CN121054836A - 一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，本发明涉及锂电子电池技术领域，解决了现有检测体系难以提前识别电池内部隐性缺陷的问题，本发明通过通过分阶段提取过充进程中的电压、电流特征曲线，以“变化趋势=电压÷电流”构建电学表征指标，实现了对电池内部嵌锂/脱锂、阻抗变化等电化学进程的精准映射，突破了传统仅依赖单一参数监测的局限性；针对恒流阶段设计校验阈值，针对恒压阶段设定判定标准，可分别精准识别正负极材料失效、微短路及锂枝晶生长等隐性风险，提前捕捉热失控前兆；预警逻辑层层递进，从特征曲线提取到变化趋势校验再到异常信号触发，形成完整闭环，能在电池出现安全隐患初期及时响应。

Description

一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法

技术领域

本发明涉及锂电子电池技术领域，具体为一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法。

背景技术

随着全球能源结构向低碳化、电气化转型，锂离子电池凭借能量密度高、循环寿命长、充放电效率优及环境友好等核心优势，已成为消费电子、新能源汽车、储能系统等领域的核心能源载体；据行业数据显示，2024年全球锂离子电池市场规模突破1.5万亿元，其中新能源汽车动力电池与储能电池占比超80％，预计2030年市场规模将进一步攀升至3万亿元以上，展现出强劲的发展势头。

然而，锂离子电池在快速普及的同时，其安全性能始终是制约行业高质量发展的关键瓶颈——电池内部由正极、负极、电解液及隔膜构成的复杂电化学体系，在生产制造（如极片毛刺、电解液注液量偏差）、储存运输（如高温高湿环境、剧烈振动）及终端使用（如过充过放、外部撞击）等全生命周期环节中，易出现一系列安全隐患。

从安全事故诱因来看，锂离子电池的风险主要源于内部电化学副反应引发的热失控连锁反应：过充时正极材料结构崩塌释放氧气，与电解液发生氧化反应产生大量热量；过放导致负极析锂形成锂枝晶，刺穿隔膜引发内部短路；机械冲击或挤压造成壳体破损、电极变形，直接破坏电池结构完整性；极端温度环境则加速电解液分解与活性物质老化，降低电池热失控阈值。近年来，国内外先后发生多起新能源汽车自燃、储能电站火灾等安全事件，不仅造成重大财产损失，更引发社会对锂离子电池安全性能的广泛关注，推动行业对标准化、系统化安全检测技术的需求日益迫切。

现有检测体系仍存在诸多待完善之处：一方面，部分检测方法侧重于事后失效验证（如强制短路、高温冲击），难以提前识别电池内部隐性缺陷（如微短路、SEI膜局部破裂）；另一方面，随着固态电池、高镍三元电池等新型电池技术的迭代，传统检测参数与判定标准已无法完全适配其特殊的电化学特性，亟需针对性优化检测方案。

在此背景下，构建一套覆盖电池全生命周期、融合多维度检测指标、兼顾传统与新型电池技术的安全检测方案，对于提前预警安全风险、规范行业质量标准、保障锂离子电池在各领域的安全应用具有重要现实意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，解决了现有检测体系难以提前识别电池内部隐性缺陷的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，包括以下步骤：

步骤一、对锂电子电池执行过充进程，同步对锂电子电池的内部电压进行实时监测，在内部电压超过设定标准时，再执行恒压充电进程，至充电电流降低至设定标准时止，并对过充进程中所关联的特征曲线进行记录，具体方式为：

以3C电流进行恒流充电处理，并在充电进程中，对锂电子电池的内部电压进行实时监测，并将实时监测的内部电压记作U_i，其中i代表不同时刻；

确认所监测的内部电压U_i是否满足：U_i≥1.2X额定电压，若满足，则停止恒流充电进程，若未满足，则持续进行恒流充电，至内部电压U_i满足时停止，且额定电压为预设电压；

在内部电压U_i满足时，保持当前时刻的充电电压不变，并实时监测充电电流，当充电电流降低至0.05C时停止充电，确认本次过充进程所关联的时间周期，并确认该时间周期内锂电子电池所产生的电流变化曲线以及电压变化曲线，将所确认的变化曲线记作本次过充进程中所关联的特征曲线；

