本发明涉及动力电池监测领域，特别是涉及一种基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统及方法。
背景技术：
随着社会的发展，能源危机和环境问题已经成为世界关注的焦点。纯电动汽车以其零排放、零污染的特点被公认为是解决能源危机和环境问题有效方法。当前纯电动汽车主要搭载锂离子动力电池，锂离子动力电池具有高能量密度、无记忆性等特点，非常适合纯电动汽车的使用。但是当前液基电解质的锂离子动力电池在挤压碰撞等机械滥用工况下极易发生起火甚至爆炸的危险，成为了制约电动汽车安全性的障碍之一。
近年来因锂离子动力电池引发的纯电动汽车安全事故造成了重大的人员伤亡和财产损失，因而锂离子动力电池的安全性受到了社会的广泛关注。因此，为了提高纯电动新能源汽车的安全性，中国在2018年发布了最新版本的新车评估程序(c-ncap)，增加了纯电动汽车的安全测试。
在机械滥用工况下，判断锂离子电池失效的依据为力的突降、电压的突降和温度的骤升。对比于小型电池，如18650圆柱形锂离子动力电池，其失效特征较为明显而且几乎可以被立即判别。然而大型锂离子动力电池由于其高容量和大尺寸，使得电池在遭受冲击等机械滥用工况时，其能量并不会被立即释放，soc并不会立即出现明显的变化，导致电压和温度等常规的失效特征无法被及时判断，因而电池的早期失效预警十分困难。
当前工程方面对于锂离子动力电池安全预警主要集中在对电池电压、温度和电路结构等方面的预警。在碰撞挤压下大容量锂离子动力电池的容量即荷电状态(soc)并不会立刻发生改变，因而通过电压对锂离子电池安全的预警是不及时的。其次，因为锂离子动力电池其面内导热系数远大于另外两个方向的导热系数，因而当温度传感器监测到电池温升时，电池内部温度早已到达不可逆转的危险状态，因而通过温度判断电池的安全状态是有滞后性的。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统及方法，能够及时判断电池的安全状态。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，包括：螺旋丝杆、可拆卸连接部件、可伸缩推杆、光栅尺、位移标定器、位移传感器、止推板、安装背板和dsp控制器；
所述螺旋丝杆通过可拆卸连接部件与位移标定器连接，所述可伸缩推杆一端连接挤压试验机，另一端与所述位移标定器固定连接，所述位移标定器套在所述光栅尺上，所述光栅尺固定安装于所述安装背板上，所述位移传感器与所述位移标定器固定连接，所述dsp控制器连接所述位移传感器，所述止推板固定安装于所述安装背板上；
所述螺旋丝杆和可伸缩推杆用于带动所述位移标定器在光栅尺上移动，所述位移标定器用于在位移标定过程时输出位移量，所述位移传感器用于输出电压信号，所述止推板用于对所述位移传感器进行限位，所述dsp控制器用于将所述位移传感器的电压信号转换为位移值并根据所述位移值判断被挤压电池是否到达预警状态。
可选的，所述螺旋丝杆包括转柄、螺母底座、调整丝杆和丝杆螺母，所述转柄与调整丝杆为一体结构，所述螺母底座和丝杆螺母套在所述调整丝杆上，所述螺母底座固定于所述一体结构中靠近转柄的一端。
可选的，所述可伸缩推杆包括连接部和伸缩部，所述连接部用于与挤压试验机固定连接，所述连接部还用于带动所述伸缩部伸缩，所述伸缩部包括一根粗金属管和一根细金属管，所述细金属管套在所述粗金属管内。
可选的，还包括底座。
可选的，所述底座包括支腿。
可选的，所述支腿高度可调节。
可选的，所述丝杆螺母通过可拆卸连接部件与位移标定器固定连接。
一种基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警方法，所述方法应用于所述的基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，所述方法包括：
将丝杆螺母与位移标定器连接，并转动转柄；
获取第一电压信号和第一位移量；
根据所述第一电压信号和第一位移量建立电压信号和位移量的对应关系；
将丝杆螺母与位移标定器断开，并将所述推杆与挤压试验机连接；
获取第二电压信号；
根据所述电压信号和位移量的对应关系计算第二电压信号对应的第二位移量；
判断所述第二位移量是否达到动力电池的失效预警位移；
若是，输出预警信号。
