基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法

1.基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其特征在于：电池管理系统包括多个子单元，相邻的子单元之间增加隔热装置，所述隔热装置包括石棉纸，从而将所述子单元之间的热失控影响因素概率大幅度降低，避免其中一个电池单体或者电池模组的起火或者燃烧，引发周边电池单体或者模组不可逆转的失控，该设计方法包括以下步骤：
步骤1)根据电池管理系统的构架特点建立复杂电池管理系统的分析模型；
步骤2)根据所述电池管理系统各个子单元之间的相互影响关系，建立复杂脆性电池管理系统的分析模型；
步骤3)分析所述步骤2)中建立的所述复杂脆性电池管理系统的熵变规律和脆性的稳定性；
步骤4)根据所述步骤3)得到的复杂脆性电池管理系统的熵变规律和脆性崩溃影响因素，重新构建各个所述子单元之间的相互影响因素，降低所述动力电池系统崩溃的概率，使得脆性崩溃影响因素发生时，所述动力电池系统自动恢复到一个稳定的状态。
2.如权利要求1所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其特征在于：所述子单元包括相互串联的至少两个电池单体、至少两个电池模组中的至少一种，在所述步骤4)中，将串联关系的至少两个所述电池单体或电池模组之间的相互影响因素切断，仅保留并联关系的所述电池单体或电池模组之间的相互影响因素。
3.如权利要求2所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其特征在于，在串联关系的每两个相邻的所述子单元之间增加绝缘隔离装置，所述绝缘隔离装置包括绝缘纸。
4.如权利要求2所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其特征在于，在串联关系的每两个相邻的所述子单元之间增加热熔胶。
5.如权利要求2所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其特征在于，在串联关系的每两个相邻的所述子单元之间增加电流切断装置。
6.如权利要求2所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其特征在于，在所述电池模组的焊接板上增加ABS阻燃板。
7.如权利要求2所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其特征在于，在所述电池单体的正负极焊接板上增加打胶工艺。
8.如权利要求2所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其特征在于，在所述电池单体的外壳增加灌胶工艺。

基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计\n方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于电动汽车用动力电池安全性控制技术领域，具体涉及一种基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法。\n背景技术\n[0002] 现阶段由于动力电池材料所限，动力电池的环境适应性能和使用安全性能还无法满足整车恶劣条件下的使用要求，因此需要设计高效的动力电池管理系统(BMS)从而实现对动力电池的有效管理。随着电动汽车的飞速发展，对于BMS的功能和要求日益增多，BMS的系统设计也越来越呈现功能复杂和控制逻辑多样化的特点。随着BMS子单元数量的不断增多且其相互之间关联和作用关系的日益复杂，加之外部环境的要求和不确定性也在不断增加，BMS某个子单元或者某种功能模块或特性的丧失，突变等都有可能造成整个BMS功能的丧失或者突然崩溃，这种崩溃对于系统自身及关联环境都是致命的危害。\n发明内容\n[0003] 为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法；采用该设计方法可以提高动力电池系统的安全性、稳定性和降低崩溃的概率。