本發(fā)明涉及鋰離子電池熱失控，具體涉及一種多信號特征融合的電池安全預警方法。

背景技術(shù)：

1、隨著鋰離子電池在電動汽車、儲能系統(tǒng)、消費電子等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，電池作為關(guān)鍵能源存儲組件的安全問題，是大規(guī)模應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。鋰離子電池高能量密度、較長的循環(huán)壽命、高充放電效率等特質(zhì)，在現(xiàn)代社會得到了廣泛應(yīng)用。然而，電池本身作為高能量密度元件，一旦發(fā)生熱失控危險，造成的損失不容小覷。

2、熱失控是電池安全事故的根本原因之一，尤其在電池遭遇過充、過放、外部溫度過高、內(nèi)部故障等情況下，加速電池內(nèi)部化學反應(yīng)進行，進而導致溫度急劇升高，最終使電池發(fā)生熱失控。熱失控最后階段發(fā)生過程時間短、速度快，甚至可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸，威脅到社會的公共安全。不論是電動汽車中還是在儲能電站中，一旦電池發(fā)生熱失控，可能導致的災(zāi)難性后果遠遠超出常規(guī)的工業(yè)事故。因此，如何實現(xiàn)電池熱失控的預警，是能否在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破的關(guān)鍵問題。

3、目前，傳統(tǒng)的電池安全監(jiān)測技術(shù)多依賴于單一信號特征(如電池的電壓、溫度等)進行實時監(jiān)控。然而，單一的信號特征無法全面反映電池的整體健康狀況及其潛在的安全風險，尤其是在電池老化、充放電條件變化、環(huán)境溫度波動等復雜情況下，單一信號判斷電池是否存在熱失控的風險可能具有滯后性或誤判的可能。電池的健康狀況不僅僅取決于瞬時的電壓和溫度變化，還受到多個因素的影響，如電池內(nèi)部的化學老化過程、充電速度、放電深度等。隨著電池使用時間的延長，其性能逐漸衰退，因此需要更加精確的預警系統(tǒng)來識別不同狀態(tài)下的安全風險。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種多信號特征融合的電池安全預警方法，以解決現(xiàn)有的電池安全監(jiān)測技術(shù)依賴于單一信號特征進行監(jiān)控存在滯后和不準確的問題。

2、一種多信號特征融合的電池安全預警方法，包括以下步驟：

3、構(gòu)建單體電池的二階rc等效電路模型、單體電池的熱模型、單體電池的傳熱模型、電池模組中單體電池間的熱傳遞模型、電池模組的熱平衡模型和電池模組的可用容量模型；所述電池模組包括若干個單體電池；

4、基于單體電池的二階rc等效電路模型利用混合脈沖功率特性測試進行參數(shù)辨識，獲取單體電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和極化電容；

5、建立電池健康與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計模型；

6、建立電池模組運行的安全約束和電池模組多狀態(tài)聯(lián)合估計的狀態(tài)空間表達式；

7、在電池模組的熱平衡模型、電池模組的可用容量模型、電池模組運行的安全約束和電池模組多狀態(tài)聯(lián)合估計的狀態(tài)空間表達式的約束下，基于建立的單體電池的熱模型、單體電池的傳熱模型和電池模組中單體電池間的熱傳遞模型，得到的單體電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻、極化電容和建立的電池健康與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計模型，利用aekf方法獲取單體電池的狀態(tài)預測數(shù)據(jù)；

8、根據(jù)單體電池的狀態(tài)預測數(shù)據(jù)，計算荷電狀態(tài)變化、電壓降、電流變化和溫升；

9、將單體電池的狀態(tài)預測數(shù)據(jù)、荷電狀態(tài)變化、電壓降、電流變化和溫升輸入到預訓練的transform模型，得到電池熱失控安全預警結(jié)果，所述電池熱失控安全預警結(jié)果為風險因子risk。

10、進一步地，所述單體電池的二階rc等效電路模型為：

11、u0(t)＝uocv(t)-r0i(t)-u1(t)-u2(t)????????????????(1)

12、式中，u0(t)代表單體電池的端電壓，uocv(t)代表單體電池的開路電壓，u1(t)和u2(t)代表單體電池兩個rc回路的極化電壓，r0表示單體電池的歐姆內(nèi)阻，i(t)為單體電池的充放電電流，t表示時刻；