步骤二、从过充进程中所确认的特征曲线中，提取恒流充电阶段的特征曲线，再从所提取的特征曲线中确认恒流变化趋势，并依次对所确认的恒流变化趋势进行校验处理，根据校验结果确认恒流充电阶段是否正常，具体方式为：

从恒流充电阶段进程中，确认充电开始时刻至锂电子电池内部电压达到额定电压关联时刻的关联时间段T1，再确认锂电子电池内部电压从额定电压爬升至U_i的关联时间段T2，其T1、T2均为单个时间段；

从两组特征曲线内提取关联时间段T1内所包括的两组部分特征曲线，将同时刻所关联的电压以及电流进行提取，并采用：变化趋势=电压÷电流，确认对应时刻所关联的变化趋势，并依据关联时间段T1的初始时刻至末端时刻的时间走向，生成对应变化趋势的趋势变化曲线，记作初曲线；

对关联时间段T2所关联的两组特征曲线采用初曲线相同的确定方式，生成对应关联时间段T2内所关联的变化趋势的变化曲线，记作次曲线；

将所确认的初曲线以及次曲线均记作待处理曲线：确定相邻时刻之间前后相邻点位的变化特征，拟定相邻点位后一点位的变化趋势为Q1，前一点位的变化趋势为Q2，其变化特征=Q1-Q2，并将前后变化特征一致的部分曲线段记作同变化段，对待处理曲线内所关联的同变化段依次进行确定，并将每个同变化段的变化特征记作B_k，其中k代表待处理曲线内不同的同变化段；

在初曲线内，将若干个B_k进行均值处理，确定特征均值，再采用：CZ_k=|B_k-特征均值|确认对应B_k所关联的偏离值CZ_k，从所确认的若干组偏离值CZ_k中，选定最大值，并将最大值所关联的同变化段记作初曲线的待校验段；采用初曲线内待校验段相同的确定方式，对次曲线内所关联的待校验段进行确定；

将初曲线内待校验段的变化特征记作B1，再将次曲线内待校验段的变化特征记作B2，评定B1以及B2是否满足：（B1-B2）÷B1≥100％，若满足，则代表恒流充电过程中存在异常，直接生成安全异常信号进行展示，反之，则执行后续的校验进程；

步骤三、从过充进程中所确认的特征曲线中，提取恒压充电阶段的特征曲线，并从所提取的特征曲线中确认恒压变化趋势，并从所确认的恒压变化趋势中确认趋势整体差异，从所确认的趋势整体差异中评定恒压充电阶段是否正常，具体方式为：

从恒压充电阶段进程中，确认内部电压达到U_i的时刻记作初始时刻，再确认后续充电电流降低至0.05C的时刻记作末端时刻，将初始时刻与末端时刻之间的时间段记作关联时段；

从两组特征曲线内提取关联时段内所关联的两组部分特征曲线，并从两组部分特征曲线中提取同时刻所关联的电压以及电流，并采用：变化趋势=电压÷电流，确认对应时刻所关联的变化趋势，并依据关联时段的时间走向，生成变化趋势的趋势变化曲线，记作待定曲线；

在待定曲线中，确定相邻时刻之间前后相邻点位的变化特征，并将前后变化特征一致的部分曲线段记作同变化段，对待处理曲线内所关联的同变化段依次进行确定，并将每个同变化段的变化特征记作Z_q，其中q代表待定曲线内不同的同变化段；

从所确定的若干组变化特征Z_q中选定最大值Z_qmax以及最小值Z_qmin，识别Z_qmax以及Z_qmin是否满足：（Z_qmax-Z_qmin）÷Z_qmax≥50％，若满足，则直接生成安全异常信号进行展示；若不满足，则将所确认的比例参数“（Z_qmax-Z_qmin）÷Z_qmax”进行展示。

本发明提供了一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法。与现有技术相比具备以下有益效果：

其一，通过分阶段提取过充进程中的电压、电流特征曲线，以“变化趋势=电压÷电流”构建电学表征指标，实现了对电池内部嵌锂/脱锂、阻抗变化等电化学进程的精准映射，突破了传统仅依赖单一参数监测的局限性；

其二，针对恒流阶段设计校验阈值，针对恒压阶段设定判定标准，可分别精准识别正负极材料失效、微短路及锂枝晶生长等隐性风险，提前捕捉热失控前兆；

其三，预警逻辑层层递进，从特征曲线提取到变化趋势校验再到异常信号触发，形成完整闭环，能在电池出现安全隐患初期及时响应，有效规避起火、爆炸等严重事故，为固态储能锂电池的安全运行提供了科学、高效的保障。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本申请提供了一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，包括以下步骤：

