一种锂电池组安全裕度的估算方法与流程

1.本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种锂电池组安全裕度的估算方法。

背景技术：

2.随着锂电池应用的不断普及，锂电池组的安全性也越来越被用户所关注，特别是在电动交通工具领域，一但锂电池组发生热失控等安全事故，往往会带来人员和财产的重大伤亡。
3.目前电池的实时安全性判断主要通过对电池组内部电芯的温度进行判断。如果温度达到上限值，则会进行安全告警并切断电池组输出。部分安全性要求较高的应用场合，如电动汽车锂电池组，会采用更为复杂的电池组散热控制系统，通过调节风扇或循环泵的转速来实现电池温度保持在恒定区间，从而避免电池热失控的发生。但该方案会显著增加系统的复杂度和成本，并且无法对电池组的实时安全性做出准确的量化评估，从而限制了其应用的场合。
4.受限于目前技术瓶颈，锂电池组的安全性还无法做到像铅酸电池等其它类型的化学电池那样稳定，因此，如何解决锂电池组在使用过程中安全性，也就成了锂电行业应用的一大痛点。目前，可行的相关技术分为主动安全防护和被动安全防护。所谓被动安全防护，就是通过对锂电池的壳体、安装工艺和锂电芯的生产制造工艺进行改进，使其不易产生热失效、爆炸等安全问题，就算产生，也可以使造成的损失最小化。而主动安全防护，则是通过对电池发生热失效的可能性进行预判，从而发出告警或采取电池断电措施，从而避免发生电池安全性事故。但该方法需要对电池的实时安全性能进行准确判断，目前还未有成熟可靠的判断方法。为此提出一种锂电池组安全裕度的估算方法以解决以上问题。

技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种锂电池组安全裕度的估算方法，解决现有技术中存在的问题。
6.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
7.一种锂电池组安全裕度的估算方法，包括以下步骤：
8.通过采集记录电池组外部激励动态变化过程中电池组电流和电芯电压的变化情况，得到多组电池组电流和电芯电压的采样值数组；
9.对每一组电芯电压的采样值数组进行排序比较，得到电芯电压的最大与最小值的偏差绝对值系数，并计算得到电池组的电压不平衡度；
10.将相邻两组电芯电压的采样值数组中电芯电压的增量和一组电池组电流的采样值数组中电流的增量的绝对值进行比值运算，得到每个电芯的动态阻抗系数，并计算得到电池组电芯电压的相干系数；
11.对一组电芯电压的采样数组相邻的三组数据进行运算后，再对该组电芯电压的采样值进行运算，得到两个过程参数，并计算得到电池组电芯的安全系数；
12.根据同步计算后得到的电池组电压不平衡度、电池组电芯电压的相干系数和电池组电芯的安全系数，计算得到当前锂电池组的安全裕度值。
13.进一步地，所述的电池组电压电流采集流程为外部激励加载流程提供时间基准，得到总执行时间tp。
14.进一步地，所述电芯电压的最大与最小值的偏差绝对值系数kvd为：
[0015][0016]
其中，k值对电池组中电芯的数目，vco为n组长度为k的电芯电压的采样值数组，vavg为该组中所有vco值的算术平均值，vdmax为该组内vco的最大与最小值偏差绝对值。
[0017]
进一步地，所述电池组的电压不平衡度kub为：
[0018][0019]
进一步地，所述每个电芯的动态阻抗系数krd表达式为：
[0020][0021]
其中，ib为电池组电流。
[0022]
进一步地，所述电池组的电芯电压相干系数kco的表达式为：
[0023][0024]
其中，krdmax和krdmin为长度为k的一组krd中的最大值和最小值。
[0025]
进一步地，所述过程参数k1的表达式为：
[0026][0027]
所述过程参数k2的表达式为：
[0028][0029]
所述电池组电芯安全系数ksc的表达式为：
[0030][0031]
进一步地，所述电池组安全裕度ms的表达式为：
[0032]ms
＝k
c1
*(1-k
ub
)+k
c2
*(1-k
co
)+(1-k
c1-k
c2
)*(1-k
sc
)
[0033]
