0.95*|T_I|时，说明电池是正常充电过程，处于安全阶段。

[0081] 当电压|V|随时断电的准备。

[0082] 当电压|V_I|升高，导致热失控。

[0083] 当电压|V_II|可能发生热失控，因此应立即采取有效降温措施将电池冷却，冷却的时间越短越，避免热失
控发生的几率就越大。

[0084] 当电压V>0.95*|V_III|以及温度T>0.95*|T_III|时，系统判定热失控临界，切断所有供电回路，进行最大程度的降温，并且做好随时灭火的准备。

[0085] 应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限
定。

[0086] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。