步骤一、对锂电子电池执行过充进程，以3C电流进行恒流充电，并对锂电子电池的内部电压进行实时监测，在内部电压超过设定标准时，再执行恒压充电进程，至充电电流降低至设定标准时止，并对过充进程中所关联的特征曲线进行记录；

其中，对特征曲线进行记录的具体方式为：

对锂电子电池执行过充进程，以3C电流进行恒流充电处理，并在充电进程中，对锂电子电池的内部电压进行实时监测，并将实时监测的内部电压记作U_i，其中i代表不同时刻；

确认所监测的内部电压U_i是否满足：U_i≥1.2X额定电压，若满足，则停止恒流充电进程，若未满足，则持续进行恒流充电，至内部电压U_i满足时停止，其中额定电压为预设电压，由相关人员提前根据说明拟定；

在内部电压U_i满足时，保持当前时刻的充电电压不变，并实时监测充电电流，当充电电流降低至0.05C时停止充电，确认本次过充进程所关联的时间周期，并确认该时间周期内锂电子电池所产生的电流变化曲线以及电压变化曲线，将所确认的变化曲线记作本次过充进程中所关联的特征曲线；

具体的，在过充进程中，对应的锂电子电池一般执行两个充电阶段，分别为恒流充电阶段以及恒压充电阶段，在恒流充电阶段，电位差（电池端电压）持续上升，核心驱动是电极嵌锂/脱锂进程：随着正极嵌锂量增加、负极脱锂量增多，正负极表面电位差逐步扩大，表现为端电压线性或阶梯式升高。此阶段电流恒定，电位差变化主要源于活性物质的电化学状态改变，内阻变化较小；

在恒压充电阶段，电位差保持恒定，电流下降是因极化动态平衡：电压固定后，电池内部锂离子传输速率随嵌锂饱和程度降低，极化程度加剧，导致充电电流逐渐衰减至0.05C。此阶段电位差不再变化，仅通过电流衰减体现电池满电过程；

故在对应的恒流充电阶段和恒压充电阶段，对应锂电子电池内部的电流以及电压曲线均会跟随着发生变化，根据对应的参数变化进程，便能确认对应过充，过程中所关联的变化曲线。

步骤二、从过充进程中所确认的特征曲线中，提取恒流充电阶段的特征曲线，再从所提取的特征曲线中确认恒流变化趋势，并依次对所确认的恒流变化趋势进行校验处理，根据校验结果确认恒流充电阶段是否正常：

从恒流充电阶段进程中，确认充电开始时刻至锂电子电池内部电压达到额定电压关联时刻的关联时间段T1，再确认锂电子电池内部电压从额定电压爬升至U_i的关联时间段T2，其T1、T2均为单个时间段，并不是代表某个时刻；

从两组特征曲线内提取关联时间段T1内所包括的两组部分特征曲线，将同时刻所关联的电压以及电流进行提取，并采用：变化趋势=电压÷电流，确认对应时刻所关联的变化趋势，此处的变化趋势，可以理解为正极嵌锂量增加，负极脱锂量增多的一个相对变化速率，随着充电时间的增加，对应两个正负极之间会发生对应的化学变化，此变化趋势可理解为对应化学变化所产生的阻抗变化，更准确的含义是反映化学变化的电学表征指标，并依据关联时间段T1的初始时刻至末端时刻的时间走向，生成对应变化趋势的趋势变化曲线，记作初曲线；

对关联时间段T2所关联的两组特征曲线采用初曲线相同的确定方式，生成对应关联时间段T2内所关联的变化趋势的变化曲线，记作次曲线；

将所确认的初曲线以及次曲线均记作待处理曲线：确定相邻时刻之间前后相邻点位的变化特征，拟定相邻点位后一点位的变化趋势为Q1，前一点位的变化趋势为Q2，其变化特征=Q1-Q2，并将前后变化特征一致的部分曲线段记作同变化段，对待处理曲线内所关联的同变化段依次进行确定，并将每个同变化段的变化特征记作B_k，其中k代表待处理曲线内不同的同变化段；