\n[0004] 为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：\n[0005] 基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，电池管理系统包括多个子单元，相邻的子单元之间增加隔热装置，所述隔热装置包括石棉纸，从而将所述子单元之间的热失控影响因素概率大幅度降低，避免其中一个电池单体或者电池模组的起火或者燃烧，引发周边电池单体或者模组不可逆转的失控；\n[0006] 包括以下步骤：\n[0007] 步骤1)根据电池管理系统的构架特点建立复杂电池管理系统的分析模型；\n[0008] 步骤2)根据所述电池管理系统各个子单元之间的相互影响关系，建立复杂脆性电池管理系统的分析模型；\n[0009] 步骤3)分析所述步骤2)中建立的所述复杂脆性电池管理系统的熵变规律和脆性的稳定性；\n[0010] 步骤4)根据所述步骤3)得到的复杂脆性电池管理系统的熵变规律和脆性崩溃影响因素，重新构建各个所述子单元之间的相互影响因素，降低所述动力电池系统崩溃的概率，使得脆性崩溃影响因素发生时，所述动力电池系统自动恢复到一个稳定的状态。\n[0011] 优选的是，所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其中，所述子单元包括相互串联的至少两个电池单体、至少两个电池模组中的至少一种，在所述步骤4)中，将串联关系的至少两个所述电池单体或电池模组之间的失效影响因素切断，仅保留并联关系的电池单体或电池模组之间的相互失效影响因素。\n[0012] 优选的是，所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其中，在串联关系的每两个相邻的所述子单元之间增加绝缘隔离装置，所述绝缘隔离装置包括绝缘纸。\n[0013] 优选的是，所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其中，在串联关系的每两个相邻的所述子单元之间增加热熔胶。\n[0014] 优选的是，所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其中，在串联关系的每两个相邻的所述子单元之间增加电流切断装置。\n[0015] 优选的是，所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其中，在所述电池模组的焊接板上增加ABS阻燃板。\n[0016] 优选的是，所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其中，在所述电池单体的正负极焊接板上增加打胶工艺。\n[0017] 优选的是，所述的基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，其中，在所述电池单体的外壳增加灌胶工艺。\n[0018] 一种动力电池系统的复杂系统脆性理论设计方法，包括：\n[0019] (1)分析电池管理系统不同子单元和子单元相互之间的影响因素和影响因子，根据脆性复杂系统的理论分析公式，构建动力电池系统的复杂分析模型，来分析构建动力电池系统的脆性：\n[0020] 假设脆性源为a0，从遭受外界作用到崩溃的状态值为 系统状\n态由0和1之间的两位小数表示，1表示系统崩溃；gi(t＝1,2,…m)表示 在t时刻具有m种崩溃情况的概率，即：\n[0021]\n[0022] 每个基点状态下 的物理熵为：\n[0023]\n[0024] 所述(公式2)中，K＝3.2983×10-24为波尔兹常数，t＝1,2,…,n；\n[0025] 如果 为初始状态，则初始状态下的衡量系统无序程度的量为：\n[0026]\n[0027] 若相邻个数为2，则每一组的ai-1,ai,ai+1就组成了一个单脆性源，双接受者的脆性单元；\n[0028]\n[0029] 所述(公式4)， 和 分别为ai-1和ai+1在t时刻提供的负熵流；\n[0030] 将电池单体失效扩散系统作为整个电池管理系统的子单元，设S为电池管理系统的样本空间，a0作为子单元失效扩散的基点，子单元相邻的两个临近系统可以作为元胞a-1和a1，p1＝l1/L1，L1为子单元失效的最大样本数，l1为实际发生失效的子单元样本，p1为系统崩溃的概率，每个时刻的基点状态为 接下来以系统不进行有效干预的情况下，对于a0的崩溃概率进行计算；然后在系统干预的情况下，再次对于a0的崩溃概率进行计算，对比分析设计电池复杂系统的稳定性；\n[0031] 