13、所述單體電池的熱模型為：

14、

15、式中，q(t)為單體電池的產(chǎn)熱量，t(t)和t為電池模組中單體電池的平均溫度，eh為溫熵系數(shù)，uocv代表單體電池的開路電壓；

16、所述單體電池的傳熱模型為：

17、

18、式中，qin(t)為單體電池的核心到表面損失的溫度，tc(t)為單體電池的核心溫度，g為材料熱導率，x為單體電池核心到表面的距離，qconv(t)為單體電池表面損失熱量，h1為對流換熱系數(shù)，ts(t)為單體電池的表面溫度，te(t)為環(huán)境溫度，a1為單體電池表面積；

19、所述電池模組中單體電池間的熱傳遞模型為：

20、

21、式中，qb(t)為電池模組中單體電池間傳遞的熱量，i表示單體電池的編號，ts,i(t)為電池模組中第i個單體電池的表面溫度，h2為換熱系數(shù)，a2為導熱的橫截面積，l為熱傳導路徑的長度或厚度，ts,i+1(t)和ts,i-1(t)為與第i個單體電池相鄰的兩個單體電池的表面溫度；

22、所述電池模組的熱平衡模型為：

23、

24、式中，bc為核心熱容，bs為表面熱容，tc,i(t)為第i個單體電池的核心溫度；

25、所述電池模組的容量模型為：

26、

27、式中，vtol為電池模組的可用容量；vchar為電池模組的可用充電容量；vdisc為電池模組的可用放電容量；n為單體電池的總數(shù)；vm為可用充電容量最小的單體電池的容量；vh為可用放電容量最小的單體電池的容量；soc,h為可用放電容量最小的單體電池h的荷電狀態(tài)，soc,m為可用充電容量最小的單體電池m的荷電狀態(tài)。

28、進一步地，所述基于單體電池的二階rc等效電路模型利用混合脈沖功率特性測試進行參數(shù)辨識，獲取單體電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和極化電容，具體為：

29、a1：將單體電池的荷電狀態(tài)離散化，并獲取不同荷電狀態(tài)下單體電池的開路電壓，得到不同荷電狀態(tài)下單體電池的開路電壓uocv的擬合曲線；

30、單體電池的荷電狀態(tài)離散化方法為：

31、

32、式中，soc(t)為t時刻單體電池的荷電狀態(tài)，soc(t+1)為t+1時刻單體電池的荷電狀態(tài)，η為電池庫倫效率，△t為連續(xù)狀態(tài)變化之間的時間步長，vc為單體電池當前實際容量；

33、a2：測量單體電池的端電壓和單體電池的充放電電流；

34、a3：基于單體電池的二階rc等效電路模型建立單體電池的觀測方程，然后基于單體電池的觀測方程利用混合脈沖功率特性測試辨識單體電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和極化電容；

35、具體的，利用得到的不同荷電狀態(tài)下單體電池的開路電壓uocv的擬合曲線，確定當前時刻單體電池的開路電壓，將測量得到的單體電池的端電壓和單體電池的充放電電流和當前時刻單體電池的開路電壓代入單體電池的觀測方程，辨識得到單體電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和極化電容，所述觀測方程為：

36、

37、式中，r1和r2為單體電池的極化內(nèi)阻且并聯(lián)代表電化學極化，c1和c2為單體電池的極化電容且并聯(lián)代表電池濃差極化，j為最小化誤差平方和，為t時刻真實的單體電池的端電壓值，uocv(soc(t))為t時刻單體電池的開路電壓，tmax為最大離散時間步數(shù)。

38、進一步地，所述電池健康與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計模型為：

39、

40、式中，soh(t)為t時刻的電池健康；vn為單體電池的額定最大容量。

41、進一步地，所述電池模組運行的安全約束包括單體電池當前實際容量約束、單體電池的溫度約束和單體電池的荷電狀態(tài)約束；所述溫度包括單體電池的核心溫度、單體電池的表面溫度和電池模組中單體電池的平均溫度；

42、所述電池模組運行的安全約束為：

43、

44、式中，tc，max(t)為最大電池核心溫度，tcs，max(t)為最大表面與核心溫度差，tmax(t)為電池最大平均溫度，為防止電池過充過放，設(shè)定soc，min為單體電池的荷電狀態(tài)最小值，soc，max為單體電池的荷電狀態(tài)最大值；

45、所述電池模組多狀態(tài)聯(lián)合估計的狀態(tài)空間表達式為：

46、

47、式中，z為單體電池質(zhì)量，ak為加權(quán)系數(shù)，表示不同歷史時刻的充放電電流對當前端電壓的影響權(quán)重，β為過去的時刻，βmax為總時間長度。

