基于锂电池防爆阀压力监测的锂电池安全预警系统及方法

本发明属于锂电池安全领域，更具体地，涉及一种基于锂电池防爆阀压力监测的锂电池安全预警系统及方法。

背景技术：

1、电化学储能快速发展直接推动力在于锂离子电池的广泛应用，然而锂离子电池存在热失控的风险，锂离子电池储能电站一旦发生热失控而导致失火或者爆炸事故，后果不堪设想。所以预警是储能电站安全防护体系中最为重要的功能。目前现有的储能工程应用中，预警措施并不完善，虽然配备有电压电流等电量传感器可以针对单个模组或电芯进行安全状态估计，但是正确率仍然较低，于是通过新的参量感知以估计锂电池的状态显得十分重要。

2、目前现有的储能工程应用中，预警措施并不完善，表现在缺少除电压、电流、温度以外的其他物理量用来表征电池状态；电压、电流、温度传感器受干扰或故障失效时，缺少其他物理量以进行电池预警。电池发生热失控时内部会产生一系列副反应，有些副反应会生成气体。在电池防爆阀打开之前，这些气体会积攒在电池壳体内部，导致电池鼓包，改变电池内部的压力。因此，可以通过对电池内部的压力检测进行预警。目前较为精确的方法是利用嵌入式光纤对电池内部压力进行探测，该方法成本高且需要在电池内部埋入传感器，工艺十分复杂同时会影响电池内部特性；或是通过定制外部夹具检测电池膨胀，该方法成本较高，需要大量空间。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于锂电池防爆阀压力监测的锂电池安全预警系统及方法，旨在解决现有的电池内部嵌入式光纤压力探测方法的成本高且需要在电池内部埋入传感器，工艺十分复杂同时会影响电池内部特性的问题。

2、为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于锂电池防爆阀压力监测的锂电池安全预警系统，包括：调理电路、模数转换模块、充放电测试仪和上位机；

3、充放电测试仪的一端连接锂电池，另一端连接上位机；用于对锂电池进行充放电测试，同时将充放电状态参量传递至上位机；

4、调理电路为惠斯通电桥电路；其中，对侧桥臂为金属应变片，剩余两桥臂为大小相等的参考电阻，参考电阻的大小为常温下金属应变片未受应力时的电阻大小；金属应变片贴于锂电池防爆阀的表面，用于检测防爆阀的应变；防爆阀的应变等同金属应变片的应变机械信号；

5、调理电路输出端连接模数转换模块的输入端，用于检测锂电池防爆阀的应变，读取金属应变片传递的应变机械信号，且将应变机械信号转化为应变电信号；

6、模数转换模块用于将应变电信号转化为应变数字信号；

7、上位机用于基于应变数字信号和充放电状态参量，分析应变数字信号随soc和锂电池温度的变化趋势，对比金属应变片方向的应变与锂电池充放电状态参量之间的理论函数关系，判断是否进行锂电池安全预警；

8、其中，理论函数关系表征金属应变片方向的应变与soc和锂电池温度变化成正比。

9、进一步优选地，充放电状态参量包括：充放电时的电流和电压、锂电池温度和soc以及充放电时间。

10、进一步优选地，金属应变片方向的应变与锂电池充放电状态参量之间的理论函数关系为：

11、

12、

13、其中，ε1为金属应变片方向的应变；δt为锂电池的温度变化；soc为荷电状态(state of charge，soc)；hpole为电极初始厚度；spole为电极展开后的表面积；ω-为负极材料体积分数，ω+为正极材料体积分数，α-为负极材料体积膨胀系数，α+为正极材料体积膨胀系数，v为原始电池内部空隙；μ为泊松比；n为气体的物质的量；r为摩尔气体常数；p0为标准大气压强；t0为标准温度，此处为25℃。

14、进一步优选地，调理电路中检测锂电池防爆阀的应变与参考电阻以及金属应变片的电阻变化量之间的关系为：

15、

16、其中，δr为金属应变片受力形变产生的电阻变化值；r0为常温下未受应力时金属应变片阻值；k0为金属材料的应变灵敏系数，ε1为金属应变片方向的机械应变。

17、另一方面，针对上述提供的基于锂电池防爆阀压力监测的锂电池安全预警系统，本发明提供了一种对应的锂电池安全预警方法，包括以下步骤：

18、当锂电池进行充/放电过程时，实时向上位机传输充放电状态参量；

19、将金属应变片贴于锂电池防爆阀的表面，检测锂电池防爆阀的应变；其中，防爆阀的应变等同金属应变片传递的应变机械信号；

20、将金属应变片传递的应变机械信号转化为应变电信号，再将应变电信号转化为应变数字信号；

21、基于充放电状态参量，结合应变数字信号，分析应变数字信号随soc和锂电池温度的变化趋势，对比金属应变片方向的应变与锂电池充放电状态参量之间的理论函数关系，判断是否进行锂电池安全预警；

22、其中，理论函数关系表征金属应变片的应变与soc和锂电池温度变化成正比。

23、进一步优选地，充放电状态参量包括：充放电时的电流和电压、锂电池温度和soc以及充放电时间。

24、进一步优选地，金属应变片方向的应变与锂电池充放电状态参数之间的理论函数关系为：

25、

26、

27、其中，ε1为金属应变片方向的应变；δt为锂电池的温度变化；soc为荷电状态(state of charge，soc)；hpole为电极初始厚度；spole为电极展开后的表面积；ω-为负极材料体积分数，ω+为正极材料体积分数，α-为负极材料体积膨胀系数，α+为正极材料体积膨胀系数，v为原始电池内部空隙；μ为泊松比；n为气体的物质的量；r为摩尔气体常数；p0为标准大气压强；t0为标准温度，此处为25℃。

28、进一步优选地，调理电路中检测锂电池防爆阀的应变与参考电阻以及金属应变片的电阻变化量之间的关系为：

29、

30、其中，δr为金属应变片受力形变产生的电阻变化值；r0为常温下未受应力时金属应变片阻值；k0为金属材料的应变灵敏系数，ε1为金属应变片方向的机械应变。

31、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

32、有益效果：

33、本发明提供了一种基于锂电池防爆阀压力监测的锂电池安全预警系统及方法，其中，调理电路为惠斯通电桥电路；对侧桥臂为金属应变片，金属应变片贴于锂电池防爆阀的表面，用于检测防爆阀的应变；实现了在锂电池外部安装金属应变片，不用改变锂电池内部特性，不需要占用大量空间，极具应用价值。

34、本发明提供了一种基于锂电池防爆阀压力监测的锂电池安全预警系统及方法，其中，构建了金属应变片方向的应变与锂电池充放电状态参量之间的理论函数关系建立了锂电池温度和荷电状态的多物理模型，可以将多物理模型应用到电池安全预警。

35、本发明提供了一种基于锂电池防爆阀压力监测的锂电池安全预警系统及方法，通过防爆阀应变信号可以实现电池过充热失控的提前预警，可早于防爆阀打开和特征气体释放约10分钟，实现了电池安全预警。