CN112310491A - 一种锂电池热-安全管理***及管控方法 - Google Patents

一种锂电池热-安全管理***及管控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂电池热‑安全管理***及管控方法，其包括水泵、热‑安全管理***、电池管理***、储能变流器、箱内总监控、若干电池模块、冷水机；电池模块的表面铺设有液冷通道；水泵通过液冷通道与冷水机连通形成闭合回路，液冷通道上设有电磁比例阀，电池模块包括若干单体电池；热‑安全管理***包括数据传输模块、数据记录模块、数据分析计算模块、控制执行模块；还提供一种采用上述的锂电池热‑安全管理***进行的锂电池热‑安全管控方法，本发明可识别锂电池在服役过程中因老化程度不同而造成的生热差异，并可实现按需调控散热，从而提升电池运行温度的一致性及运行性能。

Description

一种锂电池热-安全管理***及管控方法
技术领域
本发明涉及电池安全管控技术领域，特别涉及一种锂电池热-安全管理***及管控方法。
背景技术
锂离子电池需要在适宜工作温度下进行充放电，由于电芯在充放电过程中会产生热量，如果热量不能及时散出，将会使电池温度过高。过高的工作温度将可能造成电池使用性能下降、寿命衰减等问题。另一方面，如果电芯间工作温度长期存在差异，将造成电池容量及性能的不一致衰减，降低电池***的整体性能。此外，安全性是锂电池使用过程的核心问题，电池因自身瑕疵及发生短路、过热等外部滥用问题时，将触发电池材料副反应并逐步产生大量热量，进而引发热失控，造成电池自燃、***等安全问题。
现有技术中的锂电池热和安全管理***采用同一液冷通道对成组后所有电源模块进行热管理策略，并未考虑每个单个电池模块的加热和/或冷却需求，在发现单个电池模块存在问题单体电池后也不能及时有效地强化制冷，以消除或降低热失控及其传播风险。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种锂电池热-安全管理***及管控方法，可克服现有技术的缺陷，识别问题单体电池单元，进行温度一致性管控，并对具备热失控风险的电池模块强化集中制冷，降低或消除安全风险。
为实现上述目的，本发明提供一种锂电池热-安全管理***，包括热-安全管理控制器、电池管理***、储能变流器、箱内总监控、若干电池模块和冷却***；所述热-安全管理控制器用于对所述电池模块进行热管控；所述电池模块由若干单体电池构成；所述冷却***包括设在所述电池模块的散热面上的液冷通道；
所述液冷通道的分支形成若干分液冷管，所述分液冷管覆盖至每组所述电池模块的散热面上；所述液冷通道和所述分液冷管分别设有主电磁比例阀和分电磁比例阀；
所述热-安全管理控制器包括数据传输单元、数据记录单元、数据分析计算单元、控制执行单元；所述数据传输单元分别接收所述电池管理***、所述储能变流器、所述箱内总监控发送的单体电池运行参数，并将所述单体电池运行参数传输到所述数据分析计算单元；所述数据分析计算单元计算所述单体电池的发热量和散热量，并判断电池安全状态；所述控制执行单元接收所述数据分析计算单元的控制指令，驱动所述主电磁比例阀动作和所述分电磁比例阀动作；所述数据记录单元用于记录所述单体电池运行参数的历史数据供所述数据分析计算单元调用。
如上所述的锂电池热-安全管理***，进一步地，所述冷却***还包括冷水机，所述液冷通道与所述冷水机连通形成闭合回路，所述闭合回路上设有水泵；所述控制执行单元与所述水泵控制信号连接。
如上所述的锂电池热-安全管理***，进一步地，还包括若干消防喷淋头，所述消防喷淋头分别设置在所述液冷通道和所述分液冷管上，所述控制执行单元与所述消防喷淋头控制信号连接。
如上所述的锂电池热-安全管理***，进一步地，所述控制执行单元控制信号连接有报警单元。
一种采用上述的锂电池热-安全管理***进行的锂电池热-安全管控方法，其包括
读入单体电池运行参数，根据所述单体电池运行参数对电池模块进行锂电池热管理流程以及单体电池安全管理流程；
所述锂电池热管理流程包括以下步骤：
A10：根据所述单体电池运行参数计算当前时刻单体电池的发热量；
