一种基于气体析出特性的大容量lfp电池热失控预警方法
技术领域
1.本发明基于气体析出特性的大容量磷酸铁锂(lfp)电池热失控预警方法涉及的是一种针对大容量lfp电池在进行储存和充放电过程中热失控预警方案,在电池发生热失控早期,对产生的易燃易爆气体进行实时监测并启动报警。
背景技术:2.近年来,为缓解能源困境,国家积极支持与发展新能源产业。锂离子电池因其电化学表现良好、抗干扰能力强、环境友好等优点,成为新能源领域重要的发展方向。锂电池是电动汽车、储能电站中最主要的组成部分,承担着能量储存与转化的重要角色。然而,受自身材料限制和应用环境影响,锂离子电池存在着严峻的安全问题。热失控是锂离子电池的严重故障,一旦触发热失控,锂离子电池面临爆炸或者燃烧的风险。另一方面,锂离子电池通常集中利用,单个电池的热失控势必会引起热蔓延问题,进一步对周围电池带来安全隐患。因此,及时发觉热失控,对热失控进行预警是锂离子电池安全保障的重要工作。
3.目前,磷酸铁锂(lfp)电池被广泛应用,鉴于电池在使用过程中的产热现象不可避免,随着电池容量增大,其自身散热能力变弱,电池的热危险性进一步增大。近几年,针对lfp电池热失控危险性的研究较多,而预警防控措施的研究相对较少。考虑到电池热失控过程中伴随着电压、内阻、温度等多种参数的变化,并伴随有特征气体的生成,将此类参数作为故障识别参数,引入电池热失控预警机制,也是目前提升电池安全性的一个重要手段。
4.当前,以温度作为参数进行预警的方式,最大的问题就是热电偶或温度传感器在测量电池温度的过程中内外温度有着一定的误差,会导致还未到设定预警温度时就会出现电池热失控的现象,最终导致预警失败。以电池内阻和电压信号进行预警容易受外界扰动,有时出现突变不一定是热失控所致,因此,单纯使用电压和电阻作为lfp电池热失控预警的参数并不一定能及时准确的起到预警作用。
技术实现要素:5.本发明的目的是针对上述不足之处提供一种基于气体析出特性的大容量 lfp电池热失控预警方法,是综合各种预警方案的不足和锂电池火灾事故的教训,针对lfp电池在存储、充电等过程的热失控行为设计相应的预警方案,用于大容量lfp电池充放电过程中,可以对电池在充放电过程中进行实时监测,从而为其提供一个良好的安全环境。在电池发生完全热失控之前,保留一段稳定的预警反应时间,防电池发生完全的热失控行为,导致锂电池组发生火灾爆炸产生安全事故和财产损失。
6.lfp电池热失控前需要较长时间的热量积聚,在该阶段会出现明显的析气行为,具体析出且易于检测的气体有挥发性有机物(voc)、co2、c2h5f、co、 ch4、h2;尤其是挥发性有机物(voc)浓度会发生显著的变化。鉴于此,本发明通过对大容量lfp电池发生热失控前产生的voc、co2、c2h5f、co、ch4、 h2同时进行监测,从而提高其在使用过程中的安全性。
7.一种基于气体析出特性的大容量lfp电池热失控预警方法是采取以下技术方案实
现:
8.一种基于气体析出特性的大容量lfp电池热失控预警装置由气体收集系统、气体检测系统、控制系统和报警系统组成。其中气体收集系统用于对lfp电池热失控前析出的各种特征气体进行采集;气体检测系统对收集的voc、co2、 c2h5f、co、ch4、h2进行检测;控制系统对检测到的特征气体数据进行计算,运行预警程序;报警系统负责发出报警信号。
9.设计好启动元件,待元件启动后才开始进行预警,避免因数据存储容量过大而引起实用性降低的问题。从可靠性和高校性角度出发,选用voc和co2两种特征气体相互配合实现启动判断,电池正常工作时不会析出voc和co2,且发生热失控前,这两种气体最早析出,因此启动判据中voc的浓度阈值设为0,当监测到voc浓度大于0的时候启动元件;由于空气中中正常情况下co2浓度为一定值,当检测到co2浓度大于正常值范围的时候也会自动进行元件启动;以此为启动判据加强了预警的效果。元件启动后开始采集co、ch4、h2、c2h5f 的浓度,计算析出voc和析出co、ch4、h2、c2h5f的时间差δt1、δt2、δt3、δt4,计算各δt内voc总浓度c以及voc浓度增加速率v,同时利用c和v 与阈值比较能更加准确实现预警。
10.在整个热失控预警过程中,每一步都在在采样中断中进行。进入采样中断服务后首先由启动元件进行故障检测,若检测到故障,启动预警方法,否则退出本次中断服务程序。启动元件利用连续多点浓度值进行判断,当连续多点浓度值均满足启动判据时,才认为发生故障。
11.启动的判定条件
①
[c
k+1
,c
k+2
,c
k+3
.......c
k+l
]》0
[0012]
式中,c为voc气体浓度值,k为浓度值序号,c
k+1
,c
k+2
,c
k+3
.......c
k+l
表示连续l点的voc浓度值,l取5到8以保证准确性。
[0013]
启动的判定条件
②
[c*
k+1
,c*
k+2
,c*
k+3
.......c*
k+m
]》x
[0014]
式中,c*为co2浓度值,k为浓度值序号,c*
k+1
,c*
k+2
,c*
k+3
.......c*
k+m