48、進一步地，所述單體電池的狀態(tài)預測數(shù)據(jù)包括單體電池的端電壓、單體電池的充放電電流、溫度、單體電池的荷電狀態(tài)和單體電池的電池健康。

49、進一步地，所述在電池模組的熱平衡模型、電池模組的可用容量模型、電池模組運行的安全約束和電池模組多狀態(tài)聯(lián)合估計的狀態(tài)空間表達式的約束下，基于建立的單體電池的熱模型、單體電池的傳熱模型和電池模組中單體電池間的熱傳遞模型，得到的單體電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和極化電容和建立的電池健康與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計模型，利用aekf方法獲取單體電池的狀態(tài)預測數(shù)據(jù)，具體為：

50、b1：利用單體電池的熱模型、單體電池的傳熱模型和電池模組中單體電池間的熱傳遞模型，預測單體電池的產(chǎn)熱量、單體電池表面損失熱量、單體電池的核心到表面損失的溫度和電池模組中單體電池間傳遞的熱量；

51、b2：建立單體電池的核心溫度與單體電池的表面溫度的觀測關(guān)系；

52、

53、式中，wt為過程噪聲，vt為觀測噪聲；

54、b3：根據(jù)求解得到的單體電池的產(chǎn)熱量、單體電池表面損失熱量、單體電池的核心到表面損失的溫度和電池模組中單體電池間傳遞的熱量，利用電池模組多狀態(tài)聯(lián)合估計的狀態(tài)空間表達式和單體電池的核心溫度與單體電池的表面溫度的觀測關(guān)系，預測單體電池的核心溫度與單體電池的表面溫度；

55、b4：根據(jù)預測的單體電池的核心溫度與單體電池的表面溫度，獲取預測的電池模組中單體電池的平均溫度；

56、b5：利用辨識得到的單體電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻、極化電容和電池模組中單體電池的平均溫度，使用aekf方法估計溫度變化時單體電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和極化電容；

57、

58、b6：估計單體電池當前實際容量；

59、所述估計單體電池當前實際容量的方法為：

60、

61、式中，k為離散時間變量；

62、b7：利用單體電池的二階rc等效電路模型、估計得到的單體電池當前實際容量、溫度變化時單體電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和極化電容使用aekf方法估計荷電狀態(tài)，得到考慮溫度補償?shù)暮呻姞顟B(tài)；

63、

64、b8：將建立的電池健康與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計模型進行離散化，得到的考慮溫度補償下的電池健康與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計模型；

65、

66、b9：根據(jù)估計的單體電池當前實際容量，利用考慮溫度補償下的電池健康與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計模型，估計電池健康；

67、

68、式中，△soc為荷電狀態(tài)變化，△t為溫升，△u0為電壓降，△i為電流變化。

69、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果為：

70、相較于傳統(tǒng)預警模型，同時關(guān)注多個特征參數(shù)信號(如端電壓、荷電狀態(tài)、電池健康、壓力等參數(shù))獲得更為準確的預警，建立電熱耦合模型能夠適用于不同溫度環(huán)境，能夠綜合考慮溫度、電流、電壓、內(nèi)部阻抗等多種參數(shù)，使得狀態(tài)估計更加準確，實現(xiàn)對電池狀態(tài)的快速預測。針對電池溫度可能帶來的安全風險，將溫度作為約束條件引入預測過程，采用帶有溫度補償?shù)碾娮韫烙媠oc(state?of?charge，電池荷電狀態(tài))，并采用soc與soh(stateof?health，電池健康狀態(tài))聯(lián)合估計的方法，提高對電池健康估計的準確性，進一步提高安全預警準確性。將估計后的電池狀態(tài)直接輸入給transform模型進行安全預警的方法，有效提升神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實時運行速度，采用多頭注意力機制并行處理并行參數(shù)數(shù)據(jù)，更有效地處理多種特征參數(shù)，提高數(shù)據(jù)分析的深度和準確性?？偨Y(jié)上述技術(shù)，本發(fā)明能夠提供高精度的電池健康監(jiān)測和安全預警功能，顯著提高電池安全預警的準確性和實時性。通過精確預測電池可能發(fā)生的故障或異常情況，該方法能夠有效降低電池潛在的熱失控風險，提升電池系統(tǒng)的安全性和可靠性。