锂电池温度分布智能传感器、装置及方法与流程

本发明涉及电池监测技术，尤其涉及了锂电池温度分布智能传感器、装置及方法。

背景技术：

1、随着锂电池在交通领域应用的日益深入，锂电池需要提供更快的充电能力和出色的低温性能，然而满足这些要求必然会带来更多的析锂现象。如果不能及早做出判断，过多的析锂将会大幅缩短电池的寿命，并且有可能引起内短路，进而造成热失控，导致燃烧、爆炸等灾难性后果。

2、当产生析锂时，尤其是在生成锂枝晶的情况下，在锂枝晶处的电流密度将会增大，从而造成明显的局部升温，但这种温升并非全局现象，而且随着锂枝晶的溶解可能不会扩大，甚至不再出现，这种情况不一定会带来灾难性的后果，但是由于金属锂与电解液反应时释放出大量热量，导致局部金属锂和隔膜熔化，从而对电池产生不可逆的损坏。

3、当局部金属锂和隔膜熔化不能及时评估出来，随着电池继续使用的累积，尤其是当局部温度持续升高却仍难以做出预警时，内部短路就会发生，在这一局部产生更高的电流密度，加剧局部升温，引起热失控的可能性就会大幅增加，一旦热失控发生，极短时间内就会导致灾难性的后果，难以给出足够时间采取任何有效措施。

4、因此能否通过监测电池温度的分布来实时判断电池目前的内部状况，从而能够及时给电池管理系统提供信息来做出相应的控制调整、应急措施、预警提示、以及维修维护方案，将保证锂电池在满足日益提高的性能要求的同时，杜绝内短路和热失控现象，使锂电池成为高效安全的无后患产品。

5、目前量产中的温度测量是以在电池表面贴上传感器，将温度测量值传递给电池管理系统，电池管理系统根据温度是否超过上限来判断是否存在热失控危机。这一方案显然无法达到提前捕捉内短路和热失控的要求，因为一旦温度超过极限，热失控实际已经发生，预警的可能性已经不存在了，剩下是灾难控制方案入场了，即如何将热失控控制在某几个电池或者某几个模块之内，阻止其蔓延到整个电池包。

6、另一方面，由于一个温度传感器只能测量电池表面某个局部的表温度，而析锂的产生在宏观上表现出来通常是多发的，随机的一个局部温度的测量值无法导出整个电池表面的温度分布，更无从谈起捕捉某一局部的温度异常。

7、如现有技术，cn202210559895.7；只是将电池表面温度的直接测量值传递给电池管理系统做逻辑判断，而电池表面温度受到环境、温控以及相邻电池的影响，无法真正表征电池内部的温度，这种表面温度直接测量值对电池内部状态监测来说意义不大。随着锂电池逐渐往大容量电芯的方向发展，无论是电池的表面尺寸，还是电芯堆叠的层数都在逐步增加，这种依靠一个简单温度传感器测量表面温度的方案是无法胜任未来锂电池的管理控制设计需求的。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中电池传感器只是将电池表面温度的直接测量值传递给电池管理系统做逻辑判断，而电池表面温度受到环境、温控以及相邻电池的影响，无法真正表征电池内部的温度的问题，提供了锂电池温度分布智能传感器、装置及方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

3、锂电池温度分布智能传感器，包括温度采集单元，其还包括锂电池处理器单元；温度采集单元包括温度传感器阵列单元和温度采集处理单元；温度传感器阵列单元用于采集锂电池的温度，并将采集的温度传送至温度采集处理单元；

4、锂电池处理器单元包括温度和产热功率分布处理单元；温度采集处理单元用于对采集的温度测量值进行处理，并将处理后的温度信号通过数字总线传送至温度和产热功率分布处理单元；

5、温度和产热功率分布处理单元依据热模型对接收的温度信号进行计算拟合，从而确定锂电池的温度和产热功率分布。

6、作为优选，锂电池处理器单元还包括锂电池健康预估处理单元；

7、温度和产热功率分布处理单元计算得到的温度和产热功率分布传送至锂电池健康预估处理单元，锂电池健康预估处理单元依据温度和产热功率分布来估算锂电池的健康指数soh，以及预估出现热失控事件发生概率p。

