一种电池单体热失控预警系统及其热失控预警方法

1.本发明属于电池管理系统技术领域，具体涉及一种电池单体热失控预警系统及其热失控预警方法。


背景技术：

2.由于双碳政策的影响，新能源技术蓬勃发展，动力电池作为关键功能元件一直备受关注。动力电池的热安全始终制约着电池的广泛应用。及时的获取电池信号，以及及时的处理信号、做出预警可以有效地电池热失控的发生。常用bms系统(battery management system，电池管理系统)对于电池的平均温度观测较为及时，但电池发生热失控时更多情况是由于局部过热，因此需要更加细致的信号检测。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，一种电池单体热失控预警系统及其热失控预警方法。本发明采用一组常规温度传感器，一个局部检测用的温度传感器，以及一个压力传感器，并结合bms自身的电压信号对电池进行监测，同时针对温度传感器和压力传感器的信号提出了一个预警策略，旨在及时发现电池异常，保障使用者的安全。
4.一种电池单体热失控预警系统，包括电池单体、传感模块和控制模块；
5.所述电池单体顶部具有凸出的极耳，作为正负极；
6.所述传感模块包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和一个压力传感器；
7.所述第一温度传感器和第二温度传感器位于电池单体相对的侧壁上，且位于同一水平线上，用于检测所述电池单体的平均温度；所述第三温度传感器位于作为负极的极耳处，用于检测极耳处的温度；所述压力传感器布置在第二温度传感器的同侧壁上，用于检测电池单体外壳的形变；
8.所述第一、第二和第三温度传感器和所述压力传感器与控制模块采用can总线通讯协议实现信息通讯；
9.所述控制模块用于依次根据温度传感器的检测值、压力传感器的检测值和bms的电压信号进行判断和热失控预警。
10.利用电池单体热失控预警系统的热失控预警方法，包括：
11.步骤一：预先设定预警温度阈值和预警压力阈值；
12.判断检测到的第一、第二、第三温度传感器的温度，如果任一检测温度小于所述预警温度阈值，继续维持监测；否则，如果任一检测温度大于等于预警温度阈值预警温度阈值，且持续时间超过3s时，执行步骤二；
13.步骤二：判断第一、第二、第三温度传感器任一温升速率是否高于2℃/min：如果是，则立即执行预警程序；否则，执行步骤三；
14.步骤三：判断压力传感器检测的压力值是否高于预警压力阈值，如果是，立即执行
预警程序；否则，执行步骤四；
15.步骤四：检测电压信号：如果电池单体内的bms检测电压信号消失时，判断为针刺热失控；当电池单体内的bms检测电压信号升高时，判断为过充热失控；当电池单体内的bms检测电压信号下降，但不为0时，判断为高温热失控；判断后执行预警程序。
16.所述预警程序具体为：
17.预先设定风险档位判定标准，根据获得的温度传感器、压力传感器和bms检测的电压信号的数值，判定热失控风险档位，向用户端输出所对应的热失控档位及判定结果，并向用户报警；
18.其中，低风险档位判定标准包括：第一、第二、第三温度传感器的任一检测温度值t在预警温度阈值≤t＜中风险档位温度阈值时，或任两个温度传感器的温差达到10≤温差＜15℃或电压压降达0.8v；
19.中风险档位判定标准包括：第一、第二、第三温度传感器的任一检测温度值t在中风险档位温度阈值≤t＜高风险档位温度阈值时，或任两个温度传感器的温差达到15≤温差＜20℃且持续时间超过3s时，或电压压降达1.0v；
20.高风险档位判定标准包括：第一、第二、第三温度传感器的任一检测温度值t在t≥高风险档位温度阈值时，或任两个温度传感器的温差达到20℃且持续时间超过3s时，或是温升速率超过2℃/min，或电压压降达1.2v。
