一种基于端面应变的电池安全防护系统和方法

1.本发明涉及锂离子动力电池热失控与热安全领域，尤其是涉及一种基于端面应变的电池安全防护系统和方法。


背景技术：

2.锂离子动力电池凭借其比能量、循环寿命等方面的优势在交通运输、消费类电子产品、储能系统中已获得广泛认可和量产利用。然而，随着市场和用户对电池能量密度持续提出更高的要求，采用高镍三元正极材料的高比能电池热稳定性有所降低，大大增加了热失控引发的安全事故风险。因此，电动汽车、储能电站的发展需求对锂离子电池系统的热安全的预警与安全防护提出了更高的要求。
3.目前，对锂离子电池系统热失控预警的方法主要有两种，一是基于部分电池表面测点温度的方法；二是基于电池电压下降的方法。
4.然而，对于锂离子电池系统热失控的预警，大多存在“不计成本”、“滞后性严重”等特点，电压预警法预警时长较短且仅适用于串联电池系统，目前没有效果较好、可推广的方法。
5.此外，因为热失控过程反应机理非常复杂，不同材料体系电池间存在较大差异，目前尚无较为可靠的普适性安全防护方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种基于端面应变的电池安全防护系统和方法，采用压力传感器获取应变片的实时应变变化率判断电池系统是否需要加强散热或进行灭火。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种基于端面应变的电池安全防护系统，用于由多个锂电池单体规律排布构成的锂电池组，安全防护系统包括锂电池组任意外侧大面中心布置的应变片、下端液冷板、灌注系统以及电池管理系统；
9.应变片连接压力传感器，锂电池组、压力传感器和灌注系统与电池管理系统无线连接，电池管理系统根据压力传感器提供的应变信息控制灌注系统的开关状态；
10.下端液冷板设于锂电池组的下方，下端液冷板中设有液冷系统；
11.灌注系统包括灭火剂存储器和喷头，灌注系统设于锂电池组的上方；
12.应变片外包裹有高温胶。
13.进一步地，灌注系统的灭火剂为全氟己酮/七氟丙烷灭火剂。
14.进一步地，灌注系统采用的灭火方式为灌注灭火。
15.本发明的另一方面，提出一种基于端面应变的电池安全防护方法，基于上述的电池安全防护系统，方法包括以下步骤：
16.步骤1)电池管理系统通过应变片检测锂电池组中任一单体电池产生端面应变值
变化；
17.步骤2)基于应变值变化计算实时应变变化率；
18.步骤3)电池管理系统判断锂电池组是否处于充放电状态，若是，则执行步骤4)，若否，则执行步骤5)；
19.步骤4)电池管理系统判断充放电状态下的锂电池组的应变变化率是否大于正常充放电阈值，若否，则继续当前工作状态，若是，则判断应变变化率是否大于热失控阈值，若是，电池管理系统启动灌注系统，若否，则电池管理系统控制液冷系统增强散热；
20.步骤5)电池管理系统判断不处于充放电状态下的锂电池组的应变变化率是否大于热失控阈值，若是，电池管理系统启动灌注系统，若否，则电池管理系统控制液冷系统增强散热；
21.上述步骤中的热失控阈值与锂电池组的参数相关。
22.进一步地，应变变化率的表达式为：
[0023][0024]
其中，r(t)为t时刻的应变变化率，ε(t)为端面实时应变值。
[0025]
进一步地，热失控阈值在热失控前期为第一阈值ri，在热失控触发后为第二阈值r
ii
。
[0026]
进一步地，第一阈值ri和第二阈值r
ii
根据锂电池组所选电池材料体系、容量大小、封装形式，以及锂电池组在各类工况及失效情况下测定。
[0027]
进一步地，启动灌注系统具体为：电池管理系统控制灌注系统打开开关，灭火剂从灌注系统的喷头中喷出，灌注到锂电池组上。
[0028]
进一步地，电池管理系统控制液冷系统增强散热具体为：电池管理系统控制液冷系统中冷却液的流速增快。
[0029]
进一步地，电池管理系统控制液冷系统增强散热具体为：电池管理系统控制液冷系统进口的冷却液的温度降低。
[0030]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0031]
(1)本发明采用压力传感器获取应变片的实时应变变化率，可以进行电池系统排布方向任意一节电池热失控安全预警，同时采用的热失控阈值与锂电池组的参数相关，可满足各种封装方式、容量大小、材料体系电池的热失控蔓延阻断安全防护，适用范围广。