A20：统计各电池模块的发热量及其偏差；
A30：根据各所述电池模块的发热量和偏差以确定冷却工质剂量的分配；
A40：启动主电磁比例阀开启冷却。
所述单体电池安全管理流程包括以下步骤：
B10：对单体电池进行多源参数安全状态评判，判断是否为问题单体电池，若是，则将所述单体电池标记为问题单体电池，执行B20，若不是，则重复执行B10，继续判断是否存在问题单体电池；
B20：采用等效热阻网络模型计算所述问题单体电池的内部温度及温度梯度，判断所述问题单体电池的内部温度是否超限，若是，则执行B30；若不是，则执行B10，继续判断是否存在问题单体电池；
B30：启动问题电池紧急制冷策略，调节主电磁比例阀对包含所述问题单体电池的电池模块实现最大冷却工质流量分配，启动分电磁比例阀对包含所述问题单体电池的电池模块开启冷却；
B40：计算冷却后当前时刻所述问题单体电池的散热量和发热量；
B50：根据发热量与散热量的比例关系，确定热安全管控的响应时间，判断热安全管控是否可控，若可控，则执行B40；若不可控，则启动报警单元和消防喷淋头。
如上所述的锂电池热-安全管控方法，进一步地，所述电池运行参数包括电池状态参数、冷却工质参数、安全状态参数；所述电池状态参数包括电池物性参数、初始内阻、初始OCV；所述冷却工质参数包括工质物性参数、工质温度、工质流量；所述安全状态参数包括BMS实时监测数据，所述BMS实时监测数据包括电压值、电流值、温度值、SOC/DOD值。
如上所述的锂电池热-安全管控方法，进一步地，根据电池SOC/DOD值、电压值、电流值、初始内阻计算所述单体电池的发热量。
如上所述的锂电池热-安全管控方法，进一步地，根据工质温度、工质流量、电池物性参数计算所述单体电池的的散热量。
如上所述的锂电池热-安全管控方法，进一步地，所述多源参数安全状态评判的判据包括电压阶跃判据、OCV/内阻变化率判据、温升速率判据、温度边界判据、容量差异判据、PCS警告信息判据、气体/烟雾警告信息判据。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、本发明可识别锂电池在服役过程中因老化程度不同而造成的生热差异，并可实现按需调控散热，从而提升电池模块运行温度的一致性及运行性能。
2、针对存在异常热行为及热失控风险的问题单体电池，通过紧急制冷策略提升问题单体电池的换热强度，当热失控演化过程的瞬时发热量低于或等于换热量时，将有望消除或降低风险等级。
3、本发明对安全状态的识别融合了电压阶跃判据、内阻变化率判据、温升速率判据、临界温度判据、气体/烟雾告警判据等多源参数，可在早期对安全风险进行识别和判断。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的锂电池热-安全管理***的结构示意图；
图2为实施例中电池模块上设置的液冷通道及分液冷管的换热示意图；
图3为热-安全管理***的结构原理图；
图4为实施例中锂电池热-安全管控方法的方法流程图。
附图标记说明：1、水泵；2、液冷通道；21、分液冷管；3、主电磁比例阀；4、热-安全管理器；401、数据记录单元；402、数据传输单元；403、控制执行单元；404、数据分析计算单元；5、电池管理***；6、储能变流器；7、箱内总监控；8、电池模块；9、冷水机；10、分电磁比例阀；11、消防喷淋头；12、报警单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参见图1至图3，一种锂电池热-安全管理***，包括热-安全管理控制器4、电池管理***5、储能变流器6、箱内总监控7、若干电池模块8和冷却***；所述热-安全管理控制器4用于对所述电池模块8进行热管控；所述电池模块8由若干单体电池构成；所述冷却***包括设在所述电池模块8的散热面上的液冷通道2；所述液冷通道2的分支形成若干分液冷管21，所述分液冷管21覆盖至每组所述电池模块8的散热面上；所述液冷通道2和所述分液冷管21分别设有主主电磁比例阀3和分电磁比例阀10；所述热-安全管理控制器4包括数据传输单元402、数据记录单元401、数据分析计算单元404、控制执行单元403；所述数据传输单元402分别接收所述电池管理***5、所述储能变流器6、所述箱内总监控7发送的单体电池运行参数，并将所述单体电池运行参数传输到所述数据分析计算单元404；所述数据分析计算单元404计算所述单体电池的发热量和散热量，并判断电池安全状态；所述控制执行单元403接收所述数据分析计算单元404的控制指令，驱动所述主主电磁比例阀3动作和所述分电磁比例阀10动作；所述数据记录单元401用于记录所述单体电池运行参数的历史数据供所述数据分析计算单元404调用。
