锂离子电池模组运行安全性评估预测方法、系统及电子设备技术方案

本发明专利技术提供一种锂离子电池模组运行安全性评估预测方法、系统及电子设备，包括：1)建立锂离子电池的等效电路模型，采用卡尔曼滤波得到状态预测值；2)基于实际观测值与状态预测值计算残差；3)基于残差及残差的协方差计算距离度量；4)当距离度量小于等于卡方检测阈值时认为锂离子电池模组运行正常，检测下一数据；当大于卡方检测阈值时认为运行异常；运行状态异常时，基于异常时卡方检测运行的时长及平均运行时长计算当前测试周期的安全系数。本发明专利技术能准确快速的得到电池状态信息；在锂离子电池的长期使用过程中，可快速识别其不安全因素，并自动提出预警；同时也可识别预警锂离子电池模组的故障，大大提高其运行安全性。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池模组运行安全性评估预测方法、系统及电子设备
本专利技术涉及电池安全领域，特别是涉及一种锂离子电池模组运行安全性评估预测方法、系统及电子设备。
技术介绍
锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、体积小、循环寿命长、自放电弱、充放电快、无记忆效应、稳定性好等优势，广泛应用于智能手机、笔记本电脑、无人机、可穿戴设备和电动汽车等领域，支撑着消费电子设备以及新能源出行方式的快速发展迭代。并且伴随着光伏发电、风力发电、潮汐发电等可再生清洁能源的发电占比日益提升，锂离子电池作为高效储能介质受到广泛关注。然而，近年来，关于锂离子电池的安全事故不绝于新闻报道之中，随着锂离子电池的产品种类日益增加，应用场景越来越复杂严苛，对锂离子电池的安全性也提出更高的要求，其安全问题越来越受到关注。高比能和安全问题之间的矛盾很大程度上制约着锂离子电池的进一步发展和应用。目前，国际电工委员会(IEC)、中国国家标准(GB)以及日本工业标准(JIS)等制定的各类现行锂离子电池安全性测试标准主要从电池的电性能、使用安全性和环境耐受性等方面规范了各类包含锂离子电池产品在内的蓄电池的安全性能。其中，全球范围内应用最广泛的国际电工委员会IEC标准发布的IEC62133：2002《含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组便携式密封蓄电池和蓄电池组的安全性要求》标准规定电池的安全性能要进行指定用途试验，包括连续低倍率充电试验、振动试验、高温下模制壳体应力试验、温度循环试验；有原因的可预见的滥用部分包括电池的不正确安装、外短路试验、自由跌落、机械冲击、热滥用、挤压、低压、镍系电池的过度充电、锂离子电池的过度充电、强制放电、高倍率充电下电池保护等试验。试验要求被测电池在试验过程中不起火、不爆炸、不漏液、不排气、不烧、包装不破裂。随着新能源汽车蓬勃发展，国际电工委员会发布IEC62660-2：2010《电动道路交通工具推进二次单体锂离子电池第2部分可靠性和滥用测试》标准规范了纯电动汽车和混合电动车驱动用锂离子单体电池的安全测试项目，包括随机振动、机械冲击、高温耐受、温度循环、挤压、外部短路、过充、过放等，要求电池经过测试后不发生起火、爆炸、冒烟、泄露、包装破裂。相应的，中国国家标准GB也制定了一系列关于锂离子电池的国家标准。这些标准硬性规定了锂离子电池的出厂安全性能以及面对外部冲击和机械损坏时的安全性，但是即使在锂离子电池无滥用使用过程中仍有几率发生鼓包、起火、甚至爆炸等事故。因此，若能在使用过程中对锂离子电池的当前安全性能水平进行实时分析，在其出现异常但尚未发展到严重事故前给出预警信号，防患于未然将是非常重要的，对于锂离子电池的应用具有战略意义。锂离子电池冒烟、起火、爆炸等安全性事故多数都是在长期的使用过程中由电池老化和轻微的过充过放等引发的内部短路、自放电等缓慢发展的异常导致的，是一个量变引发质变的过程。目前，国内外对锂离子电池安全性能研究多集中于电池单体的滥用和电池组的故障原因。对于电池单体，多采用对滥用后电池进行解剖，然后以扫描电子显微镜对故障原因进行微观分析；对于电池组，多研究由其组装方式和机械设计所造成的故障。这些研究虽然有望在未来从源头上提升锂离子电池的安全性，但是当前所需的还是对锂离子电池使用过程中的安全性有效的保障和评定方法。同时，锂离子电池的管理系统的传感器故障、受到的网络攻击、外部短路、机械损坏等显著异常或故障亦对其安全产生威胁。