在初曲线内，将若干个B_k进行均值处理，确定特征均值，再采用：CZ_k=|B_k-特征均值|确认对应B_k所关联的偏离值CZ_k，从所确认的若干组偏离值CZ_k中，选定最大值，并将最大值所关联的同变化段记作初曲线的待校验段；采用初曲线内待校验段相同的确定方式，对次曲线内所关联的待校验段进行确定；

将初曲线内待校验段的变化特征记作B1，再将次曲线内待校验段的变化特征记作B2，评定B1以及B2是否满足：（B1-B2）÷B1≥100％，若满足，则代表恒流充电过程中存在异常，直接生成安全异常信号进行展示，若不满足，则执行后续的校验进程，进行再确认，当满足此类条件时，证明后续的满额充电进程中，其后续的变化趋势是与前端的变化趋势相反的，正常情况下，应该都是一致的，两时段核心变化特征差异超100%，说明正负极嵌锂/脱锂进程出现趋势反转或剧烈波动，可能因正极晶格破损、负极SEI膜破裂或内部微短路导致，严重时还会产生爆炸，故需要及时进行异常信号的实时展示。

步骤三、从过充进程中所确认的特征曲线中，提取恒压充电阶段的特征曲线，并从所提取的特征曲线中确认恒压变化趋势，并从所确认的恒压变化趋势中确认趋势整体差异，从所确认的趋势整体差异中评定恒压充电阶段是否正常：

从恒压充电阶段进程中，确认内部电压达到U_i的时刻记作初始时刻，再确认后续充电电流降低至0.05C的时刻记作末端时刻，将初始时刻与末端时刻之间的时间段记作关联时段；

从两组特征曲线内提取关联时段内所关联的两组部分特征曲线，并从两组部分特征曲线中提取同时刻所关联的电压以及电流，并采用：变化趋势=电压÷电流，确认对应时刻所关联的变化趋势，并依据关联时段的时间走向，生成变化趋势的趋势变化曲线，记作待定曲线；

在待定曲线中，确定相邻时刻之间前后相邻点位的变化特征，并将前后变化特征一致的部分曲线段记作同变化段，对待处理曲线内所关联的同变化段依次进行确定，并将每个同变化段的变化特征记作Z_q，其中q代表待定曲线内不同的同变化段；

从所确定的若干组变化特征Z_q中选定最大值Z_qmax以及最小值Z_qmin，识别Z_qmax以及Z_qmin是否满足：（Z_qmax-Z_qmin）÷Z_qmax≥50％，若满足，则直接生成安全异常信号进行展示，反之，则将所确认的比例参数“（Z_qmax-Z_qmin）÷Z_qmax”进行展示；

具体的，当对应的比例参数超过50％时，就代表在前期恒流阶段已存在隐性缺陷（如微短路、SEI膜破裂），恒压阶段持续充电会加剧锂枝晶生长，最终刺穿隔膜导致短路，电解液在高电位下持续分解产气，当壳体无法承受气压时会发生破裂，若气体与空气混合并遇到火花，可能引发爆炸，故需要及时进行信号展示，来进行安全预警。

上述公式中的部分数据均是去其纲量进行数值计算，同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (7)

1.一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对锂电子电池执行过充进程，同步对锂电子电池的内部电压进行实时监测，在内部电压超过设定标准时，再执行恒压充电进程，至充电电流降低至设定标准时止，并对过充进程中所关联的特征曲线进行记录；

步骤二、从过充进程中所确认的特征曲线中，提取恒流充电阶段的特征曲线，再从所提取的特征曲线中确认恒流变化趋势，并依次对所确认的恒流变化趋势进行校验处理，根据校验结果确认恒流充电阶段是否正常；

步骤三、从过充进程中所确认的特征曲线中，提取恒压充电阶段的特征曲线，并从所提取的特征曲线中确认恒压变化趋势，并从所确认的恒压变化趋势中确认趋势整体差异，从所确认的趋势整体差异中评定恒压充电阶段是否正常。

2.根据权利要求1所述的一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，其特征在于，所述步骤一中，对锂电子电池执行过充进程的具体方式为：

以3C电流进行恒流充电处理，并在充电进程中，对锂电子电池的内部电压进行实时监测，并将实时监测的内部电压记作U_i，其中i代表不同时刻；

确认所监测的内部电压U_i是否满足：U_i≥1.2X额定电压，若满足，则停止恒流充电进程，若未满足，则持续进行恒流充电，至内部电压U_i满足时停止，且额定电压为预设电压；