可选的，采用公式xfailure＝-0.5276·soc3-0.4568·soc2-1.503·soc 7.899确定动力电池的失效预警位移，其中，xfailure为动力电池的失效预警位移，soc为动力电池的容量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过监测电池在挤压工况下被挤压位移与安全预警位移值进行对比，能够及时判断电池的安全状态，进而实现对电池安全状态的预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统结构示意图；
图2为本发明基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警方法流程图；
图3为本发明实施例基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警原理示意图；
图4为本发明实施例不同soc下动力电池抵抗外力的能力示意图；
符号说明：1-可伸缩推杆，2-转柄，3-螺母底座，4-调整丝杆，5-丝杆螺母，6-可拆卸连接部件，7-位移传感器，8-位移传感器探头，9-底座，10-dsp控制器，11-安装背板，12-光栅尺，13-位移标定器，14-止推板，15-支腿。
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。
本发明的目的是提供一种侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统及方法，能够及时判断电池的安全状态。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统结构示意图；如图1所示，一种基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，包括可伸缩推杆1、转柄2、螺母底座3、调整丝杆4、丝杆螺母5、可拆卸连接部件6、位移传感器7、底座9、dsp数字信号处理芯片控制器10、安装背板11、光栅尺12、位移标定器13、止推板14和四个支腿15。
可伸缩推杆1包括上部的连接部和下部的伸缩部，伸缩部包括粗细两根金属管，细金属管套在粗金属管内，通过螺栓与位移标定器13相连，通过伸缩粗金属杆利用螺栓固定可实现推杆长度的变化；转柄2固定在调整丝杆4一端，调整丝杆4通过螺母底座3固定在安装背板11上，进而实现转柄2-螺母底座3-调整丝杆4-丝杆螺母5所组成的位移标定机构的固定；可拆卸连接部件6在位移标定阶段通过螺栓连接实现位移标定机构和位移标定器13的连接，在位移测量阶段拆除螺栓即可将位移标定机构和位移标定器13分离；光栅尺12通过螺栓连接固定在安装背板11上，位移标定器13套接在光栅尺12上，位移传感器7通过金属部件过盈连接固定在位移标定器13上，进而光栅尺12-位移标定器13-位移传感器7组成的位移测量机构被固定在安装背板11上；止推板14利用螺栓连接在安装背板11上，用以阻止位移传感器探头8的运动。安装背板11通过螺栓固定在底座9上，底座9上的四根支腿15用粗螺栓制成，用以调节整个系统的水平。dsp控制器10通过杜邦线与位移传感器7实现信号交流，图1中为了体现dsp控制器10因而在模型中将dsp控制器10放置于安装背板11上，在实际使用过程中dsp控制器10可不与系统发生直接安装联系，通过延长杜邦线可实现远距离控制监测。
可伸缩推杆1的作用是与挤压试验机相连接，实现该结构与挤压试验机间产生同步位移；转柄2-调整丝杆-4丝杆螺母5组成位移标定机构；位移传感器7用于实时记录电池被挤压的位移量；底座9用以固定预警设备；dsp控制器10与位移传感器7相连接，直接接收位移传感器7的电压信号，dsp控制器10内编程有预警算法和位移-电压转换算法，可实时记录电池被挤压的位移量并与xfailure失效预警位移相比较，当得到的位移量达到预警阈值时，输出预警信号；安装背板11用于固定垂直布置的各设备部件；光栅尺12-位移标定器13-位移传感器7组成活动联合体，可与转柄2-调整丝杆4-丝杆螺母5组成位移标定机构相连接进行相关的位移传感器7的位移标定工作，在位移标定阶段，位移标定机构与位移测量机构通过可拆卸连接部件6相连接，转动转柄2，调整丝杆4将旋转运动转化为位移测量机构的直线运动，带动位移标定器13沿光栅尺12上下运动，读取位移标定器13在光栅尺12上运动位移值和dsp控制器10读取的位移传感器7的电压信号值，通过matlab拟合标定位移与电压即可实现位移的标定过程并获得电压信号和位移量的对应关系；止推板14用于阻止位移传感器探头8的移动，使得位移传感器7内部产生相对位移进而输出电压信号；支腿15用于调整设备高度。
