[发明专利]低温工况导致电池储能系统内短路故障的在线监测方法

说明书

本发明公开了一种低温工况导致电池储能系统内短路故障的在线监测方法，首先建立锂电池内短路等效模型来模拟锂电池内短路时电压随电流负荷变化的瞬态响应，然后基于锂电池化学原理分析低温工况下锂电池内短路故障的典型过程与干扰因素，计算电池单体间的相关系数，再确定低温工况导致的内短路曲线特征值，最后基于电池相关系数特征值统计所有内短路频次对锂电池内短路进行安全状态评估。本发明基于单体电芯的内短路波形特征，利用移动窗口滤波器以及主动降噪方法提高精度，有效地实现锂电池低温内短路的在线监测。

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，具体为一种低温工况导致电池储能系统内短路故障的在线监测方法。

背景技术

基于锂电池的移动储能单元能量密度高、循环寿命长、无记忆效应，已被广泛用于电子产品(如手机、手表、微型计算机)及各类机电设备(电动汽车、移动储能电站)，2022年北京冬奥会将首次引入钛酸锂-磷酸铁锂移动式储能车作为云顶赛区的应急保障备用电源，户外高寒条件对改型电源提出了更高的要求，其失效或故障会导致赛事中断，造成巨大经济损失，甚至引发严重安全问题。近年来已有数起安全事故与锂离子电池相关，针对高寒环境下锂离子电池安全状态的研究是当下热点。

以往锂离子电池安全状态的研究主要集中于四种电气故障：

(1)过充电(Over charge,OC):电池充电电压超过其最大电压阈值。

(2)过放电(Over discharge,OD):电池放电低于其最低电压阈值。

(3)外部短路(External short circuit,ESC):电池放电电流大于最大放电电流，端电压接近零，温度迅速升高。

(4)内部短路(Internal short circuit,ISC):电池内部正负极短接或临时短接，端电压出现突降。

现有电池管理系统(Battery management system，BMS)通过实时监测电池单体电压，基本实现了电池单体过充/放电告警功能；通过实时监测电池组总电压，能够实现外部短路的监测与告警；与过充/放电故障相比，短路故障通常有着更大的危害性，是引发安全事故的关键原因之一，但由于电池组通常是由成百上千个单体电芯串并联而成，单体电芯内部短路在电池组层面很难被准确识别，其在线监测方法仍然是目前亟待解决的问题。

锂离子电池内短路是指锂电池正负极铜、锂等电极材料不断堆积，穿过隔膜导致正负极短接。内短路使得锂电池内部电流急剧升高，热效应增强，甚至发生热失控，电池起火或爆炸。国内外研究表明，零度以下低温工况中由于锂枝晶而引发的锂电池内短路事件占到有统计内短路事件的80％以上。

现有的电池内短路故障检测方法一般采用参数估计设置内短路阈值的方法，其技术方案如下：

首先建立锂电池的完整电-热-内短路参数模型，将内短路的故障问题转变成为电池内部参数(如SOC、SOH与电池内阻等)的估计问题，通过电池单体电压的监测数据确定疑似异常的“问题电池”，将其余电池视为“正常电池”，通过比对“问题电池”内部参数偏离“正常电池”的程度，实现电池内短路的实时监测与定位。

现有技术建立了完整的锂电池电化学模型，阐释了内短路的发生机理，能够在内短路早期就发现问题，但如果要对电池单体内部参数开展精确检测，就只能采用离线检测甚至破坏性实验的方法，检测成本高，反应速度慢，大多局限于实验室环境下，目前还没有一个可行的在线监测技术方案。