以统计得到的电池系统单体电池失效概率数据作为参考输入，初始状态值代入所述(公式4)计算得到计算结果；当计算到t＝13时，a0崩\n溃，说明在系统不干预，即不引入负熵流的情况下，子单元崩溃速度很快，伴随着a0的崩溃，和a0相互耦合的脆性接受者a1和a2的熵值也在增加；当a0崩溃后，熵值突然增加，向ai吸收负熵流，熵增速度过快，负熵流无法弥补熵增，最终a0在t＝13时崩溃，ai由于负熵加快了自己的熵增，也接近崩溃，最终导致整个系统崩溃；\n[0032] (2)针对上述分析的结果，修改所述电池系统的子单元之间的脆性关联构架，降低关联子单元相互之间的脆性联系：\n[0033] 修改电池系统结构后的复杂系统，根据关系系统概率 时，其他脆性事件的概率为0的不可能事件，根据\n[0034]\n[0035] 可知，当qi＝1(当且仅当i＝j时)，当i≠j时，有qi＝0，此时的复杂系统的脆性风险熵为0，\n[0036]\n[0037] 由所述(公式5)可知，系统的脆性事件空间为确定的事件空间时，系统的脆性风险熵为0，此时系统的风险具有了确定性；当迭代计算步长达到19次后，熵值已经达到最大，这表明系统崩溃的概率最高。\n[0038] 本发明的有益效果：本案将复杂系统的脆性理论引入到动力电池系统的设计中，重点分析动力电池系统崩溃的连锁效应，即某一子单元的崩溃引发的连锁崩溃效应，研究优化动力电池系统构架设计，将子单元崩溃对整个动力电池系统带来的影响控制到最低；\n将整个电池管理系统作为一个将脆性源、脆性接收者和脆性联系等组成的开发复杂系统，以控制熵变作为衡量系统稳定性和崩溃概率的基本物理量，来分析电池管理系统各个子单元的有序程度和综合影响，优化电池系统的设计构架和各个子单元之间的相互影响因素，提高动力电池系统的安全性、稳定性和降低崩溃的概率。\n附图说明\n[0039] 图1为系统不干预情况下a0状态曲线结果示意图；\n[0040] 图2为系统不干预情况下ai的熵变结果示意图；\n[0041] 图3为完全脆性联系系统变更为双边脆性联系的示意图；\n[0042] 图4为系统干预情况下a0状态曲线结果示意图；\n[0043] 图5为系统干预情况下ai的熵变结果示意图；\n[0044] 图6为电池模组焊接板上两边增加ABS阻燃板示意图；\n[0045] 图7为电池增加电流切断装置示意图。\n[0046] 其中，1-电池模组焊接板，2-ABS阻燃板，3-电流切断装置，4-柔性熔断连接装置。\n具体实施方式\n[0047] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。\n[0048] 复杂系统的脆性产生部分称之为脆性源，即脆性源部分的崩溃引发了其他部分的崩溃，根据脆性源作用方式的不同，脆性源被分为直接脆性源和间接脆性源，根据所起到重要程度的不同，脆性源又分为主脆性源和次脆性源。受其他子单元崩溃而崩溃的部分称为脆性接受者。脆性接受者和脆性源并不是唯一对应关系的。脆性源、脆性接收者和脆性联系可以组成一个开放的复杂系统，以熵作为衡量这一基本单元中各子单元有序程度的基本物理量来分析动力电池系统的脆性。\n[0049] 分布式结构拓扑方案的优点是便于进行介质的访问和控制，主从板之间的通信通过特定的通信协议来进行，同时某个节点的退出或者故障不会对其他节点的通信造成影响。按照从板与主板之间的通信方式不同，又可分为总线型与信号线连接型。信号线连接型主要特点是主从板之间的通信是通过信号线完成的。这种连接方式的主要缺点有：1.通信线路长度较长，不易维护；2.可拓展性差，不能随意增加从控单元。总线型连接方式更加灵活，拓展性强，如果需要增加电池和相应的从控单元数量，只需要增加一小段通信线材即可。\n[0050] 在分布式动力电池管理系统拓扑结构的基础上，分析电池管理系统不同子单元和子单元相互之间的影响因素和影响因子，根据脆性复杂系统的理论分析公式，构建动力电池系统的复杂分析模型，来分析构建动力电池系统的脆性。\n[0051] 假设脆性源为a0，从遭受外界作用到崩溃的状态值为 系统状\n态由0和1之间的两位小数表示，1表示系统崩溃。gi(t＝1,2,…m)表示 在t时刻具有m种崩溃情况的概率，即\n[0052]\n[0053] 每个基点状态下 的物理熵为：\n[0054]\n[0055] 式中，K＝3.2983×10-24为波尔兹常数，t＝1,2,…,n。\n[0056] 如果 为初始状态，则初始状态下的衡量系统无序程度的量为：\n[0057]\n[0058] 若相邻个数为2，则每一组的ai-1,ai,ai+1就组成了一个单脆性源，双接受者的脆性单元。