本发明还公开了一种基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警方法，如图2所示，包括：
步骤201：将丝杆螺母与位移标定器连接，并转动转柄；
步骤202：获取第一电压信号和第一位移量；
步骤203：根据所述第一电压信号和第一位移量建立电压信号和位移量的对应关系；
步骤204：将丝杆螺母与位移标定器断开，并将所述推杆与挤压试验机连接；
步骤205：获取第二电压信号；
步骤206：根据所述电压信号和位移量的对应关系计算第二电压信号对应的第二位移量；
步骤207：判断所述第二位移量是否达到动力电池的失效预警位移；
步骤208：若是，输出预警信号。
其中，采用公式xfailure＝-0.5276·soc3-0.4568·soc2-1.503·soc 7.899确定动力电池的失效预警位移，其中，xfailure为动力电池的失效预警位移，soc为动力电池的容量。
具体的，本发明的具体工作过程如下：
首先进行位移传感器标定工作，将位移传感器与位移标定器固定在一起组成联合体，然后将丝杆螺母与位移标定器通过可拆卸连接部件连接，这样丝杆螺母-位移传感器-位移标定器-光栅尺就构成了位移标定配置，丝杆螺母位于调整丝杆上，转动转柄，调整丝杠随之转动，丝杆螺母将调整丝杆的转动运动转化为直线运动，带动位移传感器-位移标定器沿光栅尺上下运动，位移传感器下方探头被止推板阻止运动，因而在位移传感器内产生相对运动，进而产生传感器电阻的变化，使得输出电压发生变化，电压的变化被dsp控制器实时记录，同时光栅尺实时输出位移传感器-位移标定器的位移变化，人工读出光栅尺的读数后，通过matlab软件关联位移传感器的电压值和光栅尺的位移值即可完成位移传感器的标定工作。
然后进行动力电池安全监测工作，在使用前首先断开丝杆螺母与位移传感器间的可拆卸连接部件，这样可伸缩推杆对位移传感器的移动就不受调整丝杆的限制。电池被置于挤压试验机托盘上，由压头挤压电池，可伸缩推杆与位移传感器-位移标定器通过螺栓相连，但位移标定器在该过程中不作用，向下推动可伸缩推杆即可产生移动位移传感器的作用，使位移传感器输出变化的电压信号。可伸缩推杆与挤压试验机相连接，当挤压试验机挤压电池时带动可伸缩推杆向下移动，可伸缩推杆进而带动位移传感器移动，因位移传感器下方探头被止推板阻止，因而位移传感器输出随位移变化的电压信号，由于前期通过位移标定工作已事先知晓电压与位移的线性关系，因而电压信号在dsp中被转化为电池被挤压的位移量。
在dsp中电池被挤压的位移量将和xfailure进行比较，当挤压位移量达到xfailure失效预警位移(动力电池的失效预警位移)时，dsp将输出预警信号。
本发明确定xfailure失效预警位移的原理如下：
基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警理论模型原理如图3所示，其等效力学结构由弹簧(k)-阻尼(d1s)并联后串联阻尼(d2s)组成，x(t)为输入位移，f(t)为输出载荷力，根弹簧-阻尼系统的理论，时域内的x(t)与f(t)在频域内由x(s)与f(s)所表示，因而频域内理论模型原理可由式(1)表达，整理后得到式(2)，
式中d1、d2为阻尼的阻尼系数，k为弹簧弹性系数，s为频域表达符号，s＝ωt，ω为角频率。
由频域向时域内转换的拉普拉斯反变换如式(3)所示，
式中xo(t)和fi(t)分别为时域内的位移和力，xo(s)和fi(s)分别为频域内的位移和力，l-1为拉普拉斯反变换符号，t为时间，j为虚数的虚部，a为正实数。
由式(3)将式(2)从频域内转到时域内，表达式如式(4x)所示，因为在实验中时间t可为加载位移x和加载速度v所表示，所以将