进一步地，所述冷却***还包括冷水机9，所述液冷通道2与所述冷水机9连通形成闭合回路，所述闭合回路上设有水泵1；所述控制执行单元403与所述水泵1控制信号连接。本实施例中，液冷通道2换热后的冷却工质通过闭合回路完成循环利用，同时，水泵1也可以起到增大液冷通道2中流通的冷却工质的效果，与主电磁比例阀3配合使用可快速增加流过电池模块8上的冷却工质的流量。
进一步地，还包括若干消防喷淋头11，所述消防喷淋头11分别设置在所述液冷通道2和所述分液冷管21上，所述控制执行单元403与所述消防喷淋头11控制信号连接。进一步地，所述控制执行单元403控制信号连接有报警单元12。本实施例中，当电池模块8的热失控不可控时，可启动以上消防应急措施，防止热失控蔓延。
在本实施例中，热-安全管理控制器4的数据传输单元402与所述电池管理***5、所述储能变流器6、所述箱内总监控7通过CAN总线/RS232/RS485连接；控制执行单元与水泵、主、分电磁比例阀、消防喷淋头、报警单元通过LIN总线/RS232/RS485连接。电池管理***5用于人工录入电池物性参数、初始内阻、初始OCV、工质物性参数，同时，实时获取电池模块8内各单体电池的电压值、电流值、温度值、SOC/DOD值；储能变流器6在工况出现异常时可生成PCS警告信息；箱内总监控7通过外接的传感器实时更新冷却工质的工质温度、工质流量、以及监控气体/烟雾告警信息。上述数据均由热-安全管理控制器4的数据记录单元401进行记录形成单体电池运行参数的历史数据。
需要说明的是，图2为实施例中电池模块上设置的液冷通道及分液冷管的换热示意图，本实施中每一列四组电池模块8共用一液冷通道2，液冷通道2与电池模块8的散热面紧贴设置，液冷通道2的分支形成若干分液冷管21，所述分液冷管21覆盖至每组所述电池模块8的散热面上；每个电池模块8之间还有隔热板，用来阻止电池模块8间的热扩散。
正常运行工况下，数据分析计算模块404将根据各电池模块8的发热量及其与平均发热量的偏差，确定各电池模块8所需冷却工质的流量，进而通过控制执行模块403向主电磁比例阀3发出指令而启动冷却，冷却工质通过电池模块8上铺设的液冷通道2达到冷却电池模块8工作温度的效果。根据电池模块8的发热量及其与平均发热量的偏差动态分配冷却工质的量，从而实现换热强度的动态再分配以及电池的温度一致性管控，其中，冷却工质包括空气、水、乙二醇、冷媒的一种或其组合。
同时，数据分析计算单元404根据数据记录单元401内储存的单体电池运行参数的历史数据，通过电压阶跃判据、OCV/内阻变化率判据、温升速率判据、温度边界判据、气体/烟雾告警判据等多源参数分析，实时识别电池安全状态及层级。同时，数据分析计算单元404根据单体电池表面温度，结合等效热阻网络模型计算单体电池的内部温度及温度梯度，判断电池的热安全状态及热失控的风险层级。若风险层级较高，则立即启动问题单元紧急制冷策略，调节主电磁比例阀3对包含所述问题单体电池的电池模块实现最大冷却工质流量分配，将大量的冷却工质分配到该电池模块所在的液冷通道上，启动分电磁比例阀10对该电池模块集中冷却，防止热失控的发生。经过紧急制冷后，根据异常热行为-热失控过程的发热量与散热量的比例关系，确定热安全管控的响应时间及可控性，若紧急制冷不足以防止热失控，或是识别出热失控已经发生，则启动报警单元12和消防喷淋头11，及时阻隔热失控的传播。
一种采用上述的锂电池热-安全管理***进行的锂电池热-安全管控方法，其包括
