基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于电化学阻抗谱(EIS)参数提取的在线电池热失控预警方法及系统。该方法包括：用于电池热失控预警的EIS关键参数提取的实验装置及方法，所述的实验装置包括：电池、可以提供绝热环境的腔室、电池测试装置、EIS在线采集装置及上位机，所述的参数提取方法包括特征重要度分析算法及敏感性分析算法；所述的热失控预警系统包括：电池、EIS在线采集装置及上位机；所述的热失控预警方法依据提取的热失控预警关键参数，针对不同连接方式的电池，在电池温度超过热管理阈值上限时发出热失控一级预警，在电池自产热温度区间发出热失控二级预警，在电池电压掉落时发出热失控三级预警。警。警。

【技术实现步骤摘要】
基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法及系统


[0001]本专利技术属于锂离子电池安全领域，涉及一种基于电化学阻抗谱(EIS)参数提取的在线电池热失控预警方法及系统。

技术介绍

[0002]随着新能源技术的不断发展和电池生产制造工艺的日渐成熟，电池开始在新能源汽车和储能电站中大规模应用。电池安全成为制约新能源技术发展的一大瓶颈，大量有关动力电池及储能电池的热失控预警技术也在不断发展。传统热失控预警技术依赖于对电池外在物理参数的监控例如，电压、电流及温度等，或者电池热失控前安全阀打开后释放出的有机和无机气体的探测。受限于体积和经济成本的因素，电池模组箱中的传感器数量有限，无法对每个电芯都进行有效监控，而且由于热扩散和气体扩散的延迟效应，温度传感器和气体传感器的响应时间较为滞后。为了提高预警参数的维度，增加预警的成功率和可靠性，将预警时间提前，引入一种可以实时反映电池内部状态的参数至关重要。EIS作为一种可以反映电池内部状态的手段已经被大量研究，EIS可以反映电池内部荷电状态(SOC)、老化程度(SOH)以及内部温度。目前，一些便携式高精度的小型EIS监测模块已经在电动汽车上使用，可以监测被测量电池在不同频率下的电化学阻抗参数，包括阻抗实部Z
’
和虚部Z”，进而得到阻抗的绝对值|Z|以及相位角θ。如何在大量参数中提取热失控预警关键参数以及利用参数进行热失控预警尤为重要。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法及系统，通过搭建热失控预警的EIS关键参数提取的实验装置成功提取了用于预警的有效参数，然后通过实验提取的热失控关键EIS参数搭建了电池热失控预警系统，开发了一套适用于不同连接方式的电池热失控预警方法并且成功对电池热失控进行了预警。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术使用了以下技术方案：
[0005]一种基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1、获取不同温度和荷电状态下电池的电化学阻抗谱；
[0007]步骤2、使用RReliefF算法和敏感性分析提取EIS关键参数，所述EIS关键参数包括：阻抗实部Z
’
和虚部Z”，阻抗的绝对值|Z|以及相位角θ；
[0008]步骤3、确定EIS关键参数对应的热失控预警节点；
[0009]步骤4、使用提取的EIS关键参数和节点对不同连接方式的电池进行热失控预警。
[0010]进一步地，所述步骤2中，使用RReliefF算法对获得的大量EIS关键参数进行重要度分析，使用箱线图对数据特征进行敏感性分析；根据所述的重要度分析筛选对温度预测效果较好的特征参数、根据所述敏感性分析找到对温度敏感性较高且对SOC敏感度较低的热失控预警关键参数。
[0011]进一步地，所述步骤4中，所述电池的连接方式包括电池单体、串联模组、并联模
组。
[0012]进一步地，所述步骤4包括：在电池温度超过热管理最佳温度阈值上限时发出热失控一级预警，在电池自产热温度区间发出热失控二级预警，在电池电压掉落时发出热失控三级预警。
[0013]进一步地，对于三元锂离子电池来说，其热管理最佳温度阈值上限为45℃，所述的电池自产热温度区间为80℃～105℃。
[0014]进一步地，对于串联模组来说，当阻抗绝对值|Z|或相位角θ超过预警阈值时，发出热失控一级预警，若未超过则热失控风险较低；在一级预警的基础上，若阻抗绝对值|Z|的斜率是否由负变正并持续增加或电池相位角θ开始波动并且Δθ<0，则发出二级预警；在二级预警的基础上，若阻抗绝对值|Z|的数量级增加，则发出热失控三级预警。
[0015]进一步地，对于并联模组电池来说，若并联模组的阻抗绝对值|Z|或相位角θ超过预警阈值时，发出热失控一级预警，若未超过则热失控风险较低；在一级预警的基础上，若电池相位角θ的斜率由正变负并且继续减少，则发出热失控二级预警；在二级预警的基础上，若模组的阻抗绝对值|Z|的增加超过预警阈值或相位角θ的斜率由负变正并开始增加，则发出热失控三级预警。