其中，kc1和kc2为权重系数。
[0034]
进一步地，所述电池组电芯电压不平衡度计算、电池组电芯电压相干系数计算和电池组电芯安全系数计算为并行执行，所述电池组外部激励加载和电池组电压电流采集为同步执行。
[0035]
本发明提供了一种锂电池组安全裕度的估算方法，具备以下有益效果：
[0036]
(1)通过电池组安全裕度参数值来实时量化评估锂电池组当前的安全性，而且不依赖于电池组电芯的温度值，电池管理装置可以通过对该值所处的区间，决定当前锂电池组可以多大电流进行充放电而不至于影响电池的使用安全性；特别是当锂电池组可能发生热失控时，该参数值会产生较大的变化，用户可以根据该变化，提前切断锂电池组的输入输出，并开启降温措施，发出故障警告，从而降低锂电池事故发生的概率；
[0037]
(2)采用本发明提出的技术方案，可有效解决目前关于锂电池组使用过程中的安全性能评估问题，使安全评估结果可以做到量化和高实时性；
[0038]
(3)准确评估锂电池当前的使用安全性，同时充分考虑电池组中每个电芯的差异性；
[0039]
(4)将锂电池组的使用安全性量化为电池组的安全裕度指标，使用户可以直观的了解锂电池组的实时安全性；
[0040]
(5)锂电池组安全裕度计算不依赖于电池组的温度传感器，可以预判锂电池组可能发生的热失控风险，属于锂电池组的主动安全防护技术；同时锂电池组安全裕度计算过程过程更快，可以秒级完成。
附图说明
[0041]
图1为本发明的锂电池组安全裕度计算流程示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0043]
为实现锂电池组实时安全性能的准确评估，本发明提供了一种锂电池组安全裕度的计算方法。
[0044]
如图1所示，锂电池组安全裕度计算流程由电池组外部激励加载流程、电池组电压电流采集流程、电池组电芯电压不平衡度计算流程、电池组电芯电压相干系数计算流程、电池组电芯安全系数计算流程和电池组安全裕度计算流程组成；各流程的工作顺序为：先执行电池组初始电压电流采集流程，再依次执行电池组外部激励加载流程和电池组电压电流采集流程，其中，电池组电压电流采集流程为电池组外部激励加载流程提供时间反馈，以确保后者按严格的时间顺序要求，完成指定时间内的电池组外部激励变化，并将每次激励变化对应的电池组内每个电芯的电压和和电池组电流准确记录。在数据记录达到要求后，同步开始电池组电池组电芯不平衡度计算流程、电池组电芯电压相干系数计算流程和电池组电芯安全系数计算流程的运行，并将三个流程产生的运算结果同步输出到电池组安全裕度计算流程中，从而计算得到当前锂电池组的安全裕度值。
[0045]
电池组外部激励加载流程即通过动态改变电池组的外部加载负载，使电池组电压和电流产生规律性变化，该加载过程时间受电池组电压电流采集流程控制，加载负载的变
化规律与时间呈现一一对应的函数规律。
[0046]
所述的电池组电压电流采集流程实时采集记录电池组外部激励动态变化过程中电池组电流ib的变化情况和每个电芯电压vco的变化情况，其中k值对应电池组中电芯的数目；同时，该采集流程还为外部激励加载流程提供时间基准。在该流程结束时，其完成了n组电压和电流采样，得到一组长度为n的ib采样值数组，n组长度为k的vco采样值数组，和该流程的总执行时间tp。该流程会将上述数据同步传送给电池组电芯不平衡度计算流程、电池组电芯电压相干系数计算流程和电池组电芯安全系数计算流程。
[0047]
电池组电芯电压不平衡度计算流程通过对n组长度为k的vco采样值数组中每一组进行排序比较，出该组内vco的最大与最小值偏差绝对值vdmax，若该值为0，则偏差绝对值权值系数kvd＝1；否则，对该组中所有vco值取算术平均值，得到vavg；随后，可以得到每组vco数据的偏差绝对值权值系数kvd的表达式如下：
[0048][0049]
对n组vco数据可以得到n个kvd值，则可得到电池组的电压不平衡度kub表达式如下：
[0050][0051]
计算得到的kub参数值会输出给电池组安全裕度计算流程。
[0052]
