本專利涉及電池安全技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及動(dòng)力電池在發(fā)生外部短路故障時(shí)的漏液在線監(jiān)測方法和裝置。
技術(shù)背景
鋰離子電池目前已經(jīng)作為動(dòng)力電源而廣泛應(yīng)用在了多種電氣設(shè)備中,然而,隨著鋰離子電池的迅速普及,引發(fā)的電池安全問題也日益凸顯。電池的安全性已經(jīng)成為了一個(gè)亟待解決的問題。鋰離子電池容易發(fā)生多種電池故障,例如電池過充、短路等,嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致電池過熱、自燃、甚至爆炸。
當(dāng)動(dòng)力電池發(fā)生外部短路故障時(shí),可能會出現(xiàn)電池漏液現(xiàn)象。電池是否漏液,很大程度上影響到電池在外部短路故障中的電熱特性。漏液的電池,往往會伴隨著更高的溫升,并迅速波及周圍臨近的電池,產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。盡管漏液現(xiàn)象是可以用眼睛觀測到的,然而由于實(shí)時(shí)控制的環(huán)境下操作者并不能隨時(shí)打開電池箱進(jìn)行觀測,及時(shí)且準(zhǔn)確的判斷電池是否漏液成為亟待解決的技術(shù)難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對以上問題,本發(fā)明公開了一種電池短路漏液在線監(jiān)測方法和裝置。該方法和裝置通過監(jiān)測電池初始荷電狀態(tài)(soc)、環(huán)境溫度、電池放電量以及電池的溫升速率,來進(jìn)行漏液狀態(tài)的在線識別。本發(fā)明引入了智能分類算法、適用性強(qiáng),易于在線實(shí)施,不需要打開電池箱來觀察即可判別電池是否發(fā)生了漏液現(xiàn)象。
本發(fā)明的電池短路漏液在線監(jiān)測方法,依次包括以下步驟:
第a步,采集當(dāng)前時(shí)刻所述電池的電壓值u;
第b步,比較第a步所測電壓值u與電池短路電壓閾值us之間的大小關(guān)系,若u≤us,進(jìn)入第c步,否則,重復(fù)第a步,其中,電池短路電壓閾值us的選取須低于電池放電下截止電壓。
第c步,開始計(jì)時(shí),初始化系統(tǒng)的采樣時(shí)間間隔δt,時(shí)刻標(biāo)記k=0以及初始時(shí)刻t0=0;
第d步,采集t0時(shí)刻電池環(huán)境溫度t0、電池正極附近溫度t1,0、電池負(fù)極附近溫度t2,0,以及電流i0,并估計(jì)t0時(shí)刻電池soc0;
第e步,進(jìn)入下一時(shí)刻,更新公式如下:
第f步,采集tk時(shí)刻電池正極附近溫度t1,k、電池負(fù)極附近溫度t2,k以及電流ik;
第g步,計(jì)算從t0時(shí)刻至tk時(shí)刻電池的累計(jì)放電量qk,計(jì)算公式如下:
第h步,計(jì)算tk時(shí)刻電池的平均溫升速率δk,計(jì)算公式如下:
第i步,比較當(dāng)前時(shí)刻tk與漏液時(shí)間閾值ts之間的大小關(guān)系,若tk≥ts,進(jìn)入第j步,否則返回第e步;
第j步,以qk、δk、t0、soc0作為輸入,計(jì)算電池是否漏液。
優(yōu)選地、第j步中,利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷電池是否漏液。
優(yōu)選地、以qk、δk、t0、soc0作為輸入,計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出γ;
優(yōu)選地、所述的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊系統(tǒng)兩個(gè)模塊,bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)qk與δk給出電池的漏液預(yù)估量
所述輸出γ計(jì)算公式如下:
優(yōu)選地、還包括第k步,根據(jù)第j步的輸出量γ計(jì)算電池漏液的監(jiān)測結(jié)果ψ,計(jì)算公式如下:
其中,γ0為漏液故障分類閾值,計(jì)算公式如下:
其中,
優(yōu)選地、所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為:
設(shè)置兩個(gè)以上實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度、兩個(gè)以上初始實(shí)驗(yàn)soc狀態(tài),在每個(gè)所述實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度和所述初始實(shí)驗(yàn)soc狀態(tài)下分別設(shè)置至少一個(gè)電池實(shí)驗(yàn)樣本;
強(qiáng)制觸發(fā)所有所述電池實(shí)驗(yàn)樣本的短路故障,并在所述短路故障的過程中以采樣時(shí)間間隔δt采集電池實(shí)驗(yàn)樣本的電壓值、電流、溫度,記錄漏液結(jié)果及對應(yīng)的漏液時(shí)刻;