在内部电压U_i满足时，保持当前时刻的充电电压不变，并实时监测充电电流，当充电电流降低至0.05C时停止充电，确认本次过充进程所关联的时间周期，并确认该时间周期内锂电子电池所产生的电流变化曲线以及电压变化曲线，将所确认的变化曲线记作本次过充进程中所关联的特征曲线。

3.根据权利要求2所述的一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，其特征在于，所述步骤二中，从所提取的特征曲线中确认恒流变化趋势的具体方式为：

从恒流充电阶段进程中，确认充电开始时刻至锂电子电池内部电压达到额定电压关联时刻的关联时间段T1，再确认锂电子电池内部电压从额定电压爬升至U_i的关联时间段T2，其T1、T2均为单个时间段；

从两组特征曲线内提取关联时间段T1内所包括的两组部分特征曲线，将同时刻所关联的电压以及电流进行提取，并采用：变化趋势=电压÷电流，确认对应时刻所关联的变化趋势，并依据关联时间段T1的初始时刻至末端时刻的时间走向，生成对应变化趋势的趋势变化曲线，记作初曲线；

对关联时间段T2所关联的两组特征曲线采用初曲线相同的确定方式，生成对应关联时间段T2内所关联的变化趋势的变化曲线，记作次曲线。

4.根据权利要求3所述的一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，其特征在于，所述步骤二中，确认恒流充电阶段是否正常的具体方式为：

将所确认的初曲线以及次曲线均记作待处理曲线：确定相邻时刻之间前后相邻点位的变化特征，拟定相邻点位后一点位的变化趋势为Q1，前一点位的变化趋势为Q2，其变化特征=Q1-Q2，并将前后变化特征一致的部分曲线段记作同变化段，对待处理曲线内所关联的同变化段依次进行确定，并将每个同变化段的变化特征记作B_k，其中k代表待处理曲线内不同的同变化段；

在初曲线内，将若干个B_k进行均值处理，确定特征均值，再采用：CZ_k=|B_k-特征均值|确认对应B_k所关联的偏离值CZ_k，从所确认的若干组偏离值CZ_k中，选定最大值，并将最大值所关联的同变化段记作初曲线的待校验段；采用初曲线内待校验段相同的确定方式，对次曲线内所关联的待校验段进行确定；

将初曲线内待校验段的变化特征记作B1，再将次曲线内待校验段的变化特征记作B2，评定B1以及B2是否满足：（B1-B2）÷B1≥100％，若满足，则代表恒流充电过程中存在异常，直接生成安全异常信号进行展示。

5.根据权利要求4所述的一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，其特征在于，若B1以及B2不满足（B1-B2）÷B1≥100％，则执行后续的校验进程。

6.根据权利要求5所述的一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，其特征在于，所述步骤三中，评定恒压充电阶段是否正常的具体方式为：

从恒压充电阶段进程中，确认内部电压达到U_i的时刻记作初始时刻，再确认后续充电电流降低至0.05C的时刻记作末端时刻，将初始时刻与末端时刻之间的时间段记作关联时段；

从两组特征曲线内提取关联时段内所关联的两组部分特征曲线，并从两组部分特征曲线中提取同时刻所关联的电压以及电流，并采用：变化趋势=电压÷电流，确认对应时刻所关联的变化趋势，并依据关联时段的时间走向，生成变化趋势的趋势变化曲线，记作待定曲线；

在待定曲线中，确定相邻时刻之间前后相邻点位的变化特征，并将前后变化特征一致的部分曲线段记作同变化段，对待处理曲线内所关联的同变化段依次进行确定，并将每个同变化段的变化特征记作Z_q，其中q代表待定曲线内不同的同变化段；

从所确定的若干组变化特征Z_q中选定最大值Z_qmax以及最小值Z_qmin，识别Z_qmax以及Z_qmin是否满足：（Z_qmax-Z_qmin）÷Z_qmax≥50％，若满足，则直接生成安全异常信号进行展示。

7.根据权利要求6所述的一种固态储能锂电子电池安全风险预警方法，其特征在于，若Z_qmax以及Z_qmin不满足（Z_qmax-Z_qmin）÷Z_qmax≥50％，则将所确认的比例参数“（Z_qmax-Z_qmin）÷Z_qmax”进行展示。