21.进一步的，所述预警温度阈值为50℃，预警压力阈值为0.2mpa；所述中风险档位温度阈值为65℃，高风险档位温度阈值为80℃。
22.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
23.1.本发明所述的热失控预警系统引入压力传感器，将电池外壳受内部产气膨胀变形考虑在内，增加了热失控检测途径，可有效的提高检测精度；与现有的预警系统区别的是，在电池单体负极处额外增加了一个局部测量的温度传感器，避免了平均温度正常，局部过热的异常现象，提高了准确率与安全性；
24.2.本发明所述的热失控预警方法对于温度传感器和压力传感器传的信号均采取分级预警策略，风险由低至高，有效的提升了安全性；
25.3.本发明能够针对不同情况的热失控进行分类，输出所对应的热失控档位及输出热失控的判定结果，使用者可结合热失控类型与电池使用情况，对电池进行处理。
26.4.本发明不涉及昂贵设备，所用材料皆较为便宜，总体造价低，适用性较广。
附图说明
27.图1为本发明所述的热失控预警方法中电池单体的侧视图，图中示出传感器的分布位置；
28.图2为图1的正视图，图中示出传感器的分布位置；
29.图3为本发明所述的热失控预警方法的流程图。
30.图中：
31.1：极耳
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2：主体
32.p：压力传感器
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t1：第一温度传感器
33.t2：第二温度传感器t3：第三温度传感器
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
35.一种电池单体热失控预警系统，包括电池单体、传感模块和控制模块。
36.如图1-2所示，所述电池单体包括主体2，在其顶部具有2个凸出于顶部的极耳1，形成所述电池单体主体的正负极。
37.所述传感模块包括设置在电池单体上的三个温度传感器和一个薄膜压力传感器。其中，第一温度传感器t1位于电池前侧壁的中心位置，第二温度传感器t2位于电池后侧壁的中心位置，第三温度传感器t3位于作为负极的极耳1处，薄膜压力传感器p也布置在第二温度传感器t2的同侧壁上，且覆盖所述第二温度传感器t2。由于所述第一、第二温度传感器t1,t2的位置对应，所检测的温度可近似认为是所述电池单体的平均温度，第三温度传感器t3用于检测极耳处的温度，压力传感器p用于检测外壳形变。
38.所述第一、第二和第三温度传感器和所述压力传感器p与控制模块采用can总线通讯协议实现信息通讯，减少布线，提高抗干扰能力。
39.所述控制模块用于依次根据温度传感器的检测值、压力传感器的检测值和bms的电压信号进行判断和热失控预警。
40.具体的，如图3所示，所述控制模块的热失控预警方法包括：
41.步骤一：预设预警温度阈值为50℃；
42.温度判断：判断检测到的第一、第二、第三温度传感器t1,t2,t3的温度，如果任一检测温度小于50℃，认为所述电池单体处于无风险档位，继续正常使用维持监测；否则，如果任一检测温度大于等于预警温度阈值50℃，且持续时间超过3s时，执行步骤二；
43.步骤二：升温速率判断：判断第一、第二、第三温度传感器t1,t2,t3任一温升速率dt/dt是否高于2℃/min：如果是，则立即执行预警程序；否则，执行步骤三；
44.步骤三：在此步骤之前，仅判断温度传感器信号，从步骤三开始，再将其余传感器信号纳入判断；判断压力传感器p检测的压力值是否高于0.2mpa，如果是，立即执行预警程序；否则，执行步骤四；
45.步骤四：检测电压信号：如果电池单体内的bms检测电压信号消失时，判断为针刺热失控；当电池单体内的bms检测电压信号升高时，判断为过充热失控；当电池单体内的bms检测电压信号下降，但不为0时，判断为高温热失控；判断后执行预警程序。