根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣本的漏液時(shí)刻,確定漏液時(shí)間閾值ts,其中ts的選取在保證小于所有實(shí)驗(yàn)樣本漏液時(shí)刻的最小值的前提下,選取越小,監(jiān)測響應(yīng)越快,選取越大,監(jiān)測結(jié)果越準(zhǔn)確;
計(jì)算所有所述電池實(shí)驗(yàn)樣本在ts時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)累計(jì)放電量和實(shí)驗(yàn)平均溫升速率;
基于所述漏液結(jié)果,構(gòu)建bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的訓(xùn)練樣本,對于未漏液的樣本,
以所述實(shí)驗(yàn)累計(jì)放電量和實(shí)驗(yàn)平均溫升速率作為bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)輸入維度,
本發(fā)明還涉及利用前述方法的監(jiān)測裝置,包括:
至少兩個(gè)溫度傳感器,分別安裝在電池正負(fù)兩極附近;
環(huán)境溫度測試系統(tǒng),感測電池環(huán)境溫度;
電流傳感器、電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。。
所述溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器與環(huán)境溫度測試系統(tǒng)的信號經(jīng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后傳送至控制系統(tǒng),同時(shí),控制系統(tǒng)亦向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送指令。
附圖說明
圖1動(dòng)力電池短路漏液在線監(jiān)測裝置示意圖
圖2動(dòng)力電池短路漏液在線監(jiān)測方法流程圖
圖3本發(fā)明的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
圖4模糊系統(tǒng)輸入和輸出的模糊子集分布圖
圖5驗(yàn)證樣本對應(yīng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出圖
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)介紹。
本發(fā)明的電池不限于車輛用動(dòng)力電池,也不限于鋰離子電池。
圖1所示為本發(fā)明的在線監(jiān)測裝置示意圖,主要包括至少兩個(gè)溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、環(huán)境溫度測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。所述的溫度傳感器分別安裝在動(dòng)力電池正負(fù)兩極附近;電流傳感器與動(dòng)力電池工作電路串聯(lián);電壓傳感器與動(dòng)力電池并聯(lián);環(huán)境溫度測試系統(tǒng)安裝在動(dòng)力電池工作電路附近。所述監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行過程中,溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器與環(huán)境溫度測試系統(tǒng)的信號經(jīng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后傳送至控制系統(tǒng),同時(shí),控制系統(tǒng)亦向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送指令。
圖2為本發(fā)明的在線監(jiān)測方法流程圖,在線監(jiān)測方法具體包括以下步驟:
第a步,實(shí)時(shí)采集動(dòng)力電池的電壓值u;
第b步,比較第a步所測電壓值u與動(dòng)力電池短路電壓閾值us之間的大小關(guān)系,若u≤us,進(jìn)入第c步,否則,重復(fù)第a步;其中,動(dòng)力電池短路電壓閾值us的選取須低于動(dòng)力電池放電下截止電壓。
第c步,開始計(jì)時(shí),初始化系統(tǒng)的采樣時(shí)間間隔δt,時(shí)刻標(biāo)記k=0以及初始時(shí)刻t0=0;
第d步,采集t0時(shí)刻動(dòng)力電池環(huán)境溫度t0、動(dòng)力電池正極附近溫度t1,0、動(dòng)力電池負(fù)極附近溫度t2,0,以及電流i0,并估計(jì)t0時(shí)刻動(dòng)力電池soc0,動(dòng)力電池soc的估計(jì)可以利用本領(lǐng)域公知的方法,如安時(shí)計(jì)數(shù)法、端電壓估計(jì)法、卡爾曼濾波估計(jì)法等;其中所述電池環(huán)境溫度t0由環(huán)境溫度測試系統(tǒng)獲得,動(dòng)力電池正極附近溫度t1,0、動(dòng)力電池負(fù)極附近溫度t2,0分別由安裝在動(dòng)力電池正負(fù)兩極附近的溫度傳感器獲得。