[0032]
(2)本发明基于电池自身热失控过程演变机制，利用电池失效过程自身特点发挥作用，能够在发生热失控前及时处理、实现单体热失控的抑制及极端情况下电池系统热失控蔓延的阻断。
[0033]
(3)本发明利用现有电池系统常规设计拓展，便于安装、维护，仅需增加应变片、喷头等元件，加工装配简单方便。
附图说明
[0034]
图1为本发明的系统的结构示意图；
[0035]
图2为本发明的方法流程图；
[0036]
图3为本发明的热失控时电压温度-时间图；
[0037]
图4为本发明的热失控电压温度-时间图中的触发部分放大示意图；
[0038]
图中，1-锂电池组；2-应变片、3-下端液冷板、4-灌注系统，5-电池管理系统。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0040]
本发明提出一种基于端面应变的电池安全防护系统，系统的结构图如图1所示。
[0041]
系统用于由多个锂电池单体规律排布构成的锂电池组1，安全防护系统包括锂电池组1任意外侧大面中心布置的应变片2、下端液冷板3、灌注系统4以及电池管理系统5；
[0042]
应变片2连接压力传感器，锂电池组1、压力传感器和灌注系统4与电池管理系统5无线连接，以减少线束、提升电池系统空间利用率，减少因线束松动造成的信号传输中断，电池管理系统5根据压力传感器提供的应变信息控制灌注系统4的开关状态。
[0043]
下端液冷板3设于锂电池组1的下方，下端液冷板3中设有液冷系统；
[0044]
灌注系统4设于锂电池组1的上方，灌注系统4包括灭火剂存储器和喷头。
[0045]
应变片2为保证在温度升高过程工作足够长的时间防止过早失效，采用耐高温胶粘贴包覆。下端液冷板3的液冷系统用于降温延缓热失控的发生甚至实现热失控蔓延阻断。
[0046]
锂电池组1的灌注系统4用于当电池发生失效后及时进行灭火剂灌注灭火，杜绝电池热失控及火焰的蔓延。
[0047]
灌注系统4对全氟己酮/七氟丙烷灭火剂采用灌注灭火，避免因常规喷淋灭火方式剂量较小造成的无法扑灭及“二次复燃”。同时，灭火剂易汽化、不导电的特性避免“拉弧引燃”，并“汽化相变吸热”加强灭火效果。
[0048]
本发明提出一种基于端面应变的电池安全防护方法，方法的流程图如图2所示。方法包括以下步骤：
[0049]
步骤1)电池管理系统5通过应变片2检测锂电池组1中任一单体电池产生端面应变值变化；
[0050]
步骤2)基于应变值变化计算实时应变变化率；
[0051]
步骤3)电池管理系统5判断锂电池组1是否处于充放电状态，若是，则执行步骤4)，若否，则执行步骤5)；
[0052]
步骤4)电池管理系统5判断充放电状态下的锂电池组1的应变变化率是否大于正常充放电阈值，若否，则继续当前工作状态，若是，则判断应变变化率是否大于热失控阈值，若是，电池管理系统5启动灌注系统4，若否，则电池管理系统5控制液冷系统增强散热；
[0053]
步骤5)电池管理系统5判断不处于充放电状态下的锂电池组1的应变变化率是否大于热失控阈值，若是，电池管理系统5启动灌注系统4，若否，则电池管理系统5控制液冷系统增强散热。
[0054]
上述方法中，电池管理系统5实时计算应变变化率，通过与判定阈值对比综合、准确评估电池实时安全性，即时做出相应措施指令。
[0055]
步骤2)的应变变化率的表达式为：
[0056][0057]
其中，r(t)为t时刻的应变变化率，ε(t)为端面实时应变值。
[0058]
应变变化率大于热失控阈值时，说明发生热失控，热失控由电池过热、过充、过放、机械失效或缺陷失效内短路引发。热失控时电压温度-时间图如图3所示，热失控触发时的部分放大图如图4所示。
[0059]
热失控阈值根据实测热失控过程应变变化规律，划分热失控前期和热失控触发后两阶段应变平均增长率阈值分别ri、r
ii
。两阶段应变平均增长率阈值根据电池系统所选电池材料体系、容量大小、封装形式在出厂前进行各类工况及失效情况下实际测定。
[0060]
启动灌注系统4具体为：电池管理系统5控制灌注系统4打开开关，灭火剂从灌注系统4的喷头中喷出，灌注到锂电池组1上。
[0061]
电池管理系统5控制液冷系统增强散热具体为：电池管理系统5控制液冷系统中冷却液的流速增快或控制液冷系统进口的冷却液的温度降低。