[0016]本专利技术还提供一种基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法的热失控预警系统，包括电池、可以提供绝热环境的腔室、电池测试装置、电化学阻抗谱在线监测设备及上位机；根据所述的可以提供绝热环境的腔室改变电池的温度，使电池内部热量达到平衡状态；根据所述的电池测试装置对电池进行充放电，改变电池的荷电状态；根据所述的电化学阻抗谱在线监测设备和上位机采集和分析温度达到稳定时以及不同荷电状态时电池的温度和电化学参数变化情况；所述的可以提供绝热环境的腔室的壁面温度通过所述的上位机编程控制，所述腔室内包含有监测壁面温度的温度采集装置以及监测样品温度的温度采集装置。
[0017]进一步地，所述的可以提供绝热环境的腔室为绝热加速量热仪，其内设置有密封绝热罐体。
[0018]进一步地，所述电化学阻抗谱在线监测设备在电池充放电的动态工况下采集数据，通过菊花链连接同时采集多通道的数据，测量不同频率下电池的阻抗实部Z
’
和虚部Z”，进而计算得出阻抗绝对值|Z|以及相位角θ，|Z|和θ由以下公式计算：
[0019][0020]θ＝arctan
‑1(
‑
Z"/Z')。
[0021]进一步地，所述的电化学阻抗谱在线监测设备包括电池管理芯片、PC主控板及FPC从控板。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]本专利技术基于电池的EIS数据提取热失控预警关键参数，可以筛选出对电池温度敏感而对SOC不敏感的EIS参数，然后通过筛选出的热失控关键预警参数对不同连接方式的电池进行热失控预警。该方法解决了以往预警频率和预警参数选择随意的问题，有较好的鲁棒性和针对性，可有效弥补电压、温度、气体传感器预警延迟的缺点，为车载BMS的预警提供了一种新方法。
附图说明
[0024]图1为用于电池热失控预警的EIS关键参数提取的实验装置示意图；
[0025]图2为热失控预警系统示意图；
[0026]图3为热失控预警方法流程图；
[0027]图4为实施例1中不同温度和SOC下电池的Nyquist图；
[0028]图5为实施例1中提取的热失控关键参数|Z|和θ的变化曲线，图5(a)和(b)分别代表热失控关键参数提取实验过程中电池1kHz下的交流阻抗绝对值|Z|和相位角θ的变化曲线；
[0029]图6为实施例1中并联模组热失控预警实验时的电压和温度曲线图；
[0030]图7为实施例1中并联模组热失控预警实验时|Z|和θ的变化曲线图；其中，图(a)加热过程中电池1kHz下的交流阻抗绝对值|Z|的变化曲线，图(b)为相位角θ的变化曲线；
[0031]图8为本专利技术的基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法流程图。
[0032]图中，1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、获取不同温度和荷电状态下电池的电化学阻抗谱(EIS)；步骤2、使用RReliefF算法和敏感性分析提取EIS关键参数，所述EIS关键参数包括：阻抗实部Z
’
和虚部Z”，阻抗的绝对值|Z|以及相位角θ；步骤3、确定EIS关键参数对应的热失控预警节点；步骤4、使用提取的EIS关键参数和节点对不同连接方式的电池进行热失控预警。2.根据权利要求1所述的一种基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法，其特征在于：所述步骤2中，使用RReliefF算法对获得的大量EIS关键参数进行重要度分析，使用箱线图对数据特征进行敏感性分析；根据所述的重要度分析筛选对温度预测效果较好的特征参数、根据所述敏感性分析找到对温度敏感性较高且对SOC敏感度较低的热失控预警关键参数。3.根据权利要求1所述的一种基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法，其特征在于：所述步骤4中，所述电池的连接方式包括电池单体、串联模组、并联模组。4.根据权利要求3所述的一种基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法，其特征在于：所述步骤4包括：在电池温度超过热管理最佳温度阈值上限时发出热失控一级预警，在电池自产热温度区间发出热失控二级预警，在电池电压掉落时发出热失控三级预警。5.根据权利要求4所述的一种基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法，其特征在于：所述的热管理最佳温度阈值上限为45℃，所述的电池自产热温度区间为80℃～105℃。6.根据权利要求3所述的一种基于EIS参数提取的在线电池热失控预警方法，其特征在于：对于单体或串联电池组，当阻抗绝对值|Z|或相位角θ超过预警阈值时，发出热失控一级预警，若未超过则热失控风险较低；在一级预警的基础上，若阻抗绝对值|Z|的斜率是否由负变正并持续增加或电池相位角θ开始波动并且Δθ<0，则发出热失控二级预...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青松，李宇轩，金凯强，汪书苹，秦鹏，程宜风，梅文昕，孙金华，
申请(专利权)人：国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：