第e步,進(jìn)入下一時(shí)刻,更新公式如下:
第f步,采集tk時(shí)刻動(dòng)力電池正極附近溫度t1,k、t2,k以及電流ik;
第g步,計(jì)算從t0時(shí)刻至tk時(shí)刻動(dòng)力電池的累計(jì)放電量qk,計(jì)算公式如下:
第h步,計(jì)算tk時(shí)刻動(dòng)力電池的平均溫升速率δk,計(jì)算公式如下:
第i步,比較當(dāng)前時(shí)刻tk與漏液時(shí)間閾值ts之間的大小關(guān)系,若tk≥ts,進(jìn)入第j步,否則返回第e步;漏液時(shí)間閾值ts根據(jù)所有實(shí)驗(yàn)樣本的最小漏液時(shí)刻的最小值確定
第j步,以qk、δk以及第d步所得的t0、soc0作為輸入,計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出γ;
其中,所述的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊系統(tǒng)兩個(gè)模塊,bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)qk與δk給出動(dòng)力電池的漏液預(yù)估量
第k步,根據(jù)第j步的輸出量γ計(jì)算動(dòng)力電池漏液的監(jiān)測結(jié)果ψ,計(jì)算公式如下:
其中,γ0為漏液故障分類閾值計(jì)算公式如下:
其中,
下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明,實(shí)施例中采用某公司18650型鋰離子動(dòng)力電池,本實(shí)施例對本發(fā)明不構(gòu)成限定。
步驟一,實(shí)時(shí)采集動(dòng)力電池的電壓值u;
步驟二,比較步驟一所測電壓值u與動(dòng)力電池短路電壓閾值us之間的大小關(guān)系,若u≤us,進(jìn)入步驟三,否則,重復(fù)步驟一,us的選取須低于本實(shí)施例中動(dòng)力電池的放電下截止電壓2.5v,這里us取1.0v;
步驟三,開始計(jì)時(shí),初始化系統(tǒng)的采樣時(shí)間間隔δt,時(shí)刻標(biāo)記k=0以及初始時(shí)刻t0=0,本實(shí)施例中δt取2.48s;
步驟四,采集t0時(shí)刻動(dòng)力電池環(huán)境溫度t0、動(dòng)力電池正負(fù)極附近溫度t1,0、t2,0以及電流i0,并估計(jì)t0時(shí)刻動(dòng)力電池soc0。
以安時(shí)計(jì)數(shù)法估計(jì)動(dòng)力電池soc為例,計(jì)算公式如下:
其中,c為ls1865sd型動(dòng)力電池的標(biāo)稱容量,本實(shí)施例中c=2.0ah;
步驟五,進(jìn)入下一時(shí)刻并根據(jù)公式(12)更新時(shí)刻和時(shí)刻標(biāo)記;
步驟六,采集tk時(shí)刻動(dòng)力電池正負(fù)極附近溫度t1,k、t2,k以及電流ik;
步驟七,根據(jù)公式(13)計(jì)算從t0時(shí)刻至tk時(shí)刻動(dòng)力電池的累計(jì)放電量qk;
步驟八,根據(jù)公式(14)計(jì)算tk時(shí)刻動(dòng)力電池的平均溫升速率δk,
步驟九,比較當(dāng)前時(shí)刻tk與漏液時(shí)間閾值ts之間的大小關(guān)系,若tk≥ts,進(jìn)入步驟十,否則返回步驟五,本實(shí)施例中ts=9.92s;漏液時(shí)間閾值ts根據(jù)所有電池實(shí)驗(yàn)樣本,即所有的18650鋰離子動(dòng)力電池的實(shí)驗(yàn)樣本,漏液時(shí)刻的最小值為23s來確定,這里ts取9.92s;
步驟十,以qk、δk及步驟四所得的t0、soc0作為輸入,計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出γ;
步驟十一,根據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果γ計(jì)算動(dòng)力電池漏液的監(jiān)測結(jié)果ψ,本實(shí)施例中,
其中,所述的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的具體步驟如下:
步驟1,確定動(dòng)力電池外部短路實(shí)驗(yàn)樣本,本實(shí)施例中,選用了3個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度(20℃、30℃及45℃),每個(gè)環(huán)境溫度下分別設(shè)置了5個(gè)初始soc狀態(tài)(20%、40%、60%、80%及100%),在每個(gè)特定的溫度和初始soc狀態(tài)下分別設(shè)置了2個(gè)動(dòng)力電池樣本,見表1;
表1動(dòng)力電池外部短路實(shí)驗(yàn)樣本編號對照表