46.所述预警程序具体为：
47.设定中风险档位的温度阈值为65℃，高风险档位的温度阈值为80℃；
48.整理启动预警程序时对应的温度传感器、压力传感器和bms检测的电压信号的数值，判定热失控风险档位；
49.根据上述风险档位对测得的温度传感器的数值分档，并输出风险等级最高的风险档位，向用户报警。报警可通过bms系统向主控面板通过声、光等报警，以提醒用户。
50.所述风险档位的判断标准如下：
51.低风险档位判定标准包括：第一、第二、第三温度传感器t1,t2,t3的任一检测温度值t在50℃≤t＜65℃时，或任两个温度传感器的温差达到10≤温差＜15℃或电压压降达0.8v；
52.中风险档位判定标准包括：第一、第二、第三温度传感器t1,t2,t3的任一检测温度值t在65℃≤t＜80℃时，或任两个温度传感器的温差达到15≤温差＜20℃，且持续时间超过3s时，或电压压降达1.0v；
53.高风险档位判定标准包括：第一、第二、第三温度传感器t1,t2,t3的任一检测温度值t在t≥80℃时，或任两个温度传感器的温差达到20℃且持续时间超过3s时，或是温升速率超过2℃/min，或电压压降达1.2v。
54.所述热失控预警方法中分两个阶段共预先设定3档热失控预警监测阈值，形成无风险、低风险、中风险和高风险档位。由于电池副反应有较大的产热，容易导致电池热失控，所有电池副反应中，sei膜的分解反应发生温度最低，约为60℃，由于电池自身材料存在热阻，因此当中心温度达到60℃时，温度传感器测量的温度会低于60℃，因此设定第一、第二、第三温度传感器t1,t2,t3的任一检测温度值小于50℃时作为无风险档位，当温度低于50℃时，热副反应未发生，无热失控风险。当监测到的任一温度传感器温度达65℃时，中心温度将达到75℃左右，此时sei膜分解加快，热量更易累计，风险相较于50℃更高，因此选择65℃为中风险档位的阈值。当温度传感器达到80℃时，内部温度将达到约100℃，此时第二个副反应，即电解液分解达到起始温度，热量进一步累积，热失控风险极高，因此将80℃作为高风险档位。因此且第一、第二、第三温度传感器t1,t2,t3的任一检测温度值t＜
55.50℃为无风险档位，50℃≤t＜65℃时为低风险档位，65℃≤t＜80℃时为中风险档位，t≥80℃时为高风险档位。
56.而且，在电池正常产热时，经仿真研究，电池单上三个温度传感器极限温差约为9℃，因此在换热条件不变的情况下，任两个温度传感器之间温差越大，热流密度便越大，其内部产热便越剧烈，因此选择10-15℃温差为低风险档位，15-20℃为中风险档位，》20℃为高风险档位。
57.在电池工作时，其温升速率数量级一般为0.1℃/min，因此当温升速率超过2℃/min时，直接认为电池有极高风险发生热失控。
58.针对压力值的设定理由如下：由于电池内部发生热失控时，副反应会产生较多气体，当气体产生较多时，会导致外壳变形，因此通过压力传感器p进行检测。当检测到压力为0.2mpa时，外壳变形约为2mm，产生气体体积约为105mm3，产生气体量较大，有极高的热失控风险。在正常放电时，电池电压随放电时间降低，但有明显的平台期，即平台期内，电压降低不超过0.5v，随着内部热量积累，电化学进程加快，随着温度上升情况，电压压降0.8v为低风险档位，1v为中风险档位，1.2v为高风险档位，均判定为高温热失控。当内部形成枝晶刺穿隔膜后，电池内部直接反应，外部电压信号直接消失，判定为针刺热失控。当电压信号检测到上升时，结合先前判断，可判定为过充热失控。