电池组电芯电压相干系数计算流程为，通过将n组长度为k的vco采样值数组中的相邻两组数据中vco的增量δvco和一组长度为n的ib采样值数组中电流ib增量δib的绝对值进行比值运算，在δib不为零的情况下，得到每个电芯的动态阻抗系数krd表达式如下：
[0053][0054]
若δib为零，则krd为零。在完成电池组中每个电芯的krd计算后，得到长度为k的一组krd值；对该组数据进行排序，出最大值krdmax和最小值krdmin，若二者相等，则得到电池组的电芯电压相干系数kco＝0，否则，可以得到kco表达式如下：
[0055][0056]
计算得到的kco参数值会输出给电池组安全裕度计算流程。
[0057]
电池组电芯安全系数计算流程为，通过将n组长度为k的vco采样值数组中的同一电芯电压相邻三组数据中vco按如下公式进行运算，可以得到过程参数k1的表达式如下：
[0058][0059]
再通过对n组长度为k的vco采样值进行如下运算，得到过程参数k2的表达式如下：
[0060][0061]
其中，表达式中所列的k2＝f(v)即为预先建好的数据表，其数值与电池类型相关，并通过实验数据测量得到；表的输入为电芯电压，输出为过程参数k2。在此基础上，可以得到电池组电芯安全系数ksc的表达式为：
[0062][0063]
计算得到的ksc参数值会输出给电池组安全裕度计算流程。
[0064]
电池组安全裕度计算流程为，将前述计算得到的kub、kco和ksc进行如下运算，得到电池组安全裕度ms的表达式为：
[0065]ms
＝k
c1
*(1-k
ub
)+k
c2
*(1-k
co
)+(1-k
c1-k
c2
)*(1-k
sc
)
[0066]
其中，kc1和kc2为权重系数，针对不同的电池类型有所不同。
[0067]
具体实施方式如下：
[0068]
本实施例中，锂电池组的安全裕度参数值计算由6个流程构成，分别为电池组外部激励加载流程、电池组电压电流采集流程、电池组电芯电压不平衡度计算流程、电池组电芯电压相干系数计算流程、电池组电芯安全系数计算流程和电池组安全裕度计算流程；上述流程中，电池组电芯电压不平衡度计算流程、电池组电芯电压相干系数计算流程和电池组电芯安全系数计算流程为并行执行；电池组外部激励加载流程和电池组电压电流采集流程为同步执行。
[0069]
本实施例中，锂电池组的电芯数目为20，电池类型为磷酸铁锂电池，容量为50ah。电池组外部激励加载流程所采用的激励加载信号为频率100hz的方波信号，通过pwm开关电路控制电池以50a的脉冲电流放电，持续时间为3秒钟；期间，电池组电压电流采集流程同步工作，以1khz的采样速率对电池组的电压和电流进行采样，共得到3000组电流数据ib和3000
×
20组电芯电压数据vco，将该数据并行传输到电池组电芯电压不平衡度计算流程、电池组电芯电压相干系数计算流程、电池组电芯安全系数计算流程。
[0070]
本实施例中，电池组电芯电压不平衡度计算流程通过对3000
×
20组电芯电压数据vco中的每20个电芯电压数据进行排序，可得到3000组vcomax和vcomin数据，并在此基础上按前述公式得到3000组偏差绝对值权值系数kvd，进而得到电池组的电压不平衡度参数值kub。
[0071]
本实施例中，电池组电芯电压相干系数计算流程通过对3000
×
20组电芯电压数据vco和3000组电池电流数据ib按前述公式计算，得到长度为20的动态阻抗系数值krd数组；并进一步按公式计算得到电池组的电芯电压相干系数值kco。
[0072]
本实施例中，电池组电芯安全系数计算流程通过对每个电芯的3000组vco数据进行相邻三组数据按前述表达式计算，可得到过程参数k1，k2则通过以前述公式计算得出的电池组最高电芯电压为自变量，查预先建好的数据表k2＝f(v)可以得到；最终的电池组电芯安全系数ksc即为二者的比值。
[0073]
本实施例中，电池组的安全裕度计算流程通过对kub、kco和ksc采用前述表达式进行计算获得，本实施例中测试的电池组为磷酸铁锂类型，根据实验数据可得出前述表达式
中的权重系数kc1＝0.52，kc2＝0.13。
[0074]