因此，发展一种在使用过程中实时评估监测锂离子电池模组的安全水平的方法对其安全实现智能化的管理和应用尤为重要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种锂离子电池模组运行安全性评估预测方法、系统及电子设备，用于解决现有技术中锂离子电池模组运行安全亟待进一步保障的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种锂离子电池模组运行安全性评估方法，所述锂离子电池模组运行安全性评估方法至少包括：1)建立锂离子电池的等效电路模型，采用卡尔曼滤波对锂离子电池进行状态估计，得到状态预测值；2)基于锂离子电池状态的实际观测值与所述状态预测值计算残差；3)基于所述残差及所述残差的协方差计算距离度量；4)将所述距离度量与卡方检测阈值进行比较，当所述距离度量小于等于所述卡方检测阈值时认为锂离子电池模组运行正常，返回步骤1)进行下一个数据检测；当所述距离度量大于所述卡方检测阈值时认为锂离子电池模组运行异常；其中，所述卡方检测阈值由预设安全系数及锂离子电池模组的输出维数计算得到。可选地，所述锂离子电池模组包括单体锂离子电池、锂离子电池组、带有电池管理模块的单体锂离子电池或带有电池管理模块的锂离子电池组。更可选地，建立锂离子电池的等效电路模型，采用卡尔曼滤波得到所述状态预测值，满足如下关系式：L＝FPHT(HPHT+Rη)-1，P＝FPFT+Rν-FPHT(HPHT+Rη)-1HPFT，其中，为相邻时刻的状态预测值，F为状态转移矩阵，G为输入矩阵，uk为输入向量，L为卡尔曼滤波增益，yk为输出向量，H为观测矩阵，P为状态向量协方差矩阵，HT为观测矩阵的转置矩阵，Rη为输出高斯噪声向量的协方差矩阵，FT为状态转移矩阵的转置矩阵，Rν为输入高斯噪声向量的协方差矩阵。更可选地，所述残差满足如下关系式：其中，rk为残差，yk为输出向量，H为观测矩阵，为状态预测值，ek为预测误差向量，ηk为输出高斯噪声向量，δk为异常信号输出向量。更可选地，所述残差的协方差满足如下关系式：其中，Φ为残差的协方差，E为期望，rk+1为残差，为残差的转置矩阵，H为观测矩阵，P为协方差矩阵，HT为观测矩阵的转置矩阵，Rη为输出高斯噪声向量的协方差矩阵。更可选地，所述距离度量满足如下关系式：其中，zk为距离度量，rk为残差，Φ-1为残差协方差的逆矩阵，为残差的转置矩阵。更可选地，所述卡方检测阈值满足如下关系式：其中，α为卡方检测阈值，γ-1为正则化下不完全Γ函数的反函数，S*为预设安全系数，m为输出维数。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种锂离子电池模组运行安全性预测方法，所述锂离子电池模组运行安全性预测方法至少包括：采用上述锂离子电池模组运行安全性评估方法判断锂离子电池模组运行状态是否正常，当锂离子电池模组运行状态异常时，记录运行异常时卡方检测运行的时长，并计算在一个测试周期内的平均运行时长；基于锂离子电池模组运行异常时的卡方检测运行时长及一个测试周期内的平均运行时长计算当前测试周期的安全系数。可选地，所述平均运行时长满足如下关系式：Δ＝E(K)，其中，Δ为平均运行时长，E为期望，K为一个周期内距离度量每次超出阈值时卡方检测运行的时长。可选地，所述安全系数满足如下关系式：其中，S为安全系数，Δ为平均运行时长，a为预设系数。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种锂离子电池模组运行安本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池模组运行安全性评估方法，其特征在于，所述锂离子电池模组运行安全性评估方法至少包括：/n1)建立锂离子电池的等效电路模型，采用卡尔曼滤波对锂离子电池进行状态估计，得到状态预测值；/n2)基于锂离子电池状态的实际观测值与所述状态预测值计算残差；/n3)基于所述残差及所述残差的协方差计算距离度量；/n4)将所述距离度量与卡方检测阈值进行比较，当所述距离度量小于等于所述卡方检测阈值时认为锂离子电池模组运行正常，返回步骤1)进行下一个数据检测；当所述距离度量大于所述卡方检测阈值时认为锂离子电池模组运行异常；其中，所述卡方检测阈值由预设安全系数及锂离子电池模组的输出维数计算得到。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池模组运行安全性评估方法，其特征在于，所述锂离子电池模组运行安全性评估方法至少包括：
1)建立锂离子电池的等效电路模型，采用卡尔曼滤波对锂离子电池进行状态估计，得到状态预测值；
2)基于锂离子电池状态的实际观测值与所述状态预测值计算残差；
3)基于所述残差及所述残差的协方差计算距离度量；
4)将所述距离度量与卡方检测阈值进行比较，当所述距离度量小于等于所述卡方检测阈值时认为锂离子电池模组运行正常，返回步骤1)进行下一个数据检测；当所述距离度量大于所述卡方检测阈值时认为锂离子电池模组运行异常；其中，所述卡方检测阈值由预设安全系数及锂离子电池模组的输出维数计算得到。