表示连续m点的co2浓度值,m同理取5到8,x为空气中co2正常值。两种判定条件只要有一种成立,启动元件就会执行。
[0015]
进入方法处理程序后,采集co、ch4、h2、c2h5f的浓度值,同时记录voc 和co、ch4、h2、c2h5f的析出时间t
voc
、t
co
、t
ch4
、t
h2
、t
c2h5f
然后再对析出的时间差δt1、δt2、δt3、δt4进行计算,根据气体监测系统的采样频率 1hz,得到各δt内voc浓度值的个数n,则n个voc浓度值的总浓度c:
[0016][0017]
计算出各δt内浓度增加的速率v:
[0018][0019]
得到各δt内voc气体的总浓度c后,根据每个δt内总浓度c与设定浓度阈值x的关系预警热失控。同理,得到δt内voc浓度上升速率后,根据v与浓度上升速率阈值h比较预警热失控。若c≥x或者v≥h则判定为将发生热失控故障,从而发出预警信号;得到若c《x且v《h,则判为不发生热失控故障,结束本次中断服务程序。
具体实施方式
[0020]
假设采样信号为x(m),长度为n,n取5~8,m∈[0,n],其中n为整数,则x[n]的dft为:
[0021][0022]
由于公式(1)可化为:
[0023][0024]
定义函数yk(n):
[0025][0026][0027]
由此可见yk(n)是两个序列卷积而成,其中x(n)为输入的n点序列,hk(n)为滤波器冲激响应序列。对公式(4)进行z变换:
[0028][0029]
则该一阶系统的递推方程为:
[0030][0031]
按照goertzel算法计算n点的离散傅里叶变化,需要进行4n2次实数乘法和 4n2次实数加法。当n不大时,算法效率不高,因此对goertezl算法进行改进。将公式(5)的分母分子同乘得到公式(7),该二阶iir滤波器的传递函数h(z)为:
[0032][0033]
该二阶滤波器的迭代公式为:
[0034][0035]
按照改进的goertzel算法,则需要进行2(n+2)次实数乘法和4(n+1)次实数加法,该方法计算的效率就提升了1倍。
[0036]
预警方法中的δt是由voc和co、ch4、h2、c2h5f的析出时间共同确定的,通过反映特征气体的析出保证方法可靠性,同时不再利用co、ch4、h2、 c2h5f、co2的浓度值参与计算以兼
顾方法的快速性。co、ch4、h2、c2h5f析出与电池正负极以及电解液的反应有关联,从而准确反应电池内部发生了复杂的化学反应。因此本发明采用的voc、co2浓度与阈值比较作为启动判据和测量析出voc与析出co、ch4、h2、c2h5f时间间隔内voc总浓度及voc浓度上升速率相结合共同进行监测的预警方法可以及时、准确的对大容量lfp电池进行热失控预警。
[0037]
在整个热失控预警过程中,每一步都在在采样中断中进行。进入采样中断服务后首先由启动元件进行故障检测,若检测到故障,启动预警方法,否则退出本次中断服务程序。启动元件利用连续多点浓度值进行判断,当连续多点浓度值均满足启动判据时,才认为发生故障。
[0038]
启动的判定条件
①
[c
k+1
,c
k+2
,c
k+3
.......c
k+l
]》0
[0039]
式中,c为voc气体浓度值,k为浓度值序号,c
k+1
,c
k+2
,c
k+3
.......c
k+l
表示连续l点的voc浓度值,l取5到8以保证准确性。
[0040]
启动的判定条件
②
[c*
k+1
,c*
k+2
,c*
k+3
.......c*
k+m
]》x
[0041]
式中,c*为co2浓度值,k为浓度值序号,c*
k+1
,c*
k+2
,c*
k+3
.......c*
k+m
表示连续m点的co2浓度值,m同理取5到8,x为空气中co2正常值。两种判定条件只要有一种成立,启动元件就会执行。
[0042]
进入方法处理程序后,采集co、ch4、h2、c2h5f的浓度值,同时记录voc 和co、ch4、h2、c2h5f的析出时间t
voc
、t
co
、t
ch4
、t
h2
、t
c2h5f
然后再对析出的时间差δt1、δt2、δt3、δt4进行计算,根据气体监测系统的采样频率 1hz,得到各δt内voc浓度值的个数n,则n个voc浓度值的总浓度c:
[0043][0044]
计算出各δt内浓度增加的速率v:
[0045][0046]
得到各δt内voc气体的总浓度c后,根据每个δt内总浓度c与设定浓度阈值x的关系预警热失控。同理,得到δt内voc浓度上升速率后,根据v与浓度上升速率阈值h比较预警热失控。若c≥x或者v≥h则判定为将发生热失控故障,从而发出预警信号;得到若c《x且v《h,则判为不发生热失控故障,结束本次中断服务程序。
附图说明
[0047]
图1是本发明基于气体析出特性的大容量lfp电池热失控预警原理图。
[0048]
图2是改进goertzel算法处理框图。
[0049]
图3是本发明基于气体析出特性的大容量lfp电池热失控预警流程。
[0050]
图4是本发明基于气体析出特性的大容量lfp电池热失控预警系统结构图。