设计了基于锂电池组安全裕度值的全新的电池安全性能评估方法，其与现有的技术方案不同，完全不依赖于温度传感器感知的电池组温度，或是通过热循环控制使电池组温度维持在合理区间，而是通过对电池组电流和内部每个电芯的电压进行采样，结合设计的参数评估算法，实时得出量化的每个电池组安全裕度值，其为0～1之间的数值，通过对改安全裕度值进行比较，我们可以判断当前电池组的安全性，数值越高，当前电池组使用越安全，可以进行满功率的充电和放电，反之，则视数值的大小可以做出限值输入输出功率，报警和切断电池开关等不同操作，从而起到锂电池组安全事故的主动防护，提升锂电池组的使用安全性。
[0075]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种锂电池组安全裕度的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：通过采集记录电池组外部激励动态变化过程中电池组电流和电芯电压的变化情况，得到多组电池组电流的采样值数组和电芯电压的采样值数组；对每组电芯电压的采样值数组中的电芯电压数据进行排序，得到电芯电压的最大与最小值的偏差绝对值系数，并计算得到电池组的电压不平衡度；将电芯电压的采样值数组中相邻数组的两组数据中电芯电压的增量和一组电池组电流的采样值数组中电流增量的绝对值进行比值运算后取最大值，得到每个电芯的动态阻抗系数，并计算得到电池组电芯电压的相干系数；对每组电芯电压的采样数组中同一电芯电压的相邻三组数据进行运算后取该运算结果的最大值与最小值进行比值运算，得到第一个过程参数，再通过对电芯电压的采样值进行运算后选取电池组最高的电芯电压为自变量，得到第二个过程参数，并计算得到电池组电芯的安全系数；根据同步计算后得到的电池组电压不平衡度、电池组电芯电压的相干系数和电池组电芯的安全系数，计算得到当前锂电池组的安全裕度值。2.根据权利要求1所述的一种锂电池组安全裕度的估算方法，其特征在于，所述电芯电压的最大值与最小值的偏差绝对值系数kvd为：其中，k值对电池组中电芯的数目，vco为n组长度为k的电芯电压的采样值数组，vavg为该组中所有vco值的算术平均值，vdmax为该组内vco的最大与最小值偏差绝对值。3.根据权利要求2所述的一种锂电池组安全裕度的估算方法，其特征在于，所述电池组的电压不平衡度kub为：4.根据权利要求3所述的一种锂电池组安全裕度的估算方法，其特征在于，所述每个电芯的动态阻抗系数krd表达式为：其中，ib为电池组电流。5.根据权利要求4所述的一种锂电池组安全裕度的估算方法，其特征在于，所述电池组的电芯电压相干系数kco的表达式为：其中，krdmax和krdmin为长度为k的一组krd中的最大值和最小值。6.根据权利要求5所述的一种锂电池组安全裕度的估算方法，其特征在于，所述第一个过程参数k1的表达式为：
所述第二个过程参数k2的表达式为：所述电池组电芯安全系数ksc的表达式为：7.根据权利要求6所述的一种锂电池组安全裕度的估算方法，其特征在于，所述电池组安全裕度ms的表达式为：m
s
＝k
c1
*(1-k
ub
)+k
c2
*(1-k
co
)+(1-k
c1-k
c2
)*(1-k
sc
)其中，kc1和kc2为权重系数。8.根据权利要求1所述的一种锂电池组安全裕度的估算方法，其特征在于，所述电池组电芯电压不平衡度计算、电池组电芯电压相干系数计算和电池组电芯安全系数计算为并行执行，所述电池组外部激励加载和电池组电压电流采集为同步执行。

技术总结

本发明公开了一种锂电池组安全裕度的估算方法，涉及电池技术领域，通过对电池组外部激励动态变化采集得到电池组外部激励动态变化过程中电池组电流和每个电芯电压的采样值数组，对电芯电压的采样值数组中的每一组进行排序比较后计算得到电压不平衡度；将电芯电压的采样值数组中的相邻两组数据中电芯电压的增量和一组电池组电流的采样值数组中电流增量的绝对值进行比值运算后，计算得到电芯电压相干系数；对电芯电压的采样值数组中的同一电芯电压相邻三组数据进行运算后计算得到电芯的安全系数；根据同步运行计算后的结果得到当前锂电池组的安全裕度值；通过电池组安全裕度参数值来实时量化评估锂电池组当前的安全性。参数值来实时量化评估锂电池组当前的安全性。参数值来实时量化评估锂电池组当前的安全性。