\n[0059]\n[0060] 式中， 和 分别为ai-1和ai+1在t时刻提供的负熵流。\n[0061] 将电池单体失效扩散系统作为整个电池管理系统的子单元，该子单元具有复杂性、开放性、非线性的特点，进而会展现出涌现性、层次性和巨量性的特点。设S为电池管理系统的样本空间，a0作为子单元失效扩散的基点，子单元相邻的两个临近系统可以作为元胞a-1和a1，p1＝l1/L1，L1为子单元可能失效的最大样本数，l1为实际发生失效的子单元样本，p1为系统可能崩溃的概率，每个时刻的基点状态为 接下来以系统不进行有效干预的情况下，对于a0的崩溃概率进行计算；然后在系统干预的情况下，再次对于a0的崩溃概率进行计算，对比分析设计电池复杂系统的稳定性。\n[0062] 以统计得到的电池系统单体电池失效概率数据作为参考输入，初始状态值代入公式(4)计算得到图1的计算结果。由图1中可以知道，当计\n算到t＝13时，a0崩溃，说明在系统不干预，即不引入负熵流的情况下，子单元崩溃速度很快，伴随着a0的崩溃，和a0相互耦合的脆性接受者a1和a2的熵值也在增加，如果假设两个脆性接受者耦合作用相同，即 则可以得到图2所示的邻居元胞ai的熵\n变结果。\n[0063] 由图1和图2的结果可以分析得到，当a0崩溃后，熵值突然增加，由于其本身的开放性，向ai吸收负熵流，熵增速度过快，负熵流无法弥补熵增，最终a0在t＝13时崩溃，ai由于负熵加快了自己的熵增，也接近崩溃，最终导致整个系统崩溃。\n[0064] 针对分析的结果，修改电池系统的子单元之间的脆性关联构架，降低关联子单元相互之间的脆性联系。如图3所示，将原本3个完全脆性联系的单元修改为双边脆性联系单元，子单元B和C(可以分别为具有相对独立的动力电池单体，子单元之间通过busbar或者其他连接装置关联在一起)之间无直接的脆性联系，但是都和子单元A有相互的脆性联系。这样就避免了原脆性关联结构模式下，任何一个子单元的崩溃都会干扰到另外两个相邻子单元正常工作。如此，子单元B和C崩溃，不会干扰子单元A工作；子单元A崩溃，会影响到子单元B和C。这样的设计下，子单元A变为子单元B和C的上一个层级。\n[0065] 子单元A、B、C既可以是电池单体，也可以是电池模组。以电池单体为例进行说明：\n[0066] 1.在子单元A、B、C构成的电池模组的两边固定焊接板1上，增加ABS阻燃材料板，将子单元A、B、C之间的热失控相互影响因素的影响因子降低为0，即子单元(单体电池，例如A)的热失控不会影响到周围的其他子单元(其他电池单体，例如B和C)，即A、B、C三个子单元的热失控影响关系被切断，相互影响因素概率为0，即A、B、C任何一个子单元的热失控相互之间均不互相影响，崩溃概率不会增高。\n[0067] 2.假设子单元A为主控模块、子单元B、C为数据采集系统，在不分层管控的情况下，\n3个子单元的相互影响关系为图3中左图的结构，任何一个子单元的崩溃很容易造成子单元A、B、C的整个崩溃。\n[0068] 如果修改子单元A、B、C的结构设计，将子单元B、C之间的相互数据交互关系切断，将子单元A升级为子单元B和C的上一级系统，则形成了分布式的典型拓扑结构，即图3中右图所示。B和C的相互影响关系被切断，整个系统的崩溃风险概率降低为B和C与A之间的相互影响概率，如果采取有效的数据处理措施，保证在子单元C崩溃的情况下，A可以借用子单元B的数据和上一时刻得到的子单元C的正常数据去模拟失效后的子单元C的数据，则在一个有效的实际周期内，系统可以保持正常的运转而不会造成整个系统的崩溃。\n[0069] 以某电池模组结构为例，在电池失效时(如过充、过热和短路等)，电池内可能产生大量气体，进而导致内部压力升高和电池包变形。此时，焊接到泄压片和铝板上的焊点就会脱落，泄压片还可能翻转并导致电池内部短路。\n[0070] 基于复杂系统脆性理论的带有隔热装置动力电池系统设计方法，包括以下步骤：\n[0071] 步骤1)根据电池管理系统的构架特点建立复杂电池管理系统的分析模型；\n[0072] 步骤2)根据电池管理系统各个子单元之间的相互影响关系，建立复杂脆性电池管理系统的分析模型；\n[0073] 步骤3)分析步骤2)中建立的复杂脆性电池管理系统的熵变规律和脆性的稳定性；\n[0074] 步骤4)根据步骤3)得到的复杂脆性电池管理系统的熵变规律和脆性崩溃影响因素，重新构建各个子单元之间的相互影响因素，降低动力电池系统崩溃的概率，使得脆性崩溃影响因素发生时，动力电池系统自动恢复到一个稳定的状态。