步驟2,對步驟1中的所有樣本實(shí)施外部短路試驗(yàn),外部短路試驗(yàn)強(qiáng)制觸發(fā)電池樣本的短路故障并在故障的過程中以采樣時(shí)間間隔δt采集電壓、電流及溫度數(shù)據(jù),最后記錄漏液結(jié)果及對應(yīng)的漏液時(shí)刻,該漏液結(jié)果指有無漏液情況發(fā)生;
步驟3,確定漏液時(shí)間閾值ts,本實(shí)施例中所有實(shí)驗(yàn)樣本漏液時(shí)刻的最小值為23s,這里ts取9.92s;
步驟4,根據(jù)公式(13)和(14)分別計(jì)算各樣本在漏液時(shí)間閾值ts=9.92s的累計(jì)放電量q和平均溫升速率δ,計(jì)算結(jié)果見表2~4;
表220℃外部短路實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果
表330℃外部短路實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果
表445℃外部短路實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果
步驟5,構(gòu)建bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)為由輸入層、隱含層和輸出層組成的三層結(jié)構(gòu),其中輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)n1為2,輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)n3為1,隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)n2計(jì)算公式如下:
其中,α可取1~10之間的整數(shù),在本實(shí)施例中,n2取5;
步驟6,基于步驟2所記錄的電池漏液結(jié)果,構(gòu)建bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的訓(xùn)練樣本,對于未漏液的樣本,
步驟7,以步驟4中各樣本的q和δ分別作為bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)輸入維度,步驟6所得的
h=j(luò)tj(20)
梯度的計(jì)算表達(dá)式為:
g=j(luò)te(21)
其中,h是包含網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)對權(quán)值和閾值一階導(dǎo)數(shù)的雅克比矩陣,j為雅克比矩陣,e是網(wǎng)絡(luò)的誤差向量。
訓(xùn)練的迭代計(jì)算公式如下:
x(k+1)=x(k)-[jtj+μi]-1jte(22)
其中,k為迭代次數(shù),x(k)為第k次迭代各層之間的連接權(quán)向量或閾值向量,i為單位矩陣,系數(shù)μ在每一次成功的迭代后(誤差性能減少)減少,在進(jìn)行嘗試性迭代后的誤差性能增加的情況下增大;
步驟8,定義雙輸入-單輸出的模糊系統(tǒng),其中,動(dòng)力電池初始soc狀態(tài)soc0與環(huán)境溫度t0為模糊系統(tǒng)輸入的兩個(gè)維度,漏液監(jiān)測修正因子μ為模糊系統(tǒng)的輸出,論域設(shè)置如下:
步驟9,設(shè)置模糊系統(tǒng)輸入和輸出的模糊子集分布,如圖4;
步驟10,建立模糊規(guī)則:(1)如果soc0為l,t0為l,則μ為l;(2)如果soc0為m,t0為m,則μ為m;(3)如果soc0為h,t0為h,則μ為h;
步驟11,設(shè)置反模糊化計(jì)算,本實(shí)施例中采用面積中心法作為反模糊化計(jì)算方法,模糊集合代表值ucen表達(dá)式如下:
其中,離散論域d={u1,u2,…,un},uj處的隸屬度為a(uj)。
為了驗(yàn)證模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用效果,本實(shí)施例選取了6個(gè)與訓(xùn)練樣本相同型號的電池樣本對本發(fā)明進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,驗(yàn)證樣本的檢測結(jié)果對照見表5,各樣本對應(yīng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值如圖5,可見,本發(fā)明能夠準(zhǔn)確監(jiān)測各樣本的漏液現(xiàn)象。
表5電池驗(yàn)證樣本監(jiān)測結(jié)果對照表
以上所述,僅是本發(fā)明較佳實(shí)施例而已,并非對本發(fā)明作任何形式上的限制,雖然本發(fā)明以較佳實(shí)施例公開如上,然而并非用以限定本發(fā)明,任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi),當(dāng)利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許變更或修飾為等同變化的等效實(shí)施例,但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容,依據(jù)本發(fā)明技術(shù)是指對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。