研究式(4)的特性可知其凹凸性在定义域内由凹性变为凸性，式(4)的一阶导数如式(5)所示，根据实验获得不同荷电状态(soc)下模型各参数与soc的关系如式(6)所示，电池抵抗外力的能力fd如图4所示，可见当电池变形达到一定量时，电池承载外力的能力发生变化，因而可用式(5)来进行电池挤压安全的失效预警。
通过进一步分析计算，得到电池在不同soc下的失效预警位移如式(7)所示，xfailure即为失效预警位移。将xfailure表达式编程进入dsp(数字信号处理芯片)控制器中即可实现预警。
xfailure＝-0.5276·soc3-0.4568·soc2-1.503·soc 7.899(7)
其中，xfailure为动力电池的失效预警位移，soc为动力电池的容量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，其特征在于，包括：螺旋丝杆、可拆卸连接部件、可伸缩推杆、光栅尺、位移标定器、位移传感器、止推板、安装背板和dsp控制器；
所述螺旋丝杆通过可拆卸连接部件与位移标定器连接，所述可伸缩推杆一端连接挤压试验机，另一端与所述位移标定器固定连接，所述位移标定器套在所述光栅尺上，所述光栅尺固定安装于所述安装背板上，所述位移传感器与所述位移标定器固定连接，所述dsp控制器连接所述位移传感器，所述止推板固定安装于所述安装背板上；
所述螺旋丝杆和可伸缩推杆用于带动所述位移标定器在光栅尺上移动，所述位移标定器用于在位移标定过程时输出位移量，所述位移传感器用于输出电压信号，所述止推板用于对所述位移传感器进行限位，所述dsp控制器用于将所述位移传感器的电压信号转换为位移值并根据所述位移值判断被挤压电池是否到达预警状态。
2.根据权利要求1所述的基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，其特征在于，所述螺旋丝杆包括转柄、螺母底座、调整丝杆和丝杆螺母，所述转柄与调整丝杆为一体结构，所述螺母底座和丝杆螺母套在所述调整丝杆上，所述螺母底座固定于所述一体结构中靠近转柄的一端。
3.根据权利要求1所述的基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，其特征在于，所述可伸缩推杆包括连接部和伸缩部，所述连接部用于与挤压试验机固定连接，所述连接部还用于带动所述伸缩部伸缩，所述伸缩部包括一根粗金属管和一根细金属管，所述细金属管套在所述粗金属管内。
4.根据权利要求1所述的基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，其特征在于，还包括底座。
5.根据权利要求4所述的基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，其特征在于，所述底座包括支腿。
6.根据权利要求5所述的基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，其特征在于，所述支腿高度可调节。
7.根据权利要求2所述的基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，其特征在于，所述丝杆螺母通过可拆卸连接部件与位移标定器固定连接。
8.一种基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-7中任一项所述的基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警系统，所述方法包括：
将丝杆螺母与位移标定器连接，并转动转柄；
获取第一电压信号和第一位移量；
根据所述第一电压信号和第一位移量建立电压信号和位移量的对应关系；
将丝杆螺母与位移标定器断开，并将所述可伸缩推杆与挤压试验机连接；
获取第二电压信号；
根据所述电压信号和位移量的对应关系计算第二电压信号对应的第二位移量；
判断所述第二位移量是否达到动力电池的失效预警位移；
若是，输出预警信号。
9.根据权利要求8所述的基于侵彻位移监测的锂离子动力电池安全预警方法，其特征在于，采用公式xfailure＝-0.5276·soc3-0.4568·soc2-1.503·soc 7.899确定动力电池的失效预警位移，其中，xfailure为动力电池的失效预警位移，soc为动力电池的容量。
技术总结