\n[0075] 进一步的，子单元包括相互串联的至少两个电池单体、至少两个电池模组中的至少一种，在步骤4)中，将串联关系的至少两个所述电池单体或电池模组之间的失效影响因素切断，仅保留并联关系的电池单体或电池模组之间的相互失效影响因素。\n[0076] 进一步的，对某电池系统的设计结构进行优化，可在电池内部增加了电流切断装置CID3(Current Interrupt Device,CID)，见图7所示，其包含柔性熔断连接装置4，增加CID3的作用是，当单个电池的失效时，其会通过柔性熔断连接装置4自动从电池模组中隔离出来，不会影响到相邻电池单体。以上问题具体介绍：相邻的两个电池单体可以看做为子单元B和C，在B和C之间增加CID3的设计其实就是想办法把子单元B和C之间的过流引起的相互失效影响关系切断，即如果B的内部发生了过流故障，电池损坏，则CID3可以将B和C之间相连的保险丝熔断，损坏的B和C完全隔离开来，则B的实效对于C的过流失效影响因素降低为\n0，这一点和前面的分析是一致的。\n[0077] 进一步的，在单个电池单体之间增加绝缘纸或其他绝缘隔离装置，切断相邻电池单体之间的相互影响关系，使得某个单体电池的绝缘故障不会对周边电池单体造成影响，从而降低绝缘失效可能引起该区域电池大面积失效的概率，从而引起电池系统的崩溃。\n[0078] 进一步的，在不同的电池模组之间，增加石棉纸等隔热装置，将电池单体之间的热失控影响因素概率大幅度降低，避免某个电池单体或者模组的起火或者燃烧，引发周边电池单体或者模组不可逆转的失控，从而引起大面积的实效情况发生。\n[0079] 进一步的，在单个电池单体之间增加绝缘纸或其他绝缘隔离装置，切断相邻电池单体之间的相互影响关系，使得某个单体电池的绝缘故障不会对周边电池单体造成影响，从而将失效电池单体对于周边相邻电池单体的相互影响失效概率降低到0，从而将绝缘失效可能引起该区域电池大面积失效的概率大幅度的降低，使得单体电池失效引起电池系统的崩溃的概率大大降低，影响因素之间的影响因子权重大大降低。\n[0080] 进一步的，在某个电池子单元发生崩溃后，可以采取有效的控制措施，比如可熔断性的电阻CID3、电池单体之间增加的绝缘纸、或者在相互串联的电池单体之间通过增加热熔胶的方式，将串联关系电池单体之间的失效影响因素切断，仅仅保留并联电池单体之间的相互失效影响因素，从而将部分崩溃系统和其他相邻系统的脆性联系断开，崩溃子单元和整个系统实现隔离，该子单元和上层关联系统之间的所有信号和控制结果全部改用崩溃前一时刻的默认值或者等效值替代，以避免崩溃子单元的异常数据交互对于上层系统和相邻系统干扰从而造成整个系统工作异常，从而加剧熵值的增加。\n[0081] 关于 有效的措施增补介绍：在电池单体之间增加CID电流切断装置3，详见图7，在电池模组的焊接板1上增加ABS阻燃板2设计，详见图6，在电池单体的正负极焊接板上增加打胶工艺，在电池单体的外壳增加灌胶工艺等，都是提高子单元崩溃对于周边子单元崩溃影响因子的有效措施。\n[0082] 修改电池系统结构后的复杂系统，根据关系系统概率 时，其他脆性事件的概率为0的不可能事件，根据可知，当qi＝1(当且仅当i＝j时)，当i≠j时，有qi＝0。此时的复杂系统的脆性风险熵为0。\n[0083]\n[0084] 由公式5可知，系统的脆性事件空间为确定的事件空间时，系统的脆性风险熵为0，此时系统的风险具有了确定性。\n[0085] 图4和图5分别为采取了有效的控制措施，系统干预后得到的和熵变的结果。由图4和图5可知，采取有效干预措施后，电池子单元的实效扩散得到了有效的遏制，当迭代计算步长达到19次后，熵值已经达到最大，这表明系统崩溃的概率最高。接下来采取有效控制措施后，系统崩溃概率明显得到改善，可说明控制措施是有效的。\n[0086] 当复杂电池系统的子单元如果没有得到有效的调节时，当某个子单元的失效扩散规模突然扩大而崩溃时，由子单元的耗散理论，该子单元会向相邻的子单元吸收负熵流，对其他关联系统产生脆性作用，进而导致整个系统陷入无序状况而崩溃。减缓熵增的速度，是阻止崩溃的有效措施。通过有效措施的调节，临近子单元不再提供负熵，子单元的崩溃可以避免临近的子单元和崩溃，从而导致整个系统崩溃失去控制。\n[0087] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。