读入单体电池运行参数，根据所述单体电池运行参数对电池模块进行锂电池热管理流程以及单体电池安全管理流程；进一步地，所述电池运行参数包括电池状态参数、冷却工质参数、安全状态参数；所述电池状态参数包括电池物性参数、初始内阻、初始OCV；所述冷却工质参数包括工质物性参数、工质温度、工质流量；所述安全状态参数包括BMS实时监测数据，所述BMS实时监测数据包括电压值、电流值、温度值、SOC/DOD值。
所述锂电池热管理流程包括以下步骤：
A10：根据所述单体电池运行参数计算当前时刻单体电池的发热量；
A20：统计各电池模块的发热量及其偏差；
A30：根据各所述电池模块的发热量和偏差以确定冷却工质剂量的分配；
A40：启动主电磁比例阀开启冷却。
锂电池热管理流程是电池模块在正常运行的工况下执行的工作流程，数据分析计算模块404先根据所述单体电池运行参数计算当前时刻单体电池的发热量计算然后获得各电池模块8的发热量和偏差。然后，根据各电池模块8的发热量及其与平均发热量的偏差，确定各电池模块8所需冷却工质的流量，进而通过控制执行模块403向主电磁比例阀3发出指令而启动冷却。
所述单体电池安全管理流程包括以下步骤：
B10：对单体电池进行多源参数安全状态评判，判断是否为问题单体电池，若是，则将所述单体电池标记为问题单体电池，执行B20，若不是，则重复执行B10，继续判断是否存在问题单体电池；其中，多源参数安全状态评判的判据包括电压阶跃判据、OCV/内阻变化率判据、温升速率判据、温度边界判据、容量差异判据、PCS警告信息判据、气体/烟雾警告信息判据。
B20：采用等效热阻网络模型计算所述问题单体电池的内部温度及温度梯度，判断所述问题单体电池的内部温度是否超限，若是，则执行B30；若不是，则执行B10，继续判断是否存在问题单体电池；
B30：启动问题电池紧急制冷策略，调节主电磁比例阀对包含所述问题单体电池的电池模块实现最大冷却工质流量分配，启动分电磁比例阀对包含所述问题单体电池的电池模块开启冷却；
B40：计算冷却后当前时刻所述问题单体电池的散热量和发热量；进一步地，根据电池SOC/DOD值、电压值、电流值、初始内阻计算所述单体电池的发热量；进一步地，根据工质温度、工质流量、电池物性参数计算所述单体电池的的散热量。
B50：根据发热量与散热量的比例关系，确定热安全管控的响应时间，判断热安全管控是否可控，若可控，则执行B40；若不可控，则启动报警单元和消防喷淋头。
单体电池安全管理流程针对单体电池进行监控及紧急制冷的管理流程，数据分析计算模块404根据数据记录模块401内储存的电池状态参数历史数据，通过多源参数安全状态评判，实时识别电池安全状态及层级。根据单体电池表面温度，结合等效热阻网络模型计算单体电池的内部温度及温度梯度，判断电池的热安全状态及热失控的风险层级(即判断所述问题单体电池的内部温度是否超限)。若风险层级较高，则立即启动问题单元紧急制冷策略，调节主电磁比例阀3对包含所述问题单体电池的电池模块实现最大冷却工质流量分配，将大量的冷却工质分配到该电池模块所在的液冷通道上，紧接着启动分电磁比例阀10通过分液冷管对该电池模块集中冷却，防止热失控的发生。经过紧急制冷后，根据异常热行为-热失控过程的发热量与散热量的比例关系，确定热安全管控的响应时间及可控性，若紧急制冷不足以防止热失控，或是识别出热失控已经发生，则启动报警单元12和消防喷淋头11，及时阻隔热失控的传播。其中发热量和散热量所使用的公式方法记载于现有文献中。针对存在异常热行为及热失控风险的电池，本发明通过紧急制冷策略提升问题电池单元换热强度，当热失控演化过程的瞬时发热量低于或等于换热量时，将有望消除或降低风险等级。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种锂电池热-安全管理***，包括热-安全管理控制器(4)、电池管理***(5)、储能变流器(6)、箱内总监控(7)、若干电池模块(8)和冷却***；所述热-安全管理控制器(4)用于对所述电池模块(8)进行热管控；所述电池模块(8)由若干单体电池构成；所述冷却***包括设在所述电池模块(8)的散热面上的液冷通道(2)；其特征在于：