2.根据权利要求1所述的锂离子电池运行安全性评估方法，其特征在于：所述锂离子电池模组包括单体锂离子电池、锂离子电池组、带有电池管理模块的单体锂离子电池或带有电池管理模块的锂离子电池组。


3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池模组运行安全性评估方法，其特征在于：对锂离子电池建立等效电路模型，采用卡尔曼滤波得到所述状态预测值，满足如下关系式：



L＝FPHT(HPHT+Rη)-1，
P＝FPFT+Rν-FPHT(HPHT+Rη)-1HPFT，
其中，为相邻时刻的状态预测值，F为状态转移矩阵，G为输入矩阵，uk为输入向量，L为卡尔曼滤波增益，yk为输出向量，H为观测矩阵，P为状态向量协方差矩阵，HT为观测矩阵的转置矩阵，Rη为输出高斯噪声向量的协方差矩阵，FT为状态转移矩阵的转置矩阵，Rν为输入高斯噪声向量的协方差矩阵。


4.根据权利要求1或2所述的锂离子电池模组运行安全性评估方法，其特征在于：所述残差满足如下关系式：



其中，rk为残差，yk为输出向量，H为观测矩阵，为状态预测值，ek为预测误差向量，ηk为输出高斯噪声向量，δk为异常信号输出向量。


5.根据权利要求3所述的锂离子电池模组运行安全性评估方法，其特征在于：所述残差的协方差满足如下关系式：



其中，Φ为残差的协方差，E为期望，rk+1为残差，为残差的转置矩阵，H为观测矩阵，P为协方差矩阵，HT为观测矩阵的转置矩阵，Rη为输出高斯噪声向量的协方差矩阵。


6.根据权利要求1或2所述的锂离子电池模组运行安全性评估方法，其特征在于：所述距离度量满足如下关系式：



其中，zk为距离度量，rk为残差，Φ-1为残差协方差的逆矩阵，为残差的转置矩阵。


7.根据权利要求1或2所述的锂离子电池模组运行安全性评估方法，其特征在于：所述卡方检测阈值满足如下关系式：



其中，α为卡方检测阈值，γ-1为正则化下不完全Γ函数的反函数，S*为预设安全系数，m为输出维数。


8.一种锂离子电池模组运行安全性预测方法，其特征在于，所述锂离子电池模组运行安全性预测方法至少包括：
采用如权利要求1～7任意一项所述的锂离子电池模组运行安全性评估方法判断锂离子电池模组运行状态是否正常，当锂离子电池模组运行状态异常时，记录运行异常时卡方检测运行的时长，并计算在一个测试周期内的平均运行时长；基于锂离子电池模组运行异常时的卡方检测运行时长及一个测试周期内的平均运行时长计算当前测试周期的安全系数。
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【专利技术属性】
技术研发人员：朱广焱，张鹏博，施璐，谈文，
申请(专利权)人：上海派能能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31