摘要
锂离子电池能量密度大、循环性能好，近年来已被广泛应用于电池储能系统及各类机电设备。但随着电池比能量的不断提高，内短路故障逐渐成为锂离子电池储能系统安全事故的主要原因，给用户造成巨大的人身伤害和经济损失。快速准确检测内短路故障，及时清除热失控隐患，是保障电池储能系统安全运行的重要手段，但当前故障检测缺少可靠的建模和模拟触发实验方案。本文面向内短路故障建模、模拟触发实验及故障检测的三重需求，建立锂离子电池电化学-热耦合仿真模型，搭建针刺模拟触发内短路故障实验平台，开展仿真与针刺实验，基于锂离子电池电热特性与故障特征，提出一种内短路故障检测方法。主要工作如下： （1）研究锂离子电池内短路故障机理与构建数值仿真模型 基于事故调查以及文献综述，指出内短路故障的事故致因和触发机理，阐明内短路故障由安全隐患、故障发展、热失控直至热蔓延的发展时序和影响因素。建立集总参数估计模型获取锂离子电池动力学和传递属性，构建电化学-热耦合3D模型，模拟内短路故障电池电热行为，提取内短路故障演变过程中电池的电热特性与故障特征。 （2）设计并开展锂离子电池内短路故障针刺模拟触发实验 搭建针刺模拟触发实验平台，采用大容量锂离子电池单体及模组作为实验对象，设计并开展选型电池绝热热失控实验和针刺模拟触发实验，获得选型电池的热失控特征温度，分析揭示钢钉步进速率、钢钉形状、被测电池初始荷电状态、电池模组串并联形式等各种因素对实验结果的影响。 （3）提出锂离子电池储能系统内短路故障检测方法 根据内短路故障时的电池电压/温度变化特性，提出一种锂离子电池储能系统内短路故障检测方法。基于累积和事件突变点识别方法，识别疑似内短路故障事件段；基于三维故障特征刻画检测对象内短路故障特征属性，构建Wasserstein 测度的内短路故障特征距离矩阵；检测三维空间各点稀疏特性，客观划定故障聚类，实现内短路故障检测。采用仿真与实测实验数据验证本文方法，结果表明本文方法能够准确识别疑似内短路故障事件段，在不同串并联形式及故障类型下实现故障检测，证明了本文方法的正确性与可行性。
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