8、作为优选，温度采集单元由数个数字化温度传感器组成阵列，温度传感器阵列包括数个温度传感器或温度测量光纤，实现温度的多点同步采集。

9、作为优选，温度传感器阵列固定在导热薄膜之上或两层薄膜之间，并与锂电池接触或位于锂电池内部。

10、为了解决上述技术问题，本发明还提供了锂电池温度分布智能传感器装置，其包括所述的锂电池温度分布智能传感器。

11、作为优选，还包括电池管理系统，电池管理系统可用于对传感器发送的温度测量值进行管理，确定锂电池的温度分布状态，依据锂电池的温度分布状态确定锂电池的产热功率分布，并依据产热功率分布预估热失控发生的概率。

12、为了解决上述技术问题，本发明还提供了用于计算锂电池温度和产热功率分布，以及热失控预估的方法，其通过所述的锂电池温度分布智能传感器而实现，其方法包括：

13、温度测量值的获取，通过温度采集单元获取锂电池温度测量值；

14、锂电池的温度和产热功率分布的确定，通过温度和产热功率分布处理单元依据热模型对接收的温度信号进行计算拟合，从而确定锂电池的温度和产热功率分布。

15、作为优选，还包括锂电池热失控的预估，温度和产热功率分布处理单元的温度和产热功率分布传送至锂电池健康预估处理单元，锂电池健康预估处理单元依据温度和产热功率分布来预估锂电池的热失控事件发生概率p。

16、作为优选，锂电池热失控的预估包括：

17、输入的数据包括锂电池单元温度和产热功率分布数据，以及锂电池单元工作模式；锂电池单元温度和产热功率分布数据表示为特定时刻下不同位置处的温度分布数据集和产热功率分布数据集，温度分布数据集和产热功率分布数据集包括在t时刻锂电池单元某特定位置i，j处的温度ti，j(t)和产热功率pi，j(t)，其中，i＝1,2……n,j＝1,2……m,t＝1,2……t；锂电池单元工作模式包括放电模式、充电模式和闲置模式；

18、锂电池单元漏电功率的估算：通过对锂电池单元温度和产热功率分布数据的分析，以预先建立的漏电模型进行估算，得到锂电池单元漏电功率的分布；

19、锂电池单元电池状态特征向量的提取：在锂电池单元温度分布和漏电功率分布数据中提取出电池状态特征向量，将输入的锂电池单元工作模式设定成锂电池单元工况向量，结合提取的电池状态特征向量，通过锂电池单元健康状态估计神经网络确定锂电池单元当前健康状态，通过热失控监测与预测神经网络确定热失控事件发生的概率。

20、作为优选，锂电池单元健康状态估计和热失控监测与预测包括：

21、模型训练数据的采集：采集锂电池单元在不同充放电周期，和不同工况条件下的温度分布和产热功率分布；

22、期望输出值的标定：对于采集的数据标定其期望输出值，期望输出值包括电池健康状况指数soh和热失控事件概率p；

23、预测误差的监测：以采集的不同充放电周期和不同工况下的数据为输入，对标定后的期望输出值进行学习训练，训练后的各工况下的输入输出数据构成训练的数据集，其与原始的采集标定数据集的差别来确定预测误差。

24、本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

25、本发明通过温度传感器阵列多点测量锂电池电池表面或者内部温度，并将温度传感器阵列采集的多点温度测量值通过设计的模型和算法模拟内部的热源功率分布，从而捕捉温度异常点，评估电池状态，侦测析锂和锂枝晶的生成，并对潜在的内短路和热失控危险做出预警。

26、本发明将温度传感器阵列和锂电池处理器单元集成在一起，以导热薄膜封装形成一个估算电池状态和温度分布的智能传感器，对于该智能传感器可以贴在电池表面或预埋在电池内部，并通过连线或无线模块与电池管理系统进行通讯。智能传感器可根据电池管理系统的要求将电池内部的温度综合值、温度分布、电池状态、内短路和热失控预警的信息发送给电池管理系统。

27、本发明通过监测电池温度的分布来实时判断电池目前的内部状况，从而能够及时给电池管理系统提供信息来做出相应的控制调整、应急措施、预警提示、及维修维护方案，将保证锂电池在满足日益提高的性能要求的同时，杜绝内短路和热失控现象，进一步提高了锂电池的安全性能。