[0062]
本发明中，正常充放电阈值可以为充电电压/放电电压。
[0063]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于端面应变的电池安全防护系统，其特征在于，用于由多个锂电池单体规律排布构成的锂电池组(1)，安全防护系统包括锂电池组(1)任意外侧大面中心布置的应变片(2)、下端液冷板(3)、灌注系统(4)以及电池管理系统(5)；应变片(2)连接压力传感器，锂电池组(1)、压力传感器和灌注系统(4)与电池管理系统(5)无线连接，电池管理系统(5)根据压力传感器提供的应变信息控制灌注系统(4)的开关状态；下端液冷板(3)设于锂电池组(1)的下方，下端液冷板(3)中设有液冷系统；灌注系统(4)包括灭火剂存储器和喷头，灌注系统(4)设于锂电池组(1)的上方；应变片(2)外包裹有高温胶。2.根据权利要求1所述的一种基于端面应变的电池安全防护系统，其特征在于，灌注系统(4)的灭火剂为全氟己酮/七氟丙烷灭火剂。3.根据权利要求1所述的一种基于端面应变的电池安全防护系统，其特征在于，灌注系统(4)采用的灭火方式为灌注灭火。4.一种基于端面应变的电池安全防护方法，基于权利要求1-3中任意一项所述的电池安全防护系统，其特征在于，方法包括以下步骤：步骤1)电池管理系统(5)通过应变片(2)检测锂电池组(1)中任一单体电池产生端面应变值变化；步骤2)基于应变值变化计算实时应变变化率；步骤3)电池管理系统(5)判断锂电池组(1)是否处于充放电状态，若是，则执行步骤4)，若否，则执行步骤5)；步骤4)电池管理系统(5)判断充放电状态下的锂电池组(1)的应变变化率是否大于正常充放电阈值，若否，则继续当前工作状态，若是，则判断应变变化率是否大于热失控阈值，若是，电池管理系统(5)启动灌注系统(4)，若否，则电池管理系统(5)控制液冷系统增强散热；步骤5)电池管理系统(5)判断不处于充放电状态下的锂电池组(1)的应变变化率是否大于热失控阈值，若是，电池管理系统(5)启动灌注系统(4)，若否，则电池管理系统(5)控制液冷系统增强散热；上述步骤中的热失控阈值与锂电池组(1)的参数相关。5.根据权利要求4所述的一种基于端面应变的电池安全防护方法，其特征在于，应变变化率的表达式为：其中，r(t)为t时刻的应变变化率，ε(t)为端面实时应变值。6.根据权利要求4所述的一种基于端面应变的电池安全防护方法，其特征在于，热失控阈值在热失控前期为第一阈值r
i
，在热失控触发后为第二阈值r
ii
。7.根据权利要求6所述的一种基于端面应变的电池安全防护方法，其特征在于，第一阈值r
i
和第二阈值r
ii
根据锂电池组(1)所选电池材料体系、容量大小、封装形式，以及锂电池组(1)在各类工况及失效情况下测定。8.根据权利要求4所述的一种基于端面应变的电池安全防护方法，其特征在于，启动灌
注系统(4)具体为：电池管理系统(5)控制灌注系统(4)打开开关，灭火剂从灌注系统(4)的喷头中喷出，灌注到锂电池组(1)上。9.根据权利要求4所述的一种基于端面应变的电池安全防护方法，其特征在于，电池管理系统(5)控制液冷系统增强散热具体为：电池管理系统(5)控制液冷系统中冷却液的流速增快。10.根据权利要求4所述的一种基于端面应变的电池安全防护方法，其特征在于，电池管理系统(5)控制液冷系统增强散热具体为：电池管理系统(5)控制液冷系统进口的冷却液的温度降低。

技术总结
本发明涉及一种基于端面应变的电池安全防护系统和方法，用于由锂电池组，安全防护系统包括锂电池组任意外侧大面中心布置的应变片、下端液冷板、灌注系统以及电池管理系统；应变片连接压力传感器，锂电池组、压力传感器和灌注系统与电池管理系统无线连接，电池管理系统根据压力传感器提供的应变信息控制灌注系统的开关状态；下端液冷板设于锂电池组的下方，下端液冷板中设有液冷系统；灌注系统包括灭火剂存储器和喷头。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、加工方便等优点。具有适用范围广、加工方便等优点。具有适用范围广、加工方便等优点。


技术研发人员：陈思琦 魏学哲 朱建功 王学远 陈金干 戴海峰
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/22