59.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电池单体热失控预警系统，包括电池单体、传感模块和控制模块；其特征在于，所述电池单体顶部具有凸出的极耳(1)，作为正负极；所述传感模块包括第一温度传感器(t1)、第二温度传感器(t2)、第三温度传感器(t3)和一个压力传感器(p)；所述第一温度传感器(t1)和第二温度传感器(t2)位于电池单体相对的侧壁上，且位于同一水平线上，用于检测所述电池单体的平均温度；所述第三温度传感器(t3)位于作为负极的极耳(1)处，用于检测极耳处的温度；所述压力传感器(p)布置在第二温度传感器(t2)的同侧壁上，用于检测电池单体外壳的形变；所述第一、第二和第三温度传感器和所述压力传感器(p)与控制模块采用can总线通讯协议实现信息通讯；所述控制模块用于依次根据温度传感器的检测值、压力传感器的检测值和bms的电压信号进行判断和热失控预警。2.利用如权利要求1所述的电池单体热失控预警系统的热失控预警方法，其特征在于，包括：步骤一：预先设定预警温度阈值和预警压力阈值；判断检测到的第一、第二、第三温度传感器(t1,t2,t3)的温度，如果任一检测温度小于所述预警温度阈值，继续维持监测；否则，如果任一检测温度大于等于预警温度阈值预警温度阈值，且持续时间超过3s时，执行步骤二；步骤二：判断第一、第二、第三温度传感器(t1,t2,t3)任一温升速率是否高于2℃/min：如果是，则立即执行预警程序；否则，执行步骤三；步骤三：判断压力传感器(p)检测的压力值是否高于预警压力阈值，如果是，立即执行预警程序；否则，执行步骤四；步骤四：检测电压信号：如果电池单体内的bms检测电压信号消失时，判断为针刺热失控；当电池单体内的bms检测电压信号升高时，判断为过充热失控；当电池单体内的bms检测电压信号下降，但不为0时，判断为高温热失控；判断后执行预警程序。3.利用如权利要求2所述的热失控预警方法，其特征在于，所述预警程序具体为：预先设定风险档位判定标准，根据获得的温度传感器、压力传感器和bms检测的电压信号的数值，判定热失控风险档位，向用户端输出所对应的热失控档位及判定结果，并向用户报警；其中，低风险档位判定标准包括：第一、第二、第三温度传感器(t1,t2,t3)的任一检测温度值t在预警温度阈值≤t＜中风险档位温度阈值时，或任两个温度传感器的温差达到10≤温差＜15℃或电压压降达0.8v；中风险档位判定标准包括：第一、第二、第三温度传感器(t1,t2,t3)的任一检测温度值t在中风险档位温度阈值≤t＜高风险档位温度阈值时，或任两个温度传感器的温差达到15≤温差＜20℃且持续时间超过3s时，或电压压降达1.0v；高风险档位判定标准包括：第一、第二、第三温度传感器(t1,t2,t3)的任一检测温度值t在t≥高风险档位温度阈值时，或任两个温度传感器的温差达到20℃且持续时间超过3s时，或是温升速率超过2℃/min，或电压压降达1.2v。4.利用如权利要求3所述的热失控预警方法，其特征在于，所述预警温度阈值为50℃，
预警压力阈值为0.2mpa；所述中风险档位温度阈值为65℃，高风险档位温度阈值为80℃。

技术总结
本发明公开一种电池单体热失控预警系统及其热失控预警方法，包括电池单体、传感模块和控制模块，设置三个度传感器和一个压力传感器于电池单体上，分别测量电池单体平均温度和局部温度以及外表面压力。所述热失控预警方法预先设定低、中、高风险档位，依次根据检测到的温度传感器的检测值、压力传感器的检测值和BMS的电压信号进行判断，判定热失控风险档位，向用户端输出所对应的热失控档位及判定结果，并向用户报警。本发明对于温度传感器和压力传感器传的信号均采取分级预警策略，风险由低至高，有效的提升了电池单体安全性，并根据实际情况对热失控进行分类，使用者可结合热失控类型与电池使用情况，对电池进行处理。对电池进行处理。对电池进行处理。


技术研发人员：王洋 张宇新 卢旭 刘龙
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/22