所述液冷通道(2)的分支形成若干分液冷管(21)，所述分液冷管(21)覆盖至每组所述电池模块(8)的散热面上；所述液冷通道(2)和所述分液冷管(21)分别设有主电磁比例阀(3)和分电磁比例阀(10)；
所述热-安全管理控制器(4)包括数据传输单元(402)、数据记录单元(401)、数据分析计算单元(404)、控制执行单元(403)；所述数据传输单元(402)分别接收所述电池管理***(5)、所述储能变流器(6)、所述箱内总监控(7)发送的单体电池运行参数，并将所述单体电池运行参数传输到所述数据分析计算单元(404)；所述数据分析计算单元(404)计算所述单体电池的发热量和散热量，并判断电池安全状态；所述控制执行单元(403)接收所述数据分析计算单元(404)的控制指令，驱动所述主电磁比例阀(3)动作和所述分电磁比例阀(10)动作；所述数据记录单元(401)用于记录所述单体电池运行参数的历史数据供所述数据分析计算单元(404)调用。
2.根据权利要求1所述的锂电池热-安全管理***，其特征在于，所述冷却***还包括冷水机(9)，所述液冷通道(2)与所述冷水机(9)连通形成闭合回路，所述闭合回路上设有水泵(1)；所述控制执行单元(403)与所述水泵(1)控制信号连接。
3.根据权利要求1所述的锂电池热-安全管理***，其特征在于，还包括若干消防喷淋头(11)，所述消防喷淋头(11)分别设置在所述液冷通道(2)和所述分液冷管(21)上，所述控制执行单元(403)与所述消防喷淋头(11)控制信号连接。
4.根据权利要求1所述的锂电池热-安全管理***，其特征在于，所述控制执行单元(403)控制信号连接有报警单元(12)。
5.一种采用如权利要求1至4任一所述的锂电池热-安全管理***进行的锂电池热-安全管控方法，其特征在于，包括
读入单体电池运行参数，根据所述单体电池运行参数对电池模块进行锂电池热管理流程以及单体电池安全管理流程；
所述锂电池热管理流程包括以下步骤：
A10：根据所述单体电池运行参数计算当前时刻单体电池的发热量；
A20：统计各电池模块的发热量及其偏差；
A30：根据各所述电池模块的发热量和偏差以确定冷却工质剂量的分配；
A40：启动主电磁比例阀开启冷却。
所述单体电池安全管理流程包括以下步骤：
B10：对单体电池进行多源参数安全状态评判，判断是否为问题单体电池，若是，则将所述单体电池标记为问题单体电池，执行B20，若不是，则重复执行B10，继续判断是否存在问题单体电池；
B20：采用等效热阻网络模型计算所述问题单体电池的内部温度及温度梯度，判断所述问题单体电池的内部温度是否超限，若是，则执行B30；若不是，则执行B10，继续判断是否存在问题单体电池；
B30：启动问题电池紧急制冷策略，调节主电磁比例阀对包含所述问题单体电池的电池模块实现最大冷却工质流量分配，启动分电磁比例阀对包含所述问题单体电池的电池模块开启冷却；
B40：计算冷却后当前时刻所述问题单体电池的散热量和发热量；
B50：根据发热量与散热量的比例关系，确定热安全管控的响应时间，判断热安全管控是否可控，若可控，则执行B40；若不可控，则启动报警单元和消防喷淋头。
6.根据权利要求5所述的锂电池热-安全管控方法，其特征在于，所述电池运行参数包括电池状态参数、冷却工质参数、安全状态参数；所述电池状态参数包括电池物性参数、初始内阻、初始OCV；所述冷却工质参数包括工质物性参数、工质温度、工质流量；所述安全状态参数包括BMS实时监测数据，所述BMS实时监测数据包括电压值、电流值、温度值、SOC/DOD值。
7.根据权利要求5所述的锂电池热-安全管控方法，其特征在于，根据SOC/DOD值、电压值、电流值、初始内阻计算所述单体电池的发热量。
8.根据权利要求5所述的锂电池热-安全管控方法，其特征在于，根据工质温度、工质流量、电池物性参数计算所述单体电池的的散热量。
9.根据权利要求5所述的锂电池热-安全管控方法，其特征在于，所述多源参数安全状态评判的判据包括电压阶跃判据、OCV/内阻变化率判据、温升速率判据、温度边界判据、容量差异判据、PCS警告信息判据